DE102019134241A1

DE102019134241A1 - Abgasturbolader mit Integration von Lagerkomponenten

Info

Publication number: DE102019134241A1
Application number: DE102019134241.4A
Authority: DE
Inventors: Harald Denkel
Original assignee: MAN Energy Solutions SE
Current assignee: MAN Energy Solutions SE
Priority date: 2019-12-13
Filing date: 2019-12-13
Publication date: 2021-06-17
Also published as: KR20210075850A; CH716949B1; US20210254505A1; CH716949A2; CN112983650A; JP2021095907A

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Abgasturbolader (1) mit einem Verdichterrad (2), einer Turbine (3) und einer Welle (4), die das Verdichterrad (2) und die Turbine (3) rotierbar miteinander verbindet, wobei die Welle (4) mittels einer Lagerung (5) zur Aufnahme von axialen Kräften gelagert ist, wobei an der Welle (4) ein einstückiger Schubring (6) angeordnet ist, der die Welle (4) mittelbar mit der Lagerung (5) verbindet und zur Übertragung der auf die Welle (4) wirkenden axialen Kräfte sowohl in einer Schubrichtung (S) als auch in der zur Schubrichtung entgegengesetzten Gegenschubrichtung (GS) ausgebildet ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Abgasturbolader mit einem Verdichterrad, einer Turbine und einer Welle, die das Verdichterrad und die Turbine rotierbar miteinander verbindet.
Die Lagerung eines Abgasturboladers ist ausgelegt, einen Axialschub der rotierenden Komponenten in zwei Richtungen aufzunehmen. Die Einleitung der Kräfte in das Lagergehäuse bzw. den Stator erfolgt mittels einer eigens dafür vorgesehenen Komponente, einem Schublager. Auf dem Rotor des Abgasturboladers werden zwei Komponenten, ein Schubring und ein Gegenschubring, zur Kraftübertragung benötigt, um einerseits den Rotor montieren zu können und andererseits gleichzeitig Axialkräfte in zwei Richtungen aufzunehmen bzw. in das Schublager zu leiten. Nachteilig an dieser Anordnung ist, dass die beiden Schubringe und in Folge auch weitere Komponenten eine verhältnismäßig große radiale und axiale Erstreckung aufweisen, wodurch viel Bauraum für den Abgasturbolader benötigt wird. Außerdem resultiert daraus, dass die Kühlung und Schmierung des Abgasturboladers sehr komplex und aufwändig ist.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Abgasturbolader bereitzustellen, der einen geringeren Bauraum benötigt, ein reduziertes Gewicht aufweist und die Kühlung bzw. Schmierung der Komponenten optimiert.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmalskombination gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
Erfindungsgemäß wird ein Abgasturbolader mit einem Verdichterrad, einer Turbine und einer Welle, die das Verdichterrad und die Turbine rotierbar miteinander verbindet, vorgeschlagen. Die Welle ist mittels einer Lagerung zur Aufnahme von axialen Kräften gelagert. Ferner ist an der Welle ein einstückiger Schubring angeordnet, der die Welle mittelbar mit der Lagerung verbindet und zur Übertragung der auf die Welle wirkenden axialen Kräfte sowohl in einer Schubrichtung als auch in der zur Schubrichtung entgegengesetzten Gegenschubrichtung ausgebildet ist.
Im Gegensatz zum Stand der Technik werden die axialen Kräfte nicht über zwei Rotorbauteile in die Lagerung eingeleitet, sondern die Krafteinleitung erfolgt über ein einstückiges Bauteil, den Schubring, mittels dem axiale Kräfte in Schubrichtung und Gegenschubrichtung in die Statorbauteile leitet. Aufgrund der geänderten Anordnung kann die Lagerfunktion mit weniger und in der radialen Erstreckung kleineren Bauteilen realisiert werden. Ferner wird für die geringere radiale Erstreckung mehr Bauraum für einen Ölablauf und eine Kühlung bereitgestellt. Dies verbessert die Kühlwirkung, da mehr Kühlfläche im relevanten Bereich hinter dem Verdichterrad und dem Turbinenläufer vorhanden ist. Darüber hinaus wird aufgrund des hinzu gewonnenen Bauraums der Einsatz von stabileren Kernen für das gegossene Lagergehäuse ermöglicht.
In einer vorteilhaften Ausführungsvariante ist vorgesehen, dass der Schubring eine Schubfläche zur Aufnahme der axialen Kraft in Schubrichtung aufweist, die derart an der Lagerung anliegt, dass axiale Kräfte in Richtung des Verdichterrads von der Lagerung aufgenommen werden. Außerdem umfasst der Schubring eine Gegenschubfläche zur Aufnahme der axialen Kraft in Gegenschubrichtung, die derart an der Lagerung anliegt, dass axiale Kräfte in Richtung der Turbine von der Lagerung aufgenommen werden. Aufgrund dieser Anordnung wandert das Hauptschublager in Richtung Verdichterrad. Dadurch wird die Steifigkeit der Welle erhöht, da einerseits die Wellenschulter weiter in Richtung Verdichterrad verschoben werden kann und somit ein längerer Abschnitt der Welle den großen Durchmesser der Schulter aufweist. Andererseits kann die Anzahl der Kleinteile des Rotors reduziert werden und die verbliebenen Kleinteile können in der Längserstreckung kürzer ausgebildet werden. Außerdem besteht die Möglichkeit, die Keilflächen der Lagerung, vor allem hinsichtlich der Gegenschubfläche des Schublagers, in die Rotorkomponenten bzw. den Schubring zu integrieren. Die Keilflächen verschleißen üblicherweise, weshalb es zusätzlich Vorteile für einen Servicefall mit sich bringt, da die Verschleißteile an einer kostengünstigeren Komponente des Abgasturboladers angeordnet ist.
In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vorgesehen, dass die Lagerung aus einem Lagergehäuse und einem Lagerkörper eines Stators ausgebildet ist. Vorteilhaft daran ist, dass durch die geringere Teileanzahl der Rotorkleinteile das Anzugsmoment besser bestimmt werden kann und eine geringere Streubreite in der Auslegung der Komponenten des Abgasturboladers anzusetzen ist.
Vorzugsweise ist der Abgasturbolader derart ausgebildet, dass in den Lagerkörper ein Schublager integriert ist, das mit dem Schubring in Kontakt steht und zur Aufnahme axialer Kräfte in Richtung des Verdichterrads ausgebildet ist. Durch das integrierte Schublager weist das Lagergehäuse eine kompaktere radiale Erstreckung auf als die vorherige Kombination aus einem Lagerkörper und einem Schublager, beispielsweise hinsichtlich der Verbindungselemente oder einer nötigen Restwandstärke. Dadurch reduziert sich im Innenbereich des Abgasturboladers das Bauteilgewicht, bei erhöhter Steifigkeit.
Ferner ist eine Ausführung günstig, bei der der Schubring mit der Gegenschubfläche an dem Lagergehäuse zur Aufnahme der axialen Kräfte in Richtung der Turbine anliegt. Auf diese Weise ist ein Gegenschublager in das Lagergehäuse integriert. Die Funktion des Gegenschublagers kann optimal am Stator bzw. Lagergehäuse als zusätzliches Bauteil ausgeführt werden. Exemplarisch ist hierbei eine Nutmutter mit einem Gewinde an einem Außendurchmesser und Nuten an einem Innendurchmesser denkbar. Dabei können die Nuten sowohl zur Ölschmierung als auch zur Demontage dienen. Auf einer Flanke der Nutmutter können ferner die Keilprofile der Lagerung angeordnet werden.
In einer weiteren vorteilhaften Variante ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass zwischen dem Schubring und dem Lagergehäuse ein weiteres Bauteil zur Kraftübertragung angeordnet ist. Dadurch ist die Keilfläche der Lagerung in Gegenschubrichtung an einem Laufring oder einem zusätzlichen Gehäusebauteil angeordnet. Entsprechend der Materialeigenschaften des Bauteils optimiert das weitere Bauteil die Eigenschaften der Lagerung hinsichtlich eines Reibkoeffizienten und dem Verschleiß.
Der erfindungsgemäße Abgasturbolader ist in einer Ausführungsvariante ausgebildet, dass der Schubring kraftschlüssig an der Welle angeordnet ist und mit einem Teil der Gegenschubfläche an einer Wellenschulter anliegt. Auf diese Weise ist der Schubring gegen eine axiale Positionsveränderung hinsichtlich der Welle gesichert.
In einer anderen Ausführung des vorliegenden Turboladers ist ferner vorgesehen, dass die Lagerung Bohrungen, Kanäle und einen Ölverteiler zur Versorgung der Lagerung mit Schmiermittel aufweist. Dabei ist günstig, dass die Axiallager und die Radiallager mittels der Bohrungen, umlaufenden Kanälen und dem Ölverteiler mit Schmieröl versorgt werden können.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung verjüngt sich die Querschnittsfläche der Bohrungen, Kanäle und/oder des Ölverteilers von dem ÖIverteiler an einem Lagergehäuse bis zu dem Lagerkörper stetig. Dadurch werden die Druckverluste des Ölverteilersystems möglichst gering gehalten. Außerdem kann durch die geringe radiale Erstreckung des Lagerkörpers der benötigte Bauraum für den Ölverteiler reduziert werden. Ferner werden durch die kompakte Bauweise die längenbedingten Druckverluste des Verteilersystems reduziert.
Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet bzw. werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführung der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigen:

1 eine Schnittansicht eines Abgasturboladers mit einem Verdichterrad, einer Turbine und einer Welle, die das Verdichterrad und die Turbine rotierbar miteinander verbindet.

In 1 ist eine Schnittansicht eines Abgasturboladers 1 mit einem Verdichterrad 2, einer Turbine 3 und einer Welle 4, die das Verdichterrad 2 und die Turbine 3 rotierbar miteinander verbindet, dargestellt. An der Welle 4 ist ein Schubring 6, vorzugsweise ein einstückiger Schubring 6, angeordnet, der die Welle 4 mittelbar mit der Lagerung 5 verbindet und zur Übertragung der auf die Welle 4 wirkenden axialen Kräfte sowohl in einer Schubrichtung S als auch in der zur Schubrichtung entgegengesetzten Gegenschubrichtung GS ausgebildet ist. Der Schubring 6 ist hohlzylindrisch und kraftschlüssig an der Welle 4 angeordnet. Ferner erstreckt sich der Schubring 6 an einem zu der Turbine 3 weisenden Ende in einem rechten Winkel derart nach außen, dass die Schnittansicht L-förmig ist. Durch diese Erstreckung weist der Schubring 6 eine Schubfläche 7 und eine Gegenschubfläche 14 auf. Die Schubfläche 7 liegt zur Aufnahme der axialen Kraft in Schubrichtung S derart an der Lagerung 5 an, dass axiale Kräfte in Richtung des Verdichterrads 2 von der Lagerung 5 aufgenommen werden. Dagegen liegt die Gegenschubfläche 14 zur Aufnahme der axialen Kraft in Gegenschubrichtung GS derart an der Lagerung 5 an, dass axiale Kräfte in Richtung der Turbine 3 von der Lagerung 5 aufgenommen werden. Darüber hinaus liegt der Schubring 6 mit einem Teil der Gegenschubfläche 14 an einer Wellenschulter 11 an. Der Durchmesser der Welle 4 von der Wellenschulter 11 in Richtung der Turbine 3 weist einen größeren Durchmesser auf, als Durchmesser der Welle 4 von der Wellenschulter 11 in Richtung des Verdichterrads 2.
Desweiteren ist die Lagerung 5 aus einem Lagergehäuse 8 und einem Lagerkörper 9 eines Stators 10 des Abgasturboladers 1 ausgebildet. In den Lagerkörper 9 ist ein Schublager integriert, das mit der Schubfläche 7 des Schubrings 6 in Kontakt steht und zur Aufnahme axialer Kräfte in Richtung des Verdichterrads 2 ausgebildet ist. Innerhalb des Lagergehäuses 8 ist ein Bereich 15 ausgebildet, in dem Wasser oder Öl für die Schmierung des Abgasturboladers vorgesehen ist. Ferner weist das Lagergehäuse 8 eine Aussparung auf, an der der Schubring 6 mit der Gegenschubfläche 14 zur Aufnahme der axialen Kräfte in Richtung der Turbine 3 anliegt. An dieser Aussparung ist in dem Lagergehäuse 8 eine Durchgangsöffnung angeordnet, die zum Abführen des Wassers bzw. des Öls für die Schmierung zu einem Ölablauf 16 ausgebildet ist.
Ferner umfasst die Lagerung 5 Bohrungen, Kanäle und einen Ölverteiler zur Versorgung der Lagerung 5 mit Schmiermittel. Dabei verjüngt sich die Querschnittsfläche der Bohrungen, Kanäle und des Ölverteilers von dem Ölverteiler am Lagergehäuse 8 bis zu dem Lagerkörper 9 hin stetig.

Claims

Abgasturbolader (1) mit einem Verdichterrad (2), einer Turbine (3) und einer Welle (4), die das Verdichterrad (2) und die Turbine (3) rotierbar miteinander verbindet, wobei die Welle (4) mittels einer Lagerung (5) zur Aufnahme von axialen Kräften gelagert ist, wobei an der Welle (4) ein einstückiger Schubring (6) angeordnet ist, der die Welle (4) mittelbar mit der Lagerung (5) verbindet und zur Übertragung der auf die Welle (4) wirkenden axialen Kräfte sowohl in einer Schubrichtung (S) als auch in der zur Schubrichtung entgegengesetzten Gegenschubrichtung (GS) ausgebildet ist.
Abgasturbolader (1) gemäß Anspruch 1, wobei der Schubring (6) eine Schubfläche (7) zur Aufnahme der axialen Kraft in Schubrichtung, die derart an der Lagerung (5) anliegt, dass axiale Kräfte in Richtung des Verdichterrads (2) von der Lagerung (5) aufgenommen werden, und eine Gegenschubfläche (14) zur Aufnahme der axialen Kraft in Gegenschubrichtung, die derart an der Lagerung (5) anliegt, dass axiale Kräfte in Richtung der Turbine (3) von der Lagerung (5) aufgenommen werden, aufweist.
Abgasturbolader (1) gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Lagerung (5) aus einem Lagergehäuse (8) und einem Lagerkörper (9) eines Stators (10) ausgebildet ist.
Abgasturbolader (1) gemäß Anspruch 3, wobei in den Lagerkörper (9) ein Schublager integriert ist, wobei das Schublager mit der Schubfläche (7) des Schubrings (6) in Kontakt steht und zur Aufnahme axialer Kräfte in Richtung des Verdichterrads (2) ausgebildet ist.
Abgasturbolader (1) gemäß Anspruch 3 oder 4 wobei, wobei der Schubring (6) mit der Gegenschubfläche (14) an dem Lagergehäuse (8) zur Aufnahme der axialen Kräfte in Richtung der Turbine (3) anliegt.
Abgasturbolader (1) gemäß Anspruch 5, wobei zwischen dem Schubring (6) und dem Lagergehäuse (8) ein weiteres Bauteil zur Kraftübertragung angeordnet ist.
Abgasturbolader (1) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Schubring (6) kraftschlüssig an der Welle (4) angeordnet ist und mit einem Teil der Gegenschubfläche (14) an einer Wellenschulter (11) anliegt.
Abgasturbolader (1) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Lagerung (5) Bohrungen, Kanäle und einen Ölverteiler zur Versorgung der Lagerung mit Schmiermittel aufweist.
Abgasturbolader (1) gemäß Anspruch 8, wobei sich die Querschnittsfläche der Bohrungen, Kanäle und/oder des Ölverteilers von dem Ölverteiler am Lagergehäuse (8) bis zu dem Lagerkörper (9) stetig verjüngt.