DE102019110671A1 - Turbolader - Google Patents

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Alfons Bornhorn
Hannes Benetschik
Christoph Heinz
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Abstract

Turbolader, mit einer Turbine (2) zur Entspannung eines ersten Mediums und mit einem Verdichter zur Verdichtung eines zweiten Mediums. Die Turbine (2) weist ein Turbinengehäuse (4) und einen mit Turbinen-Laufschaufeln (14) beschaufelten Turbinenrotor (5) auf, wobei radial äußere Kanten (14a) der Turbinen-Laufschaufeln (14) und ein den Turbinen-Laufschaufeln (14) zugewandter Abschnitt des Turbinengehäuses (4) oder eines mit dem Turbinengehäuse (4) verbundenen statorseitigen Bauteils (13) einen turbinenseitigen Spalt definieren. Der Verdichter weist ein Verdichtergehäuse und einen mit dem Turbinenrotor über eine Welle (8) gekoppelten, mit Verdichter-Laufschaufeln beschaufelten Verdichterrotor auf, wobei radial äußere Kanten der Verdichter-Laufschaufeln und ein den Verdichter-Laufschaufeln zugewandter Abschnitt des Verdichtergehäuses oder eines mit dem Verdichtergehäuse verbundenen statorseitigen Bauteils einen verdichterseitigen Spalt definieren. Das Turbinengehäuse (4) und das Verdichtergehäuse sind jeweils mit einem Lagergehäuse, in welchem die Welle (8) gelagert ist, verbunden. Der den Turbinen-Laufschaufeln (14) zugewandte Abschnitt des Turbinengehäuses (4) oder des mit dem Turbinengehäuse (4) verbundenen statorseitigen Bauteils (13) und/oder der den Verdichter-Laufschaufeln zugewandte Abschnitt des Verdichtergehäuses oder des mit dem Verdichtergehäuse verbundenen statorseitigen Bauteils weist eine Hohlräume (18) umfassende Einlaufstruktur (17) auf.

Description

  • 1 zeigt den grundsätzlichen Aufbau eines aus der Praxis bekannten Turboladers 1. Ein Turbolader 1 verfügt über eine Turbine 2 zur Entspannung eines ersten Mediums, insbesondere zur Entspannung von Abgas einer Brennkraftmaschine, wobei bei der Entspannung des ersten Mediums Energie gewonnen wird. Ferner umfasst der Turbolader 1 einen Verdichter 3 zur Verdichtung eines zweiten Mediums, insbesondere von einer Brennkraftmaschine zuzuführender Ladeluft, und zwar unter Nutzung der bei der Entspannung des ersten Mediums in der Turbine 2 gewonnenen Energie.
  • Die Turbine 1 verfügt über ein Turbinengehäuse 4 und einen Turbinenrotor 5. Der Verdichter 3 verfügt über ein Verdichtergehäuse 6 sowie einen Verdichterrotor 7. Turbinenrotor 5 und Verdichterrotor 7 sind über eine Welle 8 gekoppelt, die in einem Lagergehäuse 9 gelagert ist. Das Lagergehäuse 9 ist einerseits mit dem Turbinengehäuse 4 und andererseits mit dem Verdichtergehäuse 6 verbunden.
  • 1 zeigt weiterhin einen optionalen Schalldämpfer 10, der mit dem Verdichtergehäuse 6 verbunden ist, wobei über den Schalldämpfer 10 Ladeluft geführt wird.
  • Das Turbinengehäuse 4 umfasst ein Zuströmgehäuse 11 und ein Abströmgehäuse 12. Über das Zuströmgehäuse 11 wird das zu entspannende erste Medium dem Turbinenrotor 5 zugeführt, hier in Radialrichtung. Über das Abströmgehäuse 12 kann vom Turbinenrotor 5 das entspannte erste Medium abgeführt werden, hier in Axialrichtung. Die Turbine der 1 ist eine Radialturbine.
  • Als Bestandteile des Turbinengehäuses 4 zeigt 1 weiterhin ein Einsatzstück 13 sowie einen Düsenring 15. Das Einsatzstück 13, bei welchem es sich um eine mit dem Turbinengehäuse 4 verbundene, statorseitige Baugruppe der Turbine 2 handelt, schließt sich radial außen an Turbinen-Laufschaufeln 14 des Turbinenrotors 5 an und begrenzt einen Strömungskanal des Zuströmgehäuses 11 zumindest abschnittsweise. Radial äußere Kanten 14a der Turbinen-Laufschaufeln 14 und ein den Turbinen-Laufschaufeln 14 zugewandter Abschnitt des Turbinengehäuses 4 bzw. des mit dem Turbinengehäuse 4 verbundenen Einsatzstücks 13 definieren einen turbinenseitigen Spalt zwischen den Turbinen-Laufschaufeln 14 und dem Stator der Turbine 2.
  • Der Verdichterrotor 7, der in 1 als Radialverdichter ausgeführt ist, trägt Verdichter-Laufschaufeln 16. Radial äußere Kanten 16a der Verdichter-Laufschaufeln 16 und ein den Verdichter-Laufschaufeln 16 zugewandter Abschnitt des Verdichtergehäuses 6 oder eines mit dem Verdichtergehäuse verbundenen statorseitigen Bauteils definieren einen verdichterseitigen Spalt zwischen den Verdichter-Laufschaufeln 16 und dem Stator des Verdichters 2.
  • Ein Turbolader gemäß 1 ist aus der DE 10 2016 125 189 A1 bekannt.
  • Um einen möglichst hohen Wirkungsgrad für den Turbolader bereitzustellen, ist es wünschenswert, den turbinenseitigen Spalt zwischen den Turbinen-Laufschaufeln und dem Stator der Turbine sowie den verdichterseitigen Spalt zwischen den Verdichter-Laufschaufeln und dem Stator des Verdichters so gering wie möglich auszubilden. Im Betrieb des Turboladers besteht jedoch die Gefahr, dass insbesondere im Bereich der Turbine infolge von auf den Turbinenrotor wirkenden Fliehkräften sowie infolge thermisch bedingter Dehnungen des Turbinenrotors die Turbinen-Laufschaufeln in den Stator einlaufen. Hierdurch können dann die jeweiligen Laufschaufeln beschädigt werden. Dies ist von Nachteil.
  • Aus der DE 10 2015 016 486 A1 ist ein Turbolader bekannt, bei welchem im Bereich der Turbine das Einsatzstück eine definierte Konturierung aufweist, um ein Einlaufen der Turbinen-Laufschaufeln des Turbinenrotors in das Einsatzstück zu verhindern.
  • Es besteht Bedarf an einem neuartigen Turbolader, bei welchem im Bereich der Turbine und/oder des Verdichters geringe Spaltmaße für den Spalt zwischen den Turbinen-Laufschaufeln und/oder den Verdichter-Laufschaufeln und einem Stator der Turbine und/oder des Verdichters eingestellt werden kann, und zwar ohne die Gefahr, dass im Falle eines Einlaufens der Laufschaufeln in den Stator die jeweiligen Laufschaufeln beschädigt werden.
  • 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 trägt der den Turbinen-Laufschaufeln zugewandte Abschnitt des Turbinengehäuses oder des mit dem Turbinengehäuse verbundenen statorseitigen Bauteils und /oder der den Verdichter-Laufschaufeln zugewandte Abschnitt des Verdichtergehäuses oder des mit dem Verdichtergehäuse verbundenen statorseitigen Bauteils eine Hohlräume umfassende Einlaufstruktur. Mit der hier vorliegenden Erfindung wird erstmals vorgeschlagen, dass der den Turbinen-Laufschaufeln zugewandte Abschnitt des Turbinengehäuses oder des mit dem Turbinengehäuse verbundenen statorseitigen Bauteils und/oder der den Verdichter-Laufschaufeln zugewandte Abschnitt des Verdichtergehäuses oder des mit dem Verdichtergehäuse verbundenen statorseitigen Bauteils eine Einlaufstruktur mit Hohlräumen trägt. Laufen die Laufschaufeln zum Beispiel infolge von im Betrieb wirkenden Fliehkräften und/oder infolge von thermischen Dehnungen in die Einlaufstruktur ein, so gibt die Einlaufstruktur nach, sodass die jeweiligen Laufschaufeln keiner Beschädigungsgefahr unterliegen. So kann ohne Beschädigungsgefahr für die jeweiligen Laufschaufeln im Betrieb des Turboladers ein minimaler Spalt zwischen den Kanten der jeweiligen Laufschaufeln und dem jeweiligen Stator der Turbine eingestellt werden.
  • Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist die Einlaufstruktur derart offenporig oder offenzellig ausgebildet, dass die Hohlräume der Einlaufstruktur in Richtung auf die jeweiligen Laufschaufeln oder den jeweiligen Laufschaufeln zugewandt offen ausgebildet sind. Eine derartige offenporige oder offenzellige Einlaufstruktur ist besonders bevorzugt, um dann, wenn die Laufschaufeln in die Einlaufstruktur einlaufen, ohne Beschädigungsgefahr für die Laufschaufeln sowie für die Einlaufstruktur einen minimalen Spalt zwischen den Laufschaufeln und der statorseitigen Einlaufstruktur einzustellen.
  • Nach einer Weiterbildung der Erfindung umfasst die Einlaufstruktur wabenartige Hohlräume. Wabenartige Hohlräume für die statorseitige Einlaufstruktur sind besonders bevorzugt, um bei ohne Beschädigungsgefahr für die Laufschaufeln sowie für die Einlaufstruktur im Betrieb einen minimalen Spalt zwischen den Laufschaufeln und dem jeweiligen Stator einzustellen. Hierbei verstehen die Erfinder unter wabenartigen Hohlräumen auch Oberflächenstrukturen, wie sie Golfbälle aufweisen. Hierdurch kann die Optimierung des Wirkungsgrades erreicht werden, da dadurch eine möglichst dünne, turbulente Grenzschicht, ausgebildet werden kann.
  • Nach einer Weiterbildung der Erfindung weisen Wände der Einlaufstruktur eine maximale Wandstärke von 0,2 mm aufweisen. Derart dünne Wände der Einlaufstruktur sind besonders nachgiebig und ermöglichen es, ohne Beschädigungsgefahr für die Laufschaufeln sowie für die Einlaufstruktur im Betrieb einen minimalen Spalt zwischen den Laufschaufeln und dem jeweiligen Stator einzustellen.
  • 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 Querschnitt durch einen aus der Praxis bekannten Turbolader;
    • 2: einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Turbolader im Bereich einer als Radialturbine ausgebildeten Turbine des Turboladers;
    • 3: einen Querschnitt durch einen weiteren erfindungsgemäßen Turbolader im Bereich einer als Axialturbine ausgebildeten Turbine des Turboladers; und
    • 4: das Detail A-A der 2, 3.
  • Ein Turbolader 1 verfügt über eine Turbine 2 zur Entspannung eines ersten Mediums, insbesondere zur Entspannung von Abgas einer Brennkraftmaschine. Ferner verfügt ein Turbolader 1 über einen Verdichter 3 zur Verdichtung eines zweiten Mediums, insbesondere von Ladeluft, und zwar unter Nutzung von in der Turbine 2 bei der Entspannung des ersten Mediums gewonnener Energie.
  • Die Turbine 2 verfügt dabei über ein Turbinengehäuse 4 und einen Turbinenrotor 5. Der Verdichter 3 verfügt über ein Verdichtergehäuse 6 und einen Verdichterrotor 7. Der Verdichterrotor 7 ist mit dem Turbinenrotor 5 über eine Welle 8 gekoppelt, die in einem Lagergehäuse 9 gelagert ist, wobei das Lagergehäuse 9 zwischen dem Turbinengehäuse 4 und dem Verdichtergehäuse 5 positioniert und sowohl mit dem Turbinengehäuse 4 und dem Verdichtergehäuse 5 verbunden ist.
  • Das Turbinengehäuse 4 verfügt typischerweise über ein Zuströmgehäuse 11 und ein Abströmgehäuse 12. Über das Zuströmgehäuse 11, welches mit dem Lagergehäuse 9 verbunden ist, kann das zu entspannende, erste Medium auf den Turbinenrotor 5 geführt werden. Über das Abströmgehäuse 12, welches mit dem Zuströmgehäuse 11 verbunden ist, kann entspanntes, erstes Medium vom Turbinenrotor 5 abgeführt werden. Das Turbinengehäuse 4 verfügt typischerweise weiterhin über ein Einsatzstück 13 sowie einen Düsenring 15. Das Einsatzstück 13 begrenzt abschnittsweise einen Strömungskanal für das erste Medium, wobei sich das Einsatzstück 13 radial außen an Turbinen-Laufschaufeln 14 des Turbinenrotors 5 anschließt. Stromaufwärts des Turbinenrotors 5 ist der Düsenring 15 positioniert, welcher der Strömungsführung des zu entspannenden ersten Mediums stromaufwärts des Turbinenrotors 5 dient.
  • Der Turbinenrotor 5 trägt demnach die Turbinen-Laufschaufeln 14, wobei zwischen radial äußeren Kanten 14a der Turbinen-Laufschaufeln 14 und einer sich radial außen anschließenden statorseitigen Baugruppe, typischerweise dem statorseitigen Einsatzstück 13, das mit dem Turbinengehäuse 4 verbunden ist, ein Spalt ausgebildet ist.
  • Ein derartiger Spalt ist auch im Bereich des Verdichters 3 zwischen Verdichter-Laufschaufeln 16 des Verdichterrotors 7 und dem sich radial außen an den Verdichterrotor 7 anschließenden Verdichtergehäuse 6 ausgebildet, insbesondere zwischen den äußeren Kanten 16a der Verdichter-Laufschaufeln 16 und einem den Verdichter-Laufschaufeln 16 zugewandten Abschnitt des Verdichtergehäuses 6 oder eines mit dem Verdichtergehäuse 6 verbundenen statorseitigen Bauteils.
  • Mit der hier vorliegenden Erfindung wird nun vorgeschlagen, dass zur Ausbildung eines minimalen turbinenseitigen Spalts zwischen den Turbinen-Laufschaufeln 14 und dem Stator der Turbine 2 und/oder zur Ausbildung eines minimalen verdichterseitigen Spalts zwischen den Verdichter-Laufschaufeln 16 und dem angrenzenden Stator des Verdichters 3 der den Turbinen-Laufschaufeln 14 zugewandte Abschnitt des Turbinengehäuses 4 oder des mit dem Turbinengehäuse 4 verbundenen statorseitigen Bauteils und/oder der den Verdichter-Laufschaufeln 16 zugewandte Abschnitt des Verdichtergehäuses 6 oder des mit dem Verdichtergehäuse 6 verbundenen statorseitigen Bauteils eine Einlaufstruktur 17 trägt, die Hohlräume 18 umfasst.
  • Im Betrieb können die Laufschaufeln 14 bzw. 16 mit ihren radial äußeren Kanten 14a bzw. 16a in diese Einlaufstruktur 17 einlaufen, und zwar ohne Beschädigungsgefahr für die Laufschaufeln 14 bzw. 16, sodass sich dann im Betrieb ein minimaler Spalt zwischen den Laufschaufeln 14 bzw. 16 und dem jeweiligen angrenzenden Stator bzw. der statorseitigen Einlaufstruktur 17 ausbildet. Hiermit kann für den Turbolader ein hoher Wirkungsgrad realisiert werden.
  • Die Einlaufstruktur 17 ist vorzugsweise offenporig oder offenzellig ausgebildet, und zwar derart, dass die Hohlräume 18 der Einlaufstruktur 17 in Richtung auf die jeweilige Laufschaufel 14 bzw. 16 offen ausgebildet sind.
  • Vorzugsweise ist die Einlaufstruktur wabenförmig ausgebildet, dieselbe umfasst dann wabenartige Hohlräume 18.
  • Die Hohlräume 18 der Einlaufstruktur 17 sind von Wänden 19 begrenzt bzw. definiert, die vorzugsweise eine maximale Wandstärke von 0,2 mm und eine minimale Wandstärke von 0,05 mm aufweisen. Eine derartige Einlaufstruktur 17 ist besonders nachgiebig. Beschädigungen der Laufschaufeln sowie der Einlaufstruktur 17 beim Einlaufen bzw. Anstreifen der Laufschaufeln in die Einlaufstruktur 17 können so sicher vermieden werden.
  • Im Bereich der Turbine 2 ist die Einlaufstruktur 17 vorzugsweise aus einem hochwarmfesten Stahl gefertigt, insbesondere aus einem Stahl einer Nickel-Basislegierung oder Nickel-Chrom-Basislegierung. Hierbei können insbesondere X12-Stähle oder X22-Stähle zum Einsatz kommen.
  • Im Bereich des Verdichters 3 kann die jeweilige Einlaufstruktur 17 aus einem Graugusswerkstoff oder aus einem Aluminiumwerkstoff bestehen.
  • Vorzugsweise ist die jeweilige Einlaufstruktur 17 auf das die Einlaufstruktur 17 tragende, statorseitige Bauteil über ein additives Fertigungsverfahren, wie zum Beispiel 3D-Drucken aufgebracht.
  • Wie bereits ausgeführt, kann die Einlaufstruktur 17 sowohl im Bereich der Turbine 2 des Turboladers 1 als auch im Bereich des Verdichters 3 des Turboladers 1 genutzt werden.
  • Bei der Turbine 2 kann es sich dabei, wie in 1 und 2 gezeigt, um eine Radialturbine handeln. Es ist auch möglich, dass es sich bei der Turbine 2 um eine Axialturbine handelt. 3 zeigt einen Ausschnitt aus einer Axialturbine im Bereich der Laufschaufeln 14 der Turbine, wobei das Turbinengehäuse 4 bzw. eine mit dem Turbinengehäuse 4 verbundene statorseitige Baugruppe 20 wiederum an einem den Laufschaufeln 14 zu gewandten Abschnitt die Einlaufstruktur 17 mit den Hohlräumen 18 aufweist.
  • Die Erfindung kann auch an einem Verdichter, zum Beispiel an einem Radialverdichter oder auch an einem Axialverdichter, eines Turboladers genutzt werden.
  • Mit der Erfindung ist es möglich, den Wirkungsgrad eines Turboladers 1 zu erhöhen. Sowohl im Bereich der Turbine 2 als auch im Bereich des Verdichters 3 des Turboladers 1 können zwischen den Laufschaufeln 14 bzw. 16 von Turbine 2 bzw. Verdichter 3 und einem radial außen angrenzenden, statorseitigen Bauteils minimale Spalte eingestellt werden. Für die Laufschaufeln 14 bzw. 16 besteht keine Beschädigungsgefahr beim Anstreifen bzw. Einlaufen in die Einlaufstruktur 17. Die Einlaufstruktur 17 ist relativ weich bzw. nachgiebig ausgeführt. Beim Einlaufen bzw. Anstreifen der Laufschaufeln 14 bzw. 16 besteht für die Laufschaufeln 14 bzw. 16 keine Beschädigungsgefahr, auch die Einlaufstruktur 17 wird weder in Umfangsrichtung noch in Strömungsrichtung beschädigt.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Turbolader
    2
    Turbine
    3
    Verdichter
    4
    Turbinengehäuse
    5
    Turbinenrotor
    6
    Verdichtergehäuse
    7
    Verdichterrotor
    8
    Welle
    9
    Lagergehäuse
    10
    Schalldämpfer
    11
    Zuströmgehäuse
    12
    Abströmgehäuse
    13
    Einsatzstück
    14
    Turbinen-Laufschaufel
    14a
    Kante
    15
    Düsenring
    16
    Verdichter-Laufschaufel
    16a
    Kante
    17
    Einlaufstruktur
    18
    Hohlraum
    19
    Wand
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102016125189 A1 [0007]
    • DE 102015016486 A1 [0009]

Claims (9)

  1. Turbolader (1), mit einer Turbine (2) zur Entspannung eines ersten Mediums, mit einem Verdichter (3) zur Verdichtung eines zweiten Mediums unter Nutzung von in der Turbine (2) bei Entspannung des ersten Mediums gewonnener Energie, wobei die Turbine (2) ein Turbinengehäuse (4) und einen mit Turbinen-Laufschaufeln (14) beschaufelten Turbinenrotor (5) aufweist, wobei radial äußere Kanten (14a) der Turbinen-Laufschaufeln (14) und ein den Turbinen-Laufschaufeln (14) zugewandter Abschnitt des Turbinengehäuses (4) oder eines mit dem Turbinengehäuse (4) verbundenen statorseitigen Bauteils (13) einen turbinenseitigen Spalt definieren, wobei der Verdichter (3) ein Verdichtergehäuse (6) und einen mit dem Turbinenrotor (5) über eine Welle (8) gekoppelten, mit Verdichter-Laufschaufeln (16) beschaufelten Verdichterrotor (7) aufweist, wobei radial äußere Kanten (16a) der Verdichter-Laufschaufeln (16) und ein den Verdichter-Laufschaufeln (16) zugewandter Abschnitt des Verdichtergehäuses (6) oder eines mit dem Verdichtergehäuse (6) verbundenen statorseitigen Bauteils einen verdichterseitigen Spalt definieren, wobei das Turbinengehäuse (4) und das Verdichtergehäuse (6) jeweils mit einem zwischen denselben angeordneten Lagergehäuse (9), in welchem die Welle (8) gelagert ist, verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass der den Turbinen-Laufschaufeln (14) zugewandte Abschnitt des Turbinengehäuses (4) oder des mit dem Turbinengehäuse (4) verbundenen statorseitigen Bauteils (13) und/oder der den Verdichter-Laufschaufeln (16) zugewandte Abschnitt des Verdichtergehäuses (6) oder des mit dem Verdichtergehäuse (6) verbundenen statorseitigen Bauteils eine Hohlräume (18) umfassende Einlaufstruktur (17) aufweist.
  2. Turbolader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlaufstruktur (17) derart offenporig oder offenzellig ausgebildet ist, dass die Hohlräume (18) der Einlaufstruktur (17) in Richtung auf die jeweiligen Laufschaufeln (14, 16) oder den jeweiligen Laufschaufeln (14, 16) zugewandt offen ausgebildet sind.
  3. Turbolader nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlaufstruktur (17) wabenartige Hohlräume (18) umfasst.
  4. Turbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass Wände (19) der Einlaufstruktur (17) eine maximale Wandstärke von 0,2 mm aufweisen.
  5. Turbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlaufstruktur (17) im Bereich der Turbine (2) aus einem hochwarmfesten Stahl besteht.
  6. Turbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlaufstruktur (17) im Bereich des Verdichters (3) aus einem Graugusswerkstoff oder einem Aluminiumwerkstoff besteht
  7. Turbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbine eine Axialturbine ist, wobei der den Turbinen-Laufschaufeln der Axialturbine zugewandte Abschnitt des Turbinengehäuses oder des mit demselben verbundenen Bauteils die Einlaufstruktur trägt.
  8. Turbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbine (2) eine Radialturbine ist, wobei der den Turbinen-Laufschaufeln (14) der Radialturbine zugewandte Abschnitt des Turbinengehäuses (4) oder des mit demselben verbundenen Bauteils (13) die Einlaufstruktur (17) trägt.
  9. Turbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter ein Radialverdichter ist, wobei der den Verdichter-Laufschaufeln (16) des Radialverdichters zugewandte Abschnitt des Verdichtergehäuses (6) oder des mit demselben verbundenen Bauteils die Einlaufstruktur (17) trägt.
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