DE102018130772A1 - Turbolader, Verfahren zur Herstellung einer Baugruppe eines Turboladers und Verwendung - Google Patents

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Stefan Stöhr
Lutz Aurahs
Stefan ROST
Stefan WEIHARD
Santiago UHLENBROCK
Sebastian Spengler
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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 Entspannung des ersten Mediums gewonnener Energie, wobei ein Turbinengehäuse (41) und ein Verdichtergehäuse (31, 61, 71) jeweils mit einem zwischen denselben angeordneten Lagergehäuse (25) verbunden sind, wobei das Turbinengehäuse (41) und/oder das Verdichtergehäuse (31, 61, 71) und/oder das Lagergehäuse (25) eine statorseitige Baugruppe bildet und/oder eine statorseitige Baugruppe (10, 20, 50) aufnimmt, die der Schmierung und/oder Wärmeleitung und/oder Abdichtung dient. Die jeweilige statorseitige Baugruppe (10, 20, 31, 41, 50, 61, 71), die der Schmierung und/oder Wärmeleitung und/oder Abdichtung dient, ist durch ein generatives Fertigungsverfahren hergestellt.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Turbolader. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer Baugruppe eines Turboladers, die Verwendung der Baugruppe und des Verfahrens.
  • Der grundsätzliche Aufbau eines Turboladers ist dem hier angesprochenen Fachmann bekannt. Ein Turbolader verfügt über eine Turbine, in welcher ein erstes Medium entspannt wird. Ferner verfügt ein Turbolader über einen Verdichter, in welchem 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.
  • Statorseitige Baugruppen von Turboladern sind bislang als Gussbauteile ausgeführt. Dann, wenn in ein solches Gussbauteil Strukturen eingebracht werden sollen, die der Schmierung und/oder Wärmeleitung und/oder Abdichtung dienen, müssen die Strukturen entweder in den durch Gießen hergestellten Rohling mechanisch eingearbeitet oder bereits während des Gießens durch entsprechende Kerne in dem Rohteil eingebracht werden. Hierdurch sind für die einzubringenden Strukturen hinsichtlich Fertigbarkeit enge Grenzen gesetzt.
  • Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen neuartigen Turbolader, ein Verfahren zum Herstellen einer Baugruppe eines Turboladers und die eine entsprechende Verwendung von der Baugruppe und des Verfahrens zu schaffen.
  • Diese Aufgabe wird durch einen Turbolader nach Anspruch 1 gelöst. Erfindungsgemäß ist die jeweilige statorseitige Baugruppe, die der Schmierung und/oder Wärmeleitung und/oder Abdichtung dient, durch ein generatives Fertigungsverfahren, vorzugsweise durch 3D-Drucken, hergestellt.
  • Mit der hier vorliegenden Erfindung wird erstmals vorgeschlagen, eine statorseitige Baugruppe eines Turboladers, die der Schmierung und/oder Wärmeleitung und/oder Abdichtung dient, durch ein generatives Fertigungsverfahren herzustellen, vorzugsweise durch 3D-Drucken. Hierdurch entfallen herstellverfahrensbedingte geometrische Einschränkungen an dem herzustellenden Bauteil, wie sie beim Gießen üblich sind. Durch den Einsatz eines generativen Fertigungsverfahrens zur Herstellung einer statorseitigen Baugruppe eines Turboladers können insbesondere Medienkanäle, gezielte Stützstrukturen und/oder Hohlräume mit Porositäten oder Wabenstrukturen hergestellt werden, die zur Schmierung und/oder Wärmeleitung und/oder Abdichtung besonders geeignet sind.
  • Das Verfahren zum Herstellen einer statorseitigen Baugruppe eines Turboladers ist in Anspruch 6 definiert. Die Verwendung einer durch ein generatives Fertigungsverfahren hergestellten Baugruppe ist in Anspruch 8 und die Verwendung des generativen Fertigungsverfahrens zum Herstelle einer Baugruppe ist in Anspruch 9 definiert.
  • 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 schematisierten Querschnitt durch eine erste statorseitige Baugruppe eines Turboladers;
    • 2 schematisierte Querschnitte durch eine zweite statorseitige Baugruppe eines Turboladers;
    • 3 einen schematisierten Querschnitt durch eine dritte statorseitige Baugruppe eines Turboladers;
    • 4 einen schematisierten Querschnitt durch eine vierte statorseitige Baugruppe eines Turboladers;
    • 5 einen schematisierten Querschnitt durch eine fünfte statorseitige Baugruppe eines Turboladers;
    • 6 einen schematisierten Querschnitt durch eine sechste statorseitige Baugruppe eines Turboladers; und
    • 7 einen schematisierten Querschnitt durch eine weitere statorseitige Baugruppe eines Turboladers.
  • Der grundsätzliche Aufbau eines Turboladers ist dem hier angesprochenen Fachmann bekannt. So verfügt ein Turbolader über eine Turbine zur Entspannung eines ersten Mediums und einen Verdichter zur Verdichtung eines zweiten Mediums unter Nutzung von in der Turbine bei der Entspannung des ersten Mediums gewonnener Energie. Beim in der Turbine zu entspannenden ersten Medium handelt es sich dabei um Abgas und bei dem in dem Verdichter zu verdichtenden zweiten Medium um Ladeluft einer Brennkraftmaschine.
  • Eine Turbine verfügt über einen Turbinenstator und einen Turbinenrotor. Zum Turbinenstator gehört ein Turbinengehäuse, das andere statorseitige Baugruppen der Turbine aufnehmen kann. Ein Verdichter verfügt über einen Verdichterstator und einen Verdichterrotor Zum Verdichterstator gehört ein Verdichtergehäuse, das andere statorseitige Baugruppen des Verdichters aufnehmen kann.
  • Der Turbinenrotor, der auch als Turbinenlaufrad bezeichnet wird, ist mit dem Verdichterrotor, der auch als Verdichterlaufrad bezeichnet wird, durch eine Welle verbunden, wobei die Welle in einer weiteren statorseitigen Komponente des Turboladers gelagert ist, nämlich in einem Lagergehäuse. Das Lagergehäuse ist zwischen dem Turbinengehäuse und dem Verdichtergehäuse positioniert und sowohl mit dem Turbinengehäuse als auch mit dem Verdichtergehäuse verbunden.
  • Zur Wärmeleitung und/oder Schmierung und/oder Abdichtung verfügt ein Turbolader über statorseitige Baugruppen. Derartige statorseitige Baugruppen, die der Schmierung und/oder Wärmeleitung und/oder Abdichtung dienen, können integraler Bestandteil des Turbinengehäuses und/oder des Verdichtergehäuses und/oder des Lagergehäuses sein oder als separate Baugruppe vom Turbinengehäuse oder Verdichtergehäuse oder Lagergehäuse aufgenommen sein. Zu derartigen statorseitigen Baugruppen zählen zum Beispiel Lagerkörper, Lagerbuchsen, Baugruppen zur Sperrluftführung und dergleichen.
  • Mit der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die jeweilige statorseitige Baugruppe, die der Schmierung und/oder Wärmeleitung und/oder Abdichtung dient, durch ein generatives Fertigungsverfahren hergestellt ist, insbesondere durch 3D-Drucken.
  • Mit der hier vorliegenden Erfindung wird demnach ein Turbolader mit mindestens einer statorseitigen Baugruppe, die der Schmierung und/oder Wärmeleitung und/oder Abdichtung dient, vorgeschlagen, die entweder integraler Bestandteil des Turbinengehäuses und/oder Verdichtergehäuses und/oder Lagergehäuses des Turboladers ist, oder die als separate Baugruppe ausgebildet und vom Turbinengehäuse und/oder Verdichtergehäuse und/oder Lagergehäuse aufgenommen ist, wobei diese statorseitige Baugruppe durch ein generatives Fertigungsverfahren, vorzugsweise durch 3D-Drucken, hergestellt ist.
  • Ferner schlägt die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer solchen statorseitigen Baugruppe eines Turboladers, die der Schmierung und/oder Wärmeleitung und/oder Abdichtung dient, durch ein generatives Fertigungsverfahren, insbesondere durch 3D-Drucken, vor.
  • Ferner schlägt die Erfindung die Verwendung einer durch ein generatives Fertigungsverfahren, insbesondere durch 3D-Drucken, hergestellten Baugruppe als statorseitige Baugruppe eines Turboladers vor, die der Schmierung und/oder Wärmeleitung und/oder Abdichtung dient.
  • Letztendlich wird vorgeschlagen, ein generatives Fertigungsverfahren, insbesondere 3D-Drucken zum Herstellen einer statorseitigen Baugruppe eines Turboladers zu verwenden, die der Schmierung und/oder Wärmeleitung und/oder Abdichtung dient.
  • 1 zeigt einen schematisierten Querschnitt durch eine Baugruppe 10 eines erfindungsgemäßen Turboladers, wobei es sich bei der Baugruppe 10 um einen Lagerkörper handelt. Dieser Lagerkörper 10 ist vorzugsweise von einem Lagergehäuse des Turboladers aufgenommen.
  • Der in 1 gezeigte Lagerkörper 10 ist vorzugsweise als separate Baugruppe ausgebildet, vom Lagergehäuse des Turboladers aufgenommen und trägt im gezeigten Ausführungsbeispiel einerseits Radiallager 11 und andererseits Axiallager 12 zur Lagerung einer Welle des Turboladers. In den durch das generative Fertigungsverfahren hergestellten Lagerkörper 10 sind Ölkanäle 13 sowie Ölspeicherräume 14 eingebracht, die der Medienführung von Öl dienen, welches der Schmierung und ggf. Kühlung der nicht gezeigten Welle dient. Ein derartiger Lagerkörper 10 lässt sich durch 3D-Drucken besonders vorteilhaft herstellen.
  • 2 zeigt zwei Querschnitte durch ein weiteres statorseitiges Bauteil 20 eines Turboladers, wobei es sich bei diesem Bauteil 20 um eine Baugruppe handelt, in die Sperrluftkanäle 21 eingebracht sind. Die Sperrluftkanäle 21 sind dabei sowohl in Axialrichtung als auch in Umfangsrichtung zueinander versetzt, wobei über die Sperrluftkanäle 21 der statorseitigen Baugruppe 20 Sperrluft in Richtung auf eine Wellendichtung 22 einer Welle 23 gerichtet werden kann. Diese Welle 23 ist mit einem Turbinenlaufrad 24 verbunden. Ein derartiges Bauteil 20 kann auch im Bereich eines Verdichters zur Sperrluftführung genutzt werden. Das Bauteil 20 ist vorzugsweise in einem Lagergehäuse aufgenommen oder kann auch integraler Bestandteil eines Lagergehäuses 25 sein.
  • 3 zeigt einen Ausschnitt aus einem Turbolader im Bereich eines Verdichterlaufrads 30 und einer an das Verdichterlaufrad 30 angrenzenden statorseitigen Baugruppe 31, die integraler Bestandteil des Verdichtergehäuses ist. In die Baugruppe 31 ist eine Hohlstruktur, nämlich ein Hohlraum 32 eingebracht, welcher der Medienführung dienen kann, um insbesondere ein Kühlmedium durch den Hohlraum 32 zur Kühlung des Verdichterrotors 30 zu leiten. Dabei ist es möglich, durch den Hohlraum 32 entweder Luft oder Öl zur Kühlung zu leiten. Der Hohlraum 32 kann dabei ohne Verbindungsbohrungen oder auch alternativ mit Verbindungsbohrungen zur Umgebung ausgeführt sein.
  • 4 zeigt einen Ausschnitt aus einem erfindungsgemäßen Turbolader im Bereich einer Turbine, und zwar im Bereich eines Turbinenlaufrads 40 und eines angrenzenden Turbinengehäuses 41. In das statorseitige Turbinengehäuse 41 ist ein Hohlraum 42 eingebracht, der wiederum der Kühlung dient, hier der Kühlung des Turbinenrotors 40. In Analogie zum Ausführungsbeispiel der 3 kann dieser Hohlraum 42 der Medienführung, insbesondere der Führung von Luft oder Öl, dienen, um den Turbinenrotor 40 zu kühlen. Dabei kann der Hohlraum 42 wiederum mit Verbindungsbohrungen oder ohne Verbindungsbohrungen zur Umgebung ausgeführt sein.
  • 5 zeigt einen schematisierten Querschnitt durch ein weiteres statorseitiges Bauteil 50 eines Turboladers, wobei es sich bei dem Bauteil 50 um eine Lagerbuchse handelt. In diese Lagerbuchse 50 ist ein Medienführungskanal 51 eingebracht, insbesondere zur Führung von Öl in Richtung auf eine Lauffläche einer zu lagernden Welle. Das Bauteil 50 dient demnach der Lagerung sowie der Schmierung und ggf. Kühlung einer Welle des Turboladers, beim Bauteil 50 als solches handelt es sich jedoch um eine statorseitige Baugruppe. Die Lagerbuchse ist vorzugsweise im Lagergehäuse des Turboladers aufgenommen.
  • Einen weiteren Ausschnitt aus einem erfindungsgemäßen Turbolader zeigt 6, und zwar analog zur 3 wiederum einen Ausschnitt aus einem Verdichterlaufrad 60 in Kombination mit einem Verdichtergehäuse 61. In das Verdichtergehäuse 61 ist wiederum ein Hohlraum 62 eingebracht, und zwar ein Hohlraum 62 mit gezielten Porositäten 63. Über einen Kanal 64 kann dieser Hohlraum 32 zum Beispiel mit Kühlmittel versorgt werden, um das Verdichterlaufrad 60 zu kühlen.
  • 7 zeigt einen weiteren Ausschnitt aus einem erfindungsgemäßen Turbolader im Bereich eines Verdichterlaufrads 70 und eines Verdichtergehäuses 71. Beim Verdichtergehäuse 71 handelt es sich wieder um eine statorseitige Baugruppe. In diese statorseitige Baugruppe sind in 7 zwei definierte Strukturen eingebracht, nämlich ein Kühlmittelkanal 72 zur Kühlung des Verdichterlaufrads 70 sowie ein Hohlraum 73 mit zum Beispiel einer Wabenstruktur 74, um eine wärmeisolierende Wirkung bereitzustellen. Die Wabenstruktur 74 kann mit einem Gas oder wärmeisolierenden Werkstoffen gefüllt sein.
  • Kühlung und Wärmeisolierung dienen beide einer Wärmeleitung, nämlich die Kühlung der Ableitung von Wärme vom zu kühlenden Bauteil und die Wärmeisolierung der Abschirmung eines zu isolierenden Bauteils vor einer Wärmezuleitung.
  • Die Erfindung schlägt vor, ein statorseitiges Bauteil eines Turboladers, welches der Schmierung und/oder Wärmeleitung und/oder Abdichtung dient, durch ein additives Fertigungsverfahren, vorzugsweise durch 3D-Drucken, herzustellen.
  • Dieses Bauteil kann entweder als separates Bauteil ausgeführt sein oder integraler Bestandteil eines Verdichtergehäuses oder Turbinengehäuses oder Lagergehäuses des Turboladers sein.
  • Es können Strukturen, wie zum Beispiel Medienführungsstrukturen und/oder Stützstrukturen oder dergleichen in das Bauteil eingebracht werden, und zwar ohne geometrische Beschränkungen, wie dies beim Gießen der Fall ist. Hierdurch ist es möglich, ein Medium zur Kühlung und/oder Schmierung und/oder Abdichtung über komplexe geometrische Strukturen zu führen, um eine optimale Schmierung und/oder Kühlung und/oder Abdichtung zu gewährleisten.
  • Bei den Baugruppen, welche die Erfindung betreffen, handelt es sich um metallische Baugruppen, wobei zum Drucken derartiger metallischer Baugruppen Metallpulver bereitgehalten werden, die dann schichtweise bzw. lagenweise durch 3D-Drucken zur Herstellung des Bauteils aufeinander aufgetragen bzw. aufgeschmolzen werden.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    Baugruppe/Lagerkörper
    11
    Radiallager
    12
    Axiallager
    13
    Ölkanal
    14
    Ölspeicherraum
    20
    Baugruppe
    21
    Sperrluftkanal
    22
    Wellendichtung
    23
    Welle
    24
    Laufrad
    25
    Lagergehäuse
    30
    Verdichterlaufrad
    31
    Baugruppe/Verdichtergehäuse
    32
    Hohlraum
    40
    Turbinenlaufrad
    41
    Baugruppe/Turbinengehäuse
    42
    Hohlraum
    50
    Baugruppe/Lagerbuchse
    51
    Ölkanal
    60
    Verdichterlaufrad
    61
    Baugruppe/Verdichtergehäuse
    62
    Hohlraum
    63
    Porosität
    64
    Kanal
    70
    Verdichterlaufrad
    71
    Baugruppe/Verdichtergehäuse
    72
    Kühlkanal
    73
    Hohlraum
    74
    Wabenstruktur

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 Entspannung des ersten Mediums gewonnener Energie, wobei ein Turbinengehäuse (41) der Turbine und ein Verdichtergehäuse (31, 61, 71) des Verdichters jeweils mit einem zwischen denselben angeordneten Lagergehäuse (25) verbunden sind, wobei das Turbinengehäuse (41) und/oder das Verdichtergehäuse (31, 61, 71) und/oder das Lagergehäuse (25) eine statorseitige Baugruppe bildet und/oder eine statorseitige Baugruppe (10, 20, 50) aufnimmt, die der Schmierung und/oder Wärmeleitung und/oder Abdichtung dient, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilige statorseitige Baugruppe (10, 20, 31, 41, 50, 61, 71), die der Schmierung und/oder Wärmeleitung und/oder Abdichtung dient, durch ein generatives Fertigungsverfahren hergestellt ist.
  2. Turbolader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilige statorseitige Baugruppe (10, 20, 31, 41, 50, 61, 71), die der Schmierung und/oder Wärmeleitung und/oder Abdichtung dient, durch 3D-Drucken hergestellt ist.
  3. Turbolader nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilige statorseitige Baugruppe (10, 50) ein Lagerkörper mit Ölführungskanälen (13, 51) ist.
  4. Turbolader nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilige statorseitige Baugruppe (20) Sperrluftkanäle (21) zur Führung von Sperrluft in Richtung auf eine Wellendichtung aufweist.
  5. Turbolader nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilige statorseitige Baugruppe (31, 41, 61, 71) Hohlräume zur Wärmeleitung eines Turbinenlaufrads (40) der Turbine oder eines Verdichterlaufrads (33, 60, 70) des Verdichters aufweist.
  6. Verfahren zum Herstellen einer statorseitigen Baugruppe (10, 20, 31, 41, 50, 61, 71) eines Turboladers, die der Schmierung und/oder Wärmeleitung und/oder Abdichtung dient, dadurch gekennzeichnet, dass die statorseitige Baugruppe (10, 20, 31, 41, 50, 61, 71) durch ein generatives Fertigungsverfahren hergestellt wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die statorseitige Baugruppe (10, 20, 31, 41, 50, 61, 71) durch 3D-Drucken hergestellt wird.
  8. Verwendung einer durch ein generatives Fertigungsverfahren, insbesondere durch 3D-Drucken, hergestellten Baugruppe als statorseitige Baugruppe (10, 20, 31, 41, 50, 61, 71) eines Turboladers, die der Schmierung und/oder Wärmeleitung und/oder Abdichtung dient.
  9. Verwendung eines generativen Fertigungsverfahrens, insbesondere von 3D-Drucken, zum Herstellen einer statorseitigen Baugruppe eines Turboladers, die der Schmierung und/oder Wärmeleitung und/oder Abdichtung dient.
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