DE19652754A1

DE19652754A1 - Abgasturbolader

Info

Publication number: DE19652754A1
Application number: DE19652754A
Authority: DE
Inventors: Josef Baettig; Klaus Dr Heinrich; Mehmet Gueven Kutay
Original assignee: Asea Brown Boveri AG Switzerland; Asea Brown Boveri AB
Current assignee: Accelleron Industries AG
Priority date: 1996-12-18
Filing date: 1996-12-18
Publication date: 1998-06-25

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft einen Abgasturbolader mit einem Radialverdichter und einer Kühlvorrichtung für dessen Verdichterrad, gemäß dem Oberbegriff des An spruchs 1.

Stand der Technik

Die Laufräder von Radialverdichtern für Abgasturbolader sind Bauteile mit einer komplizierten Oberfläche, welche heute vorwiegend aus Aluminium gefertigt wer den. Ein wichtiges Kriterium für die Lebensdauer eines solchen Verdichterrades ist die Temperatur, welche das Aluminium während dem Betrieb erreicht. Je ge ringer diese Materialtemperatur gehalten werden kann, desto länger ist die Le bensdauer des Verdichterrades.

Durch Reibung entsteht in dem zwischen der rotierenden Verdichterradrückwand und dem stillstehenden Verdichtergehäuse ausgebildeten Spalt viel Wärmeener gie. Mit Zunahme der Relativgeschwindigkeit zwischen Verdichterrad und Gehäu se steigt die Reibleistung stark an, so daß die Betriebstemperatur im Außenbereich des Verdichterrades am größten ist. Außerdem erwärmt sich die vom Ver dichter geförderte Luft während des Verdichtungsprozesses und erreicht ihre größte Temperatur ebenfalls im äußeren Bereich des Verdichterrades.

Bei Ableitung der Reibungswärme in andere Bauteile als das Verdichterrad könn te die Materialtemperatur des Verdichterrades verringert und damit dessen Stand zeit erhöht werden. Eine solche Ableitung über das Verdichtergehäuse ist jedoch behindert, da auf der dem Verdichter abgewandten Gehäuseseite die mit den heißen Abgasen der Brennkraftmaschine beaufschlagte Turbine des Turboladers angeordnet ist.

Entsprechend dem auf der CIMAC-Konferenz, in London 1993, von K. Imakiire u. a. zum Thema "Further development of high pressure ratio turbocharger" (s. ins besondere S. 5, Punkt 3.3. sowie Fig. 2, 11 und 12) gehaltenen Vortrag ist ei ne Lösung zur Senkung der Materialtemperatur durch direkte Kühlung der Rück wand des Verdichterrades bekannt. Dabei wird Luft als Kühlmedium eingesetzt.

Um eine Kühlwirkung entfalten zu können, muß dieses externe Medium aller dings mit einem größeren als dem vom Verdichter erzeugten Druck zur Verfü gung gestellt werden. Somit ist ein Hilfskompressor erforderlich. Eine solche Lö sung kompliziert und verteuert jedoch den Turbolader. Außerdem werden für den Hilfskompressor zusätzlicher Bauraum und Energie benötigt. Ein weiterer Nachteil der Luftkühlung ist die niedrige spezifische Wärmekapazität und die geringe Dich te von Luft, wodurch ein großes Kühlluftvolumen eingesetzt werden muß. Der hohe Kühlluftbedarf erfordert den vermehrten Einsatz von Fremdenergie zur För derung der Kühlluft. Damit verschlechtert sich jedoch die Energiebilanz des Tur boladers. Andere bekannte Kühlmedien können zur direkten Kühlung des Ver dichterrades nicht eingesetzt werden, da diese die vom Verdichter geförderte Luft verunreinigen und somit die Funktion der Brennkraftmaschine gefährden würden.

Eine Alternative zur Kühlung könnte die Verwendung von höherwertigen, d. h. wär mebeständigeren Materialien, wie z. B. Titan, sein. Jedoch ist sowohl der Material preis als auch der Fertigungsaufwand von Verdichterrädern aus Titan wesentlich höher als bei solchen aus Aluminium.

Darstellung der Erfindung

Die Erfindung versucht, alle diese Nachteile zu vermeiden. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfache und preisgünstige Kühlvorrichtung zur Senkung der Ma terialtemperatur des Verdichterrades eines Abgasturboladers zu schaffen, welche ohne ein externes Kühlmedium auskommt.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß bei einer Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, die Kühlvorrichtung aus zumindest einem mit dem Schmierölsystem des Abgasturboladers verbundenen Zuführkanal und einer Verteileinrichtung zur Verteilung von Schmieröl aus dem Schmierölsystem an der Zwischenwand besteht. Die Verteileinrichtung ist mit dem Zuführkanal verbunden, in der oder turbinenseitig der Zwischenwand angeordnet und zu dieser ausgerich tet.

Bei dieser Anordnung wird mit dem Schmieröl ein ohnehin vorhandenes Medium, welches bisher jedoch ausschließlich für die Schmierung und die Kühlung der Lager des Abgasturboladers verwendet wurde, zur Kühlung des Verdichterrades eingesetzt. Dabei wird die Verdichterradrückwand jedoch nicht direkt, sondern indirekt über die ihr benachbarte Zwischenwand gekühlt. Auf diese Weise kann die durch Reibung im Spalt zwischen der rotierenden Verdichterradrückwand und der stillstehenden Zwischenwand entstehende Wärmeenergie abgeführt werden, ohne die im Verdichter komprimierte Luft zu beeinflussen. Somit wird eine effek tive Kühlung der Verdichterradrückwand ohne den Einsatz eines externen Kühl mittels erreicht.

Vor seinem Eintritt in die Lager hat das Schmieröl eine geringere Temperatur als die Materialtemperatur des Verdichterrades. Zudem besitzt es gegenüber der im Stand der Technik verwendeten Kühlluft etwa die doppelte spezifische Wärmeka pazität und eine wesentlich größere Dichte. Dadurch kann bereits bei Verwen dung von relativ kleinen Ölmengen eine ausreichende Kühlung des Verdichterra des erreicht werden.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Zuführkanal in einen Ringkanal mündet, welcher seinerseits über zumindest einen Kanal mit der Verteileinrichtung verbun den ist. Aufgrund dieser Ausbildung reicht ein einziger Zuführkanal zum Aufbau eines ausreichenden und konstanten Öldruckes im Bereich der zu kühlenden Ver dichterradrückwand aus.

In einer ersten Ausführungsform der Erfindung ist die Verteileinrichtung als Kühl kanal ausgebildet, welcher einerseits von der Zwischenwand und andererseits vom der Zwischenwand benachbarten Gehäuseteil des Abgasturboladers be grenzt wird. Dabei schließt das Lagergehäuse turbinenseitig an der Zwischen wand an, so daß der Kühlkanal zwischen dem Lagergehäuse und der Zwischen wand angeordnet ist. Weil damit ein relativ großer Bereich der Zwischenwand gekühlt wird und der Kühlkanal zudem direkt an der Zwischenwand anliegt, kann eine besonders intensive Kühlwirkung erzielt werden.

Gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung ist die am oder im der Zwi schenwand benachbarten Gehäuseteil des Abgasturboladers angeordnete Ver teileinrichtung als zumindest eine Spritzdüse ausgebildet. Dabei schließt das La gergehäuse turbinenseitig an die Zwischenwand an, so daß die zumindest eine Spritzdüse am oder im Lagergehäuse angeordnet ist. Bei dieser Ausbildung der Verteileinrichtung kann ein noch größerer Bereich der Zwischenwand mit Schmieröl beaufschlagt und damit die Kühlwirkung verbessert werden.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn mehrere Spritzdüsen am oder im Lagergehäu se angeordnet und gleichmäßig über dessen Umfang verteilt sind. Dadurch wird eine gleichmäßige Verteilung des Schmieröls über den Umfang der Zwischen wand erreicht, was eine weitere Verbesserung der Kühlwirkung zur Folge hat.

In einer nächsten Ausführungsform der Erfindung besteht die Verteileinrichtung aus einem zweiten, an der Zwischenwand angeordneten Ringkanal sowie aus zu mindest einer mit letzterem verbundenen und in der Zwischenwand ausgebildeten Spritzdüse. Dadurch kann das Schmieröl bei Bedarf gezielt auf heiße Stellen der Zwischenwand geleitet werden.

Es ist wiederum besonders zweckmäßig, wenn mehrere Spritzdüsen in der Zwi schenwand angeordnet und gleichmäßig über deren Umfang verteilt sind.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

In der Zeichnung sind mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand des Radialverdichters eines Abgasturboladers mit Innenlagerung dargestellt.

Es zeigen:

Fig. 1 den Längsschnitt eines Abgasturboladers des Standes der Technik;

Fig. 2 einen Teillängsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Radialverdich ter;

Fig. 3 einen Darstellung gemäß Fig. 2, jedoch in einem zweiten Ausfüh rungsbeispiel;

Fig. 4 einen Darstellung gemäß Fig. 2, jedoch in einem dritten Ausfüh rungsbeispiel.

Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Elemente gezeigt. Nicht dargestellt ist von der Anlage beispielsweise die mit dem Abgasturbolader verbundene Brennkraftmaschine. Die Strömungsrichtung der Arbeitsmittel ist mit Pfeilen bezeichnet.

Weg zur Ausführung der Erfindung

Die Fig. 1 zeigt den Längsschnitt durch einen Abgasturbolader 1 des Standes der Technik. Dieser besteht hauptsächlich aus einem Verdichter 2 und einer Ab gasturbine 3, welche auf einer gemeinsamen Welle 4 angeordnet sind. Turbinen seitig schließt an den Verdichter 2 ein als Lagergehäuse ausgebildeter, benach barter Gehäuseteil 5 an. Da demnach das Lagergehäuse 5 zwischen dem Ver dichter 2 und der Abgasturbine 3 angeordnet ist, handelt es sich um einen Abgas turbolader 1 mit einer sogenannten Innenlagerung. Das Lagergehäuse 5 ist mit zwei druckölgespeisten Lagern 6, 7 für die Welle 4 ausgestattet und nimmt ein zur Versorgung der Lager 6, 7 dienendes Schmierölsystem 8 auf (Fig. 1). Letzteres ist mit der Schmierölversorgung einer nicht dargestellten, mit dem Abgasturbolader 1 zusammenwirkenden und als Dieselmotor ausgebildeten Brennkraftmaschine ver bunden.

Die als Axialturbine ausgebildete Abgasturbine 3 besitzt ein aus einem axialen Gaseintrittgehäuse 9 und einem Gasaustrittgehäuse 10 bestehendes Turbinenge häuse 11, welches ein Turbinenrad 12 mit einer Anzahl von Turbinenlaufschaufeln 13 aufnimmt. Im Turbinengehäuse 11 ist ein Strömungskanal 14 für die Abga se des Dieselmotors ausgebildet. Stromauf der im Strömungskanal 14 befindli chen Laufschaufeln 13 ist ein Düsenring 15 angeordnet.

Der Verdichter 2 ist als Radialverdichter ausgebildet. Er besteht aus einem Ver dichtergehäuse 16 und einem mit Verdichterlaufschaufeln 17 sowie einer Nabe 18 ausgestatteten Verdichterrad 19. Zur Aufnahme der Welle 4 ist die Nabe 18 mit einer Durchgangsbohrung 20 versehen. Die Welle 4 besitzt ein verdichterseitiges Wellenende 21 mit einem Außengewinde 22, welches eine der drehfesten Ver bindung von Welle 4 und Nabe 18 dienende Mutter 23 aufnimmt. Das Verdich tergehäuse 16 ist mittels einer Zwischenwand 24 zum Lagergehäuse 5, als dem benachbarten Gehäuseteil des Abgasturboladers 1, abgeschlossen. Das Ver dichterrad 19 weist eine der Zwischenwand 24 benachbarte Verdichterradrück wand 25 auf. Zwischen dem rotierenden Verdichterrad 19, d. h. zwischen seiner Verdichterradrückwand 25 und der feststehenden Zwischenwand 24 ist ein Dicht spalt 26 ausgebildet. In diesem Dichtspalt 26 ist eine das Verdichtergehäuse 16 gegenüber dem Lagergehäuse 5 abdichtende Labyrinthdichtung 27 angeordnet.

Beim Betrieb des Dieselmotors gelangen dessen heiße Abgase durch das Gas eintrittgehäuse 9 der Axialturbine 3 bzw. den darin angeordneten Strömungskanal 14 zum Turbinenrad 12 der Axialturbine 3. Dabei hat der Düsenring 15 die Aufga be, die Abgase optimal auf die Turbinenlaufschaufeln 13 zu leiten. Das somit an getriebene Turbinenrad 12 sorgt seinerseits für den Antrieb des mit ihm über die Welle 4 verbundenen Verdichterrades 19. Die im Verdichter 2 komprimierte Luft wird zur Aufladung, d. h. zur Leistungssteigerung des Dieselmotors eingesetzt. Zur Schmierung der Lager 6, 7 des Abgasturboladers 1 wird Schmieröl 28 über das Schmierölsystem 8 zugeführt und anschließend über einen Ölablauf 29 wieder abgeleitet.

Erfindungsgemäß besitzt der Radialverdichter 2 eine zur Verdichterradrückwand 25 ausgerichtete Kühlvorrichtung 30. Diese besteht aus einem mit dem Schmier ölsystem 8 verbundenen Zuführkanal 31 und einer Verteileinrichtung 32 für das Schmieröl 28 aus dem Schmierölsystem 8 an der Zwischenwand 24. In einem er sten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Verteileinrichtung 32 als Kühlkanal ausgebildet, der einerseits von der Zwischenwand 24 und andererseits vom La gergehäuse 5 des Abgasturboladers 1 begrenzt wird. Dazu mündet der Zuführka nal 31 in einen Ringkanal 33, welcher seinerseits über mehrere Kanäle 34 mit dem Kühlkanal 32 verbunden ist (Fig. 2).

Beim Verdichtungsvorgang entsteht in dem zwischen der rotierenden Verdichter radrückwand 25 und der stillstehenden Zwischenwand 24 des Verdichtergehäu ses 16 ausgebildeten Dichtspalt 26 viel Wärmeenergie. Dabei ist die Betriebs temperatur im äußeren Bereich des Verdichterrades 19 am größten, so daß dort eine große Materialbelastung auftritt. Unmittelbar benachbart zu diesem kri tischen Bereich, d. h. turbinenseitig der Zwischenwand 24, ist der Kühlkanal 32 angeordnet. Es kommt somit zu einer indirekten Kühlung der Verdichterradrück wand 25. Dabei wird durch das relativ kalte, noch vor den Lagern 6, 7 aus dem Schmierölsystem 8 abgezweigte Schmieröl 28 eine effektive Kühlwirkung erzielt. Anschließend wird das erhitzte Schmieröl durch den Ölablauf 29 abgeleitet und gelangt über einen nicht dargestellten Ölkühler erneut zur Schmierölversorgung des Dieselmotors. Natürlich kann das Schmieröl 28 auch nach der Schmierung und Kühlung der Lager 6, 7 verwendet werden. Weil allerdings die Temperatur differenz des gebrauchten Schmieröls 28 zur Zwischenwand 24 niedriger als bei ungebrauchtem Schmieröl 28 ist, resultiert daraus eine geringere Kühlwirkung.

Bei einem zweiten Ausführungsbeispiel besteht die ebenfalls zur Verdichterrad rückwand 25 ausgerichtete Kühlvorrichtung 30 aus dem mit dem Schmierölsystem 8 verbundenen Zuführkanal 31 und einer Verteileinrichtung 35. Die Verteileinrich tung 35 ist als eine Anzahl von im Lagergehäuse 5 angeordneten Spritzdüsen ausgebildet, welche gleichmäßig über den Umfang des Lagergehäuse 5 verteilt sind. Dazu mündet der Zuführkanal 31 wiederum in den Ringkanal 33, welcher seinerseits über jeweils einen Kanal 36 mit jeder der Spritzdüsen 35 verbunden ist. Turbinenseitig der Zwischenwand 24 sind mehrere, gleichmäßig über deren Umfang verteilte Versteifungsrippen 37 angeordnet (Fig. 3). Entsprechend dem Spritzwinkel der Spritzdüsen 35 wird somit gegenüber dem ersten Ausführungs beispiel ein noch größerer Bereich der Zwischenwand 24 mit Schmieröl 28 be aufschlagt, so daß die Kühlwirkung weiter verbessert werden kann.

In einem dritten Ausführungsbeispiel ist die Kühlvorrichtung 30 gleichfalls zur Ver dichterradrückwand 25 ausgerichtet. Sie besteht aus dem mit dem Schmierölsy stem 8 verbundenen Zuführkanal 31 und einer Verteileinrichtung 38. Letztere weist einen zweiten, in der Zwischenwand 24 angeordneten Ringkanal 39 sowie eine Anzahl mit diesem verbundene und in der Zwischenwand 24 ausgebildete sowie gleichmäßig über deren Umfang verteilte Spritzdüsen 40 auf. Dazu mündet der Zuführkanal 31 ebenfalls in den Ringkanal 33, welcher seinerseits über meh rere Kanäle 41 mit dem Ringkanal 39 verbunden ist (Fig. 4). Die Funktion ist ähn lich der des zweiten Ausführungsbeispiels, wobei hier jedoch der Abstand von der Spritzdüse 40 zur Zwischenwand 24 kürzer ist. Dadurch kann bei Bedarf ein klei ner Teil der Zwischenwand 24 gezielt gekühlt werden.

Natürlich können die Lösungen entsprechend der o.g. Ausführungsbeispiele auch bei einem Abgasturbolader mit Außenlagerung eingesetzt werden. In diesem Fall ist die Zwischenwand 24 nicht zwischen der Verdichterradrückwand 25 und dem Lagergehäuse 5 sondern zwischen der Verdichterradrückwand 25 und einem an deren benachbarten Gehäuseteil 5, beispielsweise dem Turbinengehäuse ange ordnet.

Bezugszeichenliste

1

Abgasturbolader

2

Verdichter, Radialverdichter

3

Abgasturbine, Axialturbine

4

Welle

5

benachbarter Gehäuseteil, Lagergehäuse

6

Lager

7

Lager

8

Schmierölsystem

9

Gaseintrittgehäuse

10

Gasaustrittgehäuse

11

Turbinengehäuse

12

Turbinenrad

13

Turbinenlaufschaufel

14

Strömungskanal

15

Düsenring

16

Verdichtergehäuse

17

Verdichterlaufschaufel

18

Nabe

19

Verdichterrad

20

Durchgangsbohrung

21

Wellenende, verdichterseitig

22

Außengewinde

23

Mutter

24

Zwischenwand

25

Verdichterradrückwand

26

Dichtspalt

27

Labyrinthdichtung

28

Schmieröl

29

Ölablauf

30

Kühlvorrichtung

31

Zuführkanal

32

Verteileinrichtung, Kühlkanal

33

Ringkanal

34

Kanal, zu

32

35

Verteileinrichtung, Spritzdüse

36

Kanal, zu

35

37

Versteifungsrippe

38

Verteileinrichtung

39

Ringkanal, in

24

40

Spritzdüse

41

Kanal, zu

38

Claims

1. Abgasturbolader mit einem Radialverdichter (2), einer Abgasturbine (3), ei ner gemeinsamen Welle (4) sowie einem Lagergehäuse (5), wobei der Ra dialverdichter (2) ein Verdichtergehäuse (16), ein Verdichterrad (19) mit ei ner Verdichterradrückwand (25), eine Zwischenwand (24) zu einem turbi nenseitig benachbarten Gehäuseteil des Abgasturboladers (1) sowie eine zur Verdichterradrückwand (25) ausgerichtete Kühlvorrichtung (30) auf weist und das Lagergehäuse (5) ein integriertes Schmierölsystem (8) sowie zumindest ein druckölgespeistes Lager (6, 7) für die Welle (4) des Abgas turboladers (1) besitzt, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlvorrichtung (30) aus zumindest einem mit dem Schmierölsystem (8) verbundenen Zu führkanal (31) sowie einer Verteileinrichtung (32, 35, 38) besteht, wobei letztere mit dem Zuführkanal (31) verbunden, in der oder turbinenseitig der Zwischenwand (24) angeordnet und zu dieser ausgerichtet ist.

2. Abgasturbolader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zu führkanal (31) in einen Ringkanal (33) mündet und letzterer über zumindest einen Kanal (34, 36, 41) mit der Verteileinrichtung (32, 35, 38) verbunden ist.

3. Abgasturbolader nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verteileinrichtung (32) als ein einerseits von der Zwischenwand (24) und andererseits vom der Zwischenwand (24) benachbarten Gehäuseteil des Abgasturboladers (1) begrenzter Kühlkanal ausgebildet ist.

4. Abgasturbolader nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das La gergehäuse (5) turbinenseitig an die Zwischenwand (24) anschließt und der Kühlkanal (32) zwischen Lagergehäuse (5) und Zwischenwand (24) angeordnet ist.

5. Abgasturbolader nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verteileinrichtung (35) am oder im der Zwischenwand (24) benachbar ten Gehäuseteil des Abgasturboladers (1) angeordnet und als zumindest eine Spritzdüse ausgebildet ist.

6. Abgasturbolader nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das La gergehäuse (5) turbinenseitig an die Zwischenwand (24) anschließt und die zumindest eine Spritzdüse (35) am oder im Lagergehäuse (5) angeord net ist.

7. Abgasturbolader nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Spritzdüsen (35) am oder im Lagergehäuse (5) angeordnet und gleichmäßig über dessen Umfang verteilt sind.

8. Abgasturbolader nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verteileinrichtung (38) aus einem an der Zwischenwand (24) angeord neten Ringkanal (39) sowie aus zumindest einer mit letzterem verbundenen und in der Zwischenwand (24) ausgebildeten Spritzdüse (40) besteht.

9. Abgasturbolader nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Spritzdüsen (40) in der Zwischenwand (24) angeordnet und gleichmäßig über deren Umfang verteilt sind.