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Die Erfindung betrifft einen Turbolader mit einer Sollbruchstelle am Turboladerläufer für eine Brennkraftmaschine.
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Abgasturbolader werden vermehrt zur Leistungssteigerung bei Kraftfahrzeug-Verbrennungsmotoren eingesetzt. Dies geschieht immer häufiger mit dem Ziel, den Verbrennungsmotor bei gleicher oder gar gesteigerter Leistung in Baugröße und Gewicht zu reduzieren und gleichzeitig den Verbrauch und somit den CO2-Ausstoß, im Hinblick auf immer strenger werdende gesetzliche Vorgaben diesbezüglich, zu verringern. Das Wirkprinzip besteht darin, die im Abgasstrom enthaltene Energie zu nutzen, um einen Druck in einem Ansaugtrakt des Verbrennungsmotors zu erhöhen und so eine bessere Befüllung eines Brennraumes des Verbrennungsmotors mit Luft-Sauerstoff zu bewirken. Somit kann mehr Treibstoff, wie Benzin oder Diesel, pro Verbrennungsvorgang umgesetzt werden, also die Leistung des Verbrennungsmotors erhöht werden.
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Dazu weist der Abgasturbolader eine im Abgastrakt des Verbrennungsmotors angeordnete Abgasturbine, einen im Ansaugtrakt angeordneten Frischluftverdichter und ein dazwischen angeordnetes Läuferlager auf. Die Abgasturbine weist ein Turbinengehäuse und ein darin angeordnetes, durch den Abgasmassenstrom angetriebenes Turbinenlaufrad auf. Der Frischluftverdichter weist ein Verdichtergehäuse und ein darin angeordnetes, einen Ladedruck aufbauendes Verdichterlaufrad auf. Das Turbinenlaufrad und das Verdichterlaufrad sind auf den sich gegenüberliegenden Enden einer gemeinsamen Welle, der sogenannten Läuferwelle, drehfest angeordnet und bilden so den sogenannten Turboladerläufer. Die Läuferwelle erstreckt sich axial zwischen Turbinenlaufrad und Verdichterlaufrad durch das zwischen Abgasturbine und Frischluftverdichter angeordnete Läuferlager und ist in diesem, in Bezug auf die Läuferwellenachse, radial und axial drehgelagert. Gemäß diesem Aufbau treibt das vom Abgasmassenstrom angetriebene Turbinenlaufrad über die Läuferwelle das Verdichterlaufrad an, wodurch der Druck im Ansaugtrakt des Verbrennungsmotors, bezogen auf den Frischluftmassenstrom hinter dem Frischluftverdichter, erhöht und dadurch eine bessere Befüllung des Brennraumes mit Luft-Sauerstoff bewirkt wird.
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1 zeigt schematisiert einen exemplarischen Abgasturbolader 1 in Schnittdarstellung, der eine Abgasturbine 20, einen Frischluftverdichter 30 und ein Läuferlager 40 aufweist. Der dargestellte Abgasturbolader 1 weist einen mehrteiligen Aufbau auf. Dabei sind ein im Abgastrakt des Verbrennungsmotors anordenbares Turbinengehäuse 21, ein im Ansaugtrakt des Verbrennungsmotors anordenbares Verdichtergehäuse 31 und zwischen Turbinengehäuse 21 und Verdichtergehäuse 31 ein Lagergehäuse 41 bezüglich der gemeinsamen Turboladerachse 2 nebeneinander angeordnet und montagetechnisch miteinander verbunden.
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Die Abgasturbine 20 ist mit einem Wastegateventil 29 ausgestattet und ein Abgasmassestrom AM ist mit Pfeilen angedeutet. Der Frischluftverdichter 30 weist ein Schub-Umluftventil 39 auf und ein Frischluft-Massestrom FM ist ebenfalls mit Pfeilen angedeutet. Ein sogenannter Turboladerläufer 10 des Abgasturboladers 1 weist ein Turbinenlaufrad 12 (auch Turbinenrad bezeichnet) , ein Verdichterlaufrad 13 (auch Verdichterrad bezeichnet) sowie eine Läuferwelle 14 auf. Der Turboladerläufer 10 rotiert im Betrieb um eine Läuferdrehachse 15 der Läuferwelle 14. Die Läuferdrehachse 15 und gleichzeitig die Turboladerachse 2 (auch als Längsachse bezeichnet) sind durch die eingezeichnete Mittellinie dargestellt und kennzeichnen die axiale Ausrichtung des Abgasturboladers 1.
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Das Lagergehäuse 41 ist axial zwischen dem Turbinengehäuse 21 und dem Verdichtergehäuse 31 angeordnet. Im Lagergehäuse 41 ist die Läuferwelle 14 des Turboladerläufers 10 sowie die erforderliche Lageranordnung mit Radiallagern 42 zur Drehlagerung und einer Axiallagerscheibe 43 zur Axiallagerung der Läuferwelle 14 aufgenommen.
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Eine weitere Baueinheit des Abgasturboladers 1 stellt der Turboladerläufer 10 dar, der die Läuferwelle 14, das in dem Turbinengehäuse 21 angeordnete Turbinenlaufrad 12 und das in dem Verdichtergehäuse 31 angeordnete Verdichterlaufrad 13 aufweist. Das Turbinenlaufrad 12 und das Verdichterlaufrad 13 sind auf den sich gegenüberliegenden Enden der gemeinsamen Läuferwelle 14 angeordnet und mit dieser drehfest verbunden. Die Läuferwelle 14 erstreckt sich in Richtung der Turboladerachse 2 axial durch das Lagergehäuse 41 und ist in diesem axial und radial um seine Längsachse, die Läuferdrehachse 15, drehgelagert, wobei die Läuferdrehachse 15 mit der Turboladerachse 2 zusammenfällt. Die konstruktive Gestaltung eines konventionellen Abgasturboladers 1 erfordert in der Regel einen mehrteiligen Aufbau des Turboladerläufers 10. Gleichzeitig müssen über die Läuferwelle 14 beträchtliche Drehmomente bei sehr hohen Drehzahlen (einige 10.000 bis über 100.000 Umdrehungen pro Minute) übertragen werden. Darüber hinaus wird der Turboladerläufer 10 im Betrieb insbesondere auf der Seite des Turbinenlaufrads 12 einer thermischen Wechselbeanspruchung mit Temperaturen bis über 1000 °C ausgesetzt. Des Weiteren muss das Trägheitsmoment des Turboladerläufers 10 minimiert werden, um eine schnelle Drehzahlanpassung an die wechselnden Betriebszustände gewährleisten zu können. Dazu werden für Turbinenlaufrad 12, Verdichterlaufrad 13 und Läuferwelle 14 unterschiedliche Werkstoffe eingesetzt, wobei das Turbinenlaufrad 12 und die Läuferwelle 14 in der Regel miteinander verschweißt sind und das Verdichterlaufrad 13 zusammen mit den im Folgenden beschriebenen Komponenten des Turboladerläufers 10 mittels einer Spannmutter 19 auf der Läuferwelle 14 festgespannt ist.
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Zur Lagerung der zumeist aus einem Stahlwerkstoff bestehenden Läuferwelle 14 im Lagergehäuse 41 ist üblicherweise eine Lageranordnung auf der Läuferwelle 14 vormontiert und wird dann zusammen mit der Läuferwelle 14 in das Lagergehäuse 41 montiert. Diese Lageranordnung umfasst im Beispiel ein der Verdichterseite zugeordnetes, also ein verdichterseitiges Radiallager 42 sowie ein der Turbinenseite zugeordnetes, also ein turbinenseitiges Radiallager 42 und das axiale Gegenlager 44, das der Verdichterseite zugeordnet und in Nachbarschaft zu dem verdichterseitigen Radiallager 42 auf der Läuferwelle 14 angeordnet ist. Zwischen den beiden Radiallagern 42 ist eine Lager-Abstandshülse 17 angeordnet, welche einen definierten Abstand die beiden Radiallager 42 gewährleistet. Die Lager können dabei vorzugsweise als Gleitlager oder Wälzlager ausgeführt sein und können einzeln oder auch in einer sogenannten Lagerkartusche zusammengefasst auf der Läuferwelle angebracht sein.
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Schließlich ist auf der Läuferwelle 14, zwischen dem Verdichterlaufrad 13 und dem axialen Gegenlager 44, noch eine Dichtringbuchse 18 vorgesehen. Die Dichtringbuchse 18 ist ein Teil einer verdichterseitigen Läuferwellen-Öldichtung 50 für die Abdichtung der Lageranordnung im Lagergehäuse 41 gegenüber dem Verdichtergehäuse 31 des Abgasturboladers 1. Auf der Turbinenseite der Läuferwelle 14 ist eine weitere turbinenseitige Läuferwellen-Öldichtung 51 für die Abdichtung der Lageranordnung im Lagergehäuse-Innenraum 46 des Lagergehäuses 41 gegenüber dem Turbinengehäuse 21 angeordnet. Dazu sind auf der Läuferwelle in einem Bereich zwischen dem turbinenseitigen Radiallager 42 und dem Turbinenlaufrad 12 mehrere Kolbenringstege 52 mit dazwischen liegenden Kolbenringnuten 64 zur Aufnahme von entsprechenden Kolbenringen (hier nicht dargestellt) ausgebildet.
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Weitere Details des Turboladers 1 werden hier zunächst nicht näher erläutert. Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass sowohl der in 1 beschriebene Turbolader 1 als auch der in 2 dargestellte Turboladerläufer 10 exemplarisch zu verstehen sind und diese alternativ auch andere, davon abweichende Ausgestaltungen haben können.
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Die Läuferwelle rotiert im Betrieb des Turboladers typischerweise mit sehr hohen Geschwindigkeiten. In den Laufrädern, etwa dem Turbinenlaufrad aber auch dem eingangs erwähnten Verdichterlaufrad, werden dabei hohe kinetische Energien gespeichert.
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Es wurde erkannt, dass es, während des Betriebs des Turboladers, insbesondere bei Prüfstandsläufen im Grenzbereich, die zur Auslegung des Turboladers oder Komponenten des Turboladers wie des Turboladerläufers durchgeführt werden müssen, oder auch beispielsweise bei mangelhafter oder gar ausbleibender Ölzufuhr in die Lager, im bestimmungsgemäßen Einsatz des Turboladers zum Versagen der Radiallager und der Läuferwelle kommen kann.
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Aus Dokument
US 2015 023 785 A1 ist beispielsweise eine Kupplungseinheit zur Anbindung eines Verdichterlaufrades an eine Läuferwelle bekannt, die einen Verformungsbereich aufweist, der so konfiguriert, dass sich bei einer unausgewogenen Belastung, die bei einem Ausfall des Laufrads auf den Kupplungskörper ausgeübt wird, der verformbare Abschnitt dauerhaft verformt, ohne dass die Endfestigkeit eines Materials, das den Kupplungskörper bildet, überschritten wird und vor einer dauerhaften Verformung der Welle.
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Dagegen kann es insbesondere auf der Turbinenseite bei entsprechender Überlastung der Läuferwelle zu einem Wellenbruch kommen. Dabei können die Laufräder und damit zusammen Wellenbruchstücke das Lagergehäuse und ggf. den Abgasturbolader in axialer Richtung verlassen. Insbesondere das Turbinenlaufrad würde aufgrund vorherrschender Gasdrücke von der mittig gelagerten Welle axial weggedrängt. Liegt der Wellenbruch innerhalb des Lagergehäuses, so könnten dabei beispielsweise die Kolbenringe der Läuferwellen-Öldichtungen ihre ursprüngliche axiale Position in der Läuferwellenöffnung verlassen, wodurch eine Dichtwirkung verloren ginge. Dies hätte unter anderem die negative Folge, dass Öl in solchen Mengen in den Abgasbereich austreten könnte, dass der Verbrennungsmotor, in dessen Ölkreislauf der Turbolader eingekoppelt ist, unmittelbar abgestellt werden muss, um noch größere Folgeschäden, zum Beispiel eines Abgas-Nachbehandlungssystems zu vermeiden. Ein Ölaustritt sollte auch deshalb weitestgehend vermieden werden, um ggf. zumindest Notlaufeigenschaffen des Systems zu gewährleisten.
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Eine Aufgabe, die der Erfindung zugrunde liegt, ist es deshalb, ein Konzept für einen Turbolader anzugeben, welches zu einem sicheren Betrieb eines Turboladers, auch im Versagensfall von Lagerkomponenten und einem in der Folge daraus resultierenden Bruch der Läuferwelle, beiträgt.
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Erfindungsgemäß wird ein Turbolader für eine Brennkraftmaschine vorgeschlagen, der ein Lagergehäuse mit einer Verdichterseite und einer Turbinenseite und einen Lagergehäuse-Innenraum, sowie ein Turbinengehäuse, welches mechanisch auf der Turbinenseite an dem Lagergehäuse festgelegt ist aufweist.
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Weiterhin weist der erfindungsgemäße Turbolader einen Turboladerläufer mit einer Läuferwelle und einem Turbinenrad auf, wobei der Turboladerläufer mit seiner Läuferwelle über zumindest zwei Radiallager in dem Lagergehäuse drehbar gelagert ist und das Turbinenrad drehfest an dem turbinenseitigen Ende der Läuferwelle und im Turbinengehäuse angeordnet ist und zumindest eine auf der Läuferwelle und zwischen der Läuferwelle und dem Lagergehäuse angeordneten turbinenseitigen Läuferwellen-Öldichtung zur Abdichtung des Lagergehäuse-Innenraums gegenüber dem Turbinengehäuse, wobei die turbinenseitige Läuferwellen-Öldichtung axial bezüglich der Läuferdrehachse zwischen einem, dem Lagergehäuse zugewandten Turbinenradrücken und einem dem Turbinenrad nächstliegenden Radiallager, also dem turbinenseitigen Radiallager, auf der Läuferwelle angeordnet ist.
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Der erfindugnsgemäße Turbolader ist vor allem dadurch gekennzeichnet, dass eine Sollbruchstelle für den Turboladerläufer ausgebildet ist, die in einem Bruchstellenbereich liegt, der sich bezüglich der Läuferdrehachse axial zwischen dem Turbinenradrücken und einem dem Turbinenradrücken zugewandten axialen Ende der turbinenseitigen Läuferwellen-Öldichtung, die am weitesten entfernt vom Turbinenrad angeordnet ist, erstreckt.
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Der beschriebene Turbolader sieht somit einen Mechanismus vor, der im Versagensfall der Läuferwelle eine definierte Bruchstelle auf der Turbinenseite, außerhalb des Lagergehäuses sicher stellt und so die turbinenseitige Läuferwellen-Öldichtung in Position in der Läuferwellenöffnung im Lagergehäuse hält und so deren Dichtfunktion zumindest weitgehend aufrecht hält. Hierzu ist eine Sollbruchstelle vorgesehen, die axial auf die Läuferdrehachse bezogen nicht im Lagergehäuse-Innenraum, also nicht zwischen der verdichterseitigen Läuferwellen-Öldichtungen und der turbinenseitigen Läuferwellen-Öldichtung der Läuferwelle angeordnet ist, sondern in einem Bruchstellenbereich axial zwischen dem Turbinenradrücken und einem dem Turbinenradrücken zugewandten axialen Ende der turbinenseitigen Läuferwellen-Öldichtung, die am weitesten entfernt vom Turbinenrad angeordnet ist.
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Auf diese Weise ist zum Beispiel bei einer mehrteiligen Dichtungsanordnung, wie einer Labyrinth-Dichtung mit mehreren, zum Beispiel als Kolbenringe ausgeführten, Einzel-Dichtungen, jedenfalls gewährleistet, dass eine der Dichtungen an der vorgesehenen Position verbleibt, seine Dichtwirkung dadurch beibehält und so einen übermäßigen Ölaustritt vom Innenraum des Lagergehäuses in das Turbinengehäuse und den Abgasbereich verhindert.
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Da der verdichterseitige Teil der Läuferwelle durch ein Axiallager in Position gehalten wird, behalten im Versagensfall der Läuferwelle an der Sollbruchstelle, also einem Wellenbruch, die Läuferwellen-Öldichtungen ihre axiale Position bei, wodurch eine Vermeidung oder zumindest eine signifikante Reduzierung eines Ölverlusts in den Abgasbereich hinein erreicht wird.
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Ein weiterer Effekt der erfindungsgemäßen Sollbruchstelle ist es, dass dadurch ein abgebrochenes Turbinenrad mehr Bewegungsfreiheit erhält, die eine entscheidende Rolle beim Abbau der kinetischen Energie spielt. Durch die Vorsehung der Sollbruchstelle in dem beschriebenen Bereich, kann das Turbinenlaufrad im Versagensfall der Läuferwelle nahezu ohne oder vollständig ohne Wellenstummel taumeln und an vielfältigen Stellen im Turbinengehäuse anstreifen. Dadurch werden beispielsweise weitere Kräfte erzeugt, die das Turbinenrad in nahezu zufälliger Art und Weise taumeln lassen, so dass vielfältige Anstreifvorgänge resultieren, die die kinetische Energie sehr schnell abbauen und so ein Austreten des Turbinenlaufrades aus dem Turbinengehäuse verhindern. Somit wird die Axialbewegung des Turbinenrads selbst limitiert und ein axiales Containment, etwa das Zusammenhalten der Komponenten des Turboladers im Gehäuse, erzielt.
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Vorteilhaft kann so darauf verzichtet werden, einen Wellenbruch unter allen Umständen dadurch zu vermeiden, dass die Läuferwelle besonders robust, etwa hinsichtlich Material und Abmessungen, ausgeführt ist. Weiter vorteilhaft ist es auch nicht nötig eine Radrückenscheibe und/oder die Beschaufelung des Turbinenlaufrades mit einer solch großen Materialstärke auszuführen, so dass die zur Verformung des Laufrades erforderliche Energie groß genug ist die rotatorische Energie des Turbinenlaufrads aufzuzehren und so ein axiales Austreten des Turbinenlaufrads zusammen mit einem Läuferwellenbruchstück aus dem Turbinengehäuse zu verhindern. Der durch die Erfindung mögliche Verzicht auf diese Maßnahmen trägt zu einer größeren Dynamic und so zu einem verbesserten Leistungsverhalten des Turboladers bei, beispielsweise aufgrund der kleineren Massenträgheit.
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Optional ist die Laufradgeometrie ergänzend so gestaltet, dass diese nicht durch die vorhandene Öffnung für den Abgasstrom passt. Es ist beispielsweise sichergestellt, dass ein Verformungsvermögen und eine dabei dissipierte Energie der verwendeten Werkstoffe ausreichen, um die Bauteile nur soweit zu verformen, dass sie sich nach einer Umwandlung der rotatorischen kinetischen Energie in Verformungsenergie axial nicht aus dem Turbinengehäuse heraus bewegen können.
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Die Sollbruchstelle ist beispielsweise ein durch konstruktive oder mechanische bzw. physikalische Maßnahmen oder Auslegungen vorgesehenes Konstruktionselement. Im Schadens- oder Überlastfall wird dieses Konstruktionselement gezielt und vorhersagbar versagen oder ermöglicht ein Versagen an einer definierten Stelle, um die oben erwähnten Funktionen und Vorteile zu erreichen. Anders ausgedrückt soll unter dem Begriff auch verstanden werden, dass aufgrund einer konstruktiven Maßnahme die Welle an einer definierten oder vorgegebenen Sollbruchstelle bricht, die nicht zwingend an selber axialer Stelle wie die konstruktive Maßnahme liegen muss. Die Sollbruchstelle kann beispiels- weise eine Kerbe, eine Bruchstellennut oder eine Einritzung sein, es sind jedoch auch andere konstruktive Maßnahmen, wie auch nachfolgend noch beschrieben wird, denkbar. Die konstruktive Maßnahme an der Sollbruchstelle sollte so ausgeführt sein, dass ein regulärer Betrieb des Turboladers, ein Normalbetrieb, auch unter Einbeziehung von Materialermüdung nicht gestört oder beeinträchtigt wird.
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Unter einer Öldichtung wird beispielsweise eine Labyrinthdichtung verstanden, die ein oder mehrere Kolbenringe aufweist und zusammen mit Kolbenringstegen und dazwischenliegenden Nuten der Welle und/oder des Turbinenrads die Dichtung ausbildet. Die Öldichtung erstreckt sich beispielsweise über einen axialen Bereich der Läuferwelle, von einem axialen Ende, welches dem Turbinenrad abgewandt ist, zu einem zweiten axialen Ende, welches dem Turbinenrad zugewandt ist. Die Öldichtung kann auch als Öldichtungsabschnitt oder Öldichtungsbereich bezeichnet werden. Für den beschriebenen Turbolader ist es demnach erforderlich, dass die Sollbruchstelle so angeordnet ist, so dass im Versagensfall zumindest je ein Teil der Dichtung aufrechterhalten bleibt. Dies gilt es auch bei auch bei anderen alternativen Dichtungsausgestaltungen zu beachten.
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Gemäß einer Ausführungsform ist die Sollbruchstelle, axial bezüglich der Läuferdrehachse, an der im Betrieb des Turboladers am höchsten beanspruchten Stelle des Bruchstellenbereichs der Läuferwelle angeordnet. Die am höchsten beanspruchte Stelle ist diejenige, an welchem die größten radialen und/oder axialen Kräfte auf die Welle wirken, die aufgrund des Betriebs, etwa durch Anströmen des Turbinenrads mit dem Abgasmassenstrom, auftreten. Dadurch wird die Welle mit ausreichender Vorhersagewahrscheinlichkeit im Versagensfall, etwa bei Überlastung, zuerst an der Sollbruchstelle versagen. Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass die am höchsten beanspruchte Stelle in Abhängigkeit der Ausgestaltung des Turbinenrads mit vertretbarem Aufwand ermittelt werden kann.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Sollbruchstelle bezüglich der Läuferdrehachse axial zwischen dem Turbinenradrücken und einem dem Turbinenradrücken zugewandten axialen Ende der turbinenseitigen Läuferwellen-Öldichtung, die dem Turbinenradrücken am nächsten liegt, angeordnet.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Sollbruchstelle bezüglich der Läuferdrehachse axial in unmittelbarer Nähe zum Turbinenradrücken des Turbinenrads angeordnet, also auf der der Läuferwellen-Öldichtung zugewandten Seite des Turbinenrads unmittelbar im Übergang zwischen Turbinenradrücken und Läuferwelle.
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Die vorgenannten Ausführungsformen tragen zu den obigen Vorteilen und Funktionen bei und grenzen einen optimalen Bereich für die Sollbruchstelle vorteilhaft weiter ein.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das Turbinenrad auf seiner der Läuferwelle und somit auch der Läuferwellen-Öldichtung zugewandten Seite einen zylindrischen Nabenstutzen auf, mit einem Übergangsbereich zu dem Turbinenradrücken, der nach Art einer Hohlkehle ausgeführt ist, wobei die Sollbruchstelle in dem Übergangsbereich angeordnet ist. In diesem Übergangsbereich wirken die durch das Turbinenlaufrad und insbesondere durch den Turbinenradrücken ausgeübten Fliehkräfte im Betrieb besonders stark. Dies begünstigt das Brechen der Welle an der besagten, vorbestimmten Stelle. Des Weiteren ist eine Temperatur der Welle im Betrieb des Turboladers aufgrund der Nähe zum Turbinenrad und damit dem heißen Abgasmassenstrom erhöht. Die Kombination aus hoher Temperatur in Verbindung mit Temperaturgradienten zu der im Übrigen Bereich typischerweise kälteren Läuferwelle und den Fliehkräften wirkt sich hier so aus, dass die Läuferwelle im Versagensfall bevorzugt an dieser, mit der Position der am höchsten beanspruchten Stelle übereinstimmenden Position der Läuferwelle bricht.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform liegt im Bereich der Sollbruchstelle eine Schweißnaht, mit der das Turbinenrad mit der Läuferwelle verbunden ist. Typischerweise ist die Läuferwelle stoffschlüssig durch Verschweißen mit dem Turbinenrad verbunden. Durch gezieltes Verlegen der Schweißnaht an eine geeignete Stelle, etwa in die Nähe oder gar in den Übergangsbereich zwischen Läuferwelle und Turbinenradrücken, wird erreicht, dass die Welle im Versagensfall im Bereich der Schweißnaht bricht. Insbesondere darf die Schweißnaht in diesem Fall nicht weit entfernt von dem Turbinenradrücken liegen, da in diesem Bereich eine ausreichend hohe Beanspruchung nicht gegeben wäre.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist im Bereich der Sollbruchstelle eine vorbestimmte Anstreif-Kontaktstelle zwischen der Läuferwelle und dem Lagergehäuse vorgesehen. Dabei ist im Bereich der Anstreif-Kontaktstelle ein minimaler radialer Abstand zwischen der Läuferwelle und einer Läuferwellenöffnung des Lagergehäuses vorgegeben, so dass die Läuferwelle (14) im Normalbetrieb berührungslos innerhalb der Läuferwellenöffnung läuft und im Versagensfall der Radiallager zuerst im Bereich der Anstreif-Kontaktstelle am umgebenden Lagergehäuse anstreift. Dies bewirkt eine gezielte Überhitzung der Läuferwelle in diesem Bereich, so dass die Läuferwelle gezielt an dieser Stelle bricht. Die Anstreif-Kontaktstelle fungiert nur im Versagensfall tatsächlich als Kontaktstelle, beispielsweise wenn ein Lagerschaden vorliegt. Beispielsweise wenn ein oder mehrere Lager im Versagensfall ausgeschlagen sind und die Welle eine größere Taumelbewegung macht, tritt Kontakt der Anstreif-Kontaktstelle mit dem Lagergehäuse ein. Beispielsweise ist der Radialspalt zwischen der Läuferwelle und der Läuferwellenöffnung des Lagergehäuses im Bereich der Ansteif-Kontaktstelle so vorbestimmt ausgebildet, dass bei einem Versagen der Radiallagerung der mechanische Kontakt an dieser Stelle entsteht. Durch den Ansteif-Kontakt mit dem Lagergehäuse wird durch die Rotation der Läuferwelle Reibungswärme an der Kontaktstelle erzeugt, so dass es zu einer Überlastung an dieser Stelle kommt und schließlich die Welle an der Sollbruchstelle bricht. Dadurch kann die Lagergehäuseabdichtung weiterhin zumindest weitestgehend aufrechterhalten werden. Die Anstreif-Kontaktstelle kann auch als Sollanstreifstelle bezeichnet werden.
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Selbstverständlich können auch ggf. mehrere vorgenannte Maßnahmen zur Vorbestimmung der Sollbruchstelle geeignet kombiniert werden, um den gewünschten Effekt zu verstärken. So kann beispielsweise eine Anstreif-Kontaktstelle im Bereich einer im Übergangsbereich zwischen Läuferwelle und Turbinenradrücken liegenden Schweißnaht vorgesehen sein. Auch die Anordnung einer Bruchstellennut in unmittelbarer Nachbarschaft zu einer Anstreif-Kontaktstelle stellt eine den Effekt verstärkende Kombination dar.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Öldichtung durch zumindest einen, in einer umlaufenden Kolbenringnut zwischen zwei Kolbenringstegen angeordneten Kolbenring gebildet. Dabei weist der dem Turbinenradrücken näher liegende Kolbenringsteg zur Ausbildung der Anstreif-Kontaktstelle, bezüglich der Läuferdrehachse den geringsten Radialspalt zu der umgebenden Läuferwellenöffnung des Lagergehäuses auf. Dadurch werden die erwähnten Vorteile und Funktionen auf besonders einfache Weise ermöglicht.
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Ergänzend kann eine entsprechende Bruchstellennut beispielsweise im Grund einer Kolbenringnut der Läuferwellen-Öldichtung angeordnet sein und der daran angrenzende Kolbenringsteg kann als Anstreif-Kontaktstelle ausgebildet sein. Dies ermöglicht eine besonders exakte Vorbestimmung der Sollbruchstelle der Läuferwelle.
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Die Merkmale und Merkmalskombinationen der vorstehend in der Beschreibung oder nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten Ausführungen des erfindungsgemäßen Gegenstandes sind, soweit diese nicht alternativ anwendbar sind oder sich gar gegenseitig ausschließen, einzeln, zum Teil oder insgesamt, auch in gegenseitiger Kombination oder gegenseitiger Ergänzung, in Fortbildung des erfindungsgemäßen Gegenstands anzuwenden, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Anhand der Figuren werden im Folgenden besonders vorteilhafte Ausführungsbeispiele, Einzelheiten oder Fortbildungen der Erfindung näher erläutert, obgleich der Gegenstand der Erfindung nicht auf diese Beispiele begrenzt ist.
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Es zeigen:
- 1 eine schematische Schnittansicht eines Turboladers gemäß dem Stand der Technik, zur Erläuterung eines gebräuchlichen Ausführungsbeispiels eines Turboladers;
- 2 eine schematische Schnittansicht eines Turboladerläufers gemäß dem Stand der Technik, zur Darstellung eines gebräuchlichen Ausführungsbeispiels eines Turboladerläufers;
- 3 eine schematische Teil-Schnittansicht eines Turboladerläufers (Turbinenlaufrad und Läuferwellenteil) eines erfindungsgemäßen Turboladers gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel; und
- 4 eine schematische Teil-Schnittansicht einer Läuferwelle, des Turbinenlaufrads und des Lagergehäuses eines erfindungsgemäßen Turboladers gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel.
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Funktions- und benennungsgleiche Gegenstände sind in den Figuren durchgehend mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet.
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Die 1 und 2 betreffen den bekannten Stand der Technik und wurden bereits einleitend zur Erläuterung des Aufbaus eines jeweiligen Ausführungsbeispiels eines gebräuchlichen Turboladers und eines zugehörigen Turboladerläufers beschrieben.
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Anhand der 3 und 4 werden zwei Ausführungsbeispiele von Turboladern 1 beschrieben, bei denen erfindungsgemäß eine Sollbruchstelle 61 am Turboladerläufer 10 vorgesehen ist, die im Versagensfall der Radiallager 42 des Turboladers 1 oder bei sonstiger Überlastung des Turboladerläufers 10 ein gezieltes Brechen der Läuferwelle 14 an dieser Sollbruchstelle 61 ermöglicht.
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3 betrifft ein erstes Ausführungsbeispiel eines Turboladers 1, der grundlegend beispielsweise einem Turbolader 1 mit einem Turboladerläufer 10 gemäß den 1 und 2 entspricht. In 3 ist schematisch nur ein Ausschnitt des Turboladerläufers 10 im Schnitt gezeigt, der das Turbinenlaufrad 12 und den an dieses anschließenden hier relevanten Teil der Läuferwelle 14 sowie den Übergangsbereich dazwischen vergrößert hervorhebt.
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In 3 ist ebenso wie in 4 das Turbinenrad 12 mit seinem Turbinenradrücken 67 sowie die Läuferwelle 14 mit der turbinenseitigen Läuferwellen-Öldichtung 51, zur Abdichtung des Lagergehäuse-Innenraums gegenüber dem Turbinengehäuse 21, erkennbar, die sich bezüglich der Läuferdrehachse 15 über eine bestimmte axiale Erstreckung 51a erstreckt und zwei Kolbenringe 52a aufweist, die in Kolbenringnuten 64 jeweils zwischen zwei Kolbenringstegen 52 angeordnet sind. Die turbinenseitige Läuferwellen-Öldichtung 51 hat, insgesamt gesehen, demnach ein erstes axiales Ende, welches dem Turbinenradrücken 67 abgewandt ist, also weiter entfernt vom Turbinenradrücken 67 liegt, und ein zweites axiales Ende, welches dem Turbinenradrücken 67 zugewandt ist, also näher am Turbinenradrücken 67 liegt. Da jedoch jeder der beiden Kolbenringe 52a für sich gesehen als einzelne Läuferwellen-Öldichtung gesehen werden kann, gibt es demnach eine Läuferwellen-Öldichtung 51b die dem Turbinenrad 12 am nächsten liegt und eine Läuferwellen-Öldichtung 51c, die am weitesten entfernt vom Turbinenrad angeordnet ist.
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Der Bruchstellenbereich 62 erstreckt sich axial, also bezüglich der Läuferdrehachse (15), in diesem Fall erfindungsgemäß zwischen dem Turbinenradrücken (67) und einem dem Turbinenradrücken zugewandten axialen Ende der turbinenseitigen Läuferwellen-Öldichtung (51c), die am weitesten entfernt vom Turbinenrad (12) angeordnet ist. Also in der Zeichnung gesehen vom Turbinenradrücken bis zum rechten axialen Ende, also dem dem Turbinenradrücken zugewandten Ende, des am weitesten von dem Turbinenrad 12 entfernt angeordneten, also des linken Kolbenrings 52a.
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Das Turbinenrad 12 hat ein erstes axiales Ende, welches der Läuferwelle 14 zugewandt ist, und ein zweites axiales Ende, welches von der Läuferwelle 14 abgewandt ist. Das Turbinenrad 12 hat einen Turbinenradrücken 67, der im Wesentlichen als Scheibe definiert ist, der Läuferwelle 14 und somit auch der Läuferwellen-Öldichtung 51 zugewandt ist und im Wesentlichen senkrecht zu der Läuferdrehachse 15 verläuft. Das Turbinenrad 12 weist seinen größten Durchmesser im Bereich des Turbinenradrückens 67 auf. Zwischen Läuferwelle 14 und Turbinenrad 12 ist ein Übergangsbereich 59 nach Art einer Hohlkehle ausgebildet. Im Übergangsbereich 59 weist also die äußere Kontur des Turbinenrads 12 eine konkave Krümmung, etwa einen Radius oder eine bogenförmige Kontur auf.
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Zwischen dem Turbinenrad 12 und der Läuferwelle 14 kann im Übergangsbereich 59, in alternativer Ausführung, auch ein weiterer Abschnitt, etwa eine Stufe oder ein konischer Abschnitt (nicht dargestellt) ausgebildet sein.
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Das Turbinenlaufrad 12 und die Läuferwelle 14 sind in der Regel stoffschlüssig fest zu einem Bauteil verbunden, nämlich, wie in den 3 und 4 dargestellt, mittels und entlang zumindest einer umlaufenden Schweißnaht 60 verschweißt.
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In dem gezeigten Ausführungsbeispielen der 3 ist die Schweißnaht 60 zwischen dem ersten axialen Ende des Turbinenlaufrades 12 und der hier direkt anschließenden Läuferwelle 14 in dem Übergangsbereich 59 angeordnet. Die Schweißnaht 60 ist im ersten Ausführungsbeispiel so ausgebildet und positioniert, dass sie eine Schwachstelle im Läuferwellen-Turbinenrad-Verband darstellt und stellt somit gleichzeitig die Sollbruchstelle 61 für den Turboladerläufer 10 dar.
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Liegt die Verbindungsstelle zwischen Turbinenrad 12 und Läuferwelle 14 und somit die Schweißnaht 60, wie in 3 dargestellt, in dem Übergangsbereich 59, so befindet sie sich im Bereich der am höchsten beanspruchten Stelle 62a zwischen Läuferwelle 14 und Turbinenrad 12. Somit liegt sowohl die Schweißnaht 60 als auch die Sollbruchstelle 61 in dem durch Fliehkräfte und Temperaturniveau am höchsten belasteten Bereich des Turbinenläufers 10 und bildet so die am höchsten belastete Stelle 62a. Auf diese Weise wird die Sollbruchstelle 61 quasi redundant definiert, was die Wahrscheinlichkeit des Bruches im Versagensfall an genau dieser Sollbruchstelle 61 stark anhebt.
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4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Turboladers 1. Weitestgehend entspricht der Turbolader 1 den obigen Beschreibungen, so dass mit Bezugszeichen versehene Merkmale der 4 nicht erneut beschrieben werden. Auch hier ist schematisch nur ein Ausschnitt des Turboladerläufers 10 im Schnitt gezeigt, der das Turbinenlaufrad 12 und den an dieses anschließenden hier relevanten Teil der Läuferwelle 14 sowie den Übergangsbereich dazwischen vergrößert hervorhebt. Zusätzlich ist hier auch der Ausschnitt des Lagergehäuses 41 in diesem Bereich mit der Lagerwellenöffnung 47 dargestellt.
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Das Turbinenrad 12 hat axial bezüglich der Läuferdrehachse 15, auf der der Läuferwelle 14 zugewandten Seite, etwa am ersten axialen Ende, einen zylindrischen Naben-Abschnitt, der im Weiteren als Nabenstutzen 58 bezeichnet wird. Der Nabenstutzen 58 schließt in einem Übergangsbereich 59, der nach Art einer Hohlkehle ausgebildet ist, an den Turbinenradrücken 67 an. Im Übergangsbereich 59 weist also die äußere Kontur des Turbinenrads 12 auch hier eine konkave Krümmung, etwa einen Radius oder eine bogenförmige Kontur auf.
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In 4 ist wiederum die turbinenseitige Läuferwellen-Öldichtung 51 dargestellt, die durch zumindest zwei Kolbenringe 52a, wie oben bereits beschrieben gebildet ist.
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In diesem Ausführungsbeispiel ist eine Sollbruchstelle 61 durch eine vorbestimmte Anstreif-Kontaktstelle 63 definiert. Die Anstreif-Kontaktstelle 63 ist hier durch die radial umlaufende Außenfläche des dem Turbinenrad 12 am nächsten liegenden Kolbenringstegs 52 vorbestimmt. Die Anstreif-Kontaktstelle 63 ist unmittelbar von der Innenfläche der Läuferwellenöffnung 47 des Lagergehäuses 41 umgeben, unter Ausbildung eines minimalen Radialspalts 65.
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Im Bereich des oben genannten Kolbenringstegs 52 mit der Anstreif-Kontaktstelle 63 hat die Läuferwelle 14 den geringsten radialen Abstand zur Lagerwellenöffnung 47 des umgebenden Lagergehäuses 41. Aufgrund dieser Tatsache tritt die Läuferwelle 14 im Versagensfall, zum Beispiel eines Radiallagers 42, und der daraus resultierenden Taumelbewegung des Turboladerläufers 10, an der definierten Anstreif-Kontaktstelle 63 zuerst mit dem Lagergehäuse 41 in Kontakt, so dass sich die Läuferwelle 14 im diesem axialen Bereich durch die auftretende Reibung stark erhitzt und im Bruchstellenbereich 62 der Läuferwelle 14 bricht. Die Anstreif-Kontaktstelle 63 kann dem gemäß auch als Sollanstreifstelle bezeichnet werden.
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Um die Sollbruchstelle 61 eindeutiger im Umfeld der Anstreif-Kontaktstelle 63 zu definieren, können zusätzliche Maßnahmen ergriffen werden. In 4 ist dazu eine Bruchstellennut 62b im Grund der nächstliegenden Kolbenringnut 64 in unmittelbarem Anschluss an den Kolbenringsteg 52 eingebracht, die eine Schwächung des Läuferwellendurchmessers und somit eine in ihrer Position definierte zusätzliche Schwachstelle, also die Sollbruchstelle 61 darstellt. Selbstverständlich kann eine solche Bruchstellennut 62b auch auf der dem Laufradrücken 67 zugewandten Seite des als Anstreif-Kontaktstelle 63 ausgebildeten Kolbenringstegs 52 und im unmittelbaren Anschluss daran in der Läuferwelle 14 angeordnet sein. Im gezeigten Beispiel würden im Falle des Läuferwellenbruchs so beide Kolbenringe 52a ihre Position in der Läuferwellenöffnung 47 des Lagergehäuses 41 und somit ihre Dichtfunktion zwischen Lagergehäuse-Innenraum 46 und Turbinengehäuse 21 beibehalten.
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In einer anderen Ausführung kann auch die Schweißnaht 60 als Schwachstelle in unmittelbarer Nähe zu einer Anstreif-Kontaktstelle 63 angeordnet sein, so dass die Sollbruchstelle 61 ergänzend durch die Schweißnaht definiert ist.
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Umgekehrt kann auch, so zu sagen in Kombination der Ausführungen der 3 und 4, die Anstreif-Kontaktstelle an einer anderen Position vorgesehen sein, beispielsweise im Übergangsbereich 59 und somit zumindest nahe an der am höchsten belasteten Stelle 62a der Läuferwelle 14, wodurch das Versagen der Läuferwelle 14, also der Wellenbruch, an dieser Stelle vorgegeben ist.
