DE3541508C1 - Abgasturbolader - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Abgasturbolader mit den im Ober­ begriff von Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen.

In der DE-PS 33 25 756 ist ein Abgasturbolader mit einer Tur­ bine beschrieben, in deren Leitapparat die Leitschaufeln unter den Strömungskräften in einem mittels der Endbegrenzungen vorgebbaren Einstellwinkelbereich frei schwenkbar sind. Mittels einer Verstelleinrichtung ist eine der Endbegrenzungen einstellbar, wobei ein Verstellring vorgesehen ist, der einen Teil der Wand des Strömungskanales bildet. Die Leitschaufeln sind jeweils mit einem ersten Zapfen in einem Haltering, der ebenso wie die Verstelleinrichtung Bestandteil einer vormon­ tierbaren Baugruppe ist, sowie mit zweiten Zapfen in den ent­ sprechenden Bohrungen des Turbinengehäuses gelagert. Die Fer­ tigung und Montage erfordert einen nicht unerheblichen Auf­ wand, da die Leitschaufeln mit den genannten Zapfen in den Haltering bzw. das Turbinengehäuse eingesetzt werden müssen. Bei der Verbindung der Baugruppe mit dem Turbinengehäuse wur­ den die Leitschaufeln zunächst mit ihren Zapfen in die hierfür vorgesehenen Bohrungen des Turbinengehäuses einzeln einge­ setzt, wodurch ein hoher Fertigungsaufwand verursacht wurde. Erst nach dem Einsetzen der Leitschaufeln, konnte die Verbin­ dung der Baugruppe mit dem Turbinengehäuse erfolgen, wobei besondere Maßnahmen erforderlich waren, um den Haltering mit den Leitschaufeln fluchtend aufzusetzen. Auch für den Fall, daß zunächst die Leitschaufeln in den Haltering der Baugruppe eingesetzt würden, müßten besondere Maßnahmen getroffen werden, damit das Turbinengehäuse montiert und die Leit­ schaufeln in dieses mit ihren Zapfen eingeführt werden könnten.

Aus der US-PS 44 03 913 ist ein Austrittsleitapparat eines Verdichters bekannt, bei welchem von einem Verdichterrad die Luft radial nach außen durch den Leitapparat in einen spiral­ förmigen Diffusor gefördert wird. Die Leitschaufeln des Leit­ apparates sind fliegend jeweils nur auf einer Seite gelagert. Eine derartige Lagerung der Leitschaufeln kann bei einem Verdichter vorgesehen werden, da im Vergleich mit dem Ein­ trittsleitapparat einer Abgasturbine erheblich geringere me­ chanische und thermische Beanspruchung auftreten. Der Leitap­ parat für die Turbine eines Abgasturboladers erfordert eine zweiseitige Lagerung der Leitschaufeln.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Abgasturbola­ der der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, daß bei kompakter Konstruktion der Fertigungsaufwand verringert und eine einfachere Montage ermöglicht wird.

Zur Lösung dieser Aufgabe werden die im Kennzeichen von Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale vorgeschlagen.

Der Abgasturbolader zeichnet sich durch eine einfache und funktionsgerechte Konstruktion aus, wobei die Baugruppe ein­ schließlich den Leitschaufeln vollständig vorgefertigt werden kann, um danach in einfacher Weise mit dem Turbinengehäuse bzw. dem Lagergehäuse verbunden zu werden. Über den zweiten Haltering sind die Leitschaufeln vollständig in die Baugruppe integriert und müssen bei Zusammenbau von Baugruppe und Tur­ binengehäuse nicht einzeln mit ihren Zapfen eingesetzt werden. Da die für die Lagerung der Leitschaufeln vorgesehenen Halte­ ringe mittels Verbindungselementen unmittelbar miteinander verbunden sind, können trotz großer Wärmedehnungen im Bereich des Strömungskanales enge Toleranzen eingehalten werden, wo­ durch der Wirkungsgrad verbessert werden kann. Die beiden Halteringe können in der Baugruppe sehr exakt zueinander ausge­ richtet sein, wobei im Hinblick auf eine definierte Strömungs­ führung im Leitapparat Spalte zwischen den Leitschaufeln und Halteringen, die die Begrenzungswände des Strömungskanales bilden, kleingehalten werden können. Da die beiden Halteringe weitgehend das gleiche Wärmeverhalten aufweisen, ist auch bei schnellen Temperaturänderungen ein Festsetzen der Leitschau­ feln nicht zu befürchten; eine hohe Funktionssicherheit wird erreicht. Da die vollständig vormontierte Baugruppe einen Innendurchmesser aufweist, der größer ist als der Außendurch­ messer des Turbinenrades, kann bei der Montage zunächst die Verbindung mit dem Turbinengehäuse erfolgen, um nachfolgend gemeinsam mit diesen auf das ebenfalls vorgefertigte und ein­ schließlich des Turbinenrades vormontierte Lagergehäuse aufge­ schoben zu werden. Hieraus ergeben sich Vorteile für die Groß­ serienfertigung und insbesondere im Hinblick auf die Fertigung mittels Automaten. Aufgrund des relativ großen Innendurch­ messers der Baugruppe kann im Lagergehäuse innerhalb der Bau­ gruppe ein Kühlkanal angeordnet sein, um die vom Turbinenge­ häuse auf das Lagergehäuse einwirkende Wärme schnell abzufüh­ ren und insbesondere die Lagerung der Turbinenwelle vor Übertempe­ raturen zu schützen. Über die Baugruppe kann die Verbindung von Lagergehäuse und Turbinengehäuse erfolgen, wobei problem­ los die gewünschte Winkelstellung entsprechend den Einbaube­ dingungen des Abgasturboladers vorgegeben werden kann.

In einer besonderen Ausgestaltung ist der dem Turbinengehäuse zugeordnete zweite Haltering berührungsfrei bezüglich des Turbinengehäuses angeordnet. Der Wärmeübergang zwischen dem zweiten Haltering und dem Turbinengehäuse wird klein gehalten und Wärmedehnungen können problemlos aufgenommen werden. Zweckmäßig wird eine berührungslose Labyrinthdichtung zwischen dem Turbinengehäuse und dem zweiten Haltering vorgesehen, damit die Abgase funktionssicher durch den Strömungskanal der Leitschaufeln strömen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen axialen Längsschnitt durch die Turbine und einen Teil des Lagergehäuses eines Abgasturboladers,

Fig. 2 einen Schnitt bzw. eine Ansicht entlang der Linie II gemäß Fig. 1.

Fig. 1 zeigt ein Turbinengehäuse 2, in dessen Inneren sich ein Turbinenrad 4 befindet, welches in bekannter Weise mit einer Welle 6 verbunden und mittels dieser im Lagergehäuse 8 ge­ lagert ist. Das Lagergehäuse 8 enthält einen Kühlkanal 10, der insbesondere von Wasser durchströmt ist. Mittels eines topf­ förmig gebogenen Bleches bzw. Wärmeschildes 12 erfolgt eine Abschirmung des Lagergehäuses 8 gegenüber dem von den heißen Abgasen durchströmten Turbinengehäuse 2.

Zwischen dem Turbinengehäuse 2 und dem Lagergehäuse 8 ist eine Baugruppe 14 angeordnet, die als eine im wesentlichen ringför­ mige Kartusche ausgebildet ist. Die Baugruppe 14 enthält den Verstellring 16, welcher in den Strömungskanal hineinragende Vorsprünge 18 aufweist. Diese Vorsprünge 18 sind in Umfangs­ richtung betrachtet sägezahnförmig ausgebildet und enthalten die Auflageflächen, wobei jeweils ein Vorsprung einer der Leitschaufeln 20 zugeordnet ist. Der Verstellring 16 ist in der Baugruppe 14 bezüglich der Rotorachse 22 derart drehbar, daß entsprechend über die Vorsprünge 18 die eine Endbegrenzung und somit der Einstellwinkelbereich für die Leitschaufeln 20 vorgegeben ist.

Der Verstellring 16 ist mittels Rollen 24 bezüglich eines Trägerringes 26 drehbar gelagert. Es ist über den Umfang ver­ teilt eine Anzahl, insbesondere vier, derartige Rollen 24 angeordnet, mittels welchen sowohl die axiale als auch die radiale Abstützung des Verstellringes 16 erfolgt. Die Rollen 24 werden mittels eines Lagerkäfigs, der entsprechende Halte­ rungen 28 aufweist, über den Umfang in dem gewünschten Win­ kelabstand gehalten. Der Verstellring 16 weist einen gestuften Querschnitt auf, wobei ein axialer Ansatz 30 zur radialen Auflagerung der Rollen 24 dient. Radial innenliegend weist der Trägerring 26 einen koaxialen Bund 32 zur Auflagerung der Rollen 24 auf. Ein in der Turbine anstehender Druck bewirkt eine Axialkraftkomponente auf den Verstellring 16, welcher über die axialen Stirnflächen der Rollen 24 von dem Trägerring 26 aufgenommen wird. Der Verstellring 16 und der Trägerring 26 und die Baugruppe 14 insgesamt weisen einen Innendurchmesser auf, der größer ist als der Außendurchmesser des Turbinenrades 4. Bei der Montage kann daher die Baugruppe problemlos über das Turbinenrad 4 auf das Lagergehäuse 8 geschoben werden. Wesentlich ist darüber hinaus, daß aufgrund des relativ großen Innendurchmessers der Baugruppe 14 das Lagergehäuse 8 radial innenliegend den Kühlkanal 10 aufweist, der im Hinblick auf den Hochtemperaturbetrieb von Bedeutung ist.

In einer alternativen, hier nicht weiter dargestellten Ausfüh­ rung ist der Verstellring 16 in dem Trägerring 26 direkt über ein Gleitlager gelagert. Die oben erläuterten Rollen samt Lagerkäfig entfallen. Der Verstellring liegt insbesondere über axiale Stirnflächen sowie zur Rotorachse 22 koaxiale Umfangs­ flächen an dem Trägerring an. Ferner können kombinierte Axial- und Radiallager vorgesehen werden. Wesentlich ist bei allen Ausführungsformen der Lage­ rungen zwischen Verstellring und Trägerring eine hohe Oberflä­ chenhärte der Lagerflächen. Von der Turbine in den Lagerbe­ reich evtl. gelangende Schmutzpartikel werden aufgrund der hohen Oberflächenhärte zerrieben und können sich folglich nicht in die Oberflächen eingraben. Eine hohe Funktionssicher­ heit und eine hohe Lebensdauer werden gewährleistet.

Die Baugruppe 14 enthält ferner einen ersten und einen zweiten Haltering 34, 36 für die Leitschaufeln 20. Axial zwischen den Halteringen 34, 36 befin­ den sich die Leitschaufeln 20 und der Strömungskanal, wobei mittels Distanzhülsen 38 der axiale Abstand der beiden Halte­ ringe definiert ist. Die beiden Halteringe 34, 36 sind mit einer Anzahl über den Umfang verteilten Schrauben 40, welche jeweils eine Distanzhülse 38 durchgreifen, miteinander verbun­ den. Die Leitschaufeln 20 sind mittels im Bereich der Anström­ kanten 42 angeordneten Zapfen 44 in entsprechenden axialen Bohrungen der Halteringe 34, 36 schwenkbar gelagert. Mit den Distanzhülsen 38 wird die Weite des Strömungskanales erfin­ dungsgemäß derart definiert, daß einerseits die Leitschaufeln 20 frei schwenkbar sind und andererseits die Spalte zwischen den axialen Stirnseiten der Schaufeln und den beiden Halte­ ringen 34, 36 nicht zu groß sind.

Der zweite Haltering 36 ist berührungslos zum Turbinengehäuse 2 angeordnet, wobei mittels einer Labyrinth­ dichtung 46 eine zuverlässige Abdichtung gewährleistet wird. Für die Labyrinthdichtung enthält der zweite Haltering 36 z. B. zwei koaxiale Ringe, die in entsprechende Ringnuten des Turbinenge­ häuses 2 eingreifen. Die berührungsfreie Anordnung des Halte­ ringes in dem Turbinengehäuse 2 gewährleistet in zuverlässiger Weise den Ausgleich von Wärmedehnungen, wobei vergleichsweise enge Spalte zwischen den Leit­ schaufeln und den Halteringen 34, 36, welche gleichzeitig die Wände des Strömungskanales bilden, eingehalten werden. An­ stelle der gezeigten Labyrinthdichtung können auch andere ein- oder mehrstufige Labyrinthdichtungen vorgesehen werden, wobei hier insbesondere auf spitze Labyrinthdichtungen verwiesen sei, die beispielsweise bei Dampfturbinen zum Einsatz ge­ langen. Die Leitschaufeln 20 werden mit der Baugruppe 14 vormontiert und dann insgesamt in einem einzigen Arbeitsgang mit dem Turbinengehäuse 2 verbunden. Die Integration des ersten Halteringes 34 und des gegenüberliegenden zweiten Halteringes 36, der die gegenüberliegende Wand des Strömungskanales bildet, verhindert zuverlässig das Klem­ men der Leitschaufeln 20 infolge von Montagespannungen oder des Wärmeflusses. Es wird eine hohe Betriebssicherheit durch wenige, robuste Bauteile erreicht. Die mit einfacher Geometrie auch aus Keramik zu fertigenden wesntlichen Bestandteile der Baugruppe 14, und zwar der Ver­ stellring 16, der Trägerring 26 und die beiden Halteringe 34, 36 werden in einfacher Weise mittels Schrauben 48 oder ähnli­ chen Verbindungsmitteln miteinander verbunden, wobei mittels Zentrierstiften 50 mit hoher Genauigkeit die gegenseitige Aus­ richtung gewährleistet wird. Der einen gestuften Querschnitt aufweisende Verstellring 16 ist in axialer Richtung zwischen den Trägerring 16 und den Haltering 34 eingebaut, wobei ein hinreichendes axiales Spiel vorgegeben ist, daß auch bei den hohen Temperaturen ein Festsetzen vermieden wird.

Der Trägerring 26 weist eine Konsole 52 auf, an welcher ein hier nicht weiter zu erläuternder Stellmotor 54 befestigt ist. Die Baugruppe 14 einschließlich der integrierten Konsole für den Stellmotor 54 können zur Anpassung an die Einbaubedingun­ gen in jeder beliebigen Winkelstellung bezüglich des Lager­ gehäuses und/oder des Turbinengehäuses 2 mit diesen verbunden sein. Der Stellmotor 54 wird insbesondere vom Ladedruck beauf­ schlagt, um über eine Welle 56 und einen Hebel 58 den Ver­ stellring 16 in die gewünschte Winkelstellung zu bringen. Der Stellmotor 54 ist mit einer Hubstange 68 an einen weiteren Hebel 59 angelenkt, der mit der Welle 56 drehfest verbunden ist. Die Welle 56 liegt parallel zur Rotorachse 22 und ist in dem Trägerring 26 gelagert. Über die Welle 56 wird also das Drehmoment bzw. die Verstellbewegung von außen in die Baugrup­ pe 14 auf den Verstellring 16 eingeleitet. Der Hebel 58 ist über einen Schlepphebel 61, der in der Ausnehmung 60 des Ver­ stellringes vorgesehen ist, an diesen angelenkt und mit diesem gekoppelt. Der Verstellring 16 weist eine Ausnehmung 60 auf, in welche der Hebel 58 eingreift. Die Baugruppe 14 ist über einen Druckring 62 mit dem Turbinengehäuse 2 und über Druck­ segmente 64 mit dem Lagergehäuse 8 verbunden. Der Druckring 62 bzw. die Drucksegmente 64 sind mittels Schrauben 66 mit dem Turbinengehäuse 2 bzw. dem Trägerring 26 verbunden und über­ greifen entsprechende Auflagerungen der Baugruppe 14 bzw. des Lagergehäuses 8.

Fig. 2 zeigt vergrößert teilweise im Schnitt und teilweise in einer Ansicht die Verstellein­ richtung zur Einleitung der Verstellbewegung des Verstell­ ringes 16. Vom Stellmotor 52 ist die Hubstange 68 zu erkennen, an welcher der weitere Hebel 59 angelenkt ist. Die Lagerung der Welle 56 im Trägerring stellt ein festes Lager für den mit der Welle 56 drehfest verbundenen Hebel 59 dar. Die in der Zeichnung obere Anlenkung vom Hebel 59 an die Hubstange 68 ist also auf einer Kreisbahn um die Welle 56 in die in der Zeich­ nung links strichpunktiert angedeutete andere Endstellung bewegbar. Die Hubstange 68 ist in dem Stellmotor bzw. Stell­ zylinder insoweit bewegbar geführt. Der zum Hebel 59 axial beabstandet angeordnete Hebel 58 kann mit der Welle 56 aus einem einzigen Stück gefertigt sein oder ist mit dieser dreh­ fest verbunden. Die beiden Hebel 58, 59 weisen somit zueinan­ der immer die gleiche Winkellage auf. Es ist nunmehr in der Ausnehmung 60 das Koppelstück bzw. der Schlepphebel 61 zu erkennen, über welchen die Verbindung zum Verstellring 16 erfolgt. Der Schlepphebel 61 ist über einen Zapfen oder der­ gleichen an den Verstellring 16 gekoppelt.

Claims (6)

1. Abgasturbolader mit einer Turbine, deren Leitapparat einen Kranz von konzentrisch um eine Rotorachse angeordneten und zwischen jeweils zwei Endbegrenzungen schwenkbaren Leitschau­ feln aufweist, mit einem ersten auf der Seite eines Lagerge­ häuses angeordneten Haltering, in welchem ein erster Zapfen der jeweiligen Leitschaufel gelagert ist, wobei die Leitschau­ feln mit zweiten Zapfen auch auf der Seite des Turbinengehäu­ ses gelagert sind, und mit einer Verstelleinrichtung zur Ein­ stellung einer der Endbegrenzungen, wobei die Leitschaufeln unter den Strömungskräften in einem mittels der Endbegrenzun­ gen vorgegebenen Einstellwinkelbereich frei schwenkbar sind und wobei der Leitapparat und die Verstelleinrichtung zu einer vormontierbaren Baugruppe vereinigt sind, dadurch gekennzeichnet,
daß die Baugruppe (14) einen zweiten Haltering (36) aufweist, der dem Turbinengehäuse (2) zugeord­ net ist und zur Lagerung der zweiten Zapfen (44) der Leit­ schaufeln (20) dient,
daß die Baugruppe (14) einen Innendurchmesser aufweist, der größer ist als der Außendurchmesser des Turbinenrades (4)
und daß die beiden Halteringe (34, 36) axial beabstandet mittels Verbindungselementen (38, 40) unter Bildung des Strö­ mungskanales sowie zur Aufnahme der Leitschaufeln (20) mitein­ ander verbunden sind.

2. Abgasturbolader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der dem Turbinengehäuse (2) zugeordnete zweite Haltering (36) berührungsfrei bezüglich des Turbinengehäuses (2) ange­ ordnet ist.

3. Abgasturbolader nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zwischen dem Turbinengehäuse (2) und dem zweiten Haltering (36) eine berührungslose Labyrinthdichtung (46) vorgesehen ist.

4. Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Baugruppe (14) einen mit dem ersten Haltering (34), bevorzugt mittels Schrauben (48), fest verbun­ denen Trägerring (26) aufweist, auf welchem ein Verstellring (16) der Verstelleinrichtung gelagert ist.

5. Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstelleinrichtung wenigstens einen Hebel (58) aufweist, der in eine Ausnehmung (60) des Verstell­ ringes (16) eingreift und/oder mittels eines Schlepphebels (61) an den Verstellring (16) gekoppelt ist.

6. Abgasturbolader nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstelleinrichtung eine insbesondere parallel zur Rotorwelle (22) im Trägerring (26) gelagerte Welle (56) auf­ weist, die mit dem Hebel (58) drehfest verbunden ist.