DE102013203455A1

DE102013203455A1 - Zwischenwand zur Abdichtung des Rückraums eines Radialverdichters

Info

Publication number: DE102013203455A1
Application number: DE102013203455.5A
Authority: DE
Inventors: Andrea Vacca; Matthias JARUSEL
Original assignee: ABB Turbo Systems AG
Current assignee: Accelleron Industries AG
Priority date: 2013-02-28
Filing date: 2013-02-28
Publication date: 2014-08-28
Also published as: CN104018933B; EP2772652A2; JP2014169699A; CN104018933A; EP2772652A3; KR20140108123A; JP5850965B2; EP2772652B1; KR101617938B1

Abstract

Die Zwischenwand (40) zur Abdichtung des Rückraums des Verdichterrades (71) eines Radialverdichters bezüglich eines von einem Lagergehäuse (30) umschlossenen Lagerraums weist einen umlaufenden, rotationssymmetrisch geformten Befestigungsflansch (41) auf, welcher zur Befestigung der Zwischenwand an dem benachbarten Lagergehäuse vorgesehen ist und welcher eine plane Kontaktfläche zur Auflage auf einer Kontaktfläche des Lagergehäuses aufweist. Dabei sind in den Befestigungsflansch mehrere Bohrungen (42, 43) auf einer virtuellen Kreislinie eingelassen, wobei die Bohrungen mindestens einen Sperrluftkanal (42) sowie mehrere, in Umfangsrichtung auf der virtuellen Kreislinie verteilt angeordnete Bohrungen (43) zur Aufnahme von Befestigungsmitteln (50) umfassen. Die Zwischenwand ist erfindungsgemäss als eine rotationssymmetrische Scheibe ausgebildet, welche in der Herstellung durch das Bearbeitungsverfahren Drehen und ohne weitere Fräsbearbeitung in ihre endgültige Form gebracht werden kann. Für die Sperrluftdurchführung ist lediglich ein Bohrer notwendig, welcher ebenfalls für das Anbohren der Bohrungen zur Aufnahme der Befestigungsmittel verwendet werden kann. Dadurch kann der Herstellungsprozess gegenüber einer herkömmlichen Zwischenwand vereinfacht werden.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Abgasturbolader von aufgeladenen Brennkraftmaschinen.
Sie betrifft eine Zwischenwand zur Abdichtung des Rückraums des Verdichterrades eines Radialverdichters bezüglich eines von einem Lagergehäuse umschlossenen Lagerraums, eine Lagervorrichtung zum Lagern des Rotors eines Verdichters mit einer derartigen Zwischenwand, einen Radialverdichter mit einer derartigen Lagervorrichtung sowie ein Abgasturbolader mit einem derartigen Radialverdichter.
STAND DER TECHNIK
Abgasturbolader werden zur Leistungssteigerung von Brennkraftmaschinen eingesetzt. Dabei wird die Abgasturbine des Abgasturboladers mit den Abgasen der Brennkraftmaschine beaufschlagt und deren kinetische Energie zum Ansaugen und Verdichten von Luft für die Brennkraftmaschine verwendet. Die Laufräder der Turbine und des Verdichters sind über eine in einem Lagergehäuse gelagerte Welle miteinander verbunden.
Bei Abgasturboladern mit Axialturbinen wird auf der Turbinenseite häufig Sperrluft eingesetzt, um den Lagerbereich vor eindringendem heissen Abgasen aus dem Strömungskanal zu schützen oder um das Turbinenrad aktive zu kühlen. Diese Sperrluft kann extern zugeführt werden oder aus dem Luftstrom stromabwärts des Verdichters entnommen werden. Alternativ lässt sich Sperrluft auch aus dem Rückraum des Verdichterrades abführen, was den positiven Effekt einer Entlastung der axialen Belastung des Verdichterrades mit sich bringt, da sich durch das Abführen der Sperrluft der Druck im Rückraum des Verdichterrades verringert. Die Luft im Rückraum des Verdichterrades dringt aus dem Strömungskanal des Verdichterrades in diesen Bereich vor, da sich der Zwischenraum zwischen dem schnell drehenden und grösseren Temperaturschwankungen ausgesetzten Verdichterrad nicht beliebig gut abdichten lässt.
Die auf diese Weise abgeführte Sperrluft wird durch mehrere Bauteile bis zur Turbinenseite geführt. Dadurch entstehen Gehäuseübergänge, welche gegen Austritt der Sperrluft abgedichtet werden müssen. Der mindestens eine Sperrluft-Übergang zwischen der unmittelbar an den Verdichterradrückraum angrenzenden Zwischenwand und dem Lagergehäuse wurde bislang mittels jeweils eines runden Zapfens realisiert, welcher an der Zwischenwand abgebracht war und in einer entsprechenden Öffnung im Lagergehäuse aufgenommen wurde. Der mindestens eine Zapfen an der ansonsten im wesentlichen rotationssymmetrisch ausgebildeten Zwischenwand wurde durch das aufwändige Bearbeitungsverfahren Zirkularfräsen hergestellt.
KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin die Zwischenwand zur Abdichtung des Rückraums des Verdichterrades eines Radialverdichters, welche mindestens eine Bohrung zur Sperrluftabführung aufweist, hinsichtlich einer vereinfachten Herstellung zu optimieren.
Erfindungsgemäss weist die Zwischenwand einen umlaufenden, rotationssymmetrisch geformten Befestigungsflansch auf, welcher zur Befestigung der Zwischenwand an dem benachbarten Lagergehäuse vorgesehen ist und welcher eine plane Kontaktfläche zur Auflage auf einer Kontaktfläche des Lagergehäuses aufweist. Dabei sind in den Befestigungsflansch mehrere Bohrungen auf einer virtuellen Kreislinie eingelassen, wobei die Bohrungen mindestens einen Sperrluftkanal sowie mehrere, in Umfangsrichtung auf der virtuellen Kreislinie verteilt angeordnete Bohrungen zur Aufnahme von Befestigungsmitteln umfassen.
Die Zwischenwand ist erfindungsgemäss als eine rotationssymmetrische Scheibe ausgebildet, welche in der Herstellung durch das Bearbeitungsverfahren Drehen und ohne weitere Fräsbearbeitung in ihre endgültige Form gebracht werden kann. Für die Sperrluftdurchführung ist lediglich ein Bohrer notwendig, welcher ebenfalls für das Anbohren der Bohrungen zur Aufnahme der Befestigungsmittel verwendet werden kann. Dadurch kann der Herstellungsprozess gegenüber einer herkömmlichen Zwischenwand vereinfacht werden.
Weitere Vorteile ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Hierbei zeigt:
1 eine isometrische Darstellung eines teilweise aufgeschnittenen Abgasturboladers gemäss dem Stand der Technik mit einem Radialverdichter und einer Axialturbine,
2 einen entlang der Wellenachse geführten Schnitt durch den Radialverdichter eines Abgasturboladers nach 1, mit einem im Rückraum des Verdichterrades zwischen Zwischenwand und Lagergehäuse erfindungsgemäss ausgestalteten Sperrluftübergang,
3 einen im Zwischenraum zwischen Verdichterrad und Zwischenwand entlang III-III geführten Schnitt durch die Anordnung nach 2, und
4 einen durch die Trennstelle zwischen Zwischenwand und Lagergehäuse entlang IV-IV geführten Schnitt durch die Anordnung nach 2.
WEG ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
1 zeigt einen Abgasturbolader gemäss dem Stand der Technik mit einer axial durchströmten Abgasturbine 10 sowie einem Radialverdichter 70. Der teilweise aufgeschnittene Abgasturbolader weist einen Rotor bestehend aus Turbinenrad 11, Verdichterrad 71 und dazwischenliegender Welle 20 auf. Der Rotor ist drehbar im Lagergehäuse 30 gelagert. Das aus den Brennkammern eines Verbrennungsmotors stammende Abgas wird durch das Gaseintrittsgehäuse 12 auf die Laufschaufeln des Turbinenrades 11 geführt. Anschliessend wird das Abgas im Diffusorbereich des Gasaustrittsgehäuses 13 gesammelt und über die Auspuffanlage abgeführt. Das durch die Turbine über die Welle angetriebene Verdichterrad saugt Frischluft an um diese zu verdichten und unter höherem Druck den Brennkammern des Verbrennungsmotors zuzuführen.
Bei derartigen Abgasturboladern mit Axialturbinen wird auf der Turbinenseite häufig Sperrluft eingesetzt, um den Lagerbereich vor eindringendem heissen Abgas zu schützen oder um die Turbinenradnabe zu kühlen. Diese Sperrluft ist meist ein Beiprodukt der Verdichterradschubentlastung, bei welcher der Luftdruck im Rückraum des Verdichterrades reduziert wird, indem die aus dem Strömungskanal des Verdichterrades in diesen Bereich eindringende Luft abgeführt wird.
2 zeigt einen entlang der Wellenachse geführten Schnitt durch den Radialverdichter eines Abgasturboladers. Das Verdichterrad 71 ist im Verdichtergehäuse 72 angeordnet. Das Verdichterrad umfasst einen Nabenkörper sowie eine Vielzahl von Laufschaufeln. Im Rückraum des Verdichterrades 71, also der dem Lagerbereich zugewandten Seite, befindet sich im radial äusseren Bereich des Verdichterrades eine Dichtung, welche in der Regel als Labyrinthdichtung ausgeführt ist. Diese Dichtung sorgt dafür, dass keine grössere Menge der unter erhöhtem Druck stehenden Frischluft aus dem Strömungskanal am Austritt des Verdichterrades in den Rückraum des Verdichterrades entweicht. Zum Lagergehäuse 30 hin ist der Rückraum durch eine scheibenförmige Zwischenwand 40 begrenzt. Die Zwischenwand weist im Innern eine zentrale Öffnung auf, durch die die Welle 20 geführt ist. Je nach Befestigungsweise des Verdichterrades auf der Welle kann auch ein Teil des Verdichterrades 71 in oder durch die zentrale Öffnung in der Zwischenwand hinein- oder hindurchragen. Zwischen dem Rotor und der Zwischenwand ist im radial inneren Bereich eine in zwei Richtungen wirksame Dichtstelle vorgesehen. Einerseits soll verhindert werden, dass zu viel Frischluft aus dem Rückraum des Verdichterrades in den unter Umgebungsdruck stehenden Lagerbereich entweicht (blow-by). Andererseits soll verhindert werden, dass bei gewissen Betriebspunkten des Verdichters bei umgekehrt gerichteten Druckverhältnissen Öl oder ölbehaftete Luft aus dem Lagerbereich in den Rückraum des Verdichterrades gelangen kann.
Die Zwischenwand ist im radial äusseren Bereich am Lagergehäuse befestigt und der Übergang ist ebenfalls mit einer Dichtung 35 gesichert.
Die scheibenförmige Zwischenwand 40 weist auf der dem Lagerbereich zugewandten Seite einen umlaufenden Befestigungsflansch 41 auf, welcher erfindungsgemäss zur Auflage an einem ebenfalls umlaufenden Befestigungsflansch 31 des Lagergehäuses vorgesehen ist. Zwischen Zwischenwand 40 und Lagergehäuse 30 ergibt sich radial ausserhalb der umlaufenden Flansche ein Hohlraum 36, welcher zur Kühlung des Gehäusebereichs am äusseren Rand bzw. am Austritt des Verdichterrades verwendet werden kann. So kann beispielsweise ein Kühlmedium (Wasser oder kühle Luft) durch den Hohlraum geleitet werden.
In die Zwischenwand sind im Bereich des Befestigungsflansches 41 mehrere durchgehende Öffnungen eingelassen, welche jeweils entweder als Sperrluftkanal 42 der Abführung von Sperrluft aus dem Rückraum des Verdichterrades (2, obere Hälfte), oder als Bohrung 43 der Aufnahme von Befestigungsmitteln 50 (2, untere Hälfte) dienen. Im Flansch 31 des Lagergehäuses sind mit den Öffnungen in der Zwischenwand korrespondierende Bohrungen vorgesehen. Die Auflageflächen der beiden Flansche sind in der dargestellten Ausführungsform als axiale Stirnflächen ausgebildet und verlaufen in einer Ebene senkrecht zur Achse. Optional können die Auflageflächen auch leicht konisch ausgerichtet sein, wobei die Auflageflächen der beiden Flansche streng parallel zueinander verlaufen. Erfindungsgemäss befindet sich radial innerhalb der auf einem Kreis angeordneten Öffnungen eine Dichtstelle 34, vorteilhafterweise als eine oder zwei Nuten mit eingesetztem Dichtungsring ausgebildet. Dabei kann die Nut einseitig entweder in die Auflagefläche des Flansches 41 der Zwischenwand, oder – wie in der dargestellten Ausführungsform – in die Auflagefläche des Flansches 31 am Lagergehäuse, oder aber beidseitig in beide Auflageflächen eingelassen sein. Der Dichtungsring, ein herkömmlicher O-Ring, wird beim Aufsetzen der Zwischenwand auf das Lagergehäuse in axialer Richtung in die Nut gequetscht und dichtet somit zwischen den beiden gegenüberliegenden Auflageflächen. Abgedichtet wird dabei insbesondere der Sperrluftkanal gegenüber dem Lagerbereich, so dass keine Blow-By Strömung in den Lagerbereich entweicht. Aber auch die Befestigungsmittel werden erfindungsgemäss abgedichtet, so dass im oben erwähnten Betriebspunkt mit umgekehrt gerichteten Druckverhältnissen kein Öl oder ölbehaftete Luft aus dem Lagerbereich in den Rückraum des Verdichterrades gelangen kann.
Wie in 3 dargestellt, befinden sich mindestens ein Sperrluftkanal 42 und die mehreren Bohrungen zur Aufnahme von Befestigungsmittel 43 erfindungsgemäss auf der gleichen radialen Höhe, liegen also auf einem Kreis konzentrisch zur kreisrunden, scheibenförmigen Zwischenwand. Die Bohrungen zur Aufnahme der Befestigungsmittel können dabei zur Aufnahme eines Schraubenkopfs bis auf eine Resttiefe mit geringerem Durchmesser den gleichen Durchmesser aufweisen wie die Bohrung des Sperrluftkanals. Dadurch erleichtert sich die Herstellung der Zwischenwand. Die Anordnung der beiden Typen von Bohrungen kann regelmässig oder unregelmässig sein. Vorteilhafterweise sind die Befestigungsmittel 50 regelmässig entlang des Umfangs verteilt. Der mindestens eine Sperrluftkanal 42 kann wie dargestellt anstelle einer Befestigungsöffnung, oder aber zusätzlich zwischen zwei in regelmässigem Abstand angeordneten Befestigungsöffnungen angeordnet sein.
3 zeigt eine Ansicht in axialer Richtung auf die Zwischenwand 40 in dem in 2 angedeuteten, entlang III-III geführten Schnitt durch den Rückraumbereich des Radialverdichters. Im radial äusseren Bereich der Zwischenwand sind die Vertiefungen der Labyrinthdichtung 44 mit mehreren konzentrischen Kreisen angedeutet. Im radial inneren Bereich ist die Welle 20 und der die Welle umschliessende, zylinderförmige Fortsatz des Verdichterrades dargestellt.
Wie in 4 dargestellt, befinden sich die Fortsetzung des mindestens einen Sperrluftkanals 32 sowie die Bohrungen zur Aufnahme von Befestigungsmittel 33 ebenfalls auf gleicher radialen Höhe, liegen also ebenfalls auf einem Kreis konzentrisch zur Wellenachse. 4 zeigt Zwischenwand und Lagergehäuse entlang dem in 2 angedeuteten, entlang IV-IV geführten Schnitt durch den Rückraumbereich des Radialverdichters nach 2. Dabei ist im radial äusseren Bereich das Lagergehäuse 30 angeschnitten. Anschliessend führt der Schnitt durch den zwischen Zwischenwand und Lagergehäuse eingeschlossenen Hohlraum 36, welcher optional zur Kühlung des Gehäusebereichs am Verdichterrad-Austritt verwendet werden kann. Gegen innen ist der Hohlraum 36 durch den Flansch 31 begrenzt, in welchen erfindungsgemäss die Bohrungen 33 und wenigstens ein Sperrluftkanal 32 angeordnet sind. In dieser Darstellung ist auch die Dichtstelle 34 ersichtlich, welche im Bereich des Flansches 31 aber radial innerhalb von Sperrluftkanal 32 und Bohrungen 33 verläuft. Im radial innersten Bereich ist wiederum die Welle 20, der Fortsatz des Verdichterrades 71 sowie ein Stück der in diesem Bereich zur Lagerseite hin geneigten Zwischenwand 40 angedeutet.
Die Zwischenwand 40 ist erfindungsgemäss, trotz vorhandener Sperrluftdurchführung, eine rotationssymmetrische Scheibe, welche in der Herstellung durch Drehen und ohne Fräsen in ihre endgültige Form gebracht werden kann. Für die Sperrluftdurchführung ist lediglich ein Bohrer notwendig, welcher ebenfalls für das Anbohren der Bohrungen zur Aufnahme der Befestigungsmittel verwendet werden kann. Dadurch kann der Herstellungsprozess gegenüber einer herkömmlichen Zwischenwand vereinfacht werden.
Optional weist die Zwischenwand eine zusätzliche Positionierungsbohrung auf, welche zur Aufnahme eines Positionierungsstifts vorgesehen ist, welcher am Lagergehäuse angebracht ist oder vor der Montage in eine dafür vorgesehenen Positionierungsbohrung im Lagergehäuse eingebracht wird. Dadurch lässt sich die Zwischenwand bei der Montage bezüglich der Winkellage gegenüber dem Lagergehäuse einfacher Positionieren. Optional lässt sich die Positionierung durch eine unregelmässige Verteilung der Bohrungen zur Aufnahme der Befestigungsmittel realisieren.
Bezugszeichenliste

10: Abgasturbine
11: Turbinenrad
12: Gaseintrittsgehäuse
13: Gasaustrittsgehäuse
20: Welle
30: Lagergehäuse
31: Befestigungsflansch mit Auflagefläche
32: Sperrluftkanal
33: Bohrung zur Aufnahme von Befestigungsmitteln
34, 35: Dichtstelle, Umlaufende Nut mit Dichtungsring
36: Hohlraum, für Kühlung des Verdichterrades nutzbar
40: Zwischenwand
41: Befestigungsflansch mit Auflagefläche
42: Sperrluftkanal
43: Bohrung zur Aufnahme von Befestigungsmitteln
44: Labyrinth-Dichtung zwischen Verdichterrad und Zwischenwand
50: Befestigungsmittel
70: Verdichter
71: Verdichterrad
72: Verdichtergehäuse

Claims

Zwischenwand (40) zur Abdichtung des Rückraums des Verdichterrades eines Radialverdichters bezüglich eines von einem Lagergehäuse umschlossenen Lagerraums, umfassend einen rotationssymmetrischen, scheibenförmigen Grundkörper, mit einer zentralen Öffnung zum Durchführen eines Rotors, wobei im Bereich der zentralen Öffnung Mittel vorgesehen sind, um den Übergang zum Rotor abzudichten, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenwand einen umlaufenden, rotationssymmetrisch geformten Befestigungsflansch (41) umfasst, welcher zur Befestigung der Zwischenwand an einem Lagergehäuse vorgesehen ist und welcher eine plane Kontaktfläche zur Auflage auf einer Kontaktfläche eines Lagergehäuses aufweist, wobei in den Befestigungsflansch (41) auf einer virtuellen Kreislinie mehrere Bohrungen (42, 43) eingelassen sind, wobei die Bohrungen mindestens einen Sperrluftkanal (42) sowie mehrere, in Umfangsrichtung auf der virtuellen Kreislinie verteilt angeordnete Bohrungen (43) zur Aufnahme von Befestigungsmitteln umfassen.
Zwischenwand (40) nach Anspruch 1, wobei in die Kontaktfläche eine Nut zur Aufnahme eines Dichtungsrings eingelassen ist.
Zwischenwand (40) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Bohrungen zur Aufnahme von Befestigungsmitteln (43) und der mindestens eine Sperrluftkanal (42) im Befestigungsflansch in regelmässigen Winkelabständen auf der virtuellen Kreislinie angeordnet sind.
Zwischenwand (40) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Bohrungen (43) zur Aufnahme von Befestigungsmitteln im Befestigungsflansch in regelmässigen Winkelabständen auf der virtuellen Kreislinie angeordnet sind, und der mindestens eine Sperrluftkanal (42) jeweils zwischen zwei benachbart angeordneten Bohrungen (43) zur Aufnahme von Befestigungsmitteln angeordnet ist.
Lagervorrichtung zum Lagern des Rotors eines Verdichters, umfassend ein Lagergehäuse (30), welches einen Lagerraum mit einer zentralen Öffnung zur Aufnahme eines Rotors umschliesst, sowie eine Zwischenwand nach einem der Ansprüche 1 bis 4 zur Abdichtung des Rückraums des Verdichterrades eines Verdichters bezüglich des Lagerraums, wobei das Lagergehäuse einen umlaufenden, Befestigungsflansch (41) umfasst welcher zur Befestigung der Zwischenwand (40) an dem Lagergehäuse (30) vorgesehen ist und welcher eine plane Kontaktfläche zur Auflage auf der Kontaktfläche des Befestigungsflansches (41) der Zwischenwand aufweist, wobei in den Befestigungsflansch (31) des Lagergehäuses auf einer virtuellen Kreislinie mehrere Bohrungen (32, 33) eingelassen sind, wobei die Bohrungen mindestens einen Sperrluftkanal (32) sowie mehrere, in Umfangsrichtung auf der virtuellen Kreislinie verteilt angeordnete Bohrungen (43) zur Aufnahme von Befestigungsmitteln umfassen.
Lagervorrichtung nach Anspruch 5, wobei im Bereich der Kontaktflächen, radial innerhalb der virtuellen Kreislinien Mittel (34) zur Abdichtung des Übergangs zwischen Lagergehäuse und Zwischenwand vorgesehen sind.
Lagervorrichtung nach Anspruch 6, wobei in die Kontaktfläche am Flansch (31) des Lagergehäuses (30), radial innerhalb der virtuellen Kreislinien eine Nut zur Aufnahme eines Dichtungsrings eingelassen ist.
Radialverdichter, umfassend einen Rotor mit einer in einer Lagervorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7 drehbar gelagerten Welle (20) und einem Verdichterrad (71), wobei das
Abgasturbolader, umfassend einen Radialverdichter nach Anspruch 8.