DE102017208107A1 - Turbolader - Google Patents

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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 der Entspannung des ersten Mediums gewonnener Energie, wobei die Turbine ein Turbinengehäuse (2) und einen Turbinenrotor (3) aufweist, wobei der Verdichter ein Verdichtergehäuse und einen mit dem Turbinenrotor über eine Welle (4) gekoppelten Verdichterrotor aufweist, wobei das Turbinengehäuse und das Verdichtergehäuse jeweils mit einem zwischen denselben angeordneten Lagergehäuse (1), in welchem die Welle (4) gelagert ist, verbunden sind, und wobei das Lagergehäuse (1) mit einem Turbinenzuströmgehäuse (2) des Turbinengehäuses über ein Kompensationselement (7) verbunden ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Turbolader.
  • Ein Turbolader verfügt über eine Turbine sowie einen Verdichter. In der Turbine eines Turboladers wird ein erstes Medium, insbesondere Abgas, entspannt und hierbei Energie gewonnen. Im Verdichter des Turboladers wird ein zweites Medium, insbesondere Ladeluft, verdichtet, und zwar unter Nutzung der in der Turbine bei der Entspannung des ersten Mediums gewonnenen Energie. Die Turbine eines Turboladers verfügt über ein Turbinengehäuse und einen Turbinenrotor. Der Verdichter des Turboladers verfügt über ein Verdichtergehäuse sowie einen Verdichterrotor. Turbinenrotor und Verdichterrotor sind über eine Welle gekoppelt, die in einem Lagergehäuse gelagert ist, wobei das Lagergehäuse einerseits mit dem Turbinengehäuse und andererseits mit dem Verdichtergehäuse verbunden ist.
  • Aus der Praxis ist es ebenfalls bekannt, dass das Turbinengehäuse eines Turboladers ein Turbinenzuströmgehäuse aufweist, über welches das zu entspannende, erste Medium dem Turbinenrotor zugeführt werden kann. Das Turbinengehäuse nimmt typischerweise ein Einsatzstück und einen Düsenring des Turbinengehäuses auf. Über das Einsatzstück kann entspanntes erstes Medium von der Turbine abgeführt werden, wobei das Einsatzstück sich radial außen benachbart zu Laufschaufeln des Turbinenrotors erstreckt. Der Düsenring, der auch als Turbinenleitapparat oder Leitgitter oder Leitapparat bezeichnet wird, verfügt über Leitschaufeln, die in Strömungsrichtung des ersten Mediums gesehen stromaufwärts des Turbinenrotors positioniert sind, und über die das zu entspannende erste Medium stromaufwärts des Turbinenrotors geführt wird.
  • Bei aus der Praxis bekannten Turboladern ist das Turbinenzuströmgehäuse mit dem Lagergehäuse typischerweise über eine Spannpratzenverbindung verbunden. Eine solche Verbindung des Turbinenzuströmgehäuses mit dem Lagergehäuse ist bauartbedingt als kritisch zu bewerten, da zwischen dem Turbinenzuströmgehäuse und dem Lagergehäuse typischerweise hohe Temperaturunterschiede bestehen. So ist das Turbinenzuströmgehäuse dem relativ heißen Abgas ausgesetzt und demnach stärker thermisch belastet als das Lagergehäuse. Hierdurch kann es zu temperaturbedingten Verformungen im Verbindungsbereich zwischen Turbinenzuströmgehäuse und Lagergehäuse kommen, wodurch die Dichtigkeit der Spannpratzenverbindung zwischen Turbinenzuströmgehäuse und Lagergehäuse beeinträchtigt wird. Es besteht Bedarf daran, das Turbinenzuströmgehäuse am Lagergehäuse diesbezüglich besser zu befestigen.
  • Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen neuartigen Turbolader zu schaffen. Diese Aufgabe wird durch einen Turbolader nach Anspruch 1 gelöst. Erfindungsgemäß ist das Lagergehäuse mit dem Turbinenzuströmgehäuse des Turbinengehäuses über ein Kompensationselement verbunden. Über das Kompensationselement können temperaturbedingte Verformungen im Verbindungsbereich zwischen Turbinenzuströmgehäuse und Lagergehäuse kompensiert werden. Das Kompensationselement ist in Radialrichtung flexibel und elastisch, sodass dasselbe eine Radialdehnung ausführen kann und demnach eine temperaturbedingte Verlagerung zwischen Turbinenzuströmgehäuse und Lagergehäuse aufnehmen bzw. kompensieren kann.
  • Vorzugsweise ist das Kompensationselement an einem radial äußeren Abschnitt mit dem Turbinenzuströmgehäuse und an einem radial inneren Abschnitt mit dem Lagergehäuse verbunden, wobei sich in Radialrichtung gesehen zwischen diesen Abschnitten eine faltbalgabschnittartig konturierte oder gebogen verlaufende Wandung erstreckt. Eine derartige Ausgestaltung und Verbindung des Kompensationselements mit dem Turbinenzuströmgehäuse sowie Lagergehäuse ist besonders bevorzugt.
  • Nach einer Weiterbildung der Erfindung besteht das Kompensationselement aus einem Nickelbasislegierungswerkstoff. Besonders bevorzugt weist der Nickelbasislegierungswerkstoff in Gewichtsprozent folgende Zusammensetzung auf: 50.00-55.00% Nickel (Ni), 17.00-21.00% Chrom (Cr), 4.75-5.50% Niob (Nb), 2.80-3.30% Molybdän (Mo), 0.65-1.15% Titan (Ti), 0.20-0.80% Aluminium (AI), im Rest Eisen (Fe). Ein solcher Werkstoff für das Kompensationselement stellt auch bei Temperaturen von mehr als 600 °C eine ausreichend hohe Kriechfestigkeit für das Kompensationselement bereit. Turbinenzuströmgehäuse und Lagergehäuse können aus metallischen Werkstoffen gefertigt sein, wie dieselben bei aus der Praxis bekannten Turboladern üblich sind.
  • 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 in Axialrichtung durch einen erfindungsgemäßen Turbolader im Bereich einer Turbine und eines Lagergehäuses.
  • 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.
  • Der obige grundsätzliche Aufbau eines Turboladers ist dem hier angesprochenen Fachmann geläufig.
  • 1 zeigt einen Ausschnitt aus einem erfindungsgemäßen Turbolader im Bereich der Verbindung zwischen dem Lagergehäuse 1 und einem Turbinenzuströmgehäuse 2 des Turbinengehäuses einer Turbine. 1 zeigt weiterhin ausschnittsweise einen Turbinenrotor 3 sowie eine Welle 4, wobei der Turbinenrotor 3 über die Welle 4 mit einem nicht gezeigten Verdichterrotor gekoppelt ist. Zum Lagergehäuse 2 gehört ein Lagergehäusedeckel 5, der mit dem Lagergehäuse 1 verbunden ist und in Axialrichtung gesehen abschnittsweise zwischen dem Turbinenrotor 3 und dem Lagergehäuse 1 positioniert ist.
  • Das Turbinenzuströmgehäuse 2 führt das zu entspannende erste Medium dem Turbinenrotor 3 zu, wobei in Strömungsrichtung des zu entspannenden ersten Mediums gesehen stromaufwärts des Turbinenrotors 3 ein sogenannter Düsenring 6 positioniert ist, der auch als Turbinenleitapparat bezeichnet wird, wobei über den Düsenring 6 das des Turbinenrotors 3 zuzuführende Medium stromaufwärts des Turbinenrotors 3 über Leitschaufeln des Düsenrings 6 geführt wird.
  • Die hier vorliegende Erfindung stellt eine völlig neuartige Verbindung des Turbinenzuströmgehäuses 2 mit dem Lagergehäuse 1 bereit, nämlich über ein Kompensationselement 7. So sind Lagergehäuse 1 und Turbinenzuströmgehäuse 2 über das Kompensationselement 7 miteinander verbunden, wobei das Kompensationselement in Radialrichtung flexibel und elastisch ist, um eine temperaturbedingte, unterschiedliche thermische Verformung von Lagergehäuse 1 und Turbinenzuströmgehäuse 2 zu kompensieren. Das Kompensationselement 7 kann eine temperaturbedingte Radialdehnung durch seine Elastizität kompensieren.
  • Das Kompensationselement 7 ist mit einem radial äußeren Abschnitt 8 desselben am Turbinenzuströmgehäuse 2 montiert und mit einem radial inneren Abschnitt 9 desselben mit dem Lagergehäuse 1 verbunden. Typischerweise ist hier jeweils eine Schraubverbindung zwischen dem Kompensationselement 7 und dem Turbinenzuströmgehäuse 2 bzw. Lagergehäuse vorgesehen.
  • Zwischen den beiden Abschnitten 8, 9 des Kompensationselements 7 verfügt dasselbe über ein in Radialrichtung gesehen faltenbalgabschnittartig konturierte oder gebogen verlaufende Wandung 10. Diese Wandung 10 kann sich faltenbalgartig oder ziehharmonikaartig in Radialrichtung verformen, um temperaturbedingte Radialdehnungen zu kompensieren.
  • Die beiden Abschnitte 8, 9 des Kompensationselements 7 sind in Axialrichtung gesehen in etwa auf derselben Axialposition angeordnet. In Radialrichtung gesehen besteht jedoch ein deutlicher Versatz zwischen den Abschnitten 8, 9, wobei die faltenbalgabschnittartig konturierte oder gebogen verlaufende Wandung sich teilweise in Radialrichtung und teilweise in Axialrichtung mit dazwischen verlaufenden, gebogenen Abschnitten erstreckt.
  • In Strömungsrichtung des zu entspannenden ersten Mediums gesehen greift der Abschnitt 8 des Kompensationselements 7 an einem Abschnitt 11 des Turbinenzuströmgehäuses 2 an, der stromaufwärts des Düsenrings 6 positioniert ist. Ein Abschnitt 12 des Lagergehäuses 1, an welchem der Abschnitt 9 des Kompensationselements 7 angreift, ist in Radialrichtung gesehen in etwa auf der radialen Höhe des Düsenrings 6 positioniert.
  • Das Kompensationselement 7 ist aus einem Nickelbasislegierungswerkstoff gefertigt.
  • Vorzugsweise weist der Nickelbasislegierungswerkstoff in Gewichtsprozent folgende Zusammensetzung auf:
    50.00-55.00% Nickel (Ni),
    17.00-21.00% Chrom (Cr),
    4.75-5.50% Niob (Nb),
    2.80-3.30% Molybdän (Mo),
    0.65-1.15% Titan (Ti),
    0.20-0.80% Aluminium (AI),
    0.00 bis 1.00% Cobalt (Co),
    0.00 bis 0.08% Kohlenstoff (C),
    0.00 bis 0.35% Magnesium (Mg),
    0.00 bis 0.35% Silizium (Si),
    0.00 bis 0.015% Phosphor (P),
    0.00 bis 0.017% Schwefel (S),
    0.00 bis 0.006% Bor (B)
    0.00 bis 0.30% Kupfer (Cu)
    im Rest Eisen (Fe).
  • Ein derartiger Nickelbasislegierungswerkstoff weist auch bei Temperaturen von mehr als 600 °C eine gute Kriechfestigkeit auf, sodass ein temperaturbedingtes Versagen des Kompensationselements 7 nicht zu erwarten ist.
  • Das Kompensationselement 7 dient nicht nur der Kompensation temperaturbedingter Radialdehnungen im Verbindungsbereich zwischen Lagergehäuse 1 und Turbinenzuströmgehäuse 2, vielmehr kann über dasselbe auch die Containment-Sicherheit des Turboladers verbessert werden. Sollte der Turbinenrotor 3 bersten, so kann kinetische Energie von Bruchstücken auch über das Kompensationselement 7 abgefangen werden.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Lagergehäuse
    2
    Turbinenzuströmgehäuse
    3
    Turbinenrotor
    4
    Welle
    5
    Lagegehäusedeckel
    6
    Düsenring
    7
    Kompensationselement
    8
    Abschnitt
    9
    Abschnitt
    10
    Wandung
    11
    Abschnitt
    12
    Abschnitt

Claims (9)

  1. Turbolader, mit einer Turbine zur Entspannung eines ersten Mediums, mit einem Verdichter zur Verdichtung eines zweiten Mediums unter Nutzung von in der Turbine bei der Entspannung des ersten Mediums gewonnener Energie, wobei die Turbine ein Turbinengehäuse und einen Turbinenrotor (3) aufweist, wobei der Verdichter ein Verdichtergehäuse und einen mit dem Turbinenrotor (3) über eine Welle (4) gekoppelten Verdichterrotor aufweist, wobei das Turbinengehäuse und das Verdichtergehäuse jeweils mit einem zwischen denselben angeordneten Lagergehäuse (1), in welchem die Welle (4) gelagert ist, verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Lagergehäuse (1) mit einem Turbinenzuströmgehäuse (2) des Turbinengehäuses über ein Kompensationselement (7) verbunden ist.
  2. Turbolader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kompensationselement (7) an einem radial äußeren Abschnitt (8) mit dem Turbinenzuströmgehäuse (2) verbunden ist.
  3. Turbolader nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Kompensationselement (7) an einem radial inneren Abschnitt (9) mit dem Lagergehäuse (1) verbunden ist.
  4. Turbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Kompensationselement (7) in Radialrichtung gesehen eine faltbalgabschnittartig konturierte oder gebogen verlaufende Wandung (10) aufweist.
  5. Turbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Lagergehäusedeckel (5) mit dem Lagergehäuse (1) verbunden ist.
  6. Turbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Kompensationselement (7) aus einem Nickelbasislegierungswerkstoff besteht.
  7. Turbolader nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Nickelbasislegierungswerkstoff in Gewichtsprozent folgende Zusammensetzung aufweist: 50.00-55.00% Nickel (Ni), 17.00-21.00% Chrom (Cr), 4.75-5.50% Niob (Nb), 2.80-3.30% Molybdän (Mo), 0.65-1.15% Titan (Ti), 0.20-0.80% Aluminium (Al), im Rest Eisen (Fe).
  8. Turbolader nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Nickelbasislegierungswerkstoff maximal 1.00% Cobalt (Co), maximal 0.08% Kohlenstoff (C), maximal 0.35% Magnesium (Mg), maximal 0.35% Silizium (Si), maximal 0.015% Phosphor (P), maximal 0.017% Schwefel (S), maximal 0.006% Bor (B) und maximal 0.30% Kupfer (Cu) aufweist.
  9. Turbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbine eine Radialturbine ist.
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