DE102019114870B4

DE102019114870B4 - Turboladerwellen mit integrierten kühllüftern und turboladern, die dieselben umfassen

Info

Publication number: DE102019114870B4
Application number: DE102019114870.7A
Authority: DE
Inventors: Anil K. Sachdev; Tyson W. BROWN
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2018-08-01
Filing date: 2019-06-03
Publication date: 2024-01-25
Anticipated expiration: 2039-06-04
Also published as: US10465603B1; CN110792507B; DE102019114870A1; CN110792507A

Abstract

Turbolader (1), umfassend:einen Verdichter (20) umfassend einen Verdichterkörper (21), der sich von einer Verdichterrückseite (22) erstreckt, und eine Vielzahl von Schaufeln (23), die sich vom Verdichterkörper (21) aus erstrecken;eine Turbine (10) umfassend einen Turbinenkörper (11), der sich von einer Turbinenrückseite (12) erstreckt, und eine Vielzahl von Schaufeln (13), die sich vom Turbinenkörper (11) aus erstrecken; undeine Welle (30), die an einem ersten Ende mit der Verdichterrückseite (22) und an einem zweiten Ende mit der Turbinenrückseite (12) verbunden ist, wobei die Welle (30) umfasst:einen inneren Durchgang (34), der sich vom ersten Ende in Richtung des zweiten Endes der Welle (30) in Fluidverbindung mit den Schaufeln (23) des Verdichters (20) erstreckt, undeinen Lüfter (33), der innerhalb des inneren Durchgangs (34) angeordnet und konfiguriert ist, um Luft in Richtung des zweiten Endes der Welle (30) zu ziehen;dadurch gekennzeichnet, dassder Turbinenkörper (11) einen axialen Durchgang (15) in Fluidverbindung (14) mit dem inneren Durchgang (34) der Welle (30) umfasst.

Description

Einleitung
Motorturbolader werden gewöhnlich aus Eisen- oder Aluminiumlegierungen durch ein Guss- und/oder Schmiedeverfahren hergestellt. Turboladermaterial und -konstruktion tragen zur Gesamtleistung eines Motors bei. Ein Turbolader besteht aus verschiedenen Teilen, die zur Durchführung dieser Leistungssteigerung kombiniert sind. Eine Turbine ist der Teil des Turboladers, der Motorabgasen ausgesetzt ist. Die Turboschaufel oder Turbine dreht sich, wenn die Abgase zum Fahrzeugauspuff gelangen. Eine Welle erstreckt sich von einem zentralen Abschnitt der Turbine und dreht sich mit der Turbine. Ein Verdichter ist am gegenüberliegenden Ende der Welle angeordnet und damit drehbar. Wenn sich der Verdichter dreht, drückt er zusätzliche Luft und Sauerstoff in die Zylinder, wodurch sie zusätzlichen Kraftstoff verbrennen können.
US 2 165 448 A beschreibt einen Turbolader und einen Ansatz, ein Turbinenrad zu balancieren. Es wird dabei darauf abgestellt, dass eine Resonanzfrequenz weit unterhalb eines üblichen Betriebsbereichs des Turboladers ist. Die Turbinenschaufeln sind in Umfangsrichtung des Turbinenrads vorgespannt.
DE 29 48 398 A1 beschreibt einen Abgasturbolader mit auf einer gemeinsamen Welle aufgesetztem Verdichter- und Turbinenrad und dazwischen in einem Gehäuse angeordneten Lagern, Das Turbinenrad und das Verdichterrad sind nur unter Belassung eines kleinen axialen Zwischenraumes auf der Welle aufgesetzt. In diesem Zwischenraum ist eine Trennwand angeordnet und das Lager ist als ein zweiseitig wirkendes Luftlager ausgebildet, von dem jeweils eine Lagerfläche unmittelbar an den Naben des Turbinenrades und des Verdichterrades angeordnet ist, während die komplementären Lagerflächen an der zwischen Turbinengehäuse und Verdichtergehäuse angeordneten Trennwand vorgesehen sind.
Es kann als Aufgabe betrachtet werden, die Wirkungsgrade und Leistungen von Motoren zu verbessern, einschließlich, jedoch nicht beschränkt auf, die Kraftstoffeinsparung, die Verbesserung der Kraftstoffverbrennung, die Senkung des Ölverbrauchs und die Steigerung der Abgastemperatur für die nachfolgende Verwendung in der katalytischen Umwandlung von Abgasen.
Darstellung der Erfindung
Erfindungsgemäß ist ein Turbolader vorgesehen, der einen Verdichter enthalten, der einen Verdichterkörper umfasst, der sich von einer Verdichterrückseite erstreckt und eine Vielzahl von Schaufeln umfasst, die sich von dem Verdichterkörper erstrecken, eine Turbine, die einen Turbinenkörper umfasst, der sich von einer Turbinenrückseite erstreckt, und eine Vielzahl von Schaufeln umfasst, die sich vom Turbinenkörper aus erstrecken, und eine Welle, die an einem ersten Ende mit der Verdichterrückseite und an einem zweiten Ende mit der Turbinenrückseite gekoppelt ist. Die Welle enthält einen inneren Durchgang, der sich vom ersten Ende in Richtung des zweiten Endes in Fluidverbindung mit den Schaufeln des Verdichters erstreckt, und einen Lüfter, der innerhalb des inneren Durchgangs angeordnet und konfiguriert ist, um Luft in Richtung des zweiten Endes der Welle zu ziehen. Erfindungsgemäß umfasst der Turbinenkörper einen axialen Durchgang in Fluidverbindung mit dem inneren Durchgang der Welle.
Der Lüfter kann eine Vielzahl von Schaufeln enthalten, die sich von der Mitte des inneren Durchgangs der Welle radial nach außen erstrecken. Der Lüfter kann eine spiralförmige Oberfläche enthalten, die sich axial innerhalb des inneren Durchgangs der Welle erstreckt. Die Welle kann eine Vielzahl von Lüftern enthalten, die axial in Reihe innerhalb des inneren Durchgangs der Welle angeordnet sind. Der Druck, bei dem jeder der Vielzahl von Lüftern Luft in Richtung des zweiten Endes der Welle zieht, kann zunehmen, wenn die Entfernung jedes Lüfters relativ zum zweiten Ende der Welle abnimmt. Der innere Durchgang der Welle kann über einen oder mehrere Entlüftungskanäle mit den Schaufeln des Verdichters in Fluidverbindung stehen. Jeder der einen oder mehreren Entlüftungskanäle kann einen Einlass enthalten, der in Richtung eines Außendurchmessers des Verdichterkörpers verschoben ist. Die Lüfterposition kann relativ zur Welle fixiert werden. Die Welle kann ferner einen oder mehrere Luftauslässe enthalten, die zwischen dem Lüfter und der Turbinenrückseite angeordnet sind.
Weitere Zwecke, Vorteile und neuartige Merkmale der Ausführungsbeispiele ergeben sich aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung der Ausführungsbeispiele und den beigefügten Zeichnungen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen

1 veranschaulicht eine perspektivische Querschnitts-Ansicht eines Turboladers;
2 veranschaulicht eine Querschnitts-Seitenansicht eines Turboladers gemäß einer Ausführungsform;
3A veranschaulicht eine perspektivische Ansicht einer Welle eines Turboladers gemäß einer Ausführungsform;
3B veranschaulicht eine perspektivische Ansicht einer Welle eines Turboladers gemäß einer Ausführungsform; und
3C veranschaulicht eine perspektivische Ansicht einer Welle eines Turboladers gemäß einer Ausführungsform.

Detaillierte Beschreibung von Ausführungsformen
1 veranschaulicht eine perspektivische Schnittansicht eines Turboladers 1, der eine Turbine 10 innerhalb eines Turbinengehäuses 16 und einen Verdichter 20 innerhalb eines Verdichtergehäuses 26 enthält. Die Turbine 10 und der Verdichter 20 sind über eine gemeinsame, drehbare Welle 30, die sich durch ein Lagergehäuse 38 erstreckt, mechanisch verbunden. Im Betrieb nimmt die Turbine 10 über einen Turbinen-Abgaseinlass 17 Abgas auf, das beispielsweise von einem Motor (nicht dargestellt) ausgestoßen wird. Der Einlass 17 kann das Abgas zu der umlaufenden Spirale oder Schnecke 19 führen, welche die Abgase aufnimmt und sie zur Turbine 10 weiterleitet. Danach wird das Abgas über eine Abgasleitung 18 aus dem Turbinengehäuse 16 ausgestoßen. Die Turbine 10 fängt kinetische Energie aus den Abgasen ab und dreht den Verdichter 20 über die gemeinsame Welle 30. Volumetrische Restriktionen des Abgases im Turbinengehäuse 16 wandeln thermische Energie in zusätzliche kinetische Energie um, die ebenfalls von der Turbine 10 eingefangen wird. So kann beispielsweise die Schnecke 19 speziell für die Umwandlung thermischer Energie in kinetische Energie optimiert werden. Die Drehung des Verdichters 20 über die gemeinsame Welle 30 saugt Luft durch den Verdichtereinlass 27 an, die verdichtet und über die Leitung 28 beispielsweise zum Ansaugkrümmer (nicht dargestellt) des Motors geführt wird. Der Turbolader 1 erhöht die Leistung und/oder den volumetrischen Wirkungsgrad eines zugehörigen Motors, indem er die Sauerstoffkonzentration pro Luftvolumeneinheit erhöht, die einem oder mehreren Zylindern des Motors zugeführt wird. Druckluft kann vor dem Eintreten in den Ansaugkrümmer durch einen nachgeschalteten Luftkühler (nicht dargestellt) strömen, um die Sauerstoffkonzentration pro abgegebener Luftvolumeneinheit zu maximieren.
Die gemeinsame Welle 30 wird durch ein oder mehrere Lager 37 getragen, die im Lagergehäuse 38 angeordnet sind. Das eine oder die mehreren Lager 37 und/oder andere rotierende Komponenten des Turboladers 1 werden durch ein Fluid wie beispielsweise Öl geschmiert, um einen effizienten Betrieb des Turboladers zu gewährleisten und Verschleiß oder Beschädigungen an Komponenten desselben zu vermeiden. Die gemeinsame Welle 30 und/oder die Lager 37 werden üblicherweise gekühlt (z. B. flüssigkeitsgekühlt), um Schäden an den Komponenten zu verhindern und eine unerwünschte Wärmeübertragung von der Seite der Turbine 10 des Turboladers 1 auf die Verdichterseite 20 zu verhindern.
Hierin sind Turbolader vorgesehen, die jeweils eine hohle gemeinsame Welle mit einem oder mehreren darin angeordneten Lüftern umfassen und konfiguriert sind, um Verdichterluft durch die Welle zur Turbine zu ziehen. Solche Turbolader minimieren oder verhindern die Übertragung unerwünschter Wärme von der Turbinenseite des Turboladers zur Verdichterseite, wodurch die Sauerstoffkonzentration pro Volumeneinheit der vom Verdichter 20 ausgestoßenen Druckluft erhöht wird (z. B. über Leitung 28). Die Kühlwirkung der hierin beschriebenen Turbolader reduziert weiter die Größe und das Gewicht von Komponenten, die sich auf Wellen- und/oder Lagerkühlsysteme und stromabwärtige Verdichterluftkühler und die Leistungsanforderungen solcher Kühlsysteme (z. B. von zugehörigen Fahrzeugmotoren) beziehen. Desgleichen verringert das Reduzieren oder Beseitigen der Notwendigkeit von Flüssigkeitskühlsystemen die Nachfrage nach integrierten Radiatoren. Dementsprechend verbessert sich die Leistung von zugehörigen Motoren und Fahrzeugen.
2 veranschaulicht eine Querschnitts-Ansicht des Turboladers 1 mit der Turbine 10 und dem Verdichter 20, die durch die gemeinsame Welle 30 verbunden sind. Die Turbine 10, Verdichter 20 und die gemeinsame Welle 30 sind fest verbunden, sodass sie sich gemeinsam mit der gleichen Geschwindigkeit drehen. Die Turbine 10 umfasst einen Turbinenkörper 11, der sich von einer Turbinenrückseite 12 erstreckt, und eine Vielzahl von in Umfangsrichtung angeordneten Schaufeln 13, die sich vom Turbinenkörper 11 aus erstrecken. Der Turbinenkörper 11 kann im Allgemeinen konisch sein, sodass sein Durchmesser nahe der Turbinenrückseite 12 am größten ist. Der Verdichter 20 umfasst einen Verdichterkörper 21, der sich von einer Verdichterrückseite 22 erstreckt, und eine Vielzahl von in Umfangsrichtung angeordneten Schaufeln 23, die sich vom Verdichterkörper 21 aus erstrecken. Der Verdichterkörper 21 kann im Allgemeinen konisch sein, sodass sein Durchmesser nahe der Verdichterrückseite 22 am größten ist. Die Turbine 10, Verdichter 20 und Welle 30 können eine einteilige Konstruktion sein, oder die Welle 30 kann an einem ersten Ende mit der Verdichterrückseite 22 und an einem zweiten Ende mit der Turbinenrückseite 12 verbunden sein. Die Welle 30 kann beispielsweise über entsprechende Kragen 31 und 32 mit der Turbine 10 und dem Verdichter 20 oder direkt mit der Turbinenrückseite 12 und der Verdichterrückseite verbunden sein. Es versteht sich, dass viele geometrische Konfigurationen und Herstellungsverfahren verwendet werden können, um die Turbine 10, den Verdichter 20 und die gemeinsame Welle 30 zu verbinden. Für die Zwecke dieser Offenbarung sind alle Abschnitte der Turbine 10 oder des Verdichters 20, die sich von ihrer jeweiligen Rückseite zur Welle 30 erstrecken, als Teil der Welle 30 betrachtet.
Die Welle 30 umfasst im Allgemeinen einen inneren Durchgang 34, der sich vom ersten Ende der Welle 30 in Richtung des zweiten Endes der Welle 30 erstreckt. Die Welle 30 enthält ferner einen Lüfter 33, der innerhalb des inneren Durchgangs 34 angeordnet ist. Der Lüfter kann im inneren Durchgang 34 relativ zur Welle 30 befestigt werden. Der innere Durchgang 34 steht in Fluidverbindung mit den Schaufeln 23 des Verdichters (d. h. in Fluidverbindung mit der Luft, die dem Verdichter 20 über den Verdichtereinlass 27 zugeführt wird), sodass die Welle 30 und dementsprechend der Verdichter 20 sich drehen, wobei der Lüfter 33 Luft in Richtung des zweiten Endes der Welle zieht. Der Lüfter 33 ist so konfiguriert, dass er eine höhere Luftansaugfähigkeit in Bezug auf die Achse der Welle 30 aufweist als der Verdichter 20, sodass eine gewünschte Luftmenge in den inneren Durchgang 34 gezogen wird (d. h. anstatt durch die Leitung 28 komprimiert und ausgestoßen zu werden). Die Luft, die in Richtung des zweiten Endes der Welle gezogen wird, kühlt die Welle und zugehörige Komponenten wie die Lager 37. Der innere Durchgang der Welle 34 kann über einen oder mehrere Entlüftungskanäle 24 mit den Schaufeln 23 des Verdichters in Fluidverbindung stehen. Die Entlüftungskanäle 24 können innerhalb des Verdichterkörpers 21 ausgebildet sein und einen Einlass 25 enthalten. Da der Luftdruck um den Verdichter 20 am größten in der Nähe des Außendurchmessers des Verdichterkörpers 21 ist, werden in einigen Ausführungsformen die Einlässe 25 des Entlüftungskanals 24 in Richtung eines Außendurchmessers des Verdichterkörpers 21 verschoben, wie dargestellt. Zusätzlich oder alternativ können, wie in 2 dargestellt, der eine oder die mehreren Entlüftungskanäle 24 in der Nähe der Verdichterrückseite 22 sein, um die Kühlung des Verdichters 20 weiter zu unterstützen. Andere Ausrichtungen der Einlässe 25 sind zusätzlich oder alternativ innerhalb des Umfangs dieser Offenbarung. So können beispielsweise Einlässe 25 benachbart zur Achse des Verdichterkörpers 21 angeordnet sein.
Die Welle 30 kann ferner einen oder mehrere Luftauslässe umfassen, die zwischen dem Lüfter 33 und der Turbinenrückseite 12 (Rückseite des Turbinenkörpers 11) angeordnet sind. Die Welle 30 kann einen oder mehrere radiale Lüftungsschlitze 35 umfassen, die beispielsweise die durch den inneren Durchgang 34 über den Lüfter 33 angesaugte Luft durch das Lagergehäuse 38 entlüften können. Zusätzlich oder alternativ kann die Welle 30 eine axiale Entlüftung 36 am zweiten Ende der Welle 30 nahe der Turbinenrückseite 12 umfassen. Die axiale Entlüftung 36 kann in Fluidverbindung 14 mit einem axialen Durchgang 15 stehen, der konfiguriert ist, um die durch die Welle 30 angesaugte Luft über den Lüfter 33 axial zu entlüften. Der axiale Durchgang 15 ist zentral innerhalb des Turbinenkörpers 11 angeordnet, um eine unerwünschte Kühlung der Turbine 10 oder des nahegelegenen Abgases zu minimieren.
Der Lüfter 33 kann, wie in 2 dargestellt, eine Vielzahl von Schaufeln enthalten, die sich von der Mittelachse des inneren Durchgangs 34 der Welle 30 radial nach außen erstrecken. 3A-C veranschaulichen verschiedene Ausführungsformen von Wellen 30 und Lüftern 33, die dem Turbolader 1 zugeordnet sind. 3A veranschaulicht einen Turbolader 1, der eine Vielzahl von Lüftern 33A, 33B umfasst, die axial in Reihe innerhalb des inneren Durchgangs 34 der Welle 30 angeordnet sind. Für einen Turbolader bestehend aus einer Vielzahl von Lüftern steigt im Allgemeinen der Druck, bei dem jeder der Vielzahl von Lüftern Luft in Richtung des zweiten Endes der Welle (d.h. zur Turbine 10 hin) zieht, wenn die Entfernung jedes Lüfters relativ zum zweiten Ende der Welle abnimmt. Dementsprechend ist in einer solchen Ausführungsform die Saugfähigkeit des Lüfters 33B größer als die des Lüfters 33A. Die druckerzeugende (d. h. saugende) Fähigkeit jedes Lüfters kann beispielsweise basierend auf der Neigung oder dem Winkel der Flügel des einzelnen Lüfters gesteuert werden. So nimmt beispielsweise die Saugfähigkeit eines Lüfters zu, wenn die Winkelausrichtung der Schaufelebene von einer senkrechten Ausrichtung relativ zur Achse der Welle 30 abweicht.
3B veranschaulicht einen Turbolader 1 mit einem Lüfter 33 mit einem schraubenförmigen Körper, der sich axial innerhalb des inneren Durchgangs 34 der Welle 30 erstreckt. 3C veranschaulicht einen Turbolader 1, der eine Welle 30 mit einem Durchmesser umfasst, der im Wesentlichen dem maximalen Durchmesser der Turbine 10 und/oder dem Verdichter 20 entspricht. In einigen Ausführungsformen umfasst der Turbolader 1 eine Welle 30 mit einem Durchmesser, der im Wesentlichen gleich dem kleineren des maximalen Durchmessers der Turbine 10 und des maximalen Durchmessers des Verdichters 20 ist. Der Durchmesser der Welle 30 kann so gewählt werden, dass die Anordnung in einem Stück konstruiert werden kann. Eine Welle 30 mit größerem Durchmesser und entsprechend innerem Durchgang 34 reduziert die Luftströmungsgeschwindigkeit innerhalb des inneren Durchgangs 34, aber erhöht den volumetrischen Luftstrom darin. Umgekehrt reduziert ein schmalerer innerer Durchgang 34 den Volumenstrom der Luft innerhalb des inneren Durchgangs 34, erhöht jedoch die Geschwindigkeit des Luftstroms darin. Der Durchmesser der Welle 30 und des inneren Durchgangs 34 kann optimiert werden, um die Leistungsanforderungen eines bestimmten Turboladers 1 und zugehöriger Komponenten zu erfüllen.
Die Turboladerkomponenten der exemplarischen Ausführungsformen können im additiven Herstellungsverfahren aus einem Stahlmaterial erzeugt werden, oder können mit vielen der oben vorgestellten Merkmale aus einem alternativen Material anstelle von Stahl konstruiert werden.

Claims

Turbolader (1), umfassend: einen Verdichter (20) umfassend einen Verdichterkörper (21), der sich von einer Verdichterrückseite (22) erstreckt, und eine Vielzahl von Schaufeln (23), die sich vom Verdichterkörper (21) aus erstrecken; eine Turbine (10) umfassend einen Turbinenkörper (11), der sich von einer Turbinenrückseite (12) erstreckt, und eine Vielzahl von Schaufeln (13), die sich vom Turbinenkörper (11) aus erstrecken; und eine Welle (30), die an einem ersten Ende mit der Verdichterrückseite (22) und an einem zweiten Ende mit der Turbinenrückseite (12) verbunden ist, wobei die Welle (30) umfasst: einen inneren Durchgang (34), der sich vom ersten Ende in Richtung des zweiten Endes der Welle (30) in Fluidverbindung mit den Schaufeln (23) des Verdichters (20) erstreckt, und einen Lüfter (33), der innerhalb des inneren Durchgangs (34) angeordnet und konfiguriert ist, um Luft in Richtung des zweiten Endes der Welle (30) zu ziehen; dadurch gekennzeichnet, dass der Turbinenkörper (11) einen axialen Durchgang (15) in Fluidverbindung (14) mit dem inneren Durchgang (34) der Welle (30) umfasst.
Turbolader (1) nach Anspruch 1, wobei der Lüfter (33) eine schraubenförmige Oberfläche umfasst, die sich axial innerhalb des inneren Durchgangs (34) der Welle (30) erstreckt.
Turbolader (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Welle (30) eine Vielzahl von Lüftern (33) enthält, die axial innerhalb des inneren Durchgangs (34) der Welle (30) angeordnet sind.
Turbolader (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Lüfter (33) eine Vielzahl von Schaufeln umfasst, die sich von der Mitte des inneren Durchgangs (34) der Welle (30) radial nach außen erstrecken.
Turbolader (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der innere Durchgang (34) der Welle (30) über einen oder mehrere Entlüftungskanäle (24) in Fluidverbindung mit den Schaufeln (23) des Verdichters (20) steht.
Turbolader (1) nach Anspruch 5, wobei jeder der einen oder mehreren Entlüftungskanäle (24) einen Einlass (25) umfasst, der in Richtung eines Außendurchmessers des Verdichterkörpers (21) verschoben ist.
Turbolader (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei eine Position des Lüfters (33) relativ zur Welle (30) fixiert ist.
Turbolader (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Welle (30) einen oder mehrere Luftauslässe (35) umfasst, die zwischen dem Lüfter (33) und der Turbinenrückseite (12) angeordnet sind.