DE202009015888U1

DE202009015888U1 - Dichtanordnung einer Welle

Info

Publication number: DE202009015888U1
Application number: DE202009015888U
Authority: DE
Original assignee: Bosch Mahle Turbo Systems GmbH and Co KG
Current assignee: BMTS Technology GmbH and Co KG
Priority date: 2009-11-20
Filing date: 2009-11-20
Publication date: 2010-02-25
Anticipated expiration: 2019-11-21

Abstract

Anordnung einer Welle (11) in einer Öffnung zwischen einem pulsationsbehafteten und einem pulsationsarmen Gasraum, insbesondere zwischen einem turbinengasseitigen und einem turbinengasfernen Bereich einer Gasturbine, insbesondere eines Abgasturboladers mit Waste-Gate-Ventil (9) und zu dessen Betätigung vorgesehener Verstellwelle (11), dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnung und die Welle (11) an einer turbinengasseitigen bzw. pulsationsnahen und einer turbinengasfernen bzw. pulsationsfernen Zone gegeneinander abgedichtet sind, und dass die Dichtzonen einen zwischen ihnen ausgebildeten Leerraum (15) abschließen, dessen Volumen zur Dämpfung von Druckpulsationen eindringender Fluide oder Gase nutzbar bzw. bemessen ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Dichtanordnung einer Welle in einer Öffnung zwischen einem pulsationsbehafteten und einem pulsationsarmen Gasraum, insbesondere zwischen einem turbinengasseitigen und einem turbinengasfernen Bereich einer Gasturbine, insbesondere eines Abgasturboladers mit Waste-Gate-Ventil und zu dessen Betätigung vorgesehener Verstellwelle.
Zur Optimierung der Leistung und des Betriebs eines Abgasturboladers sind einerseits eine so genannte variable Turbinengeometrie (VTG) und andererseits Waste-Gate-Ventile bekannt. Bei einer variablen Turbinengeometrie sind im Strömungsweg des Abgases unmittelbar vor dem Turbinenrad Leitschaufeln angeordnet, die einerseits den Querschnitt des den Abgasen zur Verfügung stehenden Strömungswegs und andererseits die Strömungsrichtung der Abgase relativ zum Turbinenrad verändern können. Mit einem Waste-Gate-Ventil wird ein das Turbinenrad umgehender Bypass-Weg für die Abgase gesteuert, so dass die das Turbinenrad beaufschlagende Abgasmenge entsprechend verändert wird.
Sowohl zur Verstellung der Leitschaufeln der variablen Turbinengeometrie als auch zur Verstellung von Steuerklappen der Waste-Gate-Ventile dienen regelmäßig Verstellwellen, die im Gehäusekörper des Abgasturboladers angeordnete Öffnungen zwischen einem turbinengasseitigen und dementsprechend pulsationsbehafteten Bereich und einem turbinengasfernen und in der Regel pulsationsarmen Bereich durchsetzen.
In diesem Zusammenhang ist es aus der DE 20 2005 098 606 U1 bekannt, die Verstellwelle in einer von einer Buchse gebildeten Öffnung drehbar anzuordnen. Dabei besitzt die Verstellwelle eine gestufte Außenkontur, derart, dass ein verdickter Mittelabschnitt der Welle innerhalb der Buchse angeordnet ist, wobei der Ringspalt zwischen dem Außenumfang der Welle und dem Innenumfang der Buchse durch einen Dichtring abgesperrt wird, der dazu in einer Umfangsnut der Welle angeordnet ist.
Diese bekannte Dichtanordnung besitzt nur eine begrenzte Lebensdauer, so dass grundsätzlich das Problem einer pulsationsfesten Abdichtung von Verstellwellen und dergleichen an einem Abgasturbolader besteht.
Aufgabe der Erfindung ist es nun, eine Abdichtung der eingangs angegebenen Art mit hoher Lebensdauer zu schaffen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Öffnung und die Welle an einer turbinengasseitigen und einer turbinengasfernen Zone gegeneinander abgedichtet sind, und dass die Dichtzonen einen zwischen ihnen ausgebildeten Leerraum abschließen, dessen Volumen zur Dämpfung von Druckpulsationen eindringender Turbinengase nutzbar bzw. bemessen ist.
Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, strömungsdynamische Effekte in komprimierbaren Fluiden zur Verbesserung der Dichtigkeit einer Wellendurchführung an Gehäusekörpern einer Gasturbine auszunutzen. Zu diesem Zweck sind zwei Dichtungen in Leckagerichtung hintereinander geschaltet und mit einem zwischen den Dichtungen verbleibenden Leer- bzw. Gasraum kombiniert, der die in Leckagerichtung zweite Dichtung gegenüber Pulsationen weitestgehend abschirmt und damit die Wirkung der erfindungsgemäßen Dichtanordnung deutlich über das bei einer Doppelanordnung von Dichtungen zu erwartende Maß erhöht.
Die Erfindung ist keineswegs auf Verstellwellen einer variablen Turbinengeometrie oder einer Waste-Gate-Ventilanordnung beschränkt. Vielmehr ist die Erfindung auch für die Rotorwelle eines Abgasturboladers zwischen Turbinenrad und Atmosphäre bzw. zwischen Verdichterrad und Atmosphäre nutzbar.
Gemäß einer konstruktiv bevorzugten Ausführungsform der Erfindung können die Dichtzonen als dichtende Drosselspalte zwischen Außenumfang der Welle und Innenumfang der Öffnung ausgebildet sein. Des Weiteren kann zur Ausbildung des Leerraums zwischen den Dichtungen an der Welle axial zwischen den Dichtzonen ein verjüngter Abschnitt vorgesehen sein.
Im Übrigen können die Dichtzonen als Gleitlager der Welle ausgebildet oder vorgesehen sein.
Hinsichtlich weiterer bevorzugter Merkmale der Erfindung wird auf die Ansprüche und die nachfolgende Erläuterung der Zeichnung verwiesen, anhand der eine besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung näher beschrieben wird.
Schutz wird nicht nur für angegebene oder dargestellte Merkmalskombinationen sondern auch für prinzipiell beliebige Kombinationen der angegebenen oder dargestellten Einzelmerkmale beansprucht.
In der Zeichnung zeigt
1 eine stark schematisierte Darstellung eines Abgasturboladers mit dem Turbinenrad zugeordneten Waste-Gate-Ventil und
2 verschiedene perspektivische Darstellungen einer spindelartigen Verstellwelle sowie einer dieselbe aufnehmende Buchse.
Gemäß 1 besitzt ein Abgasturbolader 1 in bekannter Weise einen Turbinenteil 2 und einen Verdichterteil 3. Dabei ist der Turbinenteil 2 eingangsseitig mit der Auslassseite eines Verbrennungsmotors 4 und ausgangsseitig mit der Atmosphäre verbunden, während der Verdichterteil eingangsseitig mit der Atmosphäre kommuniziert und ausgangsseitig an die Einlassseite des Verbrennungsmotors 4 anschließt. Die vom Verbrennungsmotor 4 kommenden Abgase treiben im Turbinenteil 2 ein Turbinenrad 5, welches über eine Rotorwelle 6 antriebsmäßig mit einem Verdichterrad 7 des Verdichterteils 3 verbunden ist. Dementsprechend führt das Verdichterrad 7 aus der Atmosphäre kommende Luft unter Verdichtung zum Verbrennungsmotor 4, wobei in der Regel zwischen Verdichterteil 3 und Verbrennungsmotor 4 ein nicht dargestellter Ladeluftkühler für die verdichtete Luft angeordnet ist.
Um die Menge der das Turbinenrad 5 beaufschlagenden Abgase den jeweiligen Betriebsbedingungen optimal anpassen zu können, ist zwischen der Eingangsseite und der Ausgangsseite des Turbinenteils 2 eine die vom Verbrennungsmotor 4 kommenden Abgase am Turbinenrad 5 vorbeiführende Bypassleitung 8 angeordnet, die durch eine Waste-Gate-Klappe 9 gesteuert wird. Die Waste-Gate-Klappe 9 ist gemäß der schematisierten Darstellung der 1 und 2 bspw. an einem Schwenkarm 10 angeordnet, der seinerseits drehfest mit einer Welle 11 verbunden ist, deren vom Schwenkarm 10 entferntes Ende drehfest mit einem Aktuatorarm 12 verbunden ist. Der Aktuatorarm 12 ist seinerseits antriebsmäßig mit einem Aktor 13 gekoppelt, so dass die Waste-Gate-Klappe 9 bei entsprechender Betätigung des Aktors 13 die Bypass-Leitung steuerbar öffnet.
Die Welle 11 durchsetzt eine bspw. durch eine Buchse 14 gebildete Öffnung, die im Gehäuse des Abgasturboladers 1 zwischen einem Abgas- bzw. Turbinengasbereich und der Atmosphäre angeordnet ist. Die 2 verdeutlicht im Bild A unter Weglassung aller Gehäusekörperteile des Turboladers 1 in perspektivischer Darstellung die Waste-Gate-Klappe 9 am Schwenkarm 10, der über eine spindelartige, die Buchse 14 durchsetzende Welle 11 mit dem Aktuatorarm 12 drehfest verbunden ist.
Wie insbesondere den Bildern B und C der 2 entnommen werden kann, besitzt die spindelartige Welle 11 einen taillierten Mittelabschnitt 11' mit vergleichsweise geringem Durchmesser und Endabschnitte 11'' mit deutlich größerem Durchmesser. Die Umfangsflächen dieser Endabschnitte 11'' wirken mit der Innenumfangsfläche der Buchse 14, die eine zylindrische Bohrung aufweist, dichtend zusammen, das heißt die Außenumfangsflächen der Endabschnitte der spindelartigen Welle 11 bilden mit der Innenumfangsfläche der Buchse 14 einen nahezu dichten Drosselspalt. Gleichzeitig ist die spindelartige Welle 11 mit ihren Endabschnitten 11'' in der Buchse 14 gleitend drehgelagert. Aufgrund des taillierten Mittelabschnitts der spindelartigen Welle 11 wird innerhalb der Buchse 14 ein ringförmiger Leerraum 15, vergleiche das Bild D der 2, gebildet, welcher gegenüber eindringenden Abgasen als Pulsationsdämpfer wirkt. Soweit die pulsationsbehafteten Abgase am turbinenseitigen Ende der Buchse 14 den dortigen Dicht- bzw. Drosselspalt durchdringen, können aufgrund der extremen Drosselwirkung nur im Vergleich zum Volumen des Leerraums 15 geringe Mengen des Abgases in den Leerraum 15 gelangen, so dass dort im Vergleich zu den Pulsationen im Turbinenteil 2 nur stark verminderte Pulsationen auftreten können. Dementsprechend wird der Dicht- bzw. Drosselspalt am atmosphärenseitigen Ende der Buchse 14 nur wenig durch Pulsationen beaufschlagt und entfaltet eine besonders hohe Dichtwirkung.
Im Ergebnis wird damit eine gegenüber dem Stand der Technik deutlich verbesserte Abdichtung einer Welle in der von ihr durchsetzten Öffnung erzielt.
Im Hinblick auf die im Falle eines Turboladers hohe thermische Belastung der Buchse 14 sowie der spindelartigen Welle 11 können beide Elemente aus einem keramischen Material hergestellt sein, welches nur eine vernachlässigbare Ausdehnung bei Temperaturerhöhung besitzt.
Die Erfindung ist nicht auf die Anwendung auf Waste-Gate-Ventile beschränkt. Grundsätzlich könnte auch die Rotorwelle 6 im Gehäusekörper des Turbinenteils 2 bzw. des Verdichterteils 3 entsprechend ausgebildet oder angeordnet sein.
Im Übrigen ist die Erfindung nicht auf Dichtzonen beschränkt, die als Dichtspalt mit extremer Drosselwirkung ausgebildet sind. Vielmehr sind auch „offene” Dichtzonen, wie z. B. Labyrinthdichtungen denkbar. Durch den im Leckageweg zwischen den Dichtzonen angeordneten Leerraum 15 wird die jeweils zweite Dichtzone gegenüber Pulsationen abgeschirmt, so dass insgesamt eine hohe Leckagesicherheit gewährleistet werden kann.
Der allgemeine Erfindungsgedanke besteht also im Wesentlichen darin, dass zur Abdichtung einer Welle in einer Öffnung zwei axial voneinander beabstandete Dichtzonen vorgesehen sind, die einen zwischen ihnen angeordneten Leerraum nach außen abschließen. Das Volumen des Leerraumes ist derart bemessen, dass an einer Dichtzone gegebenenfalls eintretende pulsationsbehaftete Fluide bzw. Gase innerhalb des Leerraumes nur stark gedämpfte Pulsationen bewirken können.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 202005098606 U1 [0004]

Claims

Anordnung einer Welle (11) in einer Öffnung zwischen einem pulsationsbehafteten und einem pulsationsarmen Gasraum, insbesondere zwischen einem turbinengasseitigen und einem turbinengasfernen Bereich einer Gasturbine, insbesondere eines Abgasturboladers mit Waste-Gate-Ventil (9) und zu dessen Betätigung vorgesehener Verstellwelle (11), dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnung und die Welle (11) an einer turbinengasseitigen bzw. pulsationsnahen und einer turbinengasfernen bzw. pulsationsfernen Zone gegeneinander abgedichtet sind, und dass die Dichtzonen einen zwischen ihnen ausgebildeten Leerraum (15) abschließen, dessen Volumen zur Dämpfung von Druckpulsationen eindringender Fluide oder Gase nutzbar bzw. bemessen ist.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtzonen als dichtende Drosselspalte zwischen dem Außenumfang der Welle (11) und dem Innenumfang der Öffnung ausgebildet sind.
Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (11) axial zwischen den Dichtzonen einen taillierten Abschnitt aufweist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnung axial zwischen den Dichtzonen einen im Vergleich zu den Dichtzonen vergrößerten Durchmesser aufweist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtzonen als Gleitlager der Welle (11) in der Öffnung ausgebildet sind.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die von der Welle (11) durchsetzte Öffnung als Bohrung einer Buchse (14) ausgebildet ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (11) sowie die von ihr durchsetzte Öffnung aus keramischem oder ähnlichem Material mit geringem thermischen Ausdehnungskoeffizient ausgebildet sind.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (11) als Verstellwelle einer Waste-Gate-Klappe (9) eines Abgasturboladers (1) ausgebildet ist.