DE112013002807T5

DE112013002807T5 - Abgasturbolader

Info

Publication number: DE112013002807T5
Application number: DE112013002807.7T
Authority: DE
Inventors: Thomas Duecker-Schulz; Oliver Schumnig; Robert Krewinkel
Original assignee: BorgWarner Inc
Current assignee: BorgWarner Inc
Priority date: 2012-07-10
Filing date: 2013-07-03
Publication date: 2015-02-26
Also published as: JP2015522134A; US11428231B2; JP6153609B2; CN104364496A; KR20150028825A; CN104364496B; US20150330396A1; IN2015DN00470A; WO2014011467A1; KR102037892B1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Abgasturbolader (1), umfassend ein Lagergehäuse (2), eine im Lagergehäuse (2) gelagerte Welle (5), ein auf der Welle (5) angeordnetes Turbinenrad (6), ein auf der Welle (5) angeordnetes Verdichterrad (7), und einen Radseitenraum (10) zwischen einer Rückwand (8) des Turbinenrades (6) oder Verdichterrades (7) und einer der Rückwand (8) zugewandten Außenfläche (11) des Lagergehäuses (2), wobei in der Außenfläche (11) des Lagergehäuses (5) zumindest eine Nut (13, 18) zur Störung der von der rotierenden Rückwand (8) erzeugten Strömung ausgebildet ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Abgasturbolader gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Herkömmliche Abgasturbolader weisen ein Gehäuse auf, in dem eine Welle drehbeweglich gelagert ist. An einem Ende der Welle sitzt das Turbinenrad. An dem anderen Ende der Welle sitzt das Verdichterrad. Der Innenraum des Lagergehäuses ist üblicherweise mit Öl gefüllt und gegenüber dem Verdichterrad und dem Turbinenrad abgedichtet. Wesentlicher Bestandteil des Turbinenrades und des Verdichterrades sind die Schaufeln. Im Turbinenrad werden die Schaufeln mit dem Abgas angeströmt. Am Verdichterrad verdichten die Schaufeln die Ladeluft für die Brennkraftmaschine. Auf der den Schaufeln abgewandten Seite weist sowohl das Turbinenrad als auch das Verdichterrad eine Rückwand auf. Die Rückwand steht einer Außenfläche des Lagergehäuses gegenüber. Der Spalt bzw. der Raum zwischen dieser Außenwand des Lagergehäuses und der Rückwand des Turbinenrades oder des Verdichterrades wird üblicherweise als Radseitenraum bezeichnet. Bei der Rotation des Verdichterrades und des Turbinenrades kommt es im jeweiligen Radseitenraum zu einer rotierenden Strömung, die in bestimmten Betriebsbereichen zu einem Unterdruck im radialen Innenbereich des Radseitenraums bzw. an der Welle führen kann. Durch diesen Unterdruck wird Öl aus dem Innenraum des Lagergehäuses über die Dichtung in den Radseitenraum gesogen. Da Luft und Öl entlang der strömungsführenden Bauteile des Verdichters bzw. der Turbine in den Motor bzw. in das Abgassystem transportiert werden, führt dieses Leckage-Öl zu deutlich schlechten Emissionswerten, was aufgrund von strengen Umweltbestimmungen zu vermeiden ist.
Es ist Aufgabe vorliegender Erfindung, einen Abgasturbolader bereitzustellen, der bei kostengünstiger Herstellung und Montage möglichst effizient und umweltverträglich betrieben werden kann. Insbesondere soll die Ölleckage aus dem Lagergehäuse in die Radseitenräume effektiv verhindert werden.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des Anspruches 1. Die Unteransprüche haben bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung zum Gegenstand.
Erfindungsgemäß werden an der der Rückwand des Turbinenrades oder Verdichterrades zugewandten Außenfläche des Lagergehäuses Nuten ausgebildet. Diese Nuten dienen zur Störung der von der rotierenden Rückwand erzeugten Strömung. Durch diese Störung oder Umleitung der Strömung wird der Druck im radialen Innenbereich des Radseitenraums erhöht, wodurch die Leckage aus dem Innenraum des Lagergehäuses in den Radseitenraum vermindert wird.
Der Spalt zwischen der Rückwand des Turbinen- oder Verdichterrades und der Außenfläche des Lagergehäuses ist im Abgasturbolader äußerst klein. Um das Risiko des Anstreifens der Rückwand eines Rades an der Außenfläche des Lagergehäuses nicht zu erhöhen, werden erfindungsgemäß zur Störung der Strömung keine vorstehenden Elemente verwendet. Vielmehr werden ausschließlich die erfindungsgemäßen Nuten eingesetzt.
Die Nuten sind insbesondere als Taschen ausgebildet. Das heißt, die Nuten sind keine Durchbrüche in der Wandung des Lagergehäuses, sondern Taschen oder Einbuchtungen oder Ausnehmungen.
Die einzelne Nut oder die mehreren Nuten in der Außenfläche können verschiedenste Formen annehmen. In einer einfachen Ausgestaltung wird die Nut kreisförmig und vollumfänglich um die Welle ausgebildet.
Eine Alternative dazu sieht vor, dass die Nut spiralförmig ausgebildet ist. Diese Spiralform öffnet sich von innen nach außen besonders bevorzugt entgegen der Drehrichtung der Welle, des Turbinenrades und des Verdichterrades. Durch diese Ausbildung der Spiralform wird bei Rotation der Rückwand eine Gegenströmung erzeugt. Das strömende Gas wird so durch die Spiralform wieder in den radialen Innenbereich des Radseitenraums gefördert.
Des Weiteren ist es bevorzugt vorgesehen, mehrere, sich radial nach außen erstreckende Nuten an der Außenfläche anzuordnen. Diese sich radial nach außen erstreckenden Nuten sind ”strahlenförmig” um die Welle angeordnet. Insbesondere ist vorgesehen, dass die sich radial nach außen erstreckenden Nuten gebogen verlaufen und zusätzlich entweder in- oder entgegen der Strömungsrichtung geneigt sein können.
In einer weiteren Ausbildung sind die Nuten kreissegmentförmig ausgebildet. So können bevorzugt mehrere der kreissegmentförmig ausgebildeten Nuten entlang des Umfangs hintereinander angeordnet werden, um die Strömung effizient zu stören.
Die oben beschriebenen, verschiedenen Ausgestaltungen der Nuten können ohne Weiteres miteinander kombiniert werden, sodass an einer Außenfläche des Lagergehäuses mehrere, verschiedene Nuten ausgebildet sind.
Der Versuch hat gezeigt, dass mit den erfindungsgemäßen Nuten, je nach Betriebspunkt im radialen Innenbereich des Radseitenraums eine Druckerhöhung von 2,5 bis 8% gegenüber herkömmlichen Anordnungen erreicht werden kann. Dies vermindert effizient die Ölleckage aus dem Innenraum des Lagergehäuses in den Radseitenraum.
Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus nachfolgender Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. Es zeigt:
1 eine schematisch vereinfachte Ansicht eines erfindungsgemäßen Abgasturboladers für alle Ausführungsbeispiele,
2 ein Detail des erfindungsgemäßen Abgasturboladers gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
3 ein Detail des erfindungsgemäßen Abgasturboladers gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel,
4 ein Detail des erfindungsgemäßen Abgasturboladers gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel, und
5 ein Detail des erfindungsgemäßen Abgasturboladers gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel.
1 zeigt in schematisch vereinfachter Ansicht den generellen Aufbau des Abgasturboladers 1 für alle Ausführungsbeispiele. Der Abgasturbolader 1 umfasst ein Lagergehäuse 2, in dem eine Welle 5 drehbar gelagert ist. An einem Ende der Welle 5 sitzt ein Turbinenrad 6. An dem anderen Ende der Welle 5 sitzt ein Verdichterrad 7. Das Verdichterrad 7 und das Turbinenrad 6 weisen jeweils eine Rückwand 8 und Schaufeln 9 auf. Das Turbinenrad 6 wird von Abgas angeströmt. Dadurch werden das Turbinenrad 6, die Welle 5 und das Verdichterrad 7 in Rotation versetzt. Das Verdichterrad 7 verdichtet Ladeluft für eine Brennkraftmaschine.
Der Innenraum des Lagergehäuses 2 ist mit Öl bzw. einem Öl-/Luftgemisch gefüllt und gegenüber dem Aufnahmeraum des Turbinenrades 6 und des Verdichterrades 7 abgedichtet.
Der Rückwand 8 des Turbinenrades 6 und des Verdichterrades 7 steht jeweils eine Außenfläche 11 des Lagergehäuses 2 gegenüber. Zwischen der Außenfläche 11 und der Rückwand 8 ist beidseitig je ein Radseitenraum 10 definiert.
Des Weiteren zeigt 1 eine Axialrichtung 14 entlang der Welle 5. Senkrecht zur Axialrichtung 14 steht eine Radialrichtung 15. Die Axialrichtung 14 umgibt eine Umfangsrichtung 16.
Im Betrieb des Abgasturboladers 1 rotieren die Rückwände 8 gegenüber den Außenflächen 11 im Radseitenraum 10. Dadurch entstehen ein drehendes Strömungsfeld im Radseitenraum sowie eine radial nach außen gerichtete Gasströmung entlang der Radrücken. Dies führt zur Druckminderung im Radseitenraum 10. Durch in manchen Betriebspunkten des Turboladers entstehenden negativen Druckgefälle zum Innenraum des Lagergehäuses 2 wird die Abdichtung der Welle 5 gegenüber dem Lagergehäuse 2 undicht und es kommt zur Ölleckage. Diese Ölleckage wird erfindungsgemäß bestmöglich vermieden.
Die 2 bis 5 zeigen vier verschiedene Ausführungsbeispiele zur Gestaltung der der Rückwand 8 gegenüberliegenden Außenfläche 11 auf der Seite des Turbinenrades 6 und/oder des Verdichterrades 7. Gleiche bzw. funktional gleiche Bauteile sind in allen Ausführungsbeispielen mit denselben Bezugszeichen versehen.
Gemäß 2 wird in die Außenfläche 11 eine kreisförmige, vollumfänglich ausgebildete Nut 13 angeordnet. Innerhalb des an der Außenfläche 11 vorhandenen Randes 17 bewegt sich das Turbinenrad 6 oder das Verdichterrad 7.
Des Weiteren weist die Außenfläche 11 eine Wellenausnehmung 12 auf. Durch diese Wellenausnehmung 12 hindurch erstreckt sich die Welle 5. Im montierten Zustand befindet sich in dieser Wellenausnehmung 12 eine Dichtung zur Abdichtung des Innenraums des Lagergehäuses 2 gegenüber dem Radseitenraum 10.
3 zeigt die Außenfläche 11 mit einer spiralförmig ausgebildeten Nut 13. Die Nut 13 folgt hier einer logarithmischen Spirale. Die Spirale öffnet sich von innen nach außen entgegen der Drehrichtung der Welle 5. Im gezeigten Beispiel würde sich somit die Welle 5 im Uhrzeigersinn drehen. Dementsprechend öffnet sich die spiralförmige Nut 13 entgegen des Uhrzeigersinns.
3 zeigt drei weitere Nuten 18. Diese weiteren Nuten 18 sind jeweils kreissegmentförmig ausgebildet. Die drei kreissegmentförmigen Nuten 18 sind in Umfangsrichtung 16 hintereinander angeordnet. Das innere Ende der Nut 13 führt über eine Mündung 19 in eine der weiteren Nuten 18. Die Aufgabe der inneren Nuten ist es, die Strömung zu verzögern und somit den statischen Druck zu erhöhen ohne das Strömungsfeld zu stören.
4 zeigt die Außenfläche 11 mit mehreren (im Beispielsfall zwölf) sich radial nach außen erstreckenden Nuten 13. Die Nuten 13 erstrecken sich in der Radialrichtung 15. Das bedeutet, dass sie sich in der Radialrichtung 15 weiter erstrecken als in der Umfangsrichtung 16. Zusätzlich sind in 4 die bereits in 3 gezeigten kreissegmentförmigen weiteren Nuten 18 vorgesehen.
Die Nuten 13 in 4 sind bogenförmig ausgebildet. Das bedeutet, dass jede einzelne Nut in Umfangsrichtung 16 gebogen ist.
5 zeigt ebenfalls eine Außenfläche 11 mit zwölf sich nach radial erstreckenden Nuten 13 und drei kreissegmentförmigen weiteren Nuten 18. Im Gegensatz zur 4 sind die Nuten 13 in 5 sowohl in radialer Richtung gebogen als auch in Umfangsrichtung 16 geneigt. Diese Neigung bedeutet, dass ein erster Punkt 20 und ein zweiter Punkt 21 an einer Außenkante der Nut 13 nicht auf einer geraden Linie durch den Mittelpunkt der Welle 5 liegen.
Die in den 2, 4 und 5 gezeigten Ausgestaltungen der Nut 13 und weiteren Nuten 18 dienen in erster Linie zur Störung der in Radialrichtung nach außen gerichteten Strömung im Radseitenraum 10. Durch die spiralförmige Nut 13 in 3 wird die Strömung so umgelenkt, dass über die spiralförmige Nut 13 ein Massenstrom zum radialen Innenbereich des Radseitenraums 10 führt. Die Anzahl, Lage, Tiefe und die Form der Nuten kann bevorzugt mittels CFD-Rechnung und Versuchsdurchführungen für den jeweiligen Anwendungsfall optimiert werden.
Neben der vorstehenden schriftlichen Beschreibung der Erfindung wird zu deren ergänzender Offenbarung hiermit explizit auf die zeichnerische Darstellung der Erfindung in den 1 bis 5 Bezug genommen.
Bezugszeichenliste

1: Abgasturbolader
2: Lagergehäuse
3: Turbinengehäuse
4: Verdichtergehäuse
5: Welle
6: Turbinenrad
7: Verdichterrad
8: Rückwand
9: Schaufeln
10: Radseitenraum
11: Außenfläche
12: Wellenausnehmung
13: Nut
14: Axialrichtung
15: Radialrichtung
16: Umfangsrichtung
17: Rand
18: weitere Nuten (kreissegmentförmig)
19: Mündung
20: erster Punkt
21: zweiter Punkt

Claims

Abgasturbolader (1), umfassend: – ein Lagergehäuse (2), – eine im Lagergehäuse (2) gelagerte Welle (5), – ein auf der Welle (5) angeordnetes Turbinenrad (6), – ein auf der Welle (5) angeordnetes Verdichterrad (7), und – einen Radseitenraum (10) zwischen einer Rückwand (8) des Turbinenrades (6) oder Verdichterrades (7) und einer der Rückwand (8) zugewandten Außenfläche (11) des Lagergehäuses (2), dadurch gekennzeichnet, – dass in der Außenfläche (11) des Lagergehäuses (5) zumindest eine Nut (13, 18) zur Störung der von der rotierenden Rückwand (8) erzeugten Strömung ausgebildet ist.
Abgasturbolader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Nut (13, 18) als Tasche ausgebildet ist.
Abgasturbolader nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nut (13) kreisförmig und vollumfänglich um die Welle ausgebildet ist.
Abgasturbolader nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch mehrere, kreissegmentförmige Nuten (18).
Abgasturbolader nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nut (13) spiralförmig ist.
Abgasturbolader nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Spiralform von innen nach außen, entgegen der Drehrichtung der Welle (5) öffnet.
Abgasturbolader nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet, durch mehrere, sich radial nach außen erstreckende Nuten (13).
Abgasturbolader nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die sich radial nach außen erstreckenden Nuten (13) gebogen verlaufen.
Abgasturbolader nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (5) durch die Außenfläche (11) des Lagergehäuses (2) verläuft, wobei zwischen der Welle (5) und der Außenfläche (11) eine Dichtung angeordnet ist.
Abgasturbolader nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenfläche (11) mit der zumindest einen Nut (13, 18) an einem Deckel des Lagergehäuses (2) ausgebildet ist.