DE102022105348A1

DE102022105348A1 - Abgasturboladerfixierung

Info

Publication number: DE102022105348A1
Application number: DE102022105348.2A
Authority: DE
Inventors: Christoph Altvater
Original assignee: AVL Schrick GmbH
Current assignee: AVL Schrick GmbH
Priority date: 2022-03-08
Filing date: 2022-03-08
Publication date: 2023-09-14

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Abgasturbolader (1) mit einer Abgasturbine (2) mit einem einen Turbineneintritt (4) und einen Turbinenaustritt (5) bildenden Turbinengehäuse (3) und einem Lagergehäuse (6), in welchem ein Turbinenlaufrad (7) drehbar um eine Drehachse (7a) gelagert ist, wobei die Abgasturbine (2) im Bereich zwischen dem Turbineneintritt (4) und dem Turbinenlaufrad (7) eine Leitschaufeleinheit (10) mit einem Schaufelträger (11) mit über einen Aktuatorring (14) jeweils um eine Schwenkachse (12a) verstellbaren Leitschaufeln (12) aufweist, und wobei die Leitschaufeleinheit (10) über zumindest ein Federelement (15) in eine definierte axiale Position vorgespannt ist.Um den Montage- und Herstellungsaufwand zu reduzieren ist vorgesehen, dass das Federelement (15) - vorzugsweise in einem der Drehachse (7a) zugewandten inneren Bereich (151) - mit dem Schaufelträger (11) formschlüssig verbunden ist

Description

Die Erfindung betrifft einen Abgasturbolader mit einer Abgasturbine mit einem einen Turbineneintritt und einen Turbinenaustritt bildenden Turbinengehäuse und einem Lagergehäuse, in welchem ein Turbinenlaufrad drehbar um eine Drehachse gelagert ist, wobei die Abgasturbine im Bereich zwischen dem Turbineneintritt und dem Turbinenlaufrad eine Leitschaufeleinheit mit einem Schaufelträger mit vorzugsweise über einen Aktuatorring jeweils um eine Schwenkachse verstellbaren Leitschaufeln aufweist, und wobei die Leitschaufeleinheit über zumindest ein Federelement in eine definierte axiale Position vorgespannt ist.
Federelemente werden bei derartigen Abgasturboladern eingesetzt, um eine axiale Vorspannkraft auf den Schaufelträger auszuüben und diesen in einer definierten axialen Position zu halten. Aus den Druckschriften DE 102008057877 A1 , WO 2007046798 A1 , sind laufradnahe Anordnungen der Federelemente bekannt. Laufradnah angeordnete Federelemente sind aber hohen thermischen Belastungen ausgesetzt.
Um die thermische Belastungen der Federelemente zu verringern, ist es aus der WO 2016002544 A1 oder der EP 1672177 A1 bekannt, Hitzeschilde zwischen Federelement und Laufrad einzusetzen.
Aus der EP 0160460 B1 ist ein Abgasturbolader bekannt, bei der das Federelement durch einen außerhalb eines maximalen Außendurchmessers des Turbinenlaufrades auf einer dem Turbinenaustritt abgewandten Seite des Schaufelträgers angeordneten Federring gebildet ist. Durch die turbinenradferne Positionierung ist eine separate Wärmedämmung nicht erforderlich. Ähnliche Anordnungen sind aus den Veröffentlichungen WO 2004099573 A1 , EP 1662094 A2 , EP 2208863 A1 , EP 226444 A2 , EP 2348195 A2 , EP 24275 A1 , US 5207565 A , WO 2009092636 A2 , WO 2013072727 A1 oder WO 9841737 A1 bekannt.
Auch bei der EP 2233718 A1 wird der Schaufelträger durch ein turbinenfern angeordnetes Federelement in einer definierten axialen Position gehalten. Das Federelement ist in einem durch Schaufelträger, Lagergehäuse und Turbinengehäuse begrenzten Raum angeordnet, wobei in dem Raum ein Aktuatorring zur Betätigung der Leitschaufeln zwischen dem Federelement und dem Turbineneintritt angeordnet ist.
Die bekannten Anordnungen weisen einen relativ hohen Montageaufwand auf.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Abgasturbolader mit geringem Montage- und Fertigungsaufwand bereitzustellen.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei einem Abgasturbolader der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass der Federelement - vorzugsweise in einem der Drehachse zugewandten inneren Bereich - mit dem Schaufelträger - formschlüssig verbunden ist.
Durch die formschlüssige Verbindung kann das Federelement mit dem Schaufelträger vormontiert werden und die Leitschaufeleinheit samt Federelement mit dem Turbinengehäuse und dem Lagergehäuse montiert werden. Dadurch kann der Montageaufwand und die Montagezeit reduziert werden.
Günstiger Weise ist das Federelement durch einen Federring oder ein Federringsegment gebildet, wobei der Federring oder das Federringsegment einen inneren Durchmesser und einen äußeren Durchmesser aufweist, und wobei vorzugsweise das Federelement koaxial zur Drehachse des Laufrades der Abgasturbine angeordnet ist.
Vorzugsweise erfolgt die Verbindung zwischen Federelement und Schaufelträger über einen in Richtung der Drehachse wirkenden Formschluss, wobei das Federelement in Umfangsrichtung in Bezug auf den Schaufelträger zumindest innerhalb eines definierten Winkelbereichs verdrehbar ist. Dies wird insbesondere ermöglicht, wenn der Schaufelträger zumindest ein Tragelement mit zumindest einer Aufnahmenut zur Aufnahme des Federelementes aufweist. Das Federelement kann in der Aufnahmenut in Umfangsrichtung innerhalb des definierten Winkelbereichs verschoben werden.
Eine Ausführungsvariante der Erfindung sieht vor, dass die Verbindung zwischen Federelement und Schaufelträger in der Art eines Bajonettverschluss ausgebildet ist. Um die bajonettartige Anbindung an den Schaufelträger zu ermöglichen ist es vorteilhaft, wenn das Federelement zumindest in einem Ringsegmentbereich eine Ausnehmung aufweist, wobei die Ausnehmung mindestens einem axialen Überdeckungsbereich mit dem Tragelement entspricht.
In einer Ausführungsvariante der Erfindung ist vorgesehen, dass das Federelement als Verliersicherung für zumindest eine Führungsrolle des Aktuatorringes ausgebildet ist, wobei vorzugsweise das Federelement in axialer Richtung die Führungsrolle zumindest teilweise überdeckt.
Um die thermische Belastung des Federelementes zu verringern ist es vorteilhaft, wenn das Federelement außerhalb eines maximalen Außendurchmessers des Turbinenlaufrades - vorzugsweise auf einer dem Turbinenaustritt abgewandten Seite des Schaufelträgers - angeordnet ist. Günstigerweise ist der innere Durchmesser des das Federelement bildenden Federringes kleiner als ein maximaler Durchmesser des Schaufelträgers. Vorzugsweise ist der der innere Durchmesser des Federringes kleiner oder gleich einem Durchmesser eines Schwenkachsenkreises, auf welchem die Schwenkachsen der Leitschaufeln um die Drehachse angeordnet sind. Insbesondere ist der innere Durchmesser des Federringes größer ist als ein minimaler Durchmesser des Schaufelträgers und der äußere Durchmesser des Federringes größer ist als der maximale Durchmesser des Schaufelträgers. Dadurch kann der Wärmeeintrag in den Federring und dessen thermische Belastung minimiert werden.
Im Rahmen der Erfindung ist vorgesehen, dass das Federelement in einem durch den Schaufelträger, das Lagergehäuse und/oder das Turbinengehäuse begrenzten Raum angeordnet ist. Um Bauraum zu sparen und auch die thermische Belastung auf den Federring so klein wie möglich zu halten ist es vorteilhaft, wenn das Federelement in einem durch den Schaufelträger, das Lagergehäuse und/oder das Turbinengehäuse begrenzten Raum angeordnet ist.
Eine Ausführungsvariante der Erfindung sieht vor, dass die Leitschaufeleinheit durch das Federelement in Richtung des Lagergehäuses vorgespannt ist. Vorteilhafterweise ist dabei das Federelement - vorzugsweise in einem der Drehachse abgewandten äußeren Bereich - zwischen dem Turbinengehäuse und dem Lagergehäuse so eingeklemmt, dass über das Federelement auf die Leitschaufeleinheit eine axial in Richtung des Lagergehäuses wirkende Vorspannkraft einwirkt und die Leitschaufeleinheit gegen das Lagergehäuse presst.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines in den Figuren gezeigten nicht einschränkenden Ausführungsbeispiels näher erläutert. Darin zeigen:

1 einen erfindungsgemäße Abgasturbolader in einem Längsschnitt durch die Abgasturbine,
2 das Detail II aus 1,
3 die Leitschaufeleinheit in einer weiteren axonometrischen Darstellung,
4 die Leitschaufeleinheit in einer Draufsicht,
5 die Leitschaufeleinheit in einer weiteren axonometrischen Darstellung und
6 die Leitschaufeleinheit in einer Seitenansicht.

Der in den Figuren gezeigte Abgasturbolader 1 weist einen nicht weiter dargestellten Verdichter und eine Abgasturbine 2 auf. Die Abgasturbine 2 weist ein Turbinengehäuse 3 auf, welches einen Turbineneintritt 4 und einen Turbinenaustritt 5 bildet. In einem mit dem Turbinengehäuse 3 verbundenen Lagergehäuse 6 ist ein Turbinenlaufrad 7 um eine Drehachse 7a drehbar gelagert.
Im Bereich zwischen dem Turbineneintrittes 4 und dem Turbinenlaufrad 7 ist eine Leitschaufeleinheit 10 angeordnet, welche einen Schaufelträger 11 mit um jeweils eine Schwenkachse 12a zwischen einer Öffnungsstellung und einer Schließstellung verstellbare Leitschaufeln 12 aufweist. Die dem Turbinenaustritt 5 abgewandte erste Seite der Leitschaufeleinheit ist mit 10a und die dem Turbinenaustritt 5 zugewandte zweite Seite mit 10b bezeichnet.
Der Schaufelträger 11 weist einen minimalen Durchmesser d_11min und einen maximalen Durchmesser D_11max auf. Die Leitschaufeln 12 sind auf einem konzentrisch zur Drehachse 7a des Laufrades 7 ausgebildeten Schwenkachsenkreis 13 (4) schwenkbar in dem Schaufelträger 11 gelagert und über einen drehbar gelagerten Aktuatorring 14 verstellbar. Die Leitschaufeleinheit 10 ist über ein als Federring 150 ausgebildetes Federelement 15 in eine definierte axiale Position - im Ausführungsbeispiel in Richtung des Lagergehäuses 6 - vorgespannt, wobei der Federring 150 in einem der Drehachse 7a des Turbinenlaufrades 7 zugewandten inneren Bereich 151 mit dem Schaufelträger 11 formschlüssig verbunden ist.
Der Federring 150 ist in einem durch den Schaufelträger 11, das Lagergehäuse 6 und/oder das Turbinengehäuse 3 begrenzten Raum 8 angeordnet und in einem der Drehachse 7a des Turbinenlaufrades 7 abgewandten äußeren Bereich 152 des Federringes 150 zwischen dem Turbinengehäuse 3 und dem Lagergehäuse 6 eingeklemmt. In diesem Raum 8 ist zwischen dem Federelement 150 und dem Turbineneintritt 4 auch der Aktuatorring 14 zur Betätigung der Leitschaufeln 12 angeordnet.
Der Federring 150 weist einen minimalen inneren Durchmesser D_150min und einen maximalen äußeren Durchmesser D_150max auf und ist koaxial zur Drehachse 7a des Turbinenlaufrades 7 der Abgasturbine 2 angeordnet.
Das Federelement 150 ist außerhalb des maximalen Außendurchmessers D₇ des Turbinenlaufrades 7 auf der dem Turbinenaustritt 5 abgewandten erste Seite 10a des Schaufelträgers 11 angeordnet.
Der innere Durchmesser D_150min des Federringes 150 ist kleiner als der maximale äußere Durchmesser D_11max des Schaufelträgers 11 und ist kleiner oder gleich dem Durchmesser D_13n des Schwenkachsenkreises 13, auf welchem die Schwenkachsen 12a der Leitschaufeln 12 um die Drehachse 7a des Turbinenlaufrades 7 angeordnet sind.
Der innere Durchmesser D_150min des Federringes 150 ist größer als der minimale Durchmesser D_11min des Schaufelträgers 11. Der maximale äußere Durchmesser D_150max des Federringes 150 ist größer ist als der maximale Durchmesser D_11max des Schaufelträgers 11.
Die Verbindung zwischen Federelement 15 und Schaufelträger 11 erfolgt über ein in Richtung der Drehachse des Turbinenlaufrades 7a wirkende Formschlussverbindung 16, welche so ausgebildet ist, dass das Federelement 15 in Umfangsrichtung in Bezug auf den Schaufelträger 11 zumindest innerhalb eines definierten Winkelbereichs verdreht werden kann. Der Schaufelträger 11 weist dabei zumindest ein fußartiges Tragelement 17 für das Federelement 15 auf. In jedes Tragelement 17 ist eine ringsegmentförmige Aufnahmenut 18 konzentrisch zur Drehachse 7a der Drehachse 7a des Turbinenlaufrades 7 eingeformt. Die Aufnahmenut 18 dient zur Aufnahme des inneren Bereiches 151 des Federringes 150. Der Federring 150 wird von der Aufnahmenut 18 in Richtung der Drehachse 7a des Turbinenlaufrades 7 formschlüssig gehalten. Zwischen der Aufnahmenut 18 und dem Federring 150 ist eine Spielpassung vorgesehen, welche ein Verdrehen des Federringes 150 in Umfangsrichtung um die Drehachse 7a innerhalb eines definierten Winkelbereiches erlaubt.
Um eine einfache die Montage und Demontage des Federringes 150 an der Leitschaufeleinheit 10 zu ermöglichen, ist die Verbindung zwischen Federelement 15 und Schaufelträger 11 in der Art eines Bajonettverschlusses ausgebildet. Der Federring 150 weist zumindest in einem Ringsegmentbereich 153 eine Ausnehmung 154 auf, wobei die Ausnehmung 153 mindestens einem axialen Überdeckungsbereich mit dem Tragelement 17 entspricht.
Zur Montage des Federringes 150 wird dieser auf die erste Seite 10a der Leitschaufeleinheit 10 mit der Ausnehmung 154 des Federringes 150 über das Tragelement 17 aufgelegt und das Tragelement 17 axial durch die Ausnehmung 154 geführt. Danach wird der Federring 150 in Umfangsrichtung verdreht und in die Aufnahmenut 18 eingeschoben, bis die Ausnehmung 154 außerhalb der Aufnahmenut 18 zu liegen kommt (siehe 3, 5). Somit ist die Bajonettverbindung zwischen dem Federring 150 und dem Schaufelträger 11 geschlossen und der Federring 150 in Richtung der Drehachse 7a des Turbinenlaufrades 7 formschlüssig mit der Leitschaufeleinheit 10 verbunden. Um den Federring 150 gegen unbeabsichtigtes Verdrehen zu sichern ist zumindest eine als Bolzen oder Schraube ausgebildete Verdrehsicherung 20 im Bereich zumindest eines Tragelementes 17 vorgesehen.
Die Demontage erfolgt entsprechend in umgekehrter Reihenfolge.
Wie insbesondere aus den 4 und 6 ersichtlich ist, kann das Federelement 150 als Verliersicherung für die Führungsrollen 19 des Aktuatorringes 14 ausgebildet sein. Dabei überdeckt der Federring 150 in axialer Richtung die Führungsrollen 19 zumindest teilweise.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102008057877 A1 [0002]
WO 2007046798 A1 [0002]
WO 2016002544 A1 [0003]
EP 1672177 A1 [0003]
EP 0160460 B1 [0004]
WO 2004099573 A1 [0004]
EP 1662094 A2 [0004]
EP 2208863 A1 [0004]
EP 226444 A2 [0004]
EP 2348195 A2 [0004]
EP 24275 A1 [0004]
US 5207565 A [0004]
WO 2009092636 A2 [0004]
WO 2013072727 A1 [0004]
WO 9841737 A1 [0004]
EP 2233718 A1 [0005]

Claims

Abgasturbolader (1) mit einer Abgasturbine (2) mit einem einen Turbineneintritt (4) und einen Turbinenaustritt (5) bildenden Turbinengehäuse (3) und einem Lagergehäuse (6), in welchem ein Turbinenlaufrad (7) drehbar um eine Drehachse (7a) gelagert ist, wobei die Abgasturbine (2) im Bereich zwischen dem Turbineneintritt (4) und dem Turbinenlaufrad (7) eine Leitschaufeleinheit (10) mit einem Schaufelträger (11) mit über einen Aktuatorring (14) jeweils um eine Schwenkachse (12a) verstellbaren Leitschaufeln (12) aufweist, und wobei die Leitschaufeleinheit (10) über zumindest ein Federelement (15) in eine definierte axiale Position vorgespannt ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement (15) - vorzugsweise in einem der Drehachse (7a) zugewandten inneren Bereich (151) - mit dem Schaufelträger (11) formschlüssig verbunden ist.
Abgasturbolader (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement (15) durch einen Federring (150) oder ein Federringsegment gebildet ist, wobei der Federring (150) oder das Federringsegment einen minimalen inneren Durchmesser (D_150min) und einen maximalen äußeren Durchmesser (D_150max) aufweist, und wobei vorzugsweise das Federelement (15) koaxial zur Drehachse (7a) des Turbinenlaufrades (7) der Abgasturbine (2) angeordnet ist.
Abgasturbolader (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung zwischen Federelement (15) und dem Schaufelträger (11) über eine in Richtung der Drehachse (7a wirkende Formschlussverbindung (16) erfolgt, wobei das Federelement (15) in Umfangsrichtung in Bezug auf den Schaufelträger (11) zumindest innerhalb eines definierten Winkelbereichs verdrehbar ist.
Abgasturbolader (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Formschlussverbindung in der Art eines Bajonettverschlusses ausgebildet ist.
Abgasturbolader (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaufelträger (11) zumindest ein Tragelement (17) mit zumindest einer Aufnahmenut (18) zur Aufnahme des Federelementes (15) aufweist.
Abgasturbolader (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement (15) zumindest in einem Ringsegmentbereich (153) eine Ausnehmung (154) aufweist, wobei die Ausnehmung (154) mindestens einem axialen Überdeckungsbereich mit dem Tragelement (17) entspricht.
Abgasturbolader (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement (15) als Verliersicherung für zumindest eine Führungsrolle (19) für den Aktuatorring (14) zur Betätigung der leitschaufeln (12) ausgebildet ist, wobei vorzugsweise das Federelement (15) in axialer Richtung die Führungsrolle (19) zumindest teilweise überdeckt.
Abgasturbolader (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement (15) außerhalb eines maximalen Außendurchmessers (D₇) des Turbinenlaufrades (7) - vorzugsweise auf einer dem Turbinenaustritt (5) abgewandten erste Seite (10a) der Leitschaufeleinheit (10) - angeordnet ist.
Abgasturbolader (1) nach Anspruch 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der minimale innere Durchmesser (D_150min) des Federringes (150) kleiner ist als ein maximaler Durchmesser (D_11max) des Schaufelträgers (11), vorzugsweise kleiner oder gleich ist einem Durchmesser (D₁₃) eines Schwenkachsenkreises (13), auf welchem die Schwenkachsen (12a) der Leitschaufeln (12) um die Drehachse (7a) angeordnet sind.
Abgasturbolader (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der minimale innere Durchmesser (D_150min) des Federringes (150) größer ist als ein minimaler Durchmesser (D_11min) des Schaufelträgers.
Abgasturbolader (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der maximale äußere Durchmesser (D_150max) des Federringes (150) größer ist als der maximale Durchmesser (D_11max) des Schaufelträgers (11).
Abgasturbolader (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement (15) in einem durch den Schaufelträger (11), das Lagergehäuse (6) und/oder das Turbinengehäuse (3) begrenzten Raum (8) angeordnet ist.
Abgasturbolader (1) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuatorring (14) zur Betätigung der Leitschaufeln (12) in dem Raum (8) zwischen dem Federelement (15) und dem Turbineneintritt (4) angeordnet ist.
Abgasturbolader (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitschaufeleinheit (10) durch das Federelement (15) in Richtung des Lagergehäuses (6) vorgespannt ist.
Abgasturbolader (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement (15) - vorzugsweise in einem der Drehachse (7a) abgewandten äußeren Bereich (152) - zwischen dem Turbinengehäuse (3) und dem Lagergehäuse (6) eingeklemmt ist.