DE3628687A1 - Lagerung der auf einem wellenende einer rotorwelle nebeneinander angeordneten laufraeder von verdichter und turbine im turbinengehaeuse - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Lagerung der auf einem Wellenende einer Rotorwelle nebeneinander angeordneten Lauf­ räder von Verdichter und Turbine eines Abgasturboladers im Verdichtergehäuse gemäß Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Eine derartige Lagerung ist aus der EP-A 01 21 670 bekannt. Bei dieser bekannten Lagerung erfolgt die Abstützung der Rotorwelle über zwei Wälzlager, welche in einer Gehäuse­ bohrung innerhalb der zentral im Einlaufgehäuse des Ver­ dichters angeordneten Nabe derart eingesetzt sind, daß die Außenringe unmittelbar an der Bohrungswand anliegen.

Wegen der verhältnismäßig starren Rotorlagerung besteht die Gefahr, daß sich die kritische Drehzahl der Rotorwelle im Nahbereich der Laderhöchstdrehzahl einstellt, weshalb eine präzise Auswuchtung der Laufräder mit der Rotorwelle er­ forderlich ist. Trotz sorgfältiger Auswuchtung können dabei höhere Lagerkräfte an den Wälzlagern auftreten, die zu einer vorzeitigen Ermüdung oder Zerstörung der Wälzlager führen können.

Zwar ist es möglich, durch eine Verkürzung der Gesamt­ länge des Rotors eine Verlagerung der kritischen Drehzahl aus dem Bereich der Höchstdrehzahl zu erreichen, jedoch erfordert dies eine möglichst dicht beieinanderliegende Anordnung der Laufräder, wodurch infolge des erhöhten Wärme­ transportes von der Turbinen- auf die Verdichterseite der Gesamtwirkungsgrad des Laders beeinträchtigt wird.

Ferner hat die bekannte Lagerung noch den Nachteil, daß Drehzahlanhebungen zur Erzielung eines höheren Verdichter­ druckverhältnisses mit einer Verringerung der Betriebs­ sicherheit und alternativ dazu eine Vergrößerung der Lauf­ raddurchmesser bei gleichbleibender Höchstdrehzahl mit einer Vergrößerung des Rotorträgheitsmomentes und damit einer nach­ haltigen Verschlechterung des Ansprechverhaltens verbunden sind.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die bekannte Lagerung derart zu verbessern, daß bei geringen Anforderungen an die Güte der Auswuchtung eine Anhebung des Verdichter­ druckverhältnisses mit kleinen trägheitsarmen Laufrädern ohne Erhöhung der Lagerbelastung erreicht werden kann.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Mit der Erfindung wird eine federnde und dämpfende Ab­ stützung der Rotorwelle und der auf ihr angebrachten Lauf­ räder im Verdichtergehäuse erzielt, durch welche die kriti­ sche Drehzahl aus dem Bereich der Lader-Höchstdrehzahl ver­ lagert ist. Dabei können ferner die zur Dämpfung und Fe­ derung vorgesehenen Mittel derart beeinflußt werden, daß auch nach einer Anhebung der Drehzahlgrenze des Laders die kritische Drehzahl noch außerhalb des Bereiches der neuen Lader-Höchstdrehzahl liegt. Dies hat den Vorteil, daß eine Erhöhung des Verdichterdruckverhältnisses mit kleinen träg­ heitsarmen Laufrädern und ohne wesentliche Erhöhung der Lagerbelastung erreicht werden kann.

Weitere vorteilhafte und baulich einfache Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand verschiedener Aus­ führungsbeispiele näher erläutert.

Es zeigt

Fig. 1 die erfindungsgemäße Lagerung für die Rotorwelle eines Abgasturboladers in einem Längsschnitt;

Fig. 2 die erfindungsgemäße Lagerung mit einer beide Wälz­ lager aufnehmenden Lagerhülse in einer vergrößerten Schnitt­ darstellung;

Fig. 3 die erfindungsgemäße Lagerung mit hydraulischge­ dämpfter Abstützung für das äußere - und federnder Ab­ stützung für das innere Wälzlager in einer vergrößerten Schnittdarstellung;

Fig. 4 und 5 zwei verschiedene Ausführungen der hydrauli­ schen Abstützung aus Fig. 3 in einer vergrößerten Schnitt­ darstellung.

Ein Abgasturbolader 1 umfaßt ein Verdichtergehäuse 2 mit einem darin angeordneten Verdichter-Laufrad 3 und ein Turbinenge­ häuse 4 mit einem darin vom Abgas beaufschlagten Turbinen- Laufrad 5. Beide Laufräder 3 und 5 sind auf einem Ende einer Rotorwelle 6 fest angebracht, die mit ihrem anderen Ende in einer das einlaufseitige Gehäuseteil 7 des Verdichterge­ häuses 2 zentral durchsetzenden Nabe 8 gelagert ist.

Die Nabe 8 ist über Rippen 9 im Gehäuseteil 7 gehalten und hat eine Gehäusebohrung 10 in der die Rotorwelle 6 über zwei mit Abstand voneinander angeordnete Wälzlager 11 und 12 drehbar abgestützt ist. Dabei ist das entfernt vom Verdichter-Laufrad 3 angeordnete äußere Wälzlager 11 mit seinem Außenring 13 in der Gehäusebohrung in axialer Richtung verschiebbar und das verdichternahe innere Wälz­ lager 12 mit seinem Außenring 14 in der Gehäusebohrung 10 ortsfest gehalten. Durch eine zwischen beiden Walzlagern 11 und 12 in der Gehäusebohrung 10 angeordnete Schrauben­ feder 15, die über einen Haltering 16 an der Nabe 8 abge­ stützt ist und gegen den Außenring 13 drückt, wird die ge­ samte Rotorwelle 6 in ihrer Einbaulage gehalten.

Um erfindungsgemäß zu vermeiden, daß sich die kritische Drehzahl der Rotorwelle 6 im Nahbereich der Laderhöchst­ drehzahl einstellen kann, sind die beiden Wälzlager 11 und 12 federnd und hydraulisch gedämpft in der Gehäusebohrung 10 gehalten.

Der gleiche Effekt wird auch erzielt, wenn nur ein Wälzlager 11 oder 12 hydraulisch gedämpft und das andere Wälzlager nur federnd in der Gehäusebohrung 10 abgestützt ist.

Eine mögliche konstruktive Ausführung einer solchen Lagerung der Rotorwelle 6 ist im Einzelnen in Fig. 2 dargestellt.

Das lagerseitige Ende der Rotorwelle 6 ist zusammen mit beiden Wälzlagern 11 und 12 in einer gemeinsamen zylindri­ schen Lagerbuchse 17 gefaßt, die ihrerseits mit großem ra­ dialem Spiel innerhalb der Gehäusebohrung 10 eingesetzt und in axialer Richtung fixiert ist. Die axiale Fixierung um­ faßt einen Federring 18, der in einer an dem benachbart zum Wälzlager 11 liegenden Buchsenende 19 von außen eingearbei­ teten Ringnut 20 eingesetzt ist und welcher zwischen zwei in einer Erweiterung 21 der Gehäusebohrung 10 einge­ legter Halteringe 22 und 23 geführt ist, die ihrerseits durch Anlage an einer von der Erweiterung 21 und der Ge­ häusebohrung 10 gebildeten Schulter 24 und einem innerhalb der Erweiterung 21 in einer Ringnut 25 angeordneten Feder­ ring 26 axial festgelegt sind.

Durch das radiale Spiel entsteht zwischen der Gehäuse­ bohrung 10 und der Lagerbuchse 17 ein spaltförmiger Ring­ raum, der durch Dichtringe 27, 28 im Bereich der längs­ seitigen Buchsenenden 19 und 20 nach außen abgedichtet ist. Dieser spaltförmige Ringraum bildet einen Dämfungsraum 30, in dem zur Schwingungsdämpfung ein hydraulisches Fluid eingefüllt ist. Parallel zu dem hydraulischen Polster ist die Lagerbuchse 17 über zwei in der Nähe der beiden Wälz­ lager 11 und 12 angeordnete gewellte Ringfedern 31 und 32 federnd gegenüber der Nabe 8 abgestützt. Zur Aufnahme der Ringfedern 31 und 32 sind relativ breite Ringnuten 33 und 34 vorgesehen, von denen die Ringnut 33 in die Nabe 8 und die Ringnut 34 in eine nach innen vorstehende Ringwulst 35 der Lagerbuchse 17 eingearbeitet ist, wobei die Ringwulst 35 gleichzeitig eine Anlage für den Außenring 14 bildet, der ferner zwischen dem Buchsenende 29 und der Nabe 8 festgesetzt sein kann. Die Dichtringe 27 und 28 sind abwechselnd in einer nabenseitig und einer buchsenseitig angeordneten Ringnut ein­ gesetzt.

Dadurch, daß die Lagerbuchse nur über die Wellenberge der Ringfedern 31 und 32 sowie das hydraulische Polster des Druckmittelraumes 30 in der Nabe 8 abgestützt ist, erhält man eine federnd und schwingungsgedämpfte Lagerung für die Rotorwelle 6, durch welche bei entsprechender Bemessung der Ringfedern 31 und 32 und des Dämpfungsraumes 30 die kritische Drehzahl aus dem Bereich der Lader-Höchst­ drehzahl heraus in einen unkritischen Drehzahlbereich ver­ lagert werden kann.

Gemäß dem Ausführungsbeispiel der Fig. 3 sind die Dämpfungs­ und Federungselemente der Rotorwellenlagerung getrennt von­ einander den einzelnen Wälzlagern 11 und 12 zugeordnet. Das äußere Wälzlager 11 ist hydraulisch gedämpft und das innere Wälzlager 12 federnd innerhalb der Nabe 8 abgestützt. Die Gehäusebohrung 10 ist im Bereich der Lagerabstützung je­ weils mit einer zylindrischen Erweiterung 36 bzw. 37 versehen. In die Erweiterung 36 ist mit großem radialen Spiel eine die Breite des Außenringes 13 beiderseits überragende kurze La­ gerhülse 38 eingesetzt, die zwischen einer Gehäuseschulter 39 und einem von außen in die Erweiterung 36 eingepreßten An­ schlagring 40 bis auf ein geringes Spiel axialfest gehalten ist. Der durch das radiale Spiel zwischen Lagerhülse 38 und Erweiterung 36 gebildete spaltförmige Dämpfungsraum 41 ist durch in nabenseitige Ringnuten eingelegte Dichtringe 42 und 43 nach außen abgedichtet und mit einem hydraulischen Fluid als Dämpfungsmittel gefüllt.

Die federnde Abstützung des inneren Wälzlagers 12 erfolgt durch eine gewellte Ringfeder 45, welche den Außenring 14 umgibt und zusammen mit diesem zwischen zwei Anlaufschei­ ben 46 und 47 innerhalb der Erweiterung 37 mit einem geringen axialen Spiel gehalten ist, wobei zur axialfesten Halterung des Außenringes 14 die Anlaufscheibe 46 an einer Gehäuse­ schulter 48 und die Anlaufscheibe 47 an einem in der Nabe 8 festgesetzten Federring 49 anliegen. Mit der getrennten An­ ordnung von Feder- und Dämpfungselementen an beiden Wälz­ lagern 11 und 12 werden die gleichen Vorteile erzielt wie bei der Lagerung gemäß dem Ausführungsbeispiel der Fig. 2.

Die in den Ausführungsbeispielen der Fig. 1 bis 3 be­ schriebenen Bauelemente der erfindungsgemäßen Rotorwellen­ lagerung sind aus den stark vergrößerten Prinzipdarstel­ lungen der Fig. 4 und 5 noch besser zu erkennen.

Auf der Rotorwelle 6 ist ein Wälzlager 50 mit seinem Innen­ ring 51 ortsfest gelagert. Über den Außenring 52 des Wälz­ lagers 50 ist mit Schiebesitz eine Lagerhülse 53 geschoben, die mit großem radialem Spiel in der Gehäusebohrung 10 der Nabe 8 eingesetzt ist. Sehr deutlich ist dabei in den Fig. der durch das radiale Spiel entstehende spaltförmige Dämpfungs­ raum 54 zu erkennen, der mit einem hydraulischen Fluid als Dämpfungsmittel gefüllt ist, das über eine Versorgungsleitung 55 und eine Verbindungsbohrung 56 in der Nabe 8 dem Dämpfungs­ raum 54 zugeführt wird. Die Versorgungsleitung 55 ist dabei an ein nicht weiter dargestelltes Druckreservoir oder an eine Druckpumpe, z.B. die Schmierölpumpe aus dem Schmierölkreis­ lauf einer Brennkraftmaschine angeschlossen. Der Dämpfungs­ raum 54 ist durch zwei Dichtringe 57 aus einem metallischen oder einem elastomeren Werkstoff abgedichtet. Die dabei in Form der sogenannten Quad-Ringe ausgeführten Dichtringe 57 haben eine geringe radiale Federsteifigkeit, welche damit die Dämpfungseigenschaften des Fluids kaum beeinträchtigen. Parallel zu dem Fluid ist das Wälzlager 50 über einen im Dämpfungsraum 54 eingesetzten gewellten Federring 58 mit einer bestimmten Federkennung gegenüber der Nabe 8 abge­ stützt. Selbstverständlich ist es im Rahmen der Erfindung möglich, durch entsprechende Werkstoffauswahl und Gestaltung der Dichtringe 57 dafür zu sorgen, daß diese bestimmte Fe­ dereigenschaften aufweisen, so daß auf die Verwendung des Federringes 58 verzichtet werden kann.

Eine solche Ausführüng zeigt z.B. die Fig. 5. Die dort zur Abdichtung des Dämpfungsraumes 54 eingesetzten Dichtringe 59 mit einer im Querschnitt etwa v-förmigen Form besitzen gleich­ zeitig vorgegebene Federungseigenschaften, welche damit die Verwendung eines besonderen Federringes überflüssig machen. Dabei können die Dichtringe 59 selbstverständlich auch eine andere Form aufweisen, z.B. diejenige der in Fig. 4 verwendeten Dichtringe 57. Um Bauhöhe zu sparen, ist beim Wälzlager 60 aus Fig. 6 dessen Außenring 61 gleichzeitig als Lagerhülse ausgebildet.

Claims (8)

1. Lagerung der auf einem Wellenende einer Rotorwelle neben­ einander angeordneten Laufräder von Verdichter und Turbine eines Abgasturboladers im Verdichtergehäuse mittels zweier auf der Verdichterseite mit Abstand voneinander angeordneter Wälzlager, von denen das verdichternahe innere Wälzlager mit seinem Außenring in axialer Richtung fest und das äußere Wälzlager mit seinem Außenring in einer Gehäusebohrung des Verdichtergehäuses mit Schiebesitz eingesetzt ist, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils mindestens ein Wälzlager (11, 12, 50, 60) unter Einschluß eines spaltförmigen Dämpfungsraumes (30, 41, 54) als hydraulisches Polster und/oder eines radialwirkenden Federkörpers (31, 32, 45, 58) in der Gehäusebohrung (10) abgestützt ist.

2. Lagerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beide Wälzlager (11, 12) unter Einschluß eines Dämpfungs­ raumes (30) und mindestens einer im Bereich des Dämpfungs­ raumes (30) angeordneten gewellten Ringfeder (31, 32) in der Gehäusebohrung (10) abgestützt sind.

3. Lagerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das äußere Wälzlager (11) unter Einschluß des Dämpfungsraumes (41) und das innere Wälzlager (12) unter Einschluß der gewellten Ringfeder (45) oder umgekehrt in der Gehäusebohrung (10) abgestützt ist.

4. Lagerung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß beide Wälzlager (11, 12) in einer gemeinsamen Lager­ buchse (17) angeordnet sind, die mit Radialspiel in die Ge­ häusebohrung (10) eingesetzt ist, wobei durch das Radial­ spiel der spaltförmige Dämpfungsraum (30) gebildet ist, welcher durch Dichtringe (27, 28) im Bereich der längs­ seitigen Buchsenenden (19, 29) nach außen abgedichtet und mit einem hydraulischen Fluid als Dämpfungsmittel gefüllt ist und in dem in der Nähe von mindestens einem Wälzlager (11 oder 12) in einer Ringnut (33, 34) eingelegt mindestens eine gewellte Ringfeder (31, 32) angeordnet ist, die mit ihren Wellenbergen abwechselnd an der Wand der Gehäuse­ bohrung und an der Lagerbuchse (17) anliegt.

5. Lagerung nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß das äußere Wälzlager (11) mit dem Außenring (13) in einer Lagerhülse (38) eingesetzt ist, die mit Radial­ spiel in einer zylindrischen Erweiterung (36) der Gehäuse­ bohrung (10) zwischen einer Gehäuseschulter (39) und einem Anschlagring (40) axialfest gehalten ist, wobei durch das Radialspiel der spaltförmige, mit einem hydraulischen Fluid gefüllte und nach außen durch zwei Dichtringe (42, 43) ab­ gedichtete Dämpfungsraum (41) gebildet ist.

6. Lagerung nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß das innere Wälzlager (12) zwischen gehäusefesten An­ laufscheiben (46, 47) in axialer Richtung fest und über eine den Außenring (14) konzentrisch umgebende gewellte Ringfeder (45) in radialer Richtung Federn in der Gehäuse­ bohrung (10) abgestützt ist.

7. Lagerung nach Anspruch 1, 3 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß Lagerhülse und Außenring (61) als einstückiges Bauteil ausgebildet sind.

8. Lagerung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Dämpfungsraum (30, 41, 54) über eine Versorgungs­ leitung (55) an einen Druckspeicher oder einen Druck­ erzeuger angeschlossen ist.