-
TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
-
Die vorliegende Erfindung betrifft eine mehrstufige Verdichteranordnung für einen Turbolader.
-
STAND DER TECHNIK
-
Turbolader mit einer mehrstufigen Verdichteranordnung sind aus dem Stand der Technik bekannt. Die
GB 1020942 zeigt eine solche mehrstufige Verdichteranordnung, welche aus einer Anzahl von Verdichterrädern besteht, die gemeinsam mit einer drehbar gelagerten Welle verbunden sind. Dabei wird das Drehmoment der Welle auf die Verdichterräder übertragen. Das Aufbringen der einzelnen Verdichterräder kann beispielweise über ein Schrumpfverfahren erfolgen, bei welchem die Verdichterräder zunächst gleichmässig erwärmt und anschliessend auf eine Welle aufgeschoben werden. Eine andere Möglichkeit, wie eine mehrstufige Verdichteranordnung mit einer Welle zur Uebertragung eines Drehmoments von der Welle auf die Verdichterräder verbunden werden kann, zeigt die
US 5025629. Dabei wird eines der beiden Verdichterräder über eine Schraubverbindung mit der Welle lösbar gekoppelt. Die Drehmomentübertragung von der Welle auf die beiden Verdichterräder erfolgt dabei also über eine kraftschlüssige Verbindung. In der Regel müssen bei mehrstufigen Verdichteranordnungen nach dem Aufbringen der einzelnen Verdichterräder auf die gemeinsame Welle, anschliessend die einzelnen Verdichterräder bezüglich ihrer Umfangspositionierung zueinander ausgerichtet werden. Dabei werden die Schaufeleintrittskanten des einen Verdichterrades mit den Schaufelenden des anderen Verdichterrades in Deckung gebracht, um ein optimales Betriebsverhalten der Verdichteranordnung sicherzustellen. Die eingangs beschriebenen Verdichterradanordnungen weisen jedoch folgende Nachteile auf. Die kraftschlüssige Verbindung der Verdichterräder mit der gemeinsamen Welle erfordert stets eine zeitaufwändige Montage und Demontage im Servicefall, was zu verlängerten Servicezeiten führt. Ausserdem ist nach einer Demontage beider Verdichterräder und einer wiederholten Montage eine erneute und damit zeitaufwändige Ausrichtung beider Verdichterräder zueinander erforderlich. Wenn der Turbolader zudem einen sogenannten Diffusor verwendet, der zwischen den Verdichterrädern positioniert ist, dann ist die Sicht zu dem nach dem Diffusor angeordneten Verdichterrad eingeschränkt. Dies erschwert ebenfalls die erforderliche Ausrichtung und Umfangspositionierung der beiden Verdichterräder zueinander.
-
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
-
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine mehrstufige Verdichteranordnung für einen Turbolader derart weiterzubilden, dass diese geeignet ist, hohe Drehmomente zu übertragen und eine einfachere und zeitsparende Montage und Demontage der einzelnen Verdichterräder möglich ist.
-
Die Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruches 1 gelöst. Insbesondere wird die Aufgabe durch eine mehrstufige Verdichteranordnung für einen Turbolader gelöst, wobei die mehrstufige Verdichteranordnung ein erstes Verdichterrad und ein zweites Verdichterrad umfasst, wobei das erste Verdichterrad und das zweite Verdichterrad koaxial zueinander angeordnet und lösbar gekoppelt sind, und das erfindungsgemäss das erste Verdichterrad formschlüssig zur Drehmomentübertragung mit dem zweiten Verdichterrad gekoppelt ist.
-
Die mehrstufige Verdichteranordnung der vorliegenden Erfindung hat den Vorteil, dass eine einfache und zeitsparende Montage und Demontage der beiden Verdichterräder ermöglicht wird. Dadurch ist es sehr leicht möglich, die einzelnen Verdichterräder der Verdichteranordnung für Servicearbeiten am Turbolader auszutauschen und auf diese Weise sehr flexibel auf unterschiedliche Einsatzgebiete zu reagieren, ohne das dazu aufwändige und zeitintensive, technische Montage- und Demontagearbeiten erforderlich wären.
-
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Verbindung beider Verdichterräder ausgebildet ist, hohe Drehmomente übertragen zu können.
-
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Umfangspositionierung der beiden Verdichterräder zueinander vereinfacht wird und weniger Zeit in Anspruch nimmt, da durch die formschlüssige Kopplung beider Verdichterräder eine Vorjustierung der beiden Verdichterräder zueinander bereits automatisch erfolgt.
-
BEVORZUGTE AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
-
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das erste Verdichterrad mit dem zweiten Verdichterrad über ein Verbindungselement lösbar gekoppelt
-
Das Verbindungselement kann dabei als eine Stirnverzahnung ausgebildet sein, welche jeweils am ersten Verdichterrad und am zweiten Verdichterrad angebracht ist, damit das erste Verdichterrad mit dem zweiten Verdichterrad in Eingriff bringbar ist. Die Stirnverzahnungen sind dabei in dieser Ausführungsform direkt in die beiden Verdichterräder eingefräst. Andere Ausprägungsformen des Verbindungselements wie etwa Schraubverbindungen sind alternativ möglich.
-
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das Verbindungselement als ein separates Bauteil mit integrierter Stirnverzahnung ausgebildet, welches zwischen dem ersten Verdichterrad und dem zweiten Verdichterrad montierbar ist, damit das erste Verdichterrad mit dem zweiten Verdichterrad in Eingriff bringbar ist, wenn entweder das erste Verdichterrad oder das zweite Verdichterrad mit einer Stirnverzahnung ausgebildet ist. Auf diese Weise ist es ebenfalls sehr leicht möglich, die einzelnen Verdichterräder der Verdichteranordnung auszutauschen und flexibel auf unterschiedliche Einsatzgebiete zu reagieren, ohne das dazu aufwändige technische Montage- und Demontagearbeiten erforderlich wären.
-
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das erste Verdichterrad als ein radiales Verdichterrad und das zweite Verdichterrad als ein axiales Verdichterrad ausgebildet. Alternativ können aber auch das erste Verdichterrad und das zweite Verdichterrad jeweils als ein radiales Verdichterrad ausgebildet sein.
-
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist mindestens das erste Verdichterrad der Verdichteranordnung mit einer Welle drehmomentfest gekoppelt ist. Diese Kopplung kann beispielsweise über einen Form- oder Kraftschluss, zum Beispiel über eine Polygonverbindung oder eine Schrumpfverbindung erfolgen. Die drehmomentfeste Kopplung stellt sicher, dass das Drehmoment der Welle auf mindestens ein Verdichterrad der Verdichteranordnung übertragen wird.
-
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das zweite Verdichterrad über einem Dehnbolzen mit dem ersten Verdichterrad axial verspannt.. Der Dehnbolzen kann dabei entweder mit der Welle oder mit dem ersten Verdichterrad gekoppelt sein. Die Kopplung des Dehnbolzens mit der Welle kann dabei als Formschluss erfolgen. Der Dehnbolzen trägt also nicht dazu bei, dass ein Drehmoment von dem Dehnbolzen auf das erste oder zweite Verdichterrad übertragen wird, sondern sorgt nur für eine axiale Verspannung des ersten Verdichterrads mit dem zweiten Verdichterrad.
-
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist auf einem Endabschnitt des Dehnbolzens eine Ringmutter montierbar, um das erste Verdichterrad und das zweite Verdichterrad gemeinsam mit der Welle verspannbar zu machen. Zusammen mit dem Dehnbolzen können das erste und zweite Verdichterrad derart mit der Welle verspannt werden, wie es für die beabsichtigte Anwendung der Verdichteranordnung erforderlich ist.
-
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist zwischen dem ersten Verdichterrad und dem zweiten Verdichterrad ein Diffusor mit einer integrierten Dichtung angeordnet, um einen Rückfluss von verdichteter Luft von dem ersten Verdichterrad zu dem zweiten Verdichterrad zu reduzieren. Der Diffusor kann dabei vorzugsweise als Niederdruck-Diffusor ausgebildet sein. Die Dichtung kann als eine berührungslose Dichtung wie zum Beispiel eine Labyrinth-Dichtung oder als nicht berührungslose Dichtung wie zum Beispiel eine Bürstendichtung ausgebildet sein. Der Diffusor kann jedoch auch ohne integrierte Dichtung ausgebildet sein.
-
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist zwischen dem ersten Verdichterrad und dem zweiten Verdichterrad ein Ringelement angebracht, um einen kontinuierlichen Strömungsübergang zwischen dem ersten Verdichterrad und dem zweiten Verdichterrad zu gewährleisten. Durch das Ringelement wird zugleich auch eine an einem Verdichterrad angebrachte Stirnverzahnung vor äusseren Einflüssen geschützt. Weitere Vorteile ergeben sich dadurch, dass die Strömungsführung der verdichteten Luft zwischen den beiden Verdichterräder erleichtert wird. Das Ringelement kann zudem als Wuchtmasse verwendet werden. Zudem erleichtert das Ringelement die Führung der Verdichterräder bei der Montage.
-
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst das erste Verdichterrad und das zweite Verdichterrad jeweils mindestens eine Positionierbohrung zur Aufnahme von einem Positionierstift. Dadurch ist eine vorgegebene Umfangsposition des ersten Verdichterrades in Bezug auf das zweite Verdichterrad einstellbar.
-
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die mehrstufige Verdichteranordnung in einem Turbolader vorgesehen.
-
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
-
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben, die anhand von Zeichnungen näher erläutert werden. Hierbei zeigen:
-
1 zeigt eine mehrstufige Verdichteranordnung für einen Turbolader gemäss einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
-
2 zeigt eine mehrstufige Verdichteranordnung für einen Turbolader gemäss einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
-
In der nachfolgenden Beschreibung werden für gleiche und gleich wirkende Teile identische Bezugszeichen verwendet.
-
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
-
1 zeigt eine mehrstufige Verdichteranordnung 10 für einen Turbolader in einer ersten Ausführungsform. Die Verdichteranordnung 10 umfasst ein erstes Verdichterrad 1 und ein zweites Verdichterrad 2. In der 1 ist das erste Verdichterrad 1 als Hochdruckverdichterrad und das zweite Verdichterrad 2 als Niederdruckverdichterrad ausgebildet, alternativ können jedoch auch das erste und zweite Verdichterrad 1, 2 in umgekehrter Reihenfolge montiert sein. Die vorliegende Erfindung ist dabei unabhängig von der Ansaugrichtung der beiden Verdichterräder 1, 2. Das erste Verdichterrad 1 ist direkt mit einer drehbar gelagerten Welle 3 verbunden. Die Welle 3 überträgt ein Drehmoment auf das erste Verdichterrad 1. Das erste Verdichterrad 1 ist über eine form- oder kraftschlüssige Verbindung mit der Welle 3 verbunden, wobei diese Verbindung beispielsweise als eine Polygonverbindung oder eine Schrumpfverbindung realisiert sein kann.
-
Das erste Verdichterrad 1 und das zweite Verdichterrad 2 sind koaxial zueinander angeordnet und lösbar gekoppelt. Das erste Verdichterrad 1 und das zweite Verdichterrad 2 sind zudem zueinander axial fixiert. Das erste Verdichterrad 1 ist formschlüssig zur Uebertragung eines Drehmoments mit dem zweiten Verdichterrad 2 gekoppelt. Die lösbare Kopplung des ersten Verdichterrads 1 mit dem zweiten Verdichterrad 2 erfolgt vorzugsweise über ein Verbindungselement 4. Das Verbindungselement 4 ist in der 1 gezeigten Ausführungsform eine Stirn- oder Hirthverzahnung, welche jeweils am ersten Verdichterrad 1 und am zweiten Verdichterrad 2 angebracht ist, damit das erste Verdichterrad 1 mit dem zweiten Verdichterrad 2 in Eingriff bringbar ist. Die Stirnverzahnung ist dabei in dieser Ausführungsform direkt jeweils in den beiden Verdichterräder 1, 2 eingefräst, dass heisst, die Stirnverzahnung ist jeweils in den einzelnen Verdichterrädern 1, 2 integriert.
-
Andere Ausprägungsformen des Verbindungselements 4 wie etwa Schraubverbindungen, welche entsprechende Gewindebohrungen in einem der beiden Verdichterräder vorsehen, sind alternativ möglich, um eine lösbare Kopplung herzustellen. Die Stirnverzahnung ermöglicht zudem auf sehr einfache und zeitsparende Weise eine Selbstzentrierung des ersten Verdichterrades 1 mit dem zweiten Verdichterrad 2 innerhalb enger Toleranzgrenzen. Durch die Selbstzentrierung können zugleich hohe Drehmomente mit einer geringen Kerbwirkung übertragen werden. Alternativ könnte das Verbindungselement 4 auch als ein separates Bauteil mit einer integrierter Stirnverzahnung ausgebildet sein, welches zwischen dem ersten Verdichterrad 1 und dem zweiten Verdichterrad 2 einsetzbar und montierbar ist, wenn entweder das erste Verdichterrad 1 oder das zweite Verdichterrad 2 mit einer Stirnverzahnung ausgebildet ist. Auf diese Weise wäre es sehr leicht möglich, auch andere Typen von Verdichterrädern je nach Anwendungsfall mit dem wellenseitig verbundenen ersten Verdichterrad 1 über die lösbare Kopplung auszutauschen und die Verdichteranordnung an verschiedene Einsatzbereiche ohne grossen technischen Aufwand flexibel anzupassen. In den 1 und 2 kann das erste Verdichterrad 1 jeweils als ein radiales Verdichterrad und das zweite Verdichterrad 2 als ein axiales Verdichterrad ausgebildet. Alternativ können aber auch das erste Verdichterrad 1 und das zweite Verdichterrad 2 jeweils als ein radiales Verdichterrad ausgebildet sein.
-
Zwischen dem ersten Verdichterrad 1 und dem zweiten Verdichterrad 2 ist ein Diffusor 11 angeordnet, welcher als Niederdruck-Diffusor ausgebildet sein kann und wie allgemein bekannt, kinetische Energie in Druckenergie umwandelt. Im Diffusor 11 ist eine Dichtung 6 integriert, welche ein Rückströmen der verdichteten Luft nach dem zweiten Verdichterrad 2 reduziert. Die Dichtung 6 kann dabei beispielweise als eine berührungslose Dichtung wie zum Beispiel eine Labyrinth-Dichtung ausgebildet sein. Der Diffusor 11 übernimmt ausserdem die Funktion einer Stütze und einer Führung für das zweite Verdichterrad 2 beim Montieren des zweiten Verdichterrads 2. Der Diffusor 11 kann dabei jedoch auch ohne Dichtung 6 ausgebildet sein.
-
Am zweiten Verdichterrad 2 wird aus fertigungstechnischen Gründen ein Ringelement 7 angebracht. Dieses stellt einen kontinuierlichen Strömungsübergang zwischen dem Diffusor 11 und dem ersten Verdichterrad 1 sicher, welches als Hochdruckverdichterrad ausgebildet sein kann.
-
Um zu gewährleisten, dass beispielsweise nach einer Demontage das erste Verdichterrad 1 und das zweite Verdichterrad 2 wieder in einer ursprünglichen, vor der Demontage vorhandenen Umfangsposition leicht montierbar sind, umfasst das erste Verdichterrad 1 und das zweite Verdichterrad 2 jeweils mindestens eine Positionierbohrung 8 zur Aufnahme von einem Positionierstift 9. Dadurch ist eine vorgegebene Umfangsposition des ersten Verdichterrades 1 in Bezug auf das zweite Verdichterrad 2 einstellbar.
-
In der in 1 dargestellten Ausführungsform der Verdichteranordnung 10 sind zwei, an einem Verdichterrad angebrachte Positionierstifte 9 vorgesehen. Dabei ist ein Positionierstift 9 vorgesehen und ausreichend, um die Genauigkeit der Umfangspositionierung des ersten Verdichterrads 1 mit dem zweiten Verdichterrad 2 zu erhöhen. Der zweite Positionierstift ist angebracht, damit wegen des Wuchtens beide Positionierstifte 9 rotationssymmetrisch angeordnet sind.
-
Die Verdichteranordnung 10 umfasst ausserdem einen Dehnbolzen 12, welcher dabei entweder mit der Welle 3 oder mit dem ersten Verdichterrad 1. Die Kopplung des Dehnbolzens 12 mit der Welle 3 kann dabei als Formschluss und / oder als Kraftschluss erfolgen. Das zweite Verdichterrad ist über den Dehnbolzen 12 mit dem ersten Verdichterrad axial verspannt. Der Dehnbolzen trägt also nicht dazu bei, dass ein Drehmoment von dem Dehnbolzen auf das erste oder zweite Verdichterrad übertragen wird, sondern sorgt nur für eine axiale Verspannung des ersten Verdichterrades mit dem zweiten Verdichterrad.
-
Auf einem Endabschnitt des Dehnbolzens 12 ist zudem eine Ringmutter 13 montiert. Zusammen mit dem Dehnbolzen 12 wird dadurch ermöglicht, das erste Verdichterrad 1 und das zweite Verdichterrad 2 miteinander derart zu verspannen, wie es für die beabsichtigte Anwendung der Verdichteranordnung 10 erforderlich ist.
-
2 zeigt eine mehrstufige Verdichteranordnung 10 für einen Turbolader in einer zweiten Ausführungsform. Die Verdichteranordnung der 2 unterscheidet sich von der in der 1 gezeigten Verdichteranordnung 10 lediglich dadurch, dass nur das erste Verdichterrad 1 mit der Welle 3 über einen Form- und Kraftschluss verbunden ist, so dass ein Drehmoment von der Welle 3 auf das erste Verdichterrad 1 übertragbar ist. Der Dehnbolzen 12, welcher das zweite Verdichterrad 2 aufnimmt und trägt, ist in 2 ausschliesslich mit dem ersten Verdichterrad 1 gekoppelt, beispielsweise über eine Schraubverbindung. Andere Verbindungsarten sind jedoch möglich. Die Drehmomentübertragung von dem ersten Verdichterrad 1 zu dem zweiten Verdichterrad 2 erfolgt in 2 über das Verbindungselement 4, also zum Beispiel über eine Stirnverzahnung, welche jeweils in beiden Verdichterrädern 1, 2 integriert ist. Ueber den Drehbolzen 12, welcher mit dem ersten Verdichterrad 1 verbunden ist, werden das erste Verdichterrad 1 und das zweite Verdichterrad 1 axial zusammengehalten.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Verdichterrad
- 2
- Verdichterrad
- 3
- Welle
- 4
- Verbindungselement
- 6
- Dichtung
- 7
- Ringelement
- 8
- Positionierbohrung
- 9
- Positionierstift
- 10
- Verdichteranordnung
- 11
- Diffusor
- 12
- Dehnbolzen
- 13
- Ringmutter
- 15
- Endabschnitt
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- GB 1020942 [0002]
- US 5025629 [0002]
