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Technisches Gebiet
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Diese Erfindung betrifft das Gebiet von Turboladern und besonders, jedoch nicht ausschließlich, einen Turbolader-Hitzeschild, der die zusätzliche Funktion des Verhinderns eines Öllecks im Falle eines Ausfalls des Turboladers aufweist.
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Hintergrund
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Moderne interne Brennkraftmaschinen, sowohl Benzin als auch Diesel, verwenden Turbolader, um die Leistung zu verbessern. Ein Turbolader besteht aus einem Kompressor, der von einer Turbine angetrieben wird, die wiederum von dem Abgas der Kraftmaschine angetrieben wird. Eine Welle verbindet die Turbine mit dem Kompressor, und Öl wird verwendet, um die Lager, welche die Welle halten, zu schmieren.
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Im Allgemeinen ist der Turbinenrotor eine radiale Konstruktion, bei der das Abgas durch den Turbinenrotor definierte Strömungskanäle in einem Winkel von 90 Grad, d. h. senkrecht, zu der Wellenachse erreicht. Um die Leistung zu verbessern, kann der Einlass einer Turbine rekonfiguriert werden, um eine Strömung mit einer Komponente senkrecht zu der Wellenachse und einer Komponente parallel zu der Wellenachse zu empfangen. Diese Turbinen werden Radial-Axial-Mischstromturbinen genannt. Bei Mischstromturbinen sind die Durchmesser der Turbinenrotoren an Einlass und Auslass oft ähnlicher in Größe, verglichen mit Radialeinlass-Konstruktionen, bei denen der Einlassteil des Rads beträchtlich größer als der Auslassteil sein kann. Infolgedessen können Mischstromturbinen mit einem kleineren Außendurchmesser geschaffen werden.
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Eine Folge dieser Konstruktion besteht darin, dass in dem seltenen Fall eines Ausfalls einer Turboladerwelle der Turbinenrotor in der Lage wäre, die Ausgangsöffnung zu passieren, so dass Abgas aus dem Turbinengehäuse ausströmen könnte. Sollte ein solcher Ausfall auftreten, ist der Turbinenrotor nicht mehr in der Lage zu verhindern, dass ein Öldichtring des Turboladers durchbricht und möglicherweise in das Turbinengehäuse gelangt. Sollte der Öldichtring durchbrechen, könnte Öl von den Turboladerlagern aus dem Turbolader in das heiße Abgassystem ausströmen.
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Aussagen der Erfindung
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Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird ein Turbolader bereitgestellt, der Folgendes umfasst: einen Turbinenrotor, der auf einer Welle montiert und in einem Turboladergehäuse gelagert ist; einen Öldichtring, der innerhalb des Turboladergehäuses angeordnet ist; und einen Hitzeschild, der zwischen dem Öldichtring und dem Turbinenrotor innerhalb des Turboladergehäuses befindlich ist und eine Öffnung aufweist, durch die sich die Welle erstreckt, wobei der Hitzeschild dazu ausgelegt ist, die Bewegung des Öldichtrings im Falle eines Ausfalls des Turboladers, wie etwa einem Ausfall der Welle, zu begrenzen.
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Mindestens ein Teil des Hitzeschilds kann einen Radius aufweisen, der kleiner als ein Außenradius des Öldichtrings ist. Beispielsweise kann ein Durchmesser der Öffnung kleiner als ein Außendurchmesser des Öldichtrings sein. Der Durchmesser der Öffnung kann kleiner als der Durchmesser der Welle am Öldichtring sein.
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Die Welle kann eine Nut aufweisen, in die sich der Hitzeschild erstreckt. Die Nut kann einen vertieften Teil der Welle umfassen, der einen kleineren Durchmesser als ein angrenzender Teil der Welle hat, z. B. an dem der Öldichtring vorgesehen ist. Die Nut kann zwischen dem Öldichtring und dem Turbinenrotor vorgesehen sein. Mindestens ein Teil des Hitzeschilds kann axial mit der Nut fluchtend sein.
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Der axiale Abstand zwischen dem Hitzeschild und einer axialen Stirnwand der Nut, die dem Öldichtring am nächsten liegt, kann kleiner als ein Abstand zwischen der axialen Stirnwand der Nut und der axialen Oberfläche des Öldichtrings sein, die am weitesten von dem Hitzeschild entfernt ist.
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Der axiale Abstand zwischen dem Hitzeschild und einer axialen Stirnwand der Nut, die dem Öldichtring am nächsten liegt, kann kleiner als ein Abstand zwischen einer axialen Endfläche des Turboladergehäuses und dem Öldichtring sein.
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Das Spiel zwischen dem Hitzeschild und der angrenzenden Endfläche des Turboladergehäuses kann kleiner als die axiale Dicke des Öldichtrings sein.
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Die Welle kann von mindestens einem Lager abgestützt sein, das auf einer gegenüberliegenden Seite des Öldichtrings zum Turbinenrotor angeordnet ist.
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Der Öldichtring kann zwischen der Welle und dem Gehäuse an einer Stelle entlang der Welle zwischen dem Lager und dem Hitzeschild angeordnet sein.
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Die Turbine kann eine Mischstromturbine sein, die z. B. dazu ausgelegt ist, dass der Einlassstrom zum Turbinenrotor Komponenten in Richtungen aufweist, die senkrecht zu und parallel zu der Drehachse des Turbinenrotors sind.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird ein Verfahren zum Zusammenbauen des Turboladers bereitgestellt, das Folgendes umfasst: Bereitstellen einer Welle; provisorisches Montieren eines Hitzeschilds an der Welle; Koppeln eines Turbinenrotors mit der Welle; Einbauen der Welle in ein Turboladergehäuse; Koppeln des Hitzeschilds mit dem Turboladergehäuse oder einem weiteren Gehäuse des Turboladers.
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Der Schritt des Montierens des Hitzeschilds an der Welle kann durchgeführt werden, bevor der Turbinenrotor mit der Welle gekoppelt wird.
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Um in der Beschreibung unnötige Doppelarbeit und Wiederholung von Text zu vermeiden, sind bestimmte Merkmale nur im Hinblick auf einen oder mehrere Aspekte oder Ausführungsformen der Erfindung beschrieben. Es versteht sich jedoch, dass im Hinblick auf irgendeinen Aspekt oder irgendeine Ausführungsform der Erfindung beschriebene Merkmale, wo dies technisch möglich ist, auch mit jedem anderen Aspekt oder jeder anderen Ausführungsform der Erfindung verwendet werden können.
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Figurenliste
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Für ein besseres Verständnis der vorliegenden Offenbarung, und um deutlicher zu zeigen, wie diese umgesetzt werden kann, wird an dieser Stelle auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen, in welchen:
- 1 eine schematische Querschnittsseitenansicht eines früher vorgeschlagenen Turboladers ist;
- 2 eine schematische Querschnittsseitenansicht des Turboladers gemäß Anordnungen der vorliegenden Offenbarung ist;
- 3 eine schematische Querschnittsseitenansicht des Turboladers gemäß Anordnungen der vorliegenden Offenbarung nach einem Ausfall ist; und
- 4 ein Flussdiagramm ist, das ein Verfahren des Montierens eines Turboladers gemäß der vorliegenden Offenbarung darstellt.
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Ausführliche Beschreibung
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Bezug nehmend auf 1 umfasst ein früher vorgeschlagener Turbolader 2 eine Turbine 3, die einen innerhalb eines Turbinengehäuses 8 angeordneten Turbinenrotor 4 einschließt. Wie dargestellt, ist die Turbine 3 eine Mischstromturbine, die dazu ausgelegt ist, dass ein Einlassstrom von Abgasen zu dem Turbinenrotor 4 Komponenten in Richtungen aufweist, die parallel und senkrecht zu einer Drehachse des Turbinenrotors 4 sind.
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Der Turbinenrotor 4 ist auf einer Welle 6 des Turboladers 2 montiert. Die Welle 6 wird von Lagern (nicht gezeigt) abgestützt, die in einem Lagergehäuse 14 des Turboladers 2 enthalten sind, um Drehung des Turbinenrotors 4 innerhalb des Turbinengehäuses 8 zu ermöglichen.
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Ein Öldichtring 12 ist innerhalb des Lagergehäuses 14 zwischen einer inneren Wand 14a des Lagergehäuses 14 und der Welle 6 angeordnet. Der Öldichtring 12 ist dazu ausgelegt, Auslaufen von Öl aus dem Lagergehäuse 14 in das Turbinengehäuse 8 oder in das Abgassystem zu verhindern.
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Der Öldichtring 12 kann sich umfangsmäßig um die Welle 6 erstrecken, so dass die Innenumfangsfläche des Öldichtrings 12, von Durchmesser d3 , eine Oberfläche beschreibt, die parallel zu dem Außenumfang der Welle 6 ist. Wie dargestellt, kann ein Radialspalt 7 zwischen der Innenumfangsfläche des Öldichtrings 12 und der Welle 6 vorhanden sein. In anderen Anordnungen ist jedoch möglicherweise kein Radialspalt vorhanden, d. h. der Öldichtring 12 kann den vollen radialen Raum zwischen der Welle und dem Lagergehäuse belegen. Alternativ dazu kann ein weiterer Dichtring in dem Radialspalt 7 zwischen dem Öldichtring 12 und der Welle 6 vorgesehen sein.
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Der Öldichtring 12 kann jede wünschenswerte Form eines Dichtrings aufweisen, die in der Lage ist, das Auslaufen von Öl aus dem Lagergehäuse zu reduzieren oder zu verhindern. Beispielsweise kann der Dichtring eine Lippendichtung, Bürstendichtung oder Gleitringdichtung aufweisen.
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Der Turbolader 2 umfasst ferner einen Hitzeschild 10, der dazu ausgebildet ist, die Erwärmung des Lagergehäuses 14 und der Lager durch heiße Abgase zu reduzieren.
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Der Hitzeschild 10 kann starr oder flexibel und aus solchen Materialien wie Stahl, Aluminium oder einem Verbund- oder Textilmaterial hergestellt sein, und kann eine Wärmedämmschicht, wie etwa eine keramische Wärmedämmschicht aufweisen, die auf einer oder mehreren Flächen des Hitzeschilds vorgesehen ist.
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Wie dargestellt, kann der Hitzeschild 10 zwischen dem Turbinenrotor 4 und dem Turbinengehäuse 8 sowie dem Lagergehäuse 14 angeordnet sein. Dadurch bildet der Hitzeschild eine Barriere zwischen heißen Abgasen, die durch die Turbine 3 strömen, und dem Lagergehäuse 14.
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Der Hitzeschild 10 erstreckt sich im Allgemeinen umfangsmäßig um die Welle 6 und weist eine Öffnung 10a auf, durch die sich die Welle erstreckt.
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Während der Montage des Turboladers 2 wird der Hitzeschild 10 in der Regel an dem Lagergehäuse 14 befestigt, und die Welle 6 wird dann durch die Öffnung des Hitzeschilds 10 eingeführt.
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Bei einigen Anordnungen wird der Öldichtring 12 auf der Welle 6 montiert, bevor die Welle durch die Öffnung des Hitzeschilds 10 eingeführt wird. Alternativ dazu kann der Öldichtring 12 durch die Öffnung 10a des Hitzeschilds eingeführt und mit dem Lagergehäuse 14 gekoppelt werden, bevor die Welle 6 in den Turbolader 2 eingebaut wird.
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In beiden Fällen ist es für einen Durchmesser d1 der Öffnung 10a wünschenswert, gleich einem oder größer als ein Außendurchmesser d2 des Öldichtrings 12 zu sein, so dass der Öldichtring 12 und die Welle 6 durch die Öffnung 10a eingebaut werden können.
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Wenn der Turbolader 2 montiert wird, kann ein Axialspiel zwischen der Turbine 4 und dem Hitzeschild 10 vorgesehen sein, und ein Radialspiel kann zwischen der Welle 6 und dem Hitzeschild 10 vorgesehen sein, wodurch es der Welle 6 möglich ist, sich ohne Verschleiß zwischen den Komponenten zu drehen.
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Bezug nehmend auf 2 umfasst ein Turbolader 102 gemäß den Anordnungen der vorliegenden Offenbarung eine Turbine 103, die einen Turbinenrotor 104 aufweist, der innerhalb eines Turbinengehäuses 108 gelagert ist. Der Turbinenrotor 104 ist auf einer Welle 106 des Turboladers montiert. Der Turbinenrotor 104, das Turbinengehäuse 108 und die Welle 106 können dem Turbinenrotor 4, dem Turbinengehäuse 8 und der Welle 6, die oben beschrieben sind, ähnlich sein.
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Ein Hitzeschild 110 ist zwischen der Turbine 103 und einem Lagergehäuse 114 des Turboladers 102 angeordnet. Der Turbolader 102 umfasst ferner einen Öldichtring 112, der innerhalb des Lagergehäuses 114 angeordnet ist. Die oben in Bezug auf den Öldichtring 12 und den Hitzeschild 10 beschriebenen Merkmale können ebenso auf den Öldichtring 112 bzw. den Hitzeschild 110 zutreffen.
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Der Hitzeschild 110 unterscheidet sich von dem Hitzeschild 10 dadurch, dass der Hitzeschild 110 ferner dazu ausgelegt ist, die Position des Öldichtrings 112 im Falle eines Ausfalls des Turboladers 102 im Wesentlichen aufrechtzuerhalten.
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Mindestens ein Teil des Hitzeschilds erstreckt sich nach innen, so dass ein Innenradius von mindestens einem Teil des Hitzeschilds kleiner als der Außenradius des Öldichtrings 112 ist. In der in 2 dargestellten Anordnung hat eine Öffnung 110a des Hitzeschilds 110 einen Durchmesser d100 , der kleiner als ein Außendurchmesser d200 des Öldichtrings 112 ist. In anderen Anordnungen kann jedoch die Öffnung einen Durchmesser haben, der größer als der Außendurchmesser des Öldichtrings 112 ist, und der Teil 110b kann einen oder mehrere Vorsprünge aufweisen, die sich von der Kante der Öffnung radial nach innen erstrecken.
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Falls bei einem Turbolader mit einer Mischstromturbine und einem konventionellen Hitzeschild die Welle 106 an dem in 3 dargestellten Punkt bricht, kann der Turbinenrotor 104 in der Lage sein, durch den Auslass für Abgas aus dem Turbinengehäuse 108 auszutreten. Da der Öldichtring 112 mit dem Teil der Turboladerwelle 106 gekoppelt ist, der noch an der Turbine 103 befestigt ist, bewegt er sich mit ihr. Folglich, falls die Turbine in der Lage ist, aus dem Turbinengehäuse 108 auszutreten, bewegt sich der Öldichtring mit ihr, so dass Öl in das heiße Abgassystem entweichen kann.
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Im Gegensatz dazu, in der Anordnung von 3 mit einem modifizierten Hitzeschild, bei dem der Teil 110b des Hitzeschilds einen kleineren Durchmesser als der Außendurchmesser des Öldichtrings 112 hat, hält der Hitzeschild 110 den Öldichtring 112 innerhalb des Lagergehäuses 114 und verhindert dadurch, dass Öl von dem Lagergehäuse 114 in das Turboladergehäuse 108 entweicht.
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Daher bietet der Hitzeschild 110 gemäß den Aspekten der vorliegenden Offenbarung die zusätzliche Funktion des Verhinderns eines Öllecks im Falle eines Ausfalls des Turboladers 102.
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Dies verhindert, dass Turboladeröl das heiße Abgassystem erreicht. Wie oben erwähnt, bieten Turbolader mit konventionellen Hitzeschilden nicht diese Öldichtring-Rückhaltefunktion.
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In einigen Anordnungen kann der Öldichtring 112 durch einen ersten axialen Halter 116, der zwischen dem Kompressorrotor (nicht gezeigt) und dem Öldichtring 112, z. B. auf einer gegenüberliegenden Seite des Öldichtrings zum Turbinenrotor 4, angeordnet ist, axial in Position gehalten werden.
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Zusätzlich oder alternativ dazu kann der Öldichtring 112 durch einen zweiten axialen Halter 118, der zwischen der Turbine 104 und dem Öldichtring 112 angeordnet und axial dem Öldichtring 112 benachbart ist, axial in Position gehalten werden.
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Die axialen Halter 116, 118 können einen Teil der Welle 106 bilden. Alternativ dazu können einer oder beide der axialen Halter 116, 118 getrennte Komponenten sein. Beispielsweise kann der erste oder zweite axiale Halter durch eine an der Welle 106 vorgesehene Schulter gebildet werden.
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Zu 2 zurückkehrend kann die Welle 106 in einer Anordnung einen vertieften Teil oder eine Nut 107 an einer Stelle zwischen dem Turbinenrotor 104 und dem Öldichtring 112 aufweisen. Der Durchmesser an der Basis der Nut kann kleiner als der Durchmesser des zweiten axialen Halters 118 sein. Der Durchmesser an der Basis der Nut kann kleiner als der Durchmesser der Welle neben der Nut sein. Beispielsweise kann der Durchmesser an der Basis der Nut kleiner als der Durchmesser des Teils der Welle 106 sein, der axial mit dem Öldichtring 112 fluchtet, und/oder des Teils der Welle 106, der axial mit den Lagern (nicht gezeigt) fluchtet. Daher kann der Durchmesser des vertieften Teils 107 der Welle kleiner als der Innendurchmesser d100 des Öldichtrings 112 sein.
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Wie in 2 gezeigt, kann der zweite axiale Halter 118 eine axiale Stirnwand 107a der Nut 107 bilden, die dem Öldichtring 112 am nächsten liegt. Zusätzlich oder alternativ dazu kann der Turbinenrotor 104 eine gegenüberliegende axiale Stirnwand 107b der Nut 107 bilden. In einer alternativen Anordnung können auf der Welle 106 ausgebildete Schultern eine oder mehrere der axialen Stirnwände 107a, 107b der Nut 107 bereitstellen.
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Wie in 2 dargestellt, kann mindestens ein Teil des Hitzeschilds 110 innerhalb der Nut 107 axial ausgerichtet sein. Der Hitzeschild 110 erstreckt sich radial nach innen in die Nut. Der Innenradius von mindestens dem Teil 110b des Hitzeschilds ist daher kleiner als der Innenradius des Öldichtrings 112 und/oder der Außendurchmesser der Welle 106 an der Position des Öldichtrings 112. In der in 2 gezeigten Anordnung ist der Durchmesser der Öffnung 110a des Hitzeschilds kleiner als der Innendurchmesser des Öldichtrings 112.
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Der Turbolader 102 ist so ausgelegt, dass im Falle eines Ausfalls der Turboladerwelle 106 die Welle oder eine an der Welle angebrachte Komponente, wie etwa der zweite axiale Halter 118, den Hitzeschild 110 berührt, bevor sich die Welle 106 weit genug bewegt hat, so dass der Öldichtring 112 durchbrochen wird.
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In der in 2 dargestellten Anordnung ist ein axialer Abstand zwischen dem Hitzeschild 110 und der axialen Stirnwand 107a der Nut 107, die dem Öldichtring 112 am nächsten liegt, kleiner als ein Abstand zwischen einer axialen Endfläche des Turboladergehäuses 114b und dem Öldichtring 112. Daher widersteht der Hitzeschild 110 in dem unwahrscheinlichen Fall eines Ausfalls des Turboladers 102 der axialen Bewegung des zweiten axialen Halters 118 in Richtung der Turbine 103, so dass die ganze axiale Länge des Öldichtrings 112 mit einer inneren Wand 114a des Lagergehäuses 114 in Kontakt bleibt. Dies verhindert die Bildung eines offenen Durchlasses zwischen dem Lagergehäuse 114 und dem heißen Abgassystem, durch den sonst Öl fließen könnte.
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In anderen Anordnungen kann der axiale Abstand zwischen dem Hitzeschild 110 und der axialen Stirnwand 107a der Nut 107, die dem Öldichtring 112 am nächsten liegt, kleiner als ein Abstand zwischen der axialen Stirnwand der Nut 107a und der axialen Oberfläche des Öldichtrings 112 sein, die am weitesten von dem Hitzeschild 110 entfernt ist. In solchen Anordnungen bleibt mindestens ein Teil des Öldichtrings 112 innerhalb des Lagergehäuses 114, d. h. in Kontakt mit der inneren Wand 114a, um ein Ölleck einzuschränken.
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In einigen Anordnungen kann die axiale Dicke des Öldichtrings 112 größer als ein Axialspiel zwischen dem Hitzeschild 110 und dem Lagergehäuse 114 sein, so dass der Öldichtring 112 nicht zwischen dem Hitzeschild 110 und dem Lagergehäuse 114 passieren kann.
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Wie oben beschrieben, werden Turbolader in der Regel montiert, indem der Hitzeschild 10 im Voraus am Lagergehäuse befestigt wird und anschließend der Öldichtring 12 und der Turbinenrotor 4 auf der Welle 6 montiert werden, bevor das freie Ende der Welle 6 durch die Öffnung 10a im Hitzeschild 10 in das Lagergehäuse 14 eingeführt wird. Bei Turboladern 102 gemäß den Anordnungen der vorliegenden Offenbarung ist diese Montagefolge jedoch nicht machbar, da die Hitzeschildöffnung 110a einen kleineren Durchmesser als der Außendurchmesser d200 des Öldichtrings 112 und der Welle 106 an der Stelle des Öldichtrings 112 hat.
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Bezug nehmend auf 4 kann der Turbolader 2 unter Verwendung eines Verfahrens 400 gemäß den Anordnungen der vorliegenden Offenbarung montiert werden. In einem ersten Schritt 402 des Verfahrens wird der Hitzeschild 110 provisorisch auf die Welle 106 montiert. In einem zweiten Schritt 404 wird der Turbinenrotor 104 mit der Welle 106 gekoppelt, z. B. durch Schweißen, Hartlöten oder ein beliebiges anderes wünschenswertes Befestigungsverfahren. In einem dritten Schritt 406 wird die Welle 106 in das Lagergehäuse 114 eingebaut.
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In einem vierten Schritt 408 wird der Hitzeschild 110 mit einer Komponente des Turboladers 102, wie etwa dem Lagergehäuse 114 und/oder dem Turbinengehäuse 108, gekoppelt. Der Hitzeschild 110 kann durch Verfahren, einschließlich, aber nicht beschränkt auf, Klammern mittels Edelstahlklammern oder Kleben mittels eines Hochtemperaturbands oder Klebstoffs, mit dem Gehäuse des Turboladers 102 gekoppelt werden.
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Für den Fachmann liegt auf der Hand, dass die Erfindung, obgleich sie beispielhaft mit Bezug auf eine oder mehrere Anordnungen beschrieben wurde, nicht auf die offenbarten Anordnungen beschränkt ist, und dass alternative Anordnungen erstellt werden könnten, ohne den Schutzbereich der Erfindung, wie er in den beigefügten Ansprüchen definiert ist, zu verlassen.