DE2829150A1 - Abgasturbolader - Google Patents

Abgasturbolader

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DE2829150A1
DE2829150A1 DE19782829150 DE2829150A DE2829150A1 DE 2829150 A1 DE2829150 A1 DE 2829150A1 DE 19782829150 DE19782829150 DE 19782829150 DE 2829150 A DE2829150 A DE 2829150A DE 2829150 A1 DE2829150 A1 DE 2829150A1
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exhaust gas
bearing
turbine
housing
gas turbocharger
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DE19782829150
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Werner Branscheid
Udo Hardt
Erich Dr Ing Lenk
Heinz Dipl Ing Schippers
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Barmag Barmer Maschinenfabrik AG
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Description

■ζ'
b a r m a g
Banner Maschinenfabrik
Aktiengesellschaft Remscheid - Lennep
11 ABGASTURBOLADER "
Bag. 1077
909884/0023
Abgasturbolader für Brennkraftmaschinen bestehen aus einer Abgasturbine, welche einen Kompressor, üblicherweise einen Zentrifugalverdichter, antreibt. Der Abgasturbolader dient dem Zweck, die Abgasenergie der Brennkraftmaschine auszunutzen, um die Brennkraftmaschine mit Luft erhöhten Luftdrucks aufzuladen. Hierdurch wird die Leistung der Brennkraftmaschinen gesteigert. Abgasturbolader können sowohl bei Dieselmaschinen als auch bei Ottomaschinen Anwendung finden.
Die Drehzahlen derartiger Abgasturbolader liegen bei über 100.000 U/min. Aus diesem Grunde werden für die Lagerung der gemeinsamen Welle von Abgasturbine und Zentrifugalverdichter, vorzugsweise hydrostatische oder hydrodynamische Gleitlagerungen, verwandt. In der Abgasturbine treten Temperaturen von über 800 C bei Dieselmotoren und über 1.000° C bei Ottomotoren auf. Aus diesem Grunde stellt der Wärmefluß zwischen dem Turbinengehäuse und dem benachbarten Lagergehäuse ein besonderes Problem für die Wirkungsweise und den Verschleiß der hydraulischen Lagerung dar.
Aufgabe der Erfindung ist es, bei einem Abgasturbolader für Brennkraftiaaschinen den Wärmefluß von der Abgasturbine in das Lagergehäuse und damit eine Schädigung der Lager bzw. eine Beeinträchtigung ihrer Funktion zu verhindern.
Es hat sich herausgestellt, daß die Lagerung infolge ihrer Lage zwischen der Abgasturbine einerseits und dem Verdichter andererseits nur dann so weit gekühlt werden kann, daß keine für die Flüssigkeitslager schädlichen Temperaturen auftreten, wenn der Wärmefluß von der Abgasturbine in das Lagergehäuse unu die Welle wirksam unterbunden wird.
809814/0023
Eine erste Maßnahme dies zu erreichen, ist - wie Anspruch vorschlägt - eine Wärmeisolierschicht auf der Wandung des Turbinengehäuses und/oder der Wandung des Lagergehäuses, soweit diese Wandungen benachbart sind.
Eine weitere, besonders vorteilhafte Lösung, welche nicht nur eine Isolierung sondern,infolge Kaminwirkung, auch eine Kühlung bewirkt, besteht darin, daß das Turbinengehäuse und das Lagergehäuse durch einen Kühlspalt voneinander getrennt werden und daß das Turbinengehäuse und das Lagergehäuse zwar durch einen ringförmigen Steg miteinander verbunden sind, daß dieser Steg aber in Einbaulage oben und unten öffnungen aufweist. Diese Lösung hat überdies noch den besonderen Vorteil, daß infolge der Durchbrechungen nur sehr geringe metallische Wärmebrücken zwischen dem Turbinengehäuse und dem Lagergehäuse vorhanden sind.
Der Steg wird vorteilhafterweise als Radialflansch ausgebildet, der mit dem Lagergehäuse oder dem Turbinengehäuse verbunden ist und in dem das jeweils andere Gehäuse zentriert ist.
Der erfindungsgemäße Vorschlag der Wärmeisolierung zwischen Turbinengehäuse und Lagergehäuse wird in einer bevorzugten Ausfuhrungsform, welche für sich oder in Gemeinschaft mit den zuvor vorgeschlagenen Maßnahmen wirksam ist, dadurch verwirklicht, daß die Innenseite der Begrenzungswand des Lagergehäuses, welche dem Turbinengehäuse benachbart ist, auf einer Ringfläche rings um das dem Turbinenrad benachbarte Wellenende mit einem ständigen ülstrom benetzt wird, wozu die in Anspruch 6 vorgeschlagene Lösung dient. Nach dieser Lösung wird öl, vorzugsweise Öl, welches zwischen den mit Drucköl gespeisten hydraulischen Lagern aus diesen austritt, in einem die Welle umgebenden Ringraum gesammelt, durch die Welle hindurch abgepumpt und infolge Zentrifugalkraft gegen die Begrenzungswand des Lagergehäuses geschleu-
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dert. Der Ringraum, in welchem sich das Öl sammelt, kann dabei - radial gesehen - zwischen einem durchgehenden Lagerauge und der Welle oder aber zwischen einer Hülse und der Welle gebildet werden, wobei die Hülse in zwei getrennten Lageraugen flüssigkeitsdicht aufgenommen ist und vorzugsweise auch zur haltung des Achsabstandes der Lager dient. Axial gesehen wird der Ringraum vorzugsweise durch eine oder zwei Lagerbuchsen der hydraulischen Lagerung begrenzt, so daß das aus zwei hydraulischen Lagerungen austretende öl in dem Ringraum gesammelt wird.
Die durch Anspruch 10 vorgeschlagene Ausführungsform der Erfindung nach Anspruch 1 ist wiederum als selbständige Maßnahme oder in Verbindung mit den Ansprüchen 2 bis 9 denkbar. Ihr Vorteil besteht darin, daß die Luftkühlung des Turbinengehäuses unabhängig von dem statischen Luftdruck des Verdichters bzw. der Turbine ist. Die Lösung ist dadurch gekennzeichnet, daß in die zur Brennkraftmaschine führende Luftleitung eine Kühlluftleitung mit gegen den Luftstrom gerichteter Mündung mündet, welche Kühlluftleitung cinlaßseitig in die Abgasturbine führt und vorzugsweise in der Abgasleitung einen querschnittsverengten Ringspalt bildet.
Kin weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung nach Anspruch 1 ist dadurch gekennzeichnet, daß der Wellenstumpf, an welchem das Turbinenrad befestigt ist, eine koaxiale Bohrung aufweist, welche sich axial bis in oder kurz vor den Bereich der hydraulischen Lager erstreckt und welche radial gerade so viel Wellenmaterial übrig läßt, daß die Übertragung der max. Dreh- und Biegemomente gewährleistet bleiüt. Durch diese Maßnahme wird die Wärmebrücke zwischen dem Turbinenrad und der Welle sehr klein gehalten, so daß auch über die Welle nur ein begrenzter Wärmestrom in den Bereich der Lagerung gelangen kann. Vorzugsweise werden die Bohrungen evakuiert und in einer umlaufenden Naht mit dem
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ORIGINAL INSPECTED
f-1
Turbinenrad verschweißt, wodurch der Wärmeübergang weiter herabgesetzt werden kann. Die Schweißung kann insbesondere durch Elektronenstahl erfolgen.
lid. folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben.
Es zeigen:
Fig. 1 einen schematischen Schnitt durch einen Abgasturbolader;
Fig. 2 die schematische Darstellung eines Abgasturboladers mit Kühlluftleitung.
Der Abgasturbolader nach Fig. 1 ist aus den drei Gehäuseteilen: Turbinengehäuse 1, Lagergehäuse 2 und Verdichtergehäuse 3 zusammengesetzt. Alle diese Gehäuseteile sind gegeneinander zentriert und zwar, Turbinengehäuse 1 gegenüber Lagergehäuse 2 im Flansch 4 und Verdichtergehäuse 3 gegenüber Lagergehäuse 2 mit Vorsprung 5 in Ausnehmung 6. In dem Lagergehäuse 2 ist die Welle 7 in hydraulischen Radiallagern mit Lagerbuchsen 8 und 9 sowie Axiallager 33 drehbar gelagert. Die hydraulischen Lager 8, 9 und 33 werden durch Bohrung 10, 11, 12 mit Drucköl versorgt. Das Drucköl tritt zu beiden Seiten der Lagerbuchsen 8, 9 an der Welle
29,
und in den Lagerungen 30 wieder aus und fließt durch üffnung 13 in den ülsumpf der Brennkraftmaschine ab. Auf dem einen Wellenende ist das Abgasturbinenrad 14 mit Nabe 15 und Turbinenschaufeln 16 gelagert.
Der Zentrifugalverdichter 3 am anderen Wellenende besteht aus der Wabe 17 und den Schaufeln 18.
Der bis dahin konventionelle Abgasturbolader v/eist die Besonderheiten auf, daß das Lagergehäuse gegenüber dem Turbinengehäuse wärmeisoliert und gekühlt ist. Hierzu sind folgende Maßnahmen ergriffen:
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Die Begrenzungswand 19 des Turbinengehäuses 1 und die Begrenungswand 20 des Lagergehäuses 2 sind so ausgebildet, daß sie miteinander einen ringförmigen Kühlspalt 21 bilden. Auf die besondere Gestalt des Kühlspalts kommt es nicht an. Wesentlich ist lediglich, daß sich der Kühlspalt so weit wie möglich bis auf den Umfang der Welle 7 erstreckt und gegenüber der Achse einen Kegelwinkel (z. B. mehr als 45 ) einschließt, der die Wärmekonvektion der in dem Kühlspalt eingeschlossenen Luft erlaubt. Der Ringraum wird im Ausführungsbeispiel· durch den Flansch 4 begrenzt, welcher sich im Ausführungsbeispiel in radialer Richtung erstreckt und der Zentrierung des Turbinengehäuses 1 gegenüber dem Lagergehäuse dient. Es ist ersichtlich, daß bei geeigneter Umkonstruktion der Flansch sich auch in axialer Richtung erstrecken könnte. Der Flansch kann anstatt am Lagergehäuse auch am Turbinengehäuse befestigt sein. Wesentlich ist, daß der Flansch in Einbaustellung des Abgasturboladers, d.h. in der Stellung, in der die öffnung 13 nach unten weist, unten und oben jeweils ein Loch 22 und 23 aufweist. Die sehr heiße Begrenzungswand 19 des Turbinengehäuses ruft nun in dem Ringraum infolge Kaminwirkung einen ständigen Luftstrom hervor. Dieser Luftstrom hat im wesentlichen Außentemperatur und bewirkt einerseits eine Wärmeisolierung und zum anderen aber auch eine aktive Kühlung der Begrenzungswand 19 des Turbinengehäuses und der Begrenzungswand 20 des Lagergehäuses .
Als andere oder weitere Maßnahme der Wärmeisolierung kann die Begrenzungswand 19 und/oder die Begrenzungswand 20 mit einem wärmeisolierenden Material (nicht dargestellt) beschichtet sein bzw. aus einem wärmeisolierenden Material bestehen.
Als andere oder weitere Maßnahme der Wärmeisolierung /. net sich der Abgasturbolader durch seine besondere Art
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Ölkühlung aus. Zur Kühlung der Welle und der Begrenzungswand 20 zwischen Lagergehäuse und Kühlspalt 21 bzw. Turbinengehäuse 2 weist die Welle 7 eine Axialbohrung 24 auf/ welche sich von der Radialbohrung 25 bis zur Radialbohrung 26 erstreckt. Die Radialbohrung 25 mündet zwischen den beiden hydraulischen Lagern und zwar in einem allseits geschlossenen Ringraum 27, welcher die Welle 7 umgibt. Die Radialbohrung 26 mündet auf einem verdickten Wellenende, so daß der Radius, auf dem die Mündung der Radialbohrung 26 liegt, größer ist als der Radius, auf dem die Mündung der Radialbohrung 25 liegt. In dem Ringraum 27 sammelt sich öl, das aus den Radiallagern mit den Lagerbuchsen 8, 9 quillt. Dieses Öl wird durch die besondere Art der Kanalführung, bestehend aus den Bohrungen 24, 25, 26 aus dem Ringraum 27 abgesaugt und gegen die Begrenzungswand 20 gespritzt. Der besondere Vorteil besteht darin, daß das öl von der Welle 7 im Bereich der Bohrung 26 infolge der Zentrifugalwirkung nach allen Seiten abgeschleudert wird und infolgedessen die gesamte Begrenzungswand auf ihrem ganzen Umfang ständig benetzt und mit einem fließenden Ölfilm versehen wird. Hierdurch erfolgt eine aktive Kühlung der Begrenzungswand 20 und der Welle 7. Es ist ersichtlich, daß diese Kühlwirkung auch dann eintritt, wenn der Kühlspalt 21 nicht vorhanden wäre, d.h., wenn Begrenzungswand 19 und Begrenzungswand 20 dicht aneinander lägen bzw. ein Bauteil bildeten.
Die Axialbohrung 24 bietet den weiteren Vorteil, daß sie die Wärmebrücke vom turbinenseitigen Wellenende zu den Radiallagern schwächt und damit den Wärmefluß vermindert
Der Ringraum 27 wird z.B. dadurch hergestellt, daß die Lagerbuchsen 29, 30 durchgehend hergestellt werden. Im darge-
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stellten Ausführungsbeispiel ist in den getrennten Lagerbüchsen 29, 30 jedoch die Hülse 31 im wesentlichen leckfrei gelagert, die die Welle 7 umgibt und mit ihr den Ringraum 27 bildet. Die Hülse 31 übernimmt dabei gleichzeitig die Funktion, den Achsabstand zwischen den Lagerbuchsen 8,9 der Radiallager zu fixieren.
Hin wesentliches weiteres Merkmal des Abgasturboladers besteht darin, daß seine Welle turbinenseitig über eine beträchtliche axiale Länge, mindestens aber bis kurz vor oaer in den Bereich der Lager die Bohrung 28 aufweist. Diese Bohrung ist so groß, daß lediglich das zur max. Biegeuna Drehmomentübertragung notwendige Material stehen bleibt. Die Bohrung paßt sich daher der äußeren Geometrie der Welle ' an. Das turbinenseitige Wellenende ist über eine umlaufenae Schweißung mit der Nabe 15 des Abgasturbinenrades 14 verbunden. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Bonrung 28 von einem ständigen ülstrom durchflutet. Sofern das Kanalsystem 25, 24, 26 nicht vorhanden ist bzw. sofern sich dieses Kanalsystem bei ausreichender baulicher Länge der Welle 7 von der Bohrung 28 trennen läßt, ist es besonders vorteilhaft, wenn die Bohrung 28 zur Vermeidung des Wärmeflusses evakuiert und durch eine rund um die Welle verlaufende Schweißnaht hermetisch verschlossen wird.
In Fig. 2 ist eine weitere Maßnahme für die Wärmeisolierung dargestellt. Gezeigt ist in schematischer Darstellung der Verdichter 34 und der Abgasturbolader 35, welche durch Welle miteinander mechanisch verbunden sind. Der Verdichter 34 weist den Lufteinlaß 38 und die zum Motor führende Luftleitung 36 als Luftauslaß auf. Die Abgasturbine 35 weist die vom Motor kommende Abgasleitung 37 sowie die zum Auspuff führende Auslaßöffnung 39 auf. Die Luftleitung 36 kommuniziert mit einem Druckmeßgerät 41, durch welches ein Bypass-
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Ventil 42 geöffnet bzw. gesteuert wird. Durch diese Ladedruckregeleinrichtung 40 wird die vom Motor kommende Abgasleitung 37 bei steigender Drehzahl des Turboladers geöffnet, so daß ein Teil aer Abgase über Bypass 43 entweichen kann. Diese Ladedruckregeleinrichtung 40 ist Stand der Technik und nicht Gegenstand dieser Anmeldung. Zur Kühlung der Abgasturbine ist die Kühlluftleitung 44 vorgesehen, durch welche ein Teil der den Verdichter verlassenden Ladeluft in die Turbine umgelenkt wird. Nun ist es allerdings so, daß die statischen Drücke auf der Ladeluftseite des Verdichters und der Eingangsseite der Abgasturbine zwar annähernd gleich sind. In den unteren Drehzahlbereichen der Abgasturbine ist jedoch der statische Druck der Abgase größer. Aus diesem Grunde sind Maßnahmen vorgesehen, die ein überströmen von Kühlluft bei allen Betriebszuständen gewährleisten. Eine dieser Maßnahmen besteht darin, daß die Kühlluftleitung 44 mit ihrem Einlaß gegen die den Verdichter verlassende Luftströmung gerichtet ist. Der hierdurch entstehende Staudruck vor der Einlaßöffnung 45 der Kühlluftleitung 44 ist in vielen Fällen bereits größer als die Differenz der statischen Drücke, so daß hierdurch bereits ein ständiges Überströmen der Kühlluft gewährleistet werden kann. Eine andere Maßnahme besteht darin, daß die Auslaßöffnung 46 der Kühlluftleitung 44 in einem Ringspalt 47 in der vom Motor kommenden Abgasleitung mündet. Durch diese Maßnahme wird der statische Druck in der Abgasleitung im Bereich des Ringspalts 47 herabgesetzt. Die beiden zitierten Maßnahmen sind wahlweise oder in Kombination anwendbar, je nach den ■bestehenden Druckverhältnissen und ihrer Abhängigkeit von den Betriebszuständen des Turboladers.
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Es sei erwähnt, daß die Ausbildung des Axiallagers als erfinderisch angesehen wird. Das Axiallager besteht einerseits aus einer mit der Welle verbundenen Nut 32, welche auf der Welle z.B. - wie gezeigt - durch auf der Welle befestigte Außenringe mit größerem Durchmesser und einem Innenring mit kleinerem Durchmesser gebildet werden kann. Mit der Nut kämmt eine Axiallagerhaltescheibe 33, welche eine Bohrung aufweist, und mit dem Innenring einen ringförmigen Spalt bildet. Dieser ringförmige Spalt wird mit Drucköl gespeist. Der Innenring einerseits und die Halteplatte andererseits sind axial so dimensioniert, daß zwischen den Außenringen und der Halteplatte Spalte bestehen, durch welche das Drucköl sich durchquetschen und einen Schmierfilm bilden kann.
Die geschilderten Maßnahmen der Luftkühlung durch Kühlspalt 21, ülumlaufschmierung durch Kanalsystem 24, 25, 26 und Wärmedämmung durch Bohrung 28 sind jeweils für sich, aber auch in Kombination miteinander geeignet, eine unzulässige Erwärmung des Lagergehäuses 2 und der Welle 7 bzw. der hydraulischen Lager zu verhindern.
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Claims (1)

  1. Bag. 1077
    Ansprüche
    ^U Abgasturbolader für Brennkraftmaschinen mit einer Abgasturbine, welche aus Turbinengehäuse una Turbinenrad besteht,
    mit einem Zentrifugalverdichter, welcher aus Verdichtergehäuse und Verdichterrad besteht, und mit einer Lagerung, bestehend aus einem Lagergehäuse, in dem die gemeinsame Welle für Verdichterrad und Turbinenrad in hydraulischen Lagern gelagert ist und auf welchem Lagergehäuse das Turbinengehäuse einerseits und das Verdichtergehäuse andererseits zentriert sind und welches Lagergehäuse einen Drucköleinlaß für die hydraulische Lagerung sowie einen ülsammelraum und ülauslaß aufweist,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    die Turbine (Turbinengehäuse 1; Turbinenrad 14) gegenüber der Lagerung (8, 9) wärmeisoliert ist.
    2. Abgasturbolader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
    zumindest eine der benachbarten Begrenzungswände (19 oder 20) des Turbinengehäuses (1) bzw. Lagergehäuses (2) eine Wärmeisolierschicht aufweist.
    3. Abgasturbolader nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
    zumindest eine der Begrenzungswände (19, 20) des Turbinengehäuses (1) bzw. Lagergehäuses (2) gekühlt wird.
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    Bag. 1077
    4. Abgasturbolader nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnetf daß die benachbarten Begrenzungswände (19, 20) des Turbinengehäuses und des Lagergehäuses einen Kühlspalt (21) miteinander bilden, wobei die Begrenzungswände (19, 20) zumindest in ihren der Welle (7) benachbarten Bereichen - im Axialschnitt gesehen - um nicht mehr als 45 gegen die Senkrechte geneigt sind, und daß das Turbinengehäuse (1) und das Lagergehäuse (2) durch einen ringförmigen Steg (4) miteinander verbunden sind, welcher den Kühlspalt begrenzt und welcher in der Einbaulage des Abgasturboladers unten und oben Durchbrechungen (22, 23) aufweist.
    5. Abgasturbolader nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der ringförmige Steg als radial gerichteter Zentrierflansch (4) ausgebildet ist.
    6. Abgasturbolader nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle (7) in einem als Ringraum (27) ausgebildeten ölsammelbehälter läuft, daß die Welle im Bereich des Ringraumes eine radiale Einlaßbohrung (25) aufweist, welche über eine Axialbohrung (24) mit einer radialen Auslaßbohrung verbunden ist, daß die radiale Auslaßbohrung (26) im Bereich des dem Turbinenrad (14) angeschlossenen, in seinem
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    Radius gegenüber der übrigen Welle verdickten Wellenende angebracht ist und mit seiner Mündung im Bereich der Innenseite der Begrenzungswand (20) des Lagergehäuses 20 mündet.
    7. Abgasturbolader nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß
    der Ringrauiu (27) sich an zumindest ein mit Drucköl gespeistes hydraulisches Lager (8, 9, 33) anschließt.
    8. Abgasturbolader nach Anspruch 6 und Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß
    der Ringraum (27) zwischen den beiden Radiallagerbuchsen (8, 9) gebildet wird.
    9. Abgasturbolader nach Anspruch 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß
    der Ringraum (27) zwischen getrennten Radiallagerbuchsen (8, 9) durch ein sich von der einen Radiallagerbuchse zur anderen Radiallagerbuchse (9) erstreckendes Lagerauge gebildet wird.
    10. Abgasturbolader nach Anspruch 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet , daß die Radiallagerbuchsen (8 und 9) in einzelnen Lageraugen (29, 30) untergebracht sind und daß in diesen Lageraugen (29, 30) ebenso eine sich zwischen den Lagerbuchsen (8 und 9) erstreckende Hülse (31) im wesentlichen flüssigkeitsdicht gelagert ist.
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    Π. Abgasturbolader nach Anspruch 10, daaurch gekennzeichnet, daß die Hülse (31) als Achsabstandshülse für die Lagerbuchsen (8, 9) dient.
    12. Abgasturbolader nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsseite (36) des Verdichters (34) mit der Eingangsseite (37) der Abgasturbine (35) durch eine Kühlluftleitung (44) verbunden ist, deren Einlaßöffnung (45) gegen die von dem Verdichter in seiner Auslaßseite geförderte Luftströmung gerichtet ist und deren Auslaßöffnung auf der Eingangsseite der Turbine (35) mit der Abgasleitung (37) einen Ringspalt (47) mit verengtem Durchströmungsquerschnitt bildet.
    13. Abgasturbolader nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das dem Turbinenrad (14) benachbarte Wellenende bis in den oder kurz vor den Bereich der hydraulischen Lager (8, 9, 3O) axial und so weit aufgebohrt ist (Bohrung 28), daß die übertragung des max. Drehmoments gewährleistet bleibt.
    14. Abgasturbolader nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die. Bohrung (28) evakuiert und in einer umlaufenden Naht mit dem Turbinenrad (14) elektronenstrahlverschweißt oder reibverschweißt ist.
    909884/0023
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