DE102016117960A1

DE102016117960A1 - Turbolader

Info

Publication number: DE102016117960A1
Application number: DE102016117960.4A
Authority: DE
Inventors: Klaus Bartholomä; Jan-Christoph HAAG; Santiago UHLENBROCK; Stefan ROST; Tobias Weisbrod; Jiri Klima; David JERABEK
Original assignee: MAN Diesel and Turbo SE
Current assignee: MAN Energy Solutions SE
Priority date: 2016-09-23
Filing date: 2016-09-23
Publication date: 2018-03-29
Also published as: CH712978B1; JP2018048632A; US20180087531A1; CN107869365A; JP6827897B2; KR20180033065A; US10954963B2; CH712978A2

Abstract

Turbolader, mit einer Turbine zur Entspannung eines ersten Mediums, mit einem Verdichter zur Verdichtung eines zweiten Mediums unter Nutzung von in der Turbine bei Entspannung des ersten Mediums gewonnener Energie, wobei die Turbine ein Turbinengehäuse (1) und einen Turbinenrotor aufweist, wobei der Verdichter ein Verdichtergehäuse und einen mit dem Turbinenrotor über eine Welle gekoppelten Verdichterrotor aufweist, wobei das Turbinengehäuse (1) und das Verdichtergehäuse jeweils mit einem zwischen denselben angeordneten Lagergehäuse (2), in welchem die Welle gelagert ist, verbunden sind, wobei das Turbinengehäuse (1) und das Lagergehäuse (2) über eine Befestigungseinrichtung (5) derart verbunden sind, dass die Befestigungseinrichtung an einem Flansch (6) des Turbinengehäuses (1) mit einem ersten Abschnitt (7) montiert ist und mit einem zweiten Abschnitt (9) einen Flansch (10; 15) des Lagergehäuses (2) zumindest abschnittsweise überdeckt, und wobei die Befestigungseinrichtung (5) an einer dem Flansch (10; 15) des Lagergehäuses (2) zugewandten Fläche des zweiten Abschnitts (9) gewölbt konturiert ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Turbolader.
Aus der DE 10 2013 002 605 A1 ist der grundsätzliche Aufbau eines Turboladers bekannt. Ein Turbolader verfügt über eine Turbine, in dem ein erstes Medium entspannt wird. Ferner verfügt ein Turbolader über einen Verdichter, in dem ein zweites Medium verdichtet wird, und zwar unter Nutzung der in der Turbine bei der Entspannung des ersten Mediums gewonnenen Energie. Die Turbine des Turboladers verfügt über ein Turbinengehäuse sowie einen Turbinenrotor. Der Verdichter des Turboladers verfügt über ein Verdichtergehäuse sowie einen Verdichterrotor. Zwischen dem Turbinengehäuse der Turbine und dem Verdichtergehäuse des Verdichters ist ein Lagergehäuse positioniert, wobei das Lagergehäuse einerseits mit dem Turbinengehäuse und andererseits mit dem Verdichtergehäuse verbunden ist. Im Lagergehäuse ist eine Welle gelagert, über die der Turbinenrotor mit dem Verdichterrotor gekoppelt ist.
Aus der Praxis ist es bekannt, dass das Turbinengehäuse der Turbine, nämlich ein sogenanntes Turbinenzuströmgehäuse, sowie das Lagergehäuse über eine vorzugsweise als Spannpratze ausgebildete Befestigungseinrichtung miteinander verbunden sind. Eine derartige als Spannpratze ausgebildete Befestigungseinrichtung ist mit einem ersten Abschnitt derselben an einem Flansch des Turbinengehäuses über Befestigungsmittel montiert und überdeckt mit einem zweiten Abschnitt einen Flansch des Lagergehäuses zumindest abschnittsweise. Über eine derartige Befestigungseinrichtung wird der Verband bzw. Verbund aus Lagergehäuse und Turbinengehäuse verspannt, insbesondere unter Klemmen eine Dichtdeckels und Düsenrings zwischen Turbinengehäuse und Lagergehäuse.
Das Turbinengehäuse ist mit dem zu entspannenden ersten Medium gefüllt, insbesondere mit zu entspannendem Abgas. Das Turbinenzuströmgehäuse des Turbinengehäuses leitet das Abgas in Richtung auf den Turbinenrotor. Im Turbinenzuströmgehäuse besteht ein Überdruck gegenüber der Umgebung, der in der Turbine unter Gewinnung von Energie bei der Entspannung des ersten Mediums abgebaut wird. Im Bereich der Verbindungsstelle von Turbinengehäuse bzw. Turbinenzuströmgehäuse und Lagergehäuse kann es zu einer Leckage kommen, sodass das erste, in der Turbine zu entspannende Medium über den Verbindungsbereich zwischen Turbinengehäuse und Lagergehäuse in die Umgebung gelangen kann. Dies ist von Nachteil.
Um einer derartigen Leckage des in der Turbine zu entspannenden ersten Mediums entgegenzuwirken, wird nach der Praxis die Verspannung zwischen Turbinengehäuse bzw. Turbinenzuströmgehäuse und Lagergehäuse erhöht, insbesondere über höhere Anzugsmomente für die Befestigungsmittel, über welche die vorzugsweise als Spannpratze ausgebildete Befestigungseinrichtung am Turbinengehäuse montiert ist. Hierdurch erhöht sich auch eine Klemmkraft zwischen der Befestigungseinrichtung und dem Lagergehäuse. Eine Kontaktstelle zwischen dem Lagergehäuse und der Befestigungseinrichtung ist infolge der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungen von Lagergehäuse und Turbinengehäuse bzw. Turbinenzuströmgehäuse hohen Relativbewegungen ausgesetzt. In Verbindung mit einem hohen Kontaktdruck bzw. einer hohen Vorspannung bzw. einer hohen Klemmkraft zwischen dem Lagergehäuse und der Befestigungseinrichtung kann es dann in Folge eines sogenannten Grabeffekts zu einem Verschleiß an der Befestigungseinrichtung und/oder am Lagergehäuse kommen. Hierdurch kann dann eine Leckage des in der Turbine zu entspannenden ersten Mediums in die Umgebung verursacht werden, weiterhin kann sich im Extremfall die Verbindung von Turbinengehäuse bzw. Turbinenzuströmgehäuse und Lagergehäuse lösen.
Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen neuartigen Turboladers zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch einen Turbolader nach Anspruch 1 gelöst.
Die Befestigungseinrichtung ist an einer dem Flansch des Lagergehäuses zugewandten Fläche des zweiten Abschnitts gewölbt konturiert. Durch die gewölbte Konturierung der Befestigungseinrichtung an der dem Flansch des Lagergehäuses zugewandten Fläche wird an der Befestigungseinrichtung eine definierte tribologische Flächenform bereitgestellt, die bei einer Relativbewegung zwischen Befestigungseinrichtung und Lagergehäuse einen Verschleiß an Befestigungseinrichtung und Lagergehäuse minimiert.
Hierdurch wird die Gefahr einer Leckage des in der Turbine zu entspannenden ersten Mediums in die Umgebung reduziert. Ferner wird die Gefahr reduziert, dass sich die Verbindung von Lagergehäuse und Turbinengehäuse löst.
Vorzugsweise entspricht ein Krümmungsradius der gewölbten Fläche des dem Flansch des Lagergehäuses zugewandten zweiten Abschnitts der Befestigungseinrichtung zwischen dem 5-fachen und dem 20-fachen der axialen Dicke der Befestigungseinrichtung im Bereich des zweiten Abschnitts und/oder ersten Abschnitts. Ein derartiger Krümmungsradius der gewölbten Fläche der Befestigungseinrichtung stellt eine besonders vorteilhafte tribologische Flächenform zur Verschleißminimierung bereit.
Vorzugsweise besteht die Befestigungseinrichtung aus einem Werkstoff mit einer Härte von mindestens 40 HRC oder aus einem gehärteten Werkstoff mit einer Oberflächenhärte im Bereich der gewölbten Fläche von mindestens 40 HRC. Dann, wenn die Befestigungseinrichtung derart ausgeführt ist, kann die Verschleißgefahr an Befestigungseinrichtung und Lagergehäuse weiter reduziert werden.
Nach einer vorteilhaften ersten Weiterbildung der Erfindung ist zwischen dem zweiten Abschnitt der Befestigungseinrichtung und dem Flansch des Lagergehäuses mindestens ein Ring angeordnet. Über das Anordnen mindestens eines Rings zwischen dem zweiten Abschnitt der Befestigungseinrichtung und dem Flansch des Lagergehäuses kann die Verschleißgefahr an Befestigungseinrichtung und Lagergehäuse weiter reduziert werden. Insbesondere weist hierbei der oder jeder Ring eine Oberflächenhärte von mindestens 40 HRC auf, wozu der jeweilige Ring entweder aus einem Werkstoff mit dieser Härte gefertigt oder an der Oberfläche unter Bereitstellung dieser Härte gehärtet ist.
Vorzugsweise sind zwischen dem zweiten Abschnitt der Befestigungseinrichtung und dem Flansch des Lagergehäuses zwei Ringe angeordnet, wobei ein erster Ring mit einer ersten Seite an dem Flansch des Lagergehäuses anliegt, wobei ein zweiter Ring mit einer ersten Seite an dem zweiten Abschnitt der Befestigungseinrichtung anliegt, wobei die beiden Ringe mit zweiten Seiten aneinander anliegen. Insbesondere weist der erste Ring einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf, der dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Lagergehäuses entspricht, wobei der zweite Ring einen hiervon abweichenden thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist. Durch das derartige axiale hintereinander Anordnen von zwei Ringen zwischen dem zweiten Abschnitt der Befestigungseinrichtung und dem Flansch des Lagergehäuses kann die Verschleißgefahr für Lagergehäuse und Befestigungseinrichtung besonders vorteilhaft reduziert werden. Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn der erste Ring, der mit seiner ersten Seite am Flansch des Lagergehäuses anliegt, einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, der dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Lagergehäuses entspricht. Hierdurch wird eine Relativbewegung zwischen dem ersten Ring und dem Lagergehäuse minimiert. Der zweite Ring, der mit seiner ersten Fläche an dem zweiten Abschnitt der Befestigungseinrichtung anliegt, verfügt über einen abweichenden thermischen Ausdehnungskoeffizienten, um eine sich im Betrieb ausbildende Relativbewegung zwischen die Kontaktflächen der beiden Ringe zu verlagern.
Nach einer zweiten, alternativen Weiterbildung der Erfindung ist der Flansch des Lagergehäuses als separate Baugruppe des Lagergehäuses ausgeführt, aus einen harten oder gehärteten Werkstoff mit einer Oberflächenhärte von mindestens 40 HRC gefertigt und mittels eines Gewindes auf einem Grundkörper des Lagergehäuses montiert. Auch hiermit kann eine Verschleißgefahr der Verbindung zwischen Lagergehäuse und Turbinengehäuse reduziert werden.
Nach einer dritten, ebenfalls alternativen Weiterbildung der Erfindung ist der als integrale Baugruppe des Lagergehäuses ausgeführte Flansch an einer dem zweiten Abschnitt der Befestigungseinrichtung zugewandten Fläche gehärtet und weist an dieser Fläche eine Oberflächenhärte von mindestens 40 HRC auf. Auch diese Ausführung der Erfindung erlaubt es, die Verschleißgefahr der Verbindung zwischen Lagergehäuse und Turbinengehäuse zu reduzieren.
Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:
1: einen ausschnittsweisen Querschnitt durch einen ersten erfindungsgemäßen Turbolader im Bereich einer Verbindung eines Turbinengehäuses mit einem Lagergehäuse;
2 eine perspektivische Ansicht der 1;
3 einen ausschnittsweisen Querschnitt durch einen zweiten erfindungsgemäßen Turbolader im Bereich einer Verbindung eines Turbinengehäuses mit einem Lagergehäuse;
4 ein Detail der 3;
5 einen ausschnittsweisen Querschnitt durch einen dritten erfindungsgemäßen Turbolader im Bereich einer Verbindung eines Turbinengehäuses mit einem Lagergehäuse; und
6 einen ausschnittsweisen Querschnitt durch einen vierten erfindungsgemäßen Turbolader im Bereich einer Verbindung eines Turbinengehäuses mit einem Lagergehäuse.
Die Erfindung betrifft einen Turbolader. Ein Turbolader verfügt über eine Turbine zur Entspannung eines ersten Mediums, insbesondere zur Entspannung von Abgas einer Brennkraftmaschine. Ferner verfügt ein Turbolader über einen Verdichter zur Verdichtung eines zweiten Mediums, insbesondere von Ladeluft, und zwar unter Nutzung von in der Turbine bei der Entspannung des ersten Mediums gewonnener Energie. Die Turbine verfügt dabei über ein Turbinengehäuse und einen Turbinenrotor. Der Verdichter verfügt über ein Verdichtergehäuse und einen Verdichterrotor. Der Verdichterrotor ist mit dem Turbinenrotor über eine Welle gekoppelt, die in einem Lagergehäuse gelagert ist, wobei das Lagergehäuse zwischen dem Turbinengehäuse und dem Verdichtergehäuse positioniert und sowohl mit dem Turbinengehäuse und dem Verdichtergehäuse verbunden ist. Dieser grundsätzliche Aufbau eines Turboladers ist dem hier angesprochenen Fachmann geläufig.
Die Erfindung betrifft nun solche Details eines Turboladers, die die Verbindung von Turbinengehäuse und Lagergehäuse betreffen. Nachfolgend werden unter Bezugnahme auf 1 bis 6 unterschiedliche Ausführungsbeispiele von Turboladern beschrieben, wobei 1 bis 6 jeweils entsprechende Ausschnitte aus einem Turbolader im Bereich der Verbindung des Turbinengehäuses mit dem Lagergehäuse zeigen.
Ein erstes Ausführungsbeispiel eines Turboladers zeigen 1 und 2, wobei in 1 und 2 die Verbindungsstelle zwischen einem Turbinengehäuse, nämlich einem Turbinenzuströmgehäuse 1 des Turbinengehäuses, und einem Lagergehäuse 2 des Abgasturboladers gezeigt ist. Ferner zeigt 1 einen Düsenring 3 und einen Dichtdeckel 4.
Das Turbinenzuströmgehäuse 1 ist mit dem Lagergehäuse 2 über eine Befestigungseinrichtung 5 derart verbunden, dass die Befestigungseinrichtung 5 an einem Flansch 6 des Turbinenzuströmgehäuses 1 mit einem ersten Abschnitt 7 montiert ist, und zwar über mehrere Befestigungsmittel 8, und dass die Befestigungseinrichtung 5 mit einem zweiten Abschnitt 9 einen Flansch 10 des Lagergehäuses 2 zumindest abschnittsweise überdeckt. Die Befestigungseinrichtung 5 wird auch als Spannpratze bezeichnet. Im Ausführungsbeispiel der 1 und 2 ist die Befestigungseinrichtung 5 in Umfangsrichtung gesehen segmentiert, wobei jedes einzelne Segment 5a der Befestigungseinrichtung 5 über jeweils ein Befestigungsmittel 8 über den jeweiligen ersten Abschnitt 7 am Flansch 6 des Turbinenzuströmgehäuses 1 montiert ist. Vorzugsweise sind je Segment 5a der Befestigungseinrichtung 5 maximal zwei derartige Befestigungsmittel 8 vorgesehen, um das jeweilige Segment 5a am Flansch 6 des Turbinenzuströmgehäuses 1 zu montieren.
Im in 1 und 2 gezeigten Ausführungsbeispiel umfasst jedes Befestigungsmittel 8 eine in den Flansch 6 des Turbinenzuströmgehäuses 1 eingeschraubte Gewindeschraube 8a sowie eine an dem anderen Ende der Gewindeschraube 8a angreifende Mutter 8b, wobei durch Anziehen der Muttern 8b eine definierte Vorspannkraft über die Befestigungseinrichtung 5 auf das Turbinenzuströmgehäuse 1 und auf das Lagergehäuse 10 aufgebracht werden kann. Hierbei werden entsprechende Flansche von Düsenring 3 und Dichtdeckel 4 zwischen Turbinenzuströmgehäuse 1 und Lagergehäuse 2 geklemmt.
Um eine Leckageströmung über diesen Verbindungsbereich von Turbinenzuströmgehäuse 1 und Lagergehäuse 2 zu minimieren, muss vermieden werden, dass insbesondere die Befestigungseinrichtung 5 einem Verschleiß unterliegt, sodass stets eine definierte Klemmkraft auf Turbinenzuströmgehäuse 1 und Lagergehäuse 2 aufgebracht werden kann und keine Gefahr besteht, dass sich das Turbinenzuströmgehäuse 1 und das Lagergehäuse 2 voneinander lösen.
Die Befestigungseinrichtung 5 weist erfindungsgemäß an einer dem Flansch 10 des Lagergehäuses 2 zugewandten Fläche des zweiten Abschnitts 9 derselben eine gewölbte Konturierung auf. Dabei ist diese gewölbt konturierte, dem Flansch 10 des Lagergehäuses 2 zugewandte Fläche des zweiten Abschnitts 9 der Befestigungseinrichtung 5 konvex nach außen gewölbt, und zwar mit einem Krümmungsradius R, der zwischen dem 5-Fachen und dem 20-Fachen der axialen Dicke der Befestigungseinrichtung 5 im Bereich des zweiten Abschnitts 9 und/oder des ersten Abschnitts 7 der Befestigungseinrichtung 5 entspricht. Im Ausführungsbeispiel der 1 und 2, in welchem die Befestigungseinrichtung 5 von mehreren Segmenten 5a gebildet ist, weist jedes Segment 5a im Bereich der dem Flansch 10 des Lagergehäuses 2 zugewandten Fläche des jeweiligen zweiten Abschnitts 9 eine derartige Wölbung auf.
Über die oben beschriebene gewölbte Konturierung der Befestigungseinrichtung 5 bzw. der Segmente 5a der Befestigungseinrichtung 5 an der dem Flansch 10 des Lagergehäuses 2 zugewandten Fläche des zweiten Abschnitts 9 wird an dieser Fläche eine tribologische Form bereitgestellt, die dann, wenn sich im Betrieb Relativbewegungen zwischen Turbinenzuströmgehäuse und Lagergehäuse und damit zwischen Befestigungseinrichtung 5 und Lagergehäuse 2 ausbilden, eine Verschleißgefahr am Lagergehäuse 2 und an der Befestigungseinrichtung 5 minimiert.
Die Befestigungseinrichtung 5 bzw. die Segmente 5a derselben bestehen vorzugsweise aus einem metallischen Werkstoff mit einer Härte von mindestens 40 HRC (Rockwellhärte der Skala C), oder die Befestigungseinrichtung 5 bzw. die Segmente 5a bestehen aus einem gehärteten metallischen Werkstoff mit einer Oberflächenhärte im Bereich der gewölbten Oberfläche von mindestens 40 HRC. Das Härten eines metallischen Werkstoffs zur Bereitstellung einer solchen Oberflächenhärte erfolgt vorzugsweise durch Nitrieren. Ebenfalls ist es möglich, zur Härtung eines metallischen Werkstoffs auf eine zu härtende Oberfläche eine Beschichtung aufzubringen, zum Beispiel über ein Schmelz- oder Spritzverfahren, wie zum Beispiel Laser Cladding.
Die Kombination der gewölbten Konturierung der Befestigungseinrichtung 5 im Bereich der dem Flansch 10 des Lagergehäuses 2 zu gewandten Fläche des zweiten Abschnitts 9 der Befestigungseinrichtung 5 in Kombination mit der oben beschriebenen Härte der Befestigungseinrichtung 5 reduziert die Verschleißgefahr, falls sich im Betrieb Relativbewegungen zwischen Befestigungseinrichtung 5 und Lagergehäuse 2 ausbilden. Insbesondere kann der sogenannte Grabeffekt unterbunden werden.
Im Ausführungsbeispiel der 1 und 2 ist zwischen dem Flansch 10 des Lagergehäuses 2 und dem zweiten Abschnitt 9 der Befestigungseinrichtung 5 bzw. der Segmente 5a der Befestigungseinrichtung 5 ein Ring 11 angeordnet. Im Ausführungsbeispiel der 1 und 2 ist hier ein einziger Ring 11 zwischen den Flansch 10 des Lagergehäuses 2 und dem zweiten Abschnitt 9 des jeweiligen Segments 5a der Befestigungseinrichtung 5 positioniert, wobei dieser Ring 11 eine axiale Breite B und eine radiale Höhe H aufweist. Um ein Kippen des Rings 11 infolge von auf den Ring einwirkenden Reibkräften zu vermeiden, ist ein Verhältnis B:H ≤ 0,25. Vorzugsweise besteht der Ring 11 aus einem Werkstoff mit einer Härte von mindestens 40 HRC oder aus einem gehärteten Werkstoff mit einer Oberflächenhärte von mindestens 40 HRC. Dies dient der Verschleißminimierung bei Auftreten einer Relativbewegung zwischen der Befestigungseinrichtung 5 und dem Lagergehäuse 2.
Im Ausführungsbeispiel der 1 und 2, in welchem ein einziger Ring 11 zwischen dem Flansch 10 des Lagergehäuses 2 und dem zweiten Abschnitt 9 der Befestigungseinrichtung 5 bzw. der Segmente 5a der Befestigungseinrichtung 5 angeordnet ist, verfügt der Ring 11 über einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten, der in etwa dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten bzw. dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Lagergehäuses 2 entspricht. Hierdurch werden Relativbewegungen zwischen dem Ring 11 und dem Lagergehäuse 2 minimiert, Relativbewegungen erfolgen zwischen dem Ring 11 und den Segmenten 5a der Befestigungseinrichtung 5.
Die aneinander anliegenden Flächen von Ring 11 und zweitem Abschnitt 9 der Segmente 5a der Befestigungseinrichtung 5 verfügen über Oberflächenhärten von vorzugsweise mehr als 40 HRC, die dem Ring 11 zugewandte Fläche des zweiten Abschnitts 9 der Segmente 5a der Befestigungseinrichtung 5 verfügen über die oben beschriebene konturierte Wölbung mit dem Krümmungsradius R, wodurch insgesamt eine verschleißarme Montage des Lagergehäuses 2 am Turbinengehäuse 1, nämlich am Turbinenzuströmgehäuse, möglich ist.
Der Ring 11 des Ausführungsbeispiels der 1 und 2 ist vorzugsweise an einer Umfangsposition unter Ausbildung eines offenen Rings geschlitzt, sodass derselbe einfach auf den Flansch 10 des Lagergehäuses 2 aufgedreht bzw. eingefädelt werden kann. Dies ist insbesondere dann erforderlich, wenn der nicht gezeigte, mit dem Verdichtergehäuse zusammenwirkende Flansch des Lagergehäuses 2 einen größeren Durchmesser aufweist als der gezeigte, mit dem Turbinenzuströmgehäuse 1 zusammenwirkende Flansch 10 des Lagergehäuses 2. Der Ring 10 der 1 und 2 liegt mit einer ersten Seite an dem Flansch 10 des Lagergehäuses 2 und mit einer zweiten Seite an dem zweiten Abschnitt 9 der Segmente 5a der Befestigungseinrichtung 5 an.
Ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines Turboladers zeigen 3 und 4, wobei sich das Ausführungsbeispiel der 3 und 4 vom Ausführungsbeispiel der 1 und 2 in erster Linie dadurch unterscheidet, dass im Ausführungsbeispiel der 3 und 4 zwischen dem Flansch 10 des Lagergehäuses 2 und dem zweiten Abschnitt 9 der Befestigungseinrichtung 5 bzw. dem zweiten Abschnitt 9 der Segmente 5a der Befestigungseinrichtung 5 nicht ein einziger Ring 11 angeordnet ist, vielmehr sind hier in 3 und 4 zwei Ringe 12 und 13 axial hintereinander angeordnet. Ein erster Ring 12 liegt dabei mit einer ersten Seite an dem Flansch 10 des Lagergehäuses 2 an, wohingegen ein zweiter Ring 13 einer ersten Seite an dem zweiten Abschnitt 9 der Befestigungseinrichtung 5 bzw. der Segmente 5a der Befestigungseinrichtung 5 anliegt. Ferner liegen die beiden Ringe 12 und 13 mit einander zugewandten zweiten Seiten aneinander an.
Der erste Ring 12 verfügt vorzugsweise über einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten, der dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Lagergehäuses 2 entspricht. Der zweite Ring 13 weist vorzugsweise einen hiervon abweichenden thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf. Hiermit ist es möglich, eine Relativbewegung, die sich im Betrieb ausbilden kann, zwischen die beiden Ringe 12, 13 zu verlagern. Dies erlaubt eine besonders verschleißarme Verbindung des Lagergehäuses 2 mit dem Turbinenzuströmgehäuse 1.
Auch im Ausführungsbeispiel der 3 und 4 ist der zweite Abschnitt 9 der Befestigungseinrichtung 5 bzw. der Segmente 5a der Befestigungseinrichtung 5 an der dem zweiten Ring 13 und damit dem Flansch 10 des Lagergehäuses 2 zugewandten Seite gewölbt konturiert, und zwar wie im Zusammenhang mit 1 und 2 beschrieben, mit einem definierten Krümmungsradius R. Diesbezüglich wird auf die obigen Ausführungen verwiesen. Die Anordnung aus den beiden Ringen 12 und 13 verfügt über eine axiale Breite B und eine radiale Höhe H, wobei ein Verhältnis B:H ≤ 0,25 ist.
Die beiden Ringe 12, 13 bestehen vorzugsweise aus einem Werkstoff mit einer Härte von mindestens 40 HRC oder aus einem gehärteten Werkstoff mit einer Oberflächenhärte von mindestens 40 HRC.
Der erste Ring 12, der mit seiner ersten Seite an dem Flansch 10 des Lagergehäuses 2 anliegt, ist vorzugsweise an einer einzigen Umfangsposition geschlitzt, sodass derselbe wiederum als Einheit einfach auf das Lagergehäuse 2, nämlich den Flansch 10 desselben, aufgefädelt werden kann. Der zweite Ring 13 hingegen ist vorzugsweise unter Ausbildung von mehreren Ringsegmenten an mehreren Umfangspositionen geschlitzt, vorzugsweise derart, dass die Anzahl und damit Umfangserstreckung der Ringsegmente des zweiten Rings 13 der Anzahl und damit Umfangserstreckung der Segmente 5a der Befestigungseinrichtung 5 entspricht.
Zwischen jedem Segment 5a der Befestigungseinrichtung 5 und dem Flansch 10 des Lagergehäuses 2 ist vorzugsweise jeweils ein individuelles Ringsegment des zweiten Rings 13 positioniert, wobei dann sämtliche Ringsegmente des zweiten Ringsegments 13 an dem an einet Umfangsposition geschlitzten, als offenen Ring ausgebildeten ersten Ring 12 anliegen. Durch die Segmentierung des zweiten Rings 13 können thermische Spannungen in Umfangsrichtung reduziert werden. Eine Gleitbewegung teilt sich dann auf mehrere in Serie geschaltete Gleitflächen der Ringsegmente des Rings 13 auf, wodurch sich eine auf die Befestigungseinrichtung 5 wirkende Reibkraft reduziert.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Turboladers zeigt 5, wobei 5 eine Alternative zu den Ausführungsbeispielen der 1 bis 4 darstellt. Im Ausführungsbeispiel der 5 ist vorgesehen, dass das Lagergehäuse 2 zumindest zweiteilig ausgebildet ist und einen Grundkörper 14 aufweist, mit dem ein separater Flansch 15 verbunden ist. Der Grundkörper 14 ist aus einem konventionellen metallischen Werkstoff gefertigt, wohingegen der separate Flansch 15, der mit dem Grundkörper 14 befestigt ist, aus einem Werkstoff gefertigt ist, der eine Härte von mindestens 40 HRC aufweist, oder der aus einem gehärteten Werkstoff mit einer Oberflächenhärte von mindestens 40 HRC gefertigt ist. Hierdurch werden zwischen dem Flansch 15 des Lagergehäuses 2 und der Befestigungseinrichtung 5, nämlich den Segmenten 5a derselben, im Bereich der zweiten Abschnitte 9 derselben, angepasste Reibkoeffizienten bereitgestellt, um einen Verschleiß der Verbindung zwischen Lagergehäuse 2 oder Turbinenzuströmgehäuse 1 zu minimieren. Dabei ist auch in 5 wiederum vorgesehen, dass der zweite Abschnitt 9 der Befestigungseinrichtung 5 bzw. der zweite Abschnitt 9 der Segmente 5a der Befestigungseinrichtung 5 an der dem Flansch 15 des Lagergehäuses 2 zugewandten Seite konvex nach außen mit einem definierten Krümmungsradius R gekrümmt ist. Hinsichtlich dieser Merkmale sei auf die obigen Ausführungen zum Ausführungsbeispiel der 1 und 2 bzw. zum Ausführungsbeispiel der 3 und 4 verwiesen.
Der hauptsächliche Unterschied zum dem Ausführungsbeispiel der 5 und dem Ausführungsbeispiel der 1 bis 4 besteht demnach darin, dass in 5 kein Ring vorgesehen ist, der zwischen dem Flansch 10 des Lagergehäuses 2 und der Befestigungseinrichtung 5 positioniert ist, vielmehr ist hier der Flansch 15 des Lagergehäuses 2 als separate Baugruppe aus einem harten oder gehärteten, metallischen Werkstoff gefertigt.
5 kann entnommen werden, dass dieser aus einem harten oder gehärteten Werkstoff gefertigte, separate Flansch 15 auf dem Grundkörper 14 des Lagergehäuses 2 aufgeschraubt ist, wobei hierzu ein Innengewinde 16 am Flansch 15 mit einem Außengewinde 17 am Grundkörper 14 des Lagergehäuses 2 zusammenwirkt. Eine derartige Schraubverbindung ist bevorzugt, da dieselbe einen Formschluss darstellt und damit gegenüber thermischen Ausdehnungen und Fertigungstoleranzen unempfindlich ist. Gemäß 5 ist vorgesehen, die Schraubverbindung zwischen dem Flansch 15 des Lagergehäuses 2 und dem Grundkörper 14 des Lagergehäuses 2 über mindestens ein sich in radialer Richtung erstreckendes Sicherungselement 18 zu sichern, welches im gezeigten Ausführungsbeispiel als Zylinderstift ausgeführt ist.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Turboladers zeigt 6. Beim Ausführungsbeispiel der 6 ist es vorgesehen, dass das Lagergehäuse 2 im Bereich des Flansches 10, nämlich im Bereich einer Fläche des Flansches 10, die mit der konvex gekrümmt gewölbten Fläche der Befestigungseinrichtung 5 bzw. des jeweiligen Segments 5a der Befestigungseinrichtung 5 am zweiten Abschnitt 9 derselben zusammenwirkt, gehärtet ist. 6 zeigt eine an dieser Fläche des Flansches 10 des Lagergehäuses 2 aufgetragene Beschichtung 19, um das Lagergehäuse 2 an dieser Fläche des Flansches 10 zu härten, wobei diese Beschichtung zum Beispiel durch ein Schmelz- oder Spritzverfahren wie Laser Cladding aufgebracht werden kann. Alternativ zu einer Beschichtung kann der Werkstoff des Lagergehäuses 2 auch über ein Härtungsverfahren, wie zum Beispiel Laser Hardening oder Nitrieren, gehärtet werden.
Bei allen erfindungsgemäßen Varianten eines Abgasturboladers kann eine besonders vorteilhafte Verbindung zwischen Turbinenzuströmgehäuse 1 und Lagergehäuse 2 bereitgestellt werden, die verschleißarm ist. Besonders bevorzugt ist die Ausführungsform der 3 und 4, bei welcher zwischen dem Flansch 10 des Lagergehäuses 2 und den den Flansch 10 des Lagergehäuses 2 überdeckenden Abschnitten 9 der Segmente 5a der Befestigungseinrichtung 5 zwei Ringe 12 und 13 axial hintereinander angeordnet sind. Diese Ausführung ist nicht nur konstruktiv einfach, vielmehr erlaubt diese Ausführung auch eine Verlagerung von betriebsbedingten Relativbewegungen zwischen die beiden Ringe 12 und 13, sodass sowohl die Befestigungseinrichtung 5 als auch das Lagergehäuse 2 keinem Verschleiß ausgesetzt sind, wodurch keine Gefahr besteht, dass eine Leckageströmung des in der Turbine zu entspannenden ersten Mediums in die Umgebung gelangt oder sich gar die Verbindung zwischen Turbinenzuströmgehäuse 1 und Lagergehäuse 2 löst.
Bezugszeichenliste

1: Turbinenzuströmgehäuse
2: Lagergehäuse
3: Düsenring
4: Dichtdeckel
5: Befestigungseinrichtung
5a: Segment
6: Flansch
7: Abschnitt
8: Befestigungsmittel
8a: Schraube
8b: Mutter
9: Abschnitt
10: Flansch
11: Ring
12: Ring
13: Ring
14: Grundkörper
15: Flansch
16: Gewinde
17: Gewinde
18: Sicherungselement
19: Beschichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102013002605 A1 [0002]

Claims

Turbolader, mit einer Turbine zur Entspannung eines ersten Mediums, mit einem Verdichter zur Verdichtung eines zweiten Mediums unter Nutzung von in der Turbine bei Entspannung des ersten Mediums gewonnener Energie, wobei die Turbine ein Turbinengehäuse (1) und einen Turbinenrotor aufweist, wobei der Verdichter ein Verdichtergehäuse und einen mit dem Turbinenrotor über eine Welle gekoppelten Verdichterrotor aufweist, wobei das Turbinengehäuse (1) und das Verdichtergehäuse jeweils mit einem zwischen denselben angeordneten Lagergehäuse (2), in welchem die Welle gelagert ist, verbunden sind, wobei das Turbinengehäuse (1) und das Lagergehäuse (2) über eine Befestigungseinrichtung (5) derart verbunden sind, dass die Befestigungseinrichtung an einem Flansch (6) des Turbinengehäuses (1) mit einem ersten Abschnitt (7) montiert ist und mit einem zweiten Abschnitt (9) einen Flansch (10; 15) des Lagergehäuses (2) zumindest abschnittsweise überdeckt, dadurch gekennzeichnet, dass die Befestigungseinrichtung (5) an einer dem Flansch (10; 15) des Lagergehäuses (2) zugewandten Fläche des zweiten Abschnitts (9) gewölbt konturiert ist.
Turbolader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Krümmungsradius der gewölbten Fläche des dem Flansch (10; 15) des Lagergehäuses (2) zugewandten zweiten Abschnitts (9) der Befestigungseinrichtung (5) zwischen dem 5-fachen und dem 20-fachen der axialen Dicke der Befestigungseinrichtung (5) im Bereich des zweiten Abschnitts (9) und/oder ersten Abschnitts (7) entspricht.
Turbolader nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Befestigungseinrichtung (5) aus einem Werkstoff mit einer Härte von mindestens 40 HRC oder aus einem gehärteten Werkstoff mit einer Oberflächenhärte im Bereich der gewölbten Fläche von mindestens 40 HRC besteht.
Turbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem zweiten Abschnitt (9) der Befestigungseinrichtung (5) und dem Flansch (10) des Lagergehäuses (2) mindestens ein Ring (11; 23, 13) angeordnet ist.
Turbolader nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem zweiten Abschnitt (9) der Befestigungseinrichtung (5) und dem Flansch (10) des Lagergehäuses (2) ein einziger Ring (11) angeordnet ist, der mit einer ersten Seite an dem Flansch (10) des Lagergehäuses (2) und mit einer zweiten Seite an dem zweiten Abschnitt (9) der Befestigungseinrichtung (5) anliegt.
Turbolader nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Ring (11) einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, der dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Lagergehäuses (2) entspricht.
Turbolader nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem zweiten Abschnitt (9) der Befestigungseinrichtung (5) und dem Flansch (10) des Lagergehäuses (2) zwei Ringe (12, 13) angeordnet ist, wobei ein erster Ring (12) mit einer ersten Seite an dem Flansch (10) des Lagergehäuses (2) anliegt, wobei ein zweiter Ring (13) mit einer ersten Seite an dem zweiten Abschnitt (9) der Befestigungseinrichtung (5) anliegt, wobei die beiden Ringe (12, 13) mit zweiten Seiten aneinander anliegen.
Turbolader nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Ring (12) einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, der dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Lagergehäuses (2) entspricht, und dass der zweite Ring (13) einen hiervon abweichenden thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist.
Turbolader nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Ring (11) oder eine Anordnung aus mehreren Ringen (12, 13) eine axiale Breite B und radiale Höhe H aufweist, wobei ein Verhältnis B:H ≤ 0,25 ist.
Turbolader nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der oder jeder Ring (11, 12, 13) aus einem Werkstoff mit einer Härte von mindestens 40 HRC oder aus einem gehärteten Werkstoff mit einer Oberflächenhärte von mindestens 40 HRC besteht.
Turbolader nach einem der Ansprüche 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der oder jeder Ring (11, 12, 13) an jeweils mindestens einer Umfangsposition geschlitzt ist.
Turbolader nach Anspruch 7 und nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Ring (12) unter Ausbildung einen offenen Rings an einer einzigen Umfangsposition geschlitzt ist, und dass der zweite Ring (13) unter Ausbildung mehrere Ringsegmente an mehreren Umfangspositionen geschlitzt ist
Turbolader nach Anspruch 4 und nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Ring (11) unter Ausbildung einen offenen Rings an einer einzigen Umfangsposition geschlitzt ist.
Turbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der als integrale Baugruppe des Lagergehäuses (2) ausgeführte Flansch (10) an einer dem zweiten Abschnitt (9) der Befestigungseinrichtung (5) zugewandten Fläche gehärtet ist und an dieser Fläche eine Oberflächenhärte von mindestens 40 HRC aufweist.
Turbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Flansch (15) des Lagergehäuses (2) als separate Baugruppe des Lagergehäuses ausgeführt, aus einen harten oder gehärteten Werkstoff mit einer Oberflächenhärte von mindestens 40 HRC gefertigt und mittels eines Gewindes auf einem Grundkörper (14) des Lagergehäuses (2) montiert ist.
Turbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Befestigungseinrichtung (5) im Umfangsrichtung segmentiert ist, wobei jedes Segment (5a) der Befestigungseinrichtung (5) mit dem jeweiligen ersten Abschnitt (7) desselben über maximal zwei Befestigungsmittel (8) am Flansch (6) des Turbinengehäuses (1) montiert ist.
Turbolader nach Anspruch 16 und nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Umfangssegmentbreite der Segmente (5a) der Befestigungseinrichtung (5) der Umfangssegmentbreite der Ringsegmente des zweiten Rings (13) entspricht, sodass zwischen dem ersten Ring (12) und jedem Segment (5a) der Befestigungseinrichtung (5) jeweils ein entsprechendes Ringsegment des zweiten Rings (13) angeordnet ist.