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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Ölsteuervorrichtung,
die insbesondere für einen Einbau in eine sich drehende
Maschine geeignet ist. Insbesondere aber nicht ausschließlich
bezieht sich die Erfindung auf eine Ölsteuervorrichtung
für einen Einbau in das Lagerdichtsystem einer Turbomaschine,
wie zum Beispiel eine Turboladerturbine oder einen Turboladerverdichter,
oder eine Leistungsturbine.
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Turbolader
sind allgemein bekannte Vorrichtungen zum Zuführen von
Luft zu dem Einlass einer Brennkraftmaschine bei Drücken über
dem Atmosphärendruck (Ladedrücke). Ein herkömmlicher
Turbolader hat im Wesentlichen ein durch Abgas angetriebenes Turbinenrad,
das an einer drehbaren Welle innerhalb eines Turbinengehäuses
angebracht ist, das stromabwärts von einem Kraftmaschinenauslasskrümmer
angeschlossen ist. Eine Drehung des Turbinenrads dreht ein Verdichterrad,
das an dem anderen Ende der Welle innerhalb eines Verdichtergehäuses
angebracht ist. Das Verdichterrad liefert verdichtete Luft zu dem
Kraftmaschineneinlasskrümmer.
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Die
Turboladerwelle ist herkömmlicherweise durch Radial- und
Axiallager gestützt, die geeignete Schmiersysteme beinhalten,
die sich innerhalb eines mittleren Lagergehäuses befinden,
das zwischen dem Turbinenradgehäuse und dem Verdichterradgehäuse
angeschlossen ist.
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Bei
einem herkömmlichen Turbolader-Design tritt die Turboladerwelle
aus dem Lagergehäuse zu dem Verdichtergehäuse
durch einen geeigneten Kanal in einer Verdichtergehäuserückplatte
oder einer Öldichtplatte hindurch, wobei eine sich angrenzend
an der Platte befindliche Lagerbaugruppe innerhalb des Lagergehäuses
ist. Schmieröl wird der Axiallagerbaugruppe zugeführt,
das in das Verdichtergehäuse eindringen kann. Um dies zu
bekämpfen, wird herkömmlicherweise in derartigen
Lagerbaugruppen eine Dichtbaugruppe einschließlich einer Ölsteuervorrichtung
(häufig als ein „Ölschleuderring” bezeichnet)
eingebaut. Ein üblicher Ölschleuderring ist eine ringartige
Komponente, die sich mit der Welle dreht und eine Anzahl an sich
radial erstreckenden Kanälen aufweist, die wirksam als
Flügel dienen, um das Öl von der Welle weg und
insbesondere von dem Kanal weg aus dem Lagergehäuse in
das Verdichtergehäuse zu schleudern. Eine ringartige Schwallkammer,
die sich um das Axiallager und die Dichtbaugruppe herum befindet,
sammelt das Öl für eine Rückführung
innerhalb des Schmiersystems. Die Schwallkammer kann mit Auslasskanälen
versehen sein, um das Öl zu einem Sumpf auszulassen.
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In ähnlicher
Weise tritt bei dem Turbinenende des Turboladers die Turboladerwelle üblicherweise
durch eine Öffnung in einer Gehäusewand hindurch
und ist mit einer Lagerbaugruppe und einer Öldichtbaugruppe
versehen. Zum Beispiel ist bei einer bekannten Anordnung das Turboladerturbinenrad
an eine Dichtnabe geschweißt, die an dem Ende der Turboladerwelle
definiert ist, wobei die Dichtnabe einen größeren
Durchmesser als die Welle hat und sich innerhalb eines ringartigen
Kanals durch eine Gehäusewand dreht, die das Lagergehäuse
von dem Turbinengehäuse trennt. Öldichtanordnungen,
die üblicherweise einen oder mehrere Dichtringe aufweisen,
können sich in dem ringartigen Spalt befinden, der die
Dichtnabe umgibt, und zwar innerhalb des Kanals, der für
eine Labyrinthdichtung in der Art und Weise von herkömmlichen
Kolbenringen sorgt.
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Eine
Leistungsturbine weist außerdem ein abgasgetriebenes Turbinenrad
auf, das an einer Welle angebracht ist, aber in diesem Fall ist
das andere Ende der Welle nicht mit einem Verdichter verbunden.
Zum Beispiel sind bei einer Turboverbundkraftmaschine zwei Turbinen
in Reihe vorgesehen, die jeweils durch die Abgase der Kraftmaschine
angetrieben werden. Eine der Turbinen treibt einen Verdichter an,
um mit Druck beaufschlagte Luft zu der Kraftmaschine zu liefern
(d. h. sie ist in einem Turbolader enthalten), und die andere Turbine,
die als Leistungsturbine bezeichnet wird, wird zum Erzeugen einer
zusätzlichen Leistung verwendet, die über eine
mechanische Verbindung übertragen wird. Zum Beispiel kann
bei einer Leistungsturbine ein Zahnrad an dem Ende der Welle befestigt
sein, das von der Turbine entfernt ist, und es kann zum Übertragen
von Leistung zu der Kraftmaschinenkurbelwelle über eine
geeignete Kupplung wie zum Beispiel eine Fluidkupplung oder einen
anderen Antriebsmechanismus verwendet werden. Alternativ kann die
Leistung durch ein anderes Mittel übertragen werden, zum
Beispiel hydraulisch oder elektrisch. Eine derartige Leistungsturbine
hat wiederum eine Welle, die an sich innerhalb eines Lagergehäuses
befindlichen Lagern angebracht ist und von dem Lagergehäuse
zu dem Turbinengehäuse durch eine abgedichtete Öffnung
in einer Gehäusewand hindurch tritt. Die Anbringungsanordnung
des Turbinenrads sowie des Lagers und der Dichtanordnung können
im Wesentlichen gleich sein, wie sie bei einem Turbolader vorgefunden
werden.
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Es
ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Probleme eines Öllecks
bei einer sich drehenden Maschine zu vermeiden oder abzuschwächen,
die eine sich drehende Welle aufweist, welche durch eine Wand hindurch
tritt.
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Gemäß einem
ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Ölsteuervorrichtung
zum Unterbinden der Ölströmung entlang einer Welle
vorgesehen, die sich um eine Achse dreht, wobei die Ölsteuervorrichtung
einen ringartigen Körper für eine Drehung mit
der Welle, der eine erste Seite, die sich im Allgemeinen radial
von der Achse erstreckt, und eine zweite radial äußere
Umfangsfläche hat, die sich im Allgemeinen axial erstreckt,
und eine Ölschleudernut aufweist, die sich in den Körper
erstreckt und eine Mündung hat, die zwischen einem ersten
sich in Umfangsrichtung erstreckenden Rand und einem zweiten sich
in Umfangsrichtung erstreckenden Rand definiert ist, wobei der zweite
Rand sowohl radial als auch axial von dem ersten Rand beabstandet
ist, die Nut zumindest teilweise durch eine Wand definiert ist, die
den ersten Rand in einem spitzen Winkel zu einer radialen Ebene
trifft, und die Nut zumindest teilweise durch eine Wand definiert
ist, die den zweiten Rand in einem spitzen Winkel zu der Richtung
der Achse trifft.
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Der
erste und der zweite Rand erstrecken sich vorzugsweise um den gesamten
Umfang des ringartigen Körpers, so dass die Nut eine ringartige Nut
ist.
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Die
Nut hat vorzugsweise eine Basis, eine erste Seitenwand, die sich
von dem ersten Rand zu der Basis erstreckt, und eine zweite Seitenwand,
die sich von dem zweiten Rand zu der Basis erstreckt. Bei anderen
Ausführungsbeispielen kann die Nut durch eine einzige gekrümmte
Wand definiert sein, die sich in dem Körper von dem jeweiligen
ersten und zweiten Rand erstreckt. Bei derartigen Ausführungsbeispielen
kann der Winkel, der zwischen der Wand und einer radialen Ebene
an dem ersten Rand definiert ist, oder der Winkel, der zwischen
der Wand und einer axialen Richtung an dem zweiten Rand definiert ist,
relativ zu einer Tangente an der gekrümmten Wand in dem
Bereich des jeweiligen Rands gemessen werden.
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Bei
einigen Ausführungsbeispielen kann die Breite der Nut,
die in einer Richtung definiert ist, die im Allgemeinen parallel
zu der Mündung ist, größer als oder gleich
der maximalen Tiefe der Nut sein, die in einer Richtung definiert
ist, die im Allgemeinen senkrecht zu der Mündung ist.
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Bei
einigen Ausführungsbeispielen kann die maximale Breite
der Mündung, die zwischen dem ersten und dem zweiten Rand
definiert ist, größer als oder gleich der maximalen
Tiefe der Nut sein.
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Gemäß einem
zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine sich drehende
Maschine vorgesehen, die eine Welle aufweist, die sich um eine Achse
dreht und sich durch eine Öffnung in einer Wand erstreckt,
und die eine Ölsteuervorrichtung gemäß dem
ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung hat, die sich koaxial mit
der Welle angrenzend an der Öffnung dreht, um Öl
von der Welle zentrifugal weg zu verdrängen, wenn sich
diese dreht, wodurch die Ölströmung zu der Öffnung
reduziert wird. Die zweite Fläche erstreckt sich von der
Nut zu und vorzugsweise in die Öffnung.
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Die
Maschine kann ein Gehäuse haben, das die Wand aufweist
und eine Ölsammelnut definiert, die radial in dem Gehäuse
vertieft ist und eine Öffnung hat, die zumindest teilweise
die Welle umgibt und sich mit der Ölschleudernut der Ölsteuervorrichtung
axial überlappt.
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Eine
Axiallagerbaugruppe kann mit der Welle verknüpft sein,
wobei die Ölsteuervorrichtung für eine Drehung
zwischen der Wand und der Axiallagerbaugruppe angebracht ist. Die
Lagerbaugruppe kann eine sich radial erstreckende Seite definieren,
die angrenzend an der ersten Seite des ringartigen Körpers der Ölsteuervorrichtung
positioniert ist, und der Radius der Radiallagerseite kann größer
sein als der Radius des ersten Rands der Ölschleudernut.
Bei einigen Ausführungsbeispielen kann der Radius der Radiallagerseite
kleiner als oder gleich dem Radius des zweiten Rands der Ölschleudernut
sein.
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Das
Lager liegt an der ersten Seite der Ölsteuervorrichtung
an.
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Die
sich drehende Maschine kann eine Turbomaschine, wie zum Beispiel
eine Turbolader oder eine Leistungsturbine sein, die ein Turbinenrad
aufweist, das an der Welle an der zu der Ölsteuervorrichtung
entgegengesetzten Seite von der Wand angebracht ist.
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Ein
oder mehrere Dichtringe können um die Welle innerhalb der Öffnung
angeordnet sein, um die Welle bezüglich der Öffnung
abzudichten.
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Die
vorliegende Erfindung sieht außerdem eine sich drehende
Maschine vor, die eine Welle aufweist, die sich um eine Achse dreht
und sich durch eine Öffnung in einer Wand erstreckt, wobei
die Welle einen Abschnitt mit vergrößertem Durchmesser
hat, der sich innerhalb der Öffnung dreht und eine erste Seite,
die sich im Allgemeinen radial von der Welle an einer ersten Seite
der Wand erstreckt, und eine zweite äußere Umfangsfläche
aufweist, die sich im Allgemeinen axial zu der Welle und in die Öffnung
erstreckt, wobei sich eine Ölschleudernut in den radial vergrößerten
Abschnitt erstreckt, wobei die Ölschleudernut eine Mündung
hat, die zwischen einem ersten sich in Umfangsrichtung erstreckenden
Rand angrenzend an der ersten Seite und einem zweiten sich in Umfangsrichtung
erstreckenden Rand angrenzend an der zweiten Fläche definiert
ist, wobei der zweite Rand sowohl radial als auch axial von dem
ersten Rand beabstandet ist.
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Der
erste Rand hat vorzugsweise einen kleineren Durchmesser als der
zweite Rand.
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Spezifische
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden
nun anhand eines Beispiels lediglich unter Bezugnahme auf die beigefügten
Zeichnungen beschrieben, wobei:
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1 zeigt
einen Querschnitt durch einen herkömmlichen Turbolader;
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2 zeigt
eine vergrößerte Ansicht des Turbinenendlagers
und von Öldichtbaugruppen des Turboladers gemäß der 1;
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3 stellt
eine Abwandlung des Turbinenrads und der Wellenbaugruppe der 2 gemäß der vorliegenden
Erfindung dar;
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4 zeigt
eine vergrößerte Ansicht eines Teils der Rad-
und Wellenbaugruppe gemäß der 3;
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5 zeigt
eine schematische Darstellung eines alternativen Ausführungsbeispiels
der Erfindung;
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6 stellt
eine Leistungsturbine dar, die bei der vorliegenden Erfindung eingebaut
ist; und
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7 zeigt
eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels
der vorliegenden Erfindung.
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Unter
Bezugnahme auf die 1 und 2 hat der
dargestellte Turbolader eine Turbine 1, die über
ein mittleres Lagergehäuse 3 an einen Verdichter 2 gefügt
ist. Die Turbine 1 hat ein Turbinenrad 4, das
sich innerhalb eines Turbinengehäuses 5 dreht. In Ähnlicher
Weise hat der Verdichter 2 ein Verdichterrad 6,
das sich innerhalb eines Verdichtergehäuses 7 dreht.
Das Turbinenrad 4 und das Verdichterrad 6 sind
an entgegengesetzten Enden einer gemeinsamen Turboladerwelle 8 angebracht,
die sich durch das mittlere Lagergehäuse 3 erstreckt.
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Das
Turbinengehäuse 5 hat einen Abgaseinlassdiffusor 9,
der sich ringartig um das Turbinenrad 4 befindet, und einen
axialen Abgasauslass 10. Das Verdichtergehäuse 7 hat
einen axialen Lufteinlasskanal 11 und einen Verdichterluftauslassdiffusor 12,
der ringartig um das Verdichterrad 6 angeordnet ist. Im Gebrauch
wird das Turbinenrad 4 durch das Hindurchtreten des Abgases
aus dem ringartigen Abgaseinlassdiffusor 9 zu dem Abgasauslass 10 gedreht, was
wiederum das Verdichterrad 6 dreht, wodurch Einlassluft
durch den Verdichtereinlass 11 eingezogen wird und Ladeluft
zu dem Einlass einer Bremskraftmaschine über den Verdichterauslassdiffusor 12 geliefert
wird.
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Die
Turboladerwelle 8 dreht sich an vollständig schwimmenden
Radiallagern 13 und 14, die zum Turbinenende bzw.
zum Verdichterende des Lagergehäuses 3 untergebracht
sind. Die Lagerbaugruppe 14 am Verdichterende hat des Weiteren
ein Axiallager 15, das mit einer Öldichtbaugruppe
zusammenwirkt, die einen Ölschleuderring 16 aufweist.
Einzelheiten des Verdichterendlagers und der Öldichtung sind
für das Verständnis der vorliegenden Erfindung nicht
wesentlich und werden nicht weiter beschrieben. Öl wird
zu dem Lagergehäuse von dem Ölsystem der Brennmaschine über
einen Öleinlass 17 zugeführt und zu den
Lagerbaugruppen durch Öldurchlässe 18 gefördert.
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Die
Lagerbaugruppe am Turbinenende und die Öldichtung sind
in der 2 in weiteren Einzelheiten gezeigt. Das Turbinenrad 4 ist
an dem Ende der Turboladerwelle 8 an eine Dichtnabe 19 gefügt. Im
Allgemeinen ist die Dichtnabe 19 einstückig mit der
Welle 8 ausgebildet und (zum Beispiel durch Reibungsschweißen)
an einen Nabenabschnitt des Turbinenrads 4 gefügt.
Die Dichtnabe 19 erstreckt sich durch einen ringartigen
Kanal 20 in einer Lagergehäusewand 3a und
in das Turbinengehäuse. Die Dichtnabe 19 ist hinsichtlich
des ringartigen Kanals 20 durch einen Dichtring 21 abgedichtet,
der üblicherweise eine sich überlappende Spaltringdichtung ist.
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In
weiteren Einzelheiten (unter Bezugnahme insbesondere auf die 2)
ist der Kanal 20 durch die Lagergehäusewand 3a radial abgestuft
und hat einen Innenabschnitt 20a mit relativ engem Durchmesser
und einen Außenabschnitt 20b mit relativ großem
Durchmesser. Dies sorgt für einen ringartigen Anlageabsatz
für den Dichtring 21, der innerhalb einer ringartigen
Nut 23 sitzt, die in einer Außenfläche
der Dichtnabe 19 vorgesehen ist. Der Dichtring 21 ist
hinsichtlich des Lagergehäuses ortsfest und zum Verhindern
des Luft/Öl-Lecks durch den Kanal 20 vorgesehen.
Der Anlageabsatz 22 verhindert, dass der Dichtring 21 nach
innen zu dem Lagergehäuse 3 kriecht. Um eine abrupte,
nicht gekrümmte Änderung des Durchmessers des
Kanals 20 vorzusehen, ist eine kleine ringartige Aussparung 24 in
die Fläche des ringartigen Kanals 20 nach hinten
geschnitten, um den Absatz 22 zu definieren.
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Das
Radiallager 13 am Turbinenende befindet sich zwischen Sicherungsringen 25 und 26. Öl wird
dem Lager 13 über einen Öldurchlass 18 zugeführt,
und das Lager 13 ist mit in Umfangsrichtung beabstandeten
radialen Löchern 27 versehen, damit das ÖL
zu der Turboladerwelle 8 tritt. Eine ringartige Ölrückführungsnut 28 ist
radial in der Lagergehäusewand angrenzend an den Kanal 20 durch
die Gehäusewand 3a vertieft. Die Ölrückführungsnut 28 umgibt die
Welle 8, und sie hat einen ringartigen Eingang 29.
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Die
Dichtnabe 19 erstreckt sich geringfügig in das
Lagergehäuse 18 jenseits der Innenfläche
der Lagergehäusewand 3a, und sie überlappt
sich axial mit dem Eingang 29 zu der Ölnut 28.
Das innere Ende der Dichtnabe 19 bildet einen radialen
Absatz um die Welle 8, die eine ringartige Seite 30 hat.
Wenn sich die Turboladerwelle 8 dreht, wird Öl,
das die ringartige Seite 30 erreicht, radial zerstreut
und von der Seite 30 der Nabe 19 in die Ölnut 28 getrieben,
von der es zurück zu dem Kraftmaschinenkurbelgehäuse über
ein Ölauslassloch 31 (in der 1 gezeigt)
ausgelassen wird. Das Vorsehen der Ölnut 28 verhindert somit
das Ansammeln des Öls in dem Bereich des Kanals 20,
und in ähnlicher Weise wird sichergestellt, dass die Nabe 19 in
das Lagergehäuse 3 hineinragt, wodurch sichergestellt
wird, dass das Öl in die Ölnut 28 und
nicht zu dem ringartigen Spalt läuft, der dort definiert
ist, wo die Nabe 19 durch den Kanal 20 hindurch
tritt.
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Forschungen
habe jedoch gezeigt, dass bei der herkömmlichen Anordnung,
die vorstehend beschrieben und in den 1 und 2 dargestellt
ist, ein erheblicher Teil des Öls, das in die Ölnut 28 getrieben
wird, entlang der Innenwand des Lagergehäuses 3a zu
dem Durchlass 20 zurückströmt. Die vorliegende
Erfindung, die als Beispiel durch das in den 3 und 4 dargestellte
Ausführungsbeispiel ausgeführt ist, widmet sich
diesem Problem.
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Unter
Bezugnahme auf die 3 und 4 ist die
dargestellte Baugruppe identisch zu der 2 mit der
Ausnahme, dass gemäß der vorliegenden Erfindung
der ringartige Absatz der Dichtnabe 19 mit einer ringartigen
Nut 32 versehen ist, die als eine Ölschleuder
dient. Auf diese Art und Weise wird die Ölschleudernut 32 in
den Absatz der Dichtnabe 19 gesetzt und verläuft
entlang dem Rand. Die Nut 32 hat eine erste ringartige
Seitenwand 34, eine zweite ringartige Seitenwand 35,
die im Wesentlichen parallel zu der ersten ringartigen Seitenwand 34 ist,
und eine ringartige Basis 36. Die erste ringartige Seitenwand 34 liegt
an einer konischen Fläche, die die Wellenachse X in einem
Winkel θ schneidet, und die jene Ebene schneidet, die die
ringartige Seite 30 enthält, und zwar bevor sie
eine zylindrische Fläche schneidet, die die zylindrische
Wand 40 der Dichtnabe 19 enthält. Die
zweite Seitenwand 35 liegt an der Fläche eines
Konus', der wiederum die Achse X in einem Winkel θ schneidet,
aber der eine zylindrische Fläche schneidet, die die radial äußere
Fläche der Dichtnabe 19 enthält, bevor
er jene Ebene schneidet, die ringartige Seite 30 enthält.
Dadurch hat die Nut 32 einen ersten ringartigen Rand 38,
der dort definiert ist, wo die Seitenwand 34 die ringartige
Dichtnabenseite 30 trifft, und einen zweiten ringartigen
Rand 39, der dort definiert ist, wo die zweite Seitenwand 35 die
radial äußere Fläche der zylindrischen
Wand 40 der Dichtnabe 19 trifft. Der zweite Rand 39 ist
sowohl axial als auch radial von dem ersten Rand 38 beabstandet. Die
Nut 32 hat eine ringartige Mündung 37,
die zwischen dem ersten Rand 38 und dem zweiten Rand 39 definiert
ist, und die an einer konischen Fläche liegt, die die ringartige
Seite 30 und die zylindrische Wand 40 schneidet.
Die ringartige Basis 36 liegt an einer konischen Fläche,
die im Wesentlichen senkrecht zu den Seitenwänden 34 und 35 und
parallel zu der Mündung 37 ist. Wie dies aus den
Figuren ersichtlich ist, befindet sich die ringartige Seite 30,
die radial zu der Wellenachse X ist, innenseitig der Nut 32 hinsichtlich
des Turboladergehäuses.
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Wenn
sich die Welle 8 dreht, läuft Öl, das
die Nabe 19 erreicht und in die Ölschleudernut 32 eintritt, nicht
nur radial von der Welle 8 weg, sondern auch axial von
dem Kanal 20 weg. Bei diesem besonderen Ausführungsbeispiel
läuft das Öl an einer Seitenfläche 33 der Ölnut 28,
die von dem Kanal 20 entfernt ist, und somit wird die Wahrscheinlichkeit
stark reduziert, dass das Öl zu dem Kanal zurückströmt.
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Das
vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung stellt somit ein wirksames Verfahren zum Reduzieren eines Öllecks entlang
der Turbinenenddichtung bereit, ohne dass irgendwelche zusätzlichen
Komponenten bei der Dichtbaugruppe hinzugefügt werden,
und mit nur minimalen Modifikationen von herkömmlichen
Turboladerkomponenten, nämlich durch geeignetes Profilieren
des ringartigen Absatzes der Dichtnabe 19.
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Bei
dem dargestellten Ausführungsbeispiel bildet die erste
Seitenwand 34 eine relativ scharfe ringartige Kante, wo
die ringartige Seite 30 auf den Rand 38 trifft,
und die zweite Seitenwand 35 bildet eine relativ scharfe
ringartige Kante, wo die zylindrische Wand 40 auf den Rand 39 trifft.
Bei anderen Ausführungsbeispielen können die Ränder 38 und 39 abgeschrägt
sein, oder sie können abgestumpft sein, wie dies zum Beispiel
mit gepunkteten Linien in der 4 gezeigt
ist. In gewissem Maße kann der Grad der Schärfe
der Ränder 38 und 39 durch jene Technik bestimmt
werden, die zum Bilden der Nut 32 verwendet wird. Es wird
erwartet, dass Ränder mit scharfen Kanten gemäß der
Darstellung die Ölschleuderwirkung der Nut 32 verbessern.
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Die Ölschleudernutränder 38 und 39 liegen an
einer konischen Fläche, die bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel
die Achse X der Welle in einem Winkel 90° – θ schneidet.
Bei anderen Ausführungsbeispielen der Erfindung, bei denen
die Mündung 37 der Nut 32 im Wesentlichen
nicht senkrecht zu den Seitenwänden 34 und 35 ist,
kann sich der Winkel von 90° – θ unterscheiden.
Der Winkel wird jedoch größer als 0° und
kleiner als 90° sein. Bei einigen Ausführungsbeispielen
wird der Winkel größer als 20° sein,
und bei anderen Ausführungsbeispielen wird er größer
als 30° sein. Bei einigen Ausführungsbeispielen
wird der Winkel kleiner als 70° sein, und bei anderen Ausführungsbeispielen
wird er kleiner als 60° sein.
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Die
erste Seitenwand 34 trifft die ringartige Seite 30 in
einem spitzen Winkel. Eine Linie, die jenen Winkel halbiert und
sich zu der Achse X erstreckt, kann in einigen Ausführungsbeispielen
die Achse in einem Winkel α schneiden, der kleiner als oder
gleich 80° ist. Bei einigen Ausführungsbeispielen
kann der Winkel α kleiner als 60° sein, und bei
anderen Ausführungsbeispielen kann er kleiner als 45° sein.
Bei einigen Ausführungsbeispielen ist der Winkel α größer
als oder gleich 10°, und bei anderen Ausführungsbeispielen
ist er größer als oder gleich 20° oder
größer als oder gleich 30°.
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In ähnlicher
Weise trifft die zweite Seitenwand 35 die Außenumfangsfläche 40 der
Dichtnabe 20 in einem spitzen Winkel. Eine Linie, die jenen
Winkel halbiert und sich zu der Achse X erstreckt, kann die Achse
X in einem Winkel β schneiden, der kleiner als oder gleich
80° ist. Bei einigen Ausführungsbeispielen kann
der Winkel kleiner als oder gleich 60° sein, und bei anderen
Ausführungsbeispielen kann er kleiner als oder gleich 45° sein.
Bei einigen Ausführungsbeispielen kann der Winkel zumindest
10° betragen, und bei anderen kann er zumindest 20° oder zumindest
30° betragen.
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Bei
dem dargestellten Ausführungsbeispiel, bei dem die Seitenwand 34 parallel
zu der Seitenwand 35 ist, ist der Winkel α größer
als der Winkel β. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel
ist der Unterschied zwischen dem zweiten Winkel β und dem
ersten Winkel α kleiner als 0°. Bei einigen Ausführungsbeispielen
kann dieser Unterschied –20° oder weniger betragen,
und bei anderen kann er –40° oder weniger betragen.
Bei einigen Ausführungsbeispielen kann der Unterschied –90° oder
mehr betragen, und bei anderen Ausführungsbeispielen kann
er –70° oder mehr betragen. Bei weiteren Ausführungsbeispielen
kann der Unterschied –50° oder mehr betragen.
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Der
erste Rand 38 liegt auf einem Radius (bezüglich
der Achse X), der kleiner ist als bei dem zweiten Rand 39 (und
er kann auf einem Radius liegen, der kleiner ist als das radial
innerste Ende der zweiten Seitenwand 35). Bei einigen Ausführungsbeispielen
beträgt das Verhältnis von diesen Radien zumindest
29:24. Bei anderen Ausführungsbeispielen beträgt
das Verhältnis 27:24, und bei weiteren Ausführungsbeispielen
beträgt das Verhältnis 25:24.
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Bei
einigen Ausführungsbeispielen ist zu erwarten, dass der
Radius des ersten Rands 38 kleiner ist als der Außenradius
des Radiallagers 13. Bei einigen Ausführungsbeispielen
beträgt das Verhältnis des Radius' des ersten
Rands 38 zu dem Radius des Radiallagers mindestens 24:25.
Bei anderen Ausführungsbeispielen beträgt das
Verhältnis mindestens 24:27, und bei weiteren Ausführungsbeispielen
beträgt das Verhältnis mindestens 24:29.
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Die
Basis 36 der Nut 32 muss sich nicht notwendigerweise
senkrecht entweder zu der ersten Seitenwand 34 oder zu
der zweiten Seitenwand 35 erstrecken. Es ist auch nicht
für den Schnittpunkt der Basis 36 mit den jeweiligen
Seitenwänden 34 und 35 erforderlich,
dass er gekrümmt ist, wie dies in der 4 gezeigt
ist.
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Eine
Trennung A der Seitenwände 34 und 35 kann
sich von der Darstellung unterscheiden, und sie kann sich in Proportion
zu der Tiefe B der Nut unterscheiden, die als der Mittelwert der
Höhe der Seitenwände 34 und 35 definiert
ist. Zum Beispiel kann bei einigen Ausführungsbeispielen
das Verhältnis A:B ungefähr 2,5:1 betragen, und
bei anderen Ausführungsbeispielen kann es kleiner als dieses
sein. Zum Beispiel kann das Verhältnis kleiner als 2:1
oder sogar 1,5:1 sein. Bei weiteren Ausführungsbeispielen kann
ein minimales Verhältnis von 0,5:1; 0,75:1 oder 1:1 betragen.
Bei Ausführungsbeispielen, bei denen die Seitenwände 34 und 35 nicht
parallel sind, kann das Maß A die maximale Breite der Nut 32 oder
die Breite der Mündung der Nut sein. In ähnlicher
Weise kann bei Ausführungsbeispielen, bei denen die Basis 36 nicht
parallel zu der Seitenwand 34 und/oder 35 ist,
das Maß B die maximale Tiefe der Nut sein, die von der
Mündung der Nut gemessen wird.
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Das
Gesamtmaß der Nut 32 kann in gewissem Maße
von dem Maß der Dichtnabe 19 abhängen.
Bei üblichen Ausführungsbeispielen kann die Dichtnabe 19 einen
Durchmesser ungefähr zwischen 15 mm und 40 mm haben, aber
Durchmesser außerhalb dieses Bereichs sind ebenfalls möglich.
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Es
ist außerdem offensichtlich, dass die Einzelheiten des
Radiallagers und der Öldichtanordnungen insgesamt herkömmlich
sein können oder sich von dem Dargestellten unterscheiden.
Zum Beispiel kann die Öldichtung mehr als eine Ringdichtung 21 aufweisen,
und der Kanal 20 kann eine einfache Bohrung mit konstantem
Durchmesser sein. In ähnlicher Weise kann sich die detaillierte
Form des Lagergehäuses und des Turbinengehäuses
von dem Dargestellten unterscheiden. Zum Beispiel ist bei dem dargestellten
Ausführungsbeispiel der Kanal von dem Lagergehäuse
zu dem Turbinengehäuse in einer Wand des Lagergehäuses
ausgebildet. Bei anderen Anordnungen kann die Wand, die die beiden
Gehäuse trennt, einen Teil des Turbinengehäuses
anstatt des Lagergehäuses bilden.
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Es
ist ebenso offensichtlich, dass die exakte Form der Ölnut 28 verändert
werden kann. Zum Beispiel kann sich bei einigen Designs der Lagergehäuse
für Turbolader die Ölnut nahezu um 360° um
die Welle erstrecken, und bei anderen kann sich die Nut über
einen kleineren Winkel erstrecken. Die Einzelheiten der Ölnut 28 können
wiederum vollständig herkömmlich sein. Alternativ
könnte die Ölnut abgewandelt werden, indem die
Seitenwände der Nut angewinkelt werden, und insbesondere
die innere Seitenwand, die bei einige Ausführungsbeispielen
die Ölsammelwirkung verbessern kann.
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Bei
dem dargestellten Ausführungsbeispiel liegen die Seitenwände 34 und 35 an
konischen Flächen, die jene konische Fläche schneiden,
an der die Bodenwand 36 liegt (und die außerdem
jene konische Fläche schneiden, die die Ränder 38 und 39 enthält).
Bei alternativen Ausführungsbeispielen kann die Bodenwand 36 konkav
oder sogar konvex sein, und sie kann von irgendeiner besonderen
konischen Fläche weg gekrümmt sein. Bei weiteren
Ausführungsbeispielen können die Seitenwand 34 und/oder
die Seitenwand 35 konkav oder konvex oder von irgendeiner
besonderen konischen Fläche weg gekrümmt sein.
Zum Beispiel könnten die Wände 34, 35 und 36 durch
eine einzige konkave Wand 41 ersetzt werden, wie dies schematisch
in der 5 dargestellt ist. Mit einer Nut 42,
die gemäß der 5 konfiguriert
ist, hat die Nut weiterhin eine Mündung 37, die
zwischen einem ringartigen Rand 38 und einem ringartigen
Rand 39 definiert ist, die an einer konischen Fläche
liegen, welche eine zylindrische Fläche, die die Dichtnabenwand 40 enthält,
bzw. die radiale Ebene schneidet, welche die ringartige Seite 30 enthält.
Obwohl sie im dargestellten Querschnitt gekrümmt ist, kann
die Nut ein Gesamtmaß haben, das weitestgehend den verschiedenen
möglichen Relativmaßen der Nut 32 gemäß der 4 entspricht.
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Auch
wenn bei den Ausführungsbeispielen gemäß der
Erfindung, wie sie in den 4 und 5 dargestellt
sind, die Nut 32/42 einen einheitlichen Querschnitt
um ihren Umfang hat, kann sich der Querschnitt bei anderen Ausführungsbeispielen ändern.
Zum Beispiel kann die Nut breiter oder tiefer in einigen Umfangspositionen
als an anderen sein. In ähnlicher Weise kann sich die Form
der Wände 34, 35, 36 und 41 und/oder
ihre Orientierung relativ zueinander um den Umfang der Nut ändern.
In ähnlicher Weise können sich der Radius von
jedem Rand 38 und 39 und/oder die Breite der Mündung
der Nut um den Umfang der Nut ändern.
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Die
6 stellt
eine Anwendung der vorliegenden Erfindung auf eine Axialleistungsturbine
dar. Die Turbine hat ein Lagergehäuse
50 und ein
Axialturbinengehäuse
51. Eine Welle
52 erstreckt
sich durch das Lagergehäuse
50 und stützt
an einem Ende ein Turbinenrad
53 und an dem anderen Ende ein
Antriebszahnrad
54. die Welle ist an einem einstückigen
Lager
55 gestützt, das im Wesentlichen gleich
dem einstückigen Lager ist, das in
US-6,905,316 offenbart ist und nicht
in weiteren Einzelheiten beschrieben wird. In ähnlicher
Weise ist das Turbinenrad
53 an dem Ende der Welle
52 an eine
Dichtnabe gefügt, die sich durch einen ringartigen Kanal
57 in
einer Wand des Lagergehäuses
50 erstreckt. Die
Dichtnabe
55 ist hinsichtlich des Kanals
57 durch
einen Dichtring
58 abgedichtet, der ein sich überlappender
Spaltring sein kann.
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Das
Turbinengehäuse 51 hat einen ringartigen Axialeinlasskanal 59,
der um eine gewölbte Düse 60 definiert
ist und eine ortsfeste, ringartige Flügelaufreihung 61 hat.
Das Abgas strömt durch den ringartigen Einlasskanal 59,
durch das Turbinenrad 53 und in einen ringartigen Sammelabschnitt 62 des Turbinenauslasses über
einen ringartigen, aufgebördelten Turbinendiffusorabschnitt 63,
der eine Erweiterung des Einlasskanals 59 ist. Das Gas
verlässt die Turbine über einen im Allgemeinen
axial orientierten Auslass 64. Ein Pressmetallhitzeschild 65 ist
vorgesehen, um das Lagergehäuse 50 von der Abgasströmung
zu separieren. An seinem radial äußersten Rand
ist das Hitzeschild 65 zwischen dem Lagergehäuse 50 und
dem Turbinengehäuse 51 eingeklemmt. Der radial
innere Rand des Hitzeschilds 65 ist mit dem Lagergehäuse 35 um
den Wellenkanal 57 in Kontakt und durch einen Rückhaltering 66 in
Position gehalten. Ein Hitzeschildhohlraum 67 ist zwischen
dem Hitzeschild 65 und dem Lagergehäuse 51 definiert,
um eine Wärmeübertragung zu dem Lagergehäuse 51 von
dem heißen Abgas zu reduzieren, das durch die Turbine hindurchströmt.
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Gemäß der
vorliegenden Erfindung ist die Dichtnabe 56 mit einer Ölschleudernut 68 versehen. Die Ölschleudernut
dient exakt in der gleichen Art und Weise wie die Ölschleudernut 32 gemäß den 3 und 4.
Wie dies dargestellt ist, hat die Ölschleudernut 68 im
Wesentlichen die gleiche Konfiguration wie die Öldichtnut 32,
die in den 3 und 4 dargestellt
ist. Die Konfiguration der Ölschleudernut 68 könnte
jedoch in der gleichen Art und Weise abgewandelt werden, wie dies
bezüglich der Ölschleudernut 32 vorstehend
diskutiert wurde. Zum Beispiel könnte die Ölschleudernut 68 eine
Konfiguration haben, wie sie in der 6 dargestellt
ist.
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Es
ist offensichtlich, dass die vorliegende Erfindung auf andere Formen
von Turboladern oder Leistungsturbinen angewendet werden kann, die
sich von dem Dargestellten unterscheiden, und tatsächlich
auf andere Turbomaschinen oder sich drehende Maschinen, die eine
sich drehende Welle aufweisen.
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Die
vorliegende Erfindung kann außerdem als eine Ölschleuder
implementiert sein, die nicht einstückig mit irgendeinem
Teil eines vorhandenen Lagers oder einer Wellenbaugruppe ausgebildet
ist. Ein derartiges Ausführungsbeispiel ist in der 7 dargestellt,
die eine Ölschleuder gemäß der vorliegenden
Erfindung zeigt, die einen ringartigen Körper 70 aufweist,
der eine mittlere Öffnung 71 definiert. Der Körper 70 definiert
entgegengesetzte ringartige Seiten 72 und 73 und
eine radial äußere zylindrische Wand 74.
Eine ringartige Ölschleudernut 75 ist vorgesehen,
die gemäß der vorliegenden Erfindung in die ringartige
Seite 72 und die äußere Wand 74 mündet.
Die Ölschleuder gemäß der 7 kann
zum Beispiel bei einer sich drehenden Welle in irgendeiner Anwendung
angebracht sein, bei der ein herkömmlicher Ölschleuderring
verwendet werden könnte. Zum Beispiel kann eine derartige Ölschleuder
bei dem Turbinenende oder bei dem Verdichterende einer Turbowelle
eines Turboladers oder als Teil der Turbinenenddichtanordnung einer
Leistungsturbine verwendet werden. Der Ölschleuderring
ist jedoch nicht auf seine Verwendung auf eine Turbomaschine beschränkt,
und er kann bei irgendeiner sich drehenden Maschine verwendet werden,
um das Eindämmen einer Ölströmung durch
eine Öffnung zu unterstützen, durch die eine sich
drehenden Welle hindurch tritt.
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Es
ist offensichtlich, dass die Ölschleudernut 75 eine
Konfiguration haben kann, die im Wesentlichen gleich jener Konfiguration
ist, die in den 4, 5 oder 6 gezeigt
ist, oder irgendwelche mögliche Veränderungen
davon, wie dies vorstehend beschrieben ist.
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Andere
mögliche Abwandlungen und Anwendungen der vorliegenden
Erfindung werden dem Fachmann offensichtlich sein.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Eine Ölsteuervorrichtung
unterbindet eine Ölströmung entlang einer Welle
(8), die sich um eine Achse dreht. Die Ölsteuervorrichtung
hat einen ringartigen Körper (19) für
eine Drehung mit der Welle (8), und sie hat eine erste
Seite (30), die sich im Allgemeinen radial von der Achse
erstreckt. Eine zweite radial äußere Umfangsfläche
(40) ist so vorgesehen, dass sie sich im Allgemeinen axial
erstreckt. Eine Ölschleudernut (32) erstreckt
sich in den Körper (19) und hat eine Mündung
(37), die zwischen einem ersten sich in Umfangsrichtung
erstreckenden Rand (38) und einem zweiten sich in Umfangsrichtung
erstreckenden Rand (39) definiert ist. Der zweite Rand (39)
ist sowohl radial als auch axial von dem ersten Rand (38)
beabstandet. Die Nut (32) ist zumindest teilweise durch
eine Wand (34) definiert, die den ersten Rand (38)
in einem spitzen Winkel zu einer radialen Ebene trifft. Die Nut
(32) ist außerdem zumindest teilweise durch eine
Wand (35) definiert, die den zweiten Rand (39)
in einem spitzen Winkel zu der Richtung der Achse trifft.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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