DE4334339A1

DE4334339A1 - Abgas-Turbolader

Info

Publication number: DE4334339A1
Application number: DE4334339A
Authority: DE
Inventors: Fritz Spinnler; Raimund Dr Wohlrab
Original assignee: ABB Management AG
Current assignee: ABB Schweiz Holding AG
Priority date: 1993-10-08
Filing date: 1993-10-08
Publication date: 1995-04-13

Description

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft einen Abgasturbolader, mit einem Läu fer im wesentlichen bestehend aus einem Verdichterrad, einem Turbinenrad und einer gemeinsamen Welle sowie mit einem Ver dichtergehäuse, einem Turbinengehäuse und einem beide Gehäuse verbindenden Lagergehäuse, worin der Läufer zumindest mittels eines gegenüber des Lagergehäuses axial fest positionierten Wälzlagers gelagert ist.

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft die Ausführung der Wälzlager eines Abgasturboladers mit vorzugsweise radial durchströmtem Ver dichter und radial oder axial durchströmter Turbine. Dem Stande der Technik entsprechend ist die Welle, welche Turbi nen- und Verdichterrad verbindet, mittels Gleitlager oder Wälzlager im Lagergehäuse gelagert. Das Lagergehäuse befindet sich meist zwischen der Verdichter- und Turbinenbaugruppe. Es gibt auch Ausführungen, bei denen die Welle außerhalb des Verdichter- und Turbinenrades gelagert ist. Diese Ausführung ist insbesondere bei größeren Turboladern von Vorteil, da für Wartungsarbeiten die Lagerstellen gut zugänglich sind.

Die Vorteile einer Wälzlagerung gegenüber Gleitlagerung bestehen in den niedrigeren Reibverlusten. Bei Einsatz von Wälzlagern lassen sich hierdurch die Wirkungsgrade des Abgasturboladers gegenüber der Gleitlagerausführung erhöhen. Dieser Vorteil fällt insbesondere bei großen Abgasturbola dern ins Gewicht.

Die Anforderungen an die Wälzlager sind einerseits durch die Drehzahl der Welle und andererseits durch die auftretenden Belastungen in radialer und axialer Richtung gegeben. In der Entwicklungsgeschichte der Abgasturbolader sind die erzeugten Ladedruckverhältnisse pro Stufe stetig gestiegen. Mit stei gendem Ladedruckververhältnis ist auch die Drehzahl der Welle gestiegen und damit auch die Axiallast auf die Welle. Diese Last (Schub) wird durch die auf das Turbinen- und Verdichter rad wirkenden Drücke erzeugt. Damit diese Kräfte reduziert werden, wendet man oft die Schubentlastung an. Beispielsweise dichtet man dadurch Bereiche am Verdichterrad oder an der Turbinenscheibe mittels berührungslosen Dichtungen (Laby rinthe) ab und entlastet die Schub erzeugenden Flächen am Verdichter- und Turbinenrad.

Die berührungslosen Dichtungen weisen eine Leckluftmenge bzw. eine Leckgasmenge auf. Diese Leckluftmengen bzw. Leck gasmengen wären für den Auflade- und Motorprozeß arbeitsfä hig und stellen daher einen Verlust dar, welche eine Wir kungsgradverschlechterung des Abgasturboladers bewirken. Somit geht der gewonnene Vorteil der Wälzlager teilweise wieder verloren.

Die sehr hohen Betriebs-Drehzahlen von modernen Abgasturbola dern stellen ihrerseits neue Randbedingungen für die Dimen sionierung der Wälzlager. Diese sind durch rel. kleine Wälz körper charakterisiert, wobei für die Aufnahme der Schub kräfte nur noch Schrägkugellager mit symmetrischem Außenring und ungeteiltem Käfig in Frage kommen. Wälzlager mit vielen kleinen Kugeln können nicht so hohe Axial- und Radialkräfte aufnehmen wie solche mit großen und wenigen Kugeln. Der Axi alschub bewirkt eine Schrägstellung der Verbindungslinie zwi schen den Kontaktpunkten der Kugeln am Innen- und Außenring des Schrägkugellagers. Hierdurch ändert die Rotationsachse der Kugel im Betrieb ständig, was Kreiselkräfte hervorruft, welche die Kugel nicht mehr einwandfrei auf Innen- und Außenring abwälzen läßt. Dieser Effekt verschlimmert sich beim Einsatz solcher Lager im Abgasturbolader mit zunehmendem Schub.

Es liegt ein Zielkonflikt vor: Die hohen Druckverhältnisse moderner Abgasturbolader verlangen Wälzlager mit guter axi aler Tragfähigkeit, welche bedingt durch die Anforderung an die hohen Betriebsdrehzahlen nicht so tragfähig sein können wie Kugellager, die für niedrigere Drehzahlen ausgelegt sind. Die Schubentlastung stellt keine befriedigende Lösung dar, da ein Teil des durch die Wälzlager gewonnenen Wirkungsgradvor teiles wieder verloren geht.

Besonders schwerwiegend präsentiert sich die Schubsituation bei Abgasturboladern mit Axialturbine, bei welchen die Tur bine axial in Richtung des Verdichterrades beaufschlagt ist. Hierdurch haben die resultierenden Schubkräfte auf Verdich ter- und Turbinenrad die gleiche Richtung, wenn keine Schub entlastung vorgesehen ist, und addieren sich daher.

Dem Stande der Technik entsprechend sind moderne Abgasturbo ladermeist mit Gleitlagern oder mindestens einem zweireihi gen Schrägkugellager ausgeführt. Das eine der Schrägkugella ger ist als Vierpunkt-Lager ausgeführt. Dadurch ist der Rotor bestehend aus Verdichter-, Turbinenrad und Welle eindeutig im Stator positioniert. Im Vollastbetrieb sind die Kontaktwinkel der Schrägkugellager etwa parallel, d. h. daß die Axiallast auf beide Lager gleichmäßig verteilt ist. Hierbei wird klar, daß die Abstimmung der Axialabmessungen der Schrägkugellager untereinander sehr empfindlich auf Ungenauigkeiten ist; sobald ein Axialmaß eine gewisse Toleranzbreite überschrei tet, wirkt sich das in einer ungleichmäßigen Lastverteilung auf die Lager aus. Der ganze Schub muß im schlimmsten Fall von einem Lager aufgenommen werden, welches dieser Überlast nicht gewachsen ist.

Die US, A, 4,547,083 offenbart einen Abgasturbolader, wobei der Läufer mittels einer Lagereinrichtung von Tandemwälzla gern im Lagergehäuse gelagert ist. Dabei sind die Wälzlager zwischen einem Lagerflansch und einem Dämpfungsring in Axial richtung festgehalten. Um die radialen Lagerkräfte auch bei größeren Unwuchten zu beschränken, sind Federstäbe vorgese hen, die die Wälzlager federnd und dämpfend im Gehäuse radial abstützen.

Außerdem ist eine zweite Reibungsdämpfungseinrichtung, bestehend aus einem Dämpfungsring und einer Tellerfeder, vor gesehen. Mit dieser Tellerfeder soll eine Reibdämpfung der Radialschwingungen erreicht werden. Der Axialschub drückt die Wälzlager auf dem gegenüber dem Lagergehäuse fest positio nierten Lagerflansch. Die oben beschriebenen Probleme der ungleichmäßigen Lastverteilung auf die Lager bestehen daher auch für diese bekannte Anordnung.

Die Darstellung der Erfindung

Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Anordnung der Schräg kugellager zu schaffen, die einen sicheren Betrieb des Abgasturboladers im Idealfall ohne Schubentlastung bei hohen Ladedruckverhältnissen ermöglicht.

Insbesondere soll durch die Erfindung auch der sichere Betrieb von Abgasturboladern mit Axialturbine, bei welchen die Turbine in Richtung des Verdichterrades beaufschlagt wird, geschaffen werden.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einem Abgasturbolader der eingangs genannten Art mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Die Axiallast , d. h. der Schub wird somit von mehreren Schrägkugellagern getragen. Hierbei ist vorzugsweise eines der Lager als Vierpunktlager auszuführen, bei welchem der Außenring im Lagergehäuse axial fest positioniert ist. Die übrigen Schrägkugellager sind durch Federelemente gegen das Lagergehäuse in Richtung der Schubkraft axial abgestützt und sind somit axial verschiebbar im Lagergehäuse angeordnet. Vorzugsweise stützen sich die Außenringe dieser Schrägkugel lager gegen die Federelemente, die ihrerseits gegen das Lagergehäuse abgestützt sind.

Die neuen Federelemente können mit einer relativ schwachen Grundvorspannung auf die Schrägkugellager montiert werden. Die Betriebsspannung kann nach einem bevorzugten Aus führungsbeispiel der Erfindung durch Öldruck geregelt werden. Die Regelung des Öldruckes kann durch den Ladedruck erfolgen. Dieser verhält sich zum erzeugten Schub etwa direkt propor tional.

Ein weiteres bevorzugtes Merkmal ist die Ausführung der Schmierölzufuhr zu den Wälzlagern; diese Zufuhr kann durch die ölbeaufschlagten Federelemente realisiert werden. Am inneren Rand der Federelemente, welche verzugsweise aus einen Wellrohr hergestellt sind, werden Bohrungen angebracht, aus welchen das Schmieröl direkt auf die Innenlaufbahn der Schrägkugellager gespritzt wird.

Bei niedriger Last ist der Kontaktwinkel relativ steil, bedingt durch die geringe Vorspannkraft der übrigen Schrägku gellager. Die Gegenkraft wird weitgehend vom Vierpunktlager erzeugt, da der Schub bei niedriger Last des Turboladers ge ring ist. Bei hoher Last haben die Kontaktwinkel aller Lager die gleiche Richtung, wobei die übrigen Schrägkugellager einen etwa gleichen Kontaktwinkel aufweisen. Dieser ist un empfindlich in bezug auf die Genauigkeit der Fertigungstole ranzen in axialer Richtung bei den Wälzlagern und den dazuge hörigen Anschlagflächen auf der Welle und dem Lagergehäuse. Dies ist einer der Hauptvorteile der Erfindung. Das Vier punktlager weist einen von den übrigen Schrägkugellagern unabhängigen Kontaktwinkel auf.

Durch die Erfindung wird ein sicherer Betrieb eines Abgasturboladers mit Wälzlagern ohne Schubausgleich möglich, indem der Schub, vorzugsweise in Abhängigkeit vom Ladedruck, auf mehrere Schrägkugellager gleichmäßig verteilt wird.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

In den Zeichnungen ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch dargestellt.

Es zeigen:

Fig. 1 ein Schema eines modernen Abgasturboladers mit Axialturbine, welche in Richtung des Verdichterra des beaufschlagt ist, mit der dazugehörigen, vom Ladedruck gesteuerten Schmierölversorgung;

Fig. 2 eine mögliche Lageranordnung mit einem feststehen den Vierpunktlager und beispielsweise drei Schräg kugellagern, eine Kaskade bildend.

Weg zur Ausführung der Erfindung

Das Schema der Schmierung ist zusammen mit dem Abgasturbola der in Fig. 1 dargestellt. Die Funktionsweise des Abgasturbo laders, welcher nicht Gegenstand der Erfindung ist, ist aus dem Schema ersichtlich.

Der Abgasturbolader 41 saugt die Ansaugluft 10 durch das Ver dichterrad 1 an, welches diese auf hohen Druck fördert und über das Verdichtergehäuse 2 als Ladeluft 11 via Ladeluftlei tung zum Motor führt (Ladeluftleitung und Motor sind nicht dargestellt). Über das Turbinenzuströmgehäuse 4 strömt das Abgas 7 unter hohem Druck vom Motor durch die Leitschaufeln 8 und expandiert über das Turbinenrad 3 in das Abgasnieder druckgehäuse 9. Turbinenrad 3 und Verdichterrad 1 sind durch die Welle 6 drehfest miteinander verbunden. Die Welle 6 ist mittels Wälzlagern 12 im Lagergehäuse 5 gelagert. Die Wälzla ger 12 werden durch die Schmierölbohrung 32 mit Öl versorgt.

Die in der Fig. 1 dargestellte Anordnung bzw. Durchströmungs richtung von Luft und Abgas erzeugt einen Schub 27 auf die Welle 6, welcher von den Wälzlagern 12 auf dem Lagergehäuse 5 abgestützt werden muß. Dieser Schub wird sowohl am Verdich terrad 1 als auch am Turbinenrad 3 erzeugt und hat bei der in Fig. 1 dargestellten Anordnung die gleiche Richtung, so daß sich die Komponenten addieren. An der Turbine 3 wird der Schub durch die Druckdifferenz an den Schaufeln und an der Turbinenradscheibe 44 erzeugt. Der Raum unter dem Zuström-Dom 43 ist mit der Partie zwischen Leitschaufeln 8 und Turbinen schaufeln verbunden und hat einen höheren Druck als das abströmende Gas 9. Dadurch wird ein starker Schub in Richtung des Verdichterrades 1 erzeugt.

Analog wird am Verdichterrad 1 ein Schub in derselben Rich tung erzeugt. Zwar schiebt der in Strömungsrichtung anstei gende Druck im Verdichterrad 1 dieses gegen die Turbine 3, der dominierende Schubanteil wird jedoch auf der Rückseite 42 des Verdichterrades 1 erzeugt, so daß der resultierende Schub des Verdichterrades 1 auch in die Richtung 27 zeigt wie jener des Turbinenrades 3.

Bei modernen Abgasturboladern läßt sich der Schub 27 nicht mehr auf nur zwei Wälzlager abstützen. Man muß Schubent lastungen vorsehen, die einen Wirkungsgradverlust verursa chen.

Abhilfe schafft hier die Erfindung, wie sie schematisch in Fig. 2 dargestellt wird. Ihr liegt der Gedanke zugrunde, die Schubkraft 27 durch mehrere Schrägkugellager 30 abzustützen, wobei die gesamte Schubkraft 27 gleichmäßig auf die Lager 28 und 30 verteilt wird. Im vorliegenden Fall wird die Welle 6 durch ein Vierpunkt-Kugellager 28 axial im Lagergehäuse 5 positioniert. Das Lager 28 trägt den Schub 27 zusammen mit einer Wälzlagerkaskade 38, welche im dargestellten Fall aus drei Schrägkugellagern 30 besteht.

Es liegt der Zusammenhang zugrunde, daß der Ladedruck mit zunehmender Drehzahl des Turbolader-Rotors, bestehend aus Verdichterrad 1, Turbinenrad 3 und Welle 6 ansteigt und die Wälzkörper der Wälzlager 28 und 30 durch die Fliehkraft zunehmend in den Außenring gedrückt werden. Die axiale Trag kraft der Wälzlager ist durch die Schrägstellung der Verbin dungslinie 51, 51′ der Berührungspunkte der Wälzkörper 45 am Innen- 48 und Außenring 46 gegeben. Die Schrägstellung der Verbindungslinie ergibt den Kontaktwinkel α bzw. β. Durch diese Schrägstellung ändert die momentane Rotationsachse 47, 47′ der Wälzkörper 45, 45′ ständig ihre Richtung. Hierdurch erzeugen die Wälzkörper 45, 45′ Kreiselbahnen, die eine sau beres Abwälzen in den Laufringen 46, 48 beeinträchtigen können. Dadurch ist die axiale Tragkraft der Wälzlager begrenzt.

Erfindungsgemäß wird der Schub 27 deshalb auf mehrere Lager verteilt. Damit dieser gleichmäßig auf alle beteiligten Lager verteilt wird, sind die Außenringe 46 der Schrägkugel lager 30, die die Kaskade 38 bilden, verschiebbar im Lagerge häuse 5 gehalten und mittels Federelementen 29 am Lagerge häuse 5 abgestützt.

Die Federkennlinie der Federelemente 29 hängt vorzugsweise abhängig vom Ladedruck bzw. den Öldruck ab. Der Öldruck wird durch ein nicht näher beschriebenes Ölversorgungsaggregat 26 bestehend aus Ölbehälter 24, Ölsumpf 15 und Ölpumpe 16 erzeugt. Dieses Ölaggregat fördert das Öl zum Öldruckregel ventil 23. Dieses besteht aus einem Ölraum 49 und einem Luft raum 50. Beide Räume sind durch ein bewegliches Element, z. B. durch eine Membrane 21, hermetisch voneinander getrennt. In den Ölraum münden die Leitungen 19 (Ölzufluß), 17 (Ölrücklauf), 25 (Öldruckleitung zum Abgasturbolader). Im Luftraum 50 befindet sich die Feder 18, welche die Membrane 21 gegen die Ölrücklaufleitung drückt und durch Kräftegleich gewicht den Überströmquerschnitt 22 bildet. Ferner ist der Luftraum 50 über die Steuerdruckleitung 20 mit dem Verdich tergehäuse 2 und somit mit der Ladeluft 11 verbunden. Die Vorspannung der Feder 18 bestimmt den Basiswert des Öldruckes im Ölraum 49 und in der Öldruckleitung 25. Durch eine Feder mit höherer Vorspannung ist dieser Basis-Öldruck höher. Sobald Ladedruck erzeugt wird, entsteht ein entsprechend höherer Druck im Ölraum 49 und damit in der Leitung 25 und der Schmierölbohrung 32. Dieses Leitungs-System ist vorzugs weise mit den Federelementen 29 verbunden, so daß die Wälz lager 30 proportional zum Ladedruck gespannt werden. Der Ladedruck erzeugt seinerseits eine proportionale Schubkraft 27, welche, vorzugsweise durch die erfindungsgemäßen Federe lemente 29, gleichmäßig auf die Wälzlager 30 der Wälzlager kaskade 38 verteilt und zusammen mit dem Vierpunkt-Wälzlager 28 am Lagergehäuse 5 abgestützt wird.

Ein weiteres bevorzugtes Merkmal ist die Ausbildung der Federelemente 29. Sie sind so gestaltet, daß die radiale Erstreckung der Wälzlager 30 als Wirkfläche zur Erzeugung der Federkraft unter Einwirkung des geregelten Öldruckes aus genützt wird. Vorteilhaft ist die Verwendung von Wellrohrele menten 35, welche je mit zwei Ringelementen 37 verbunden sind, die sich einerseits am Lagergehäuse 5 und andererseits an den Außenringen 46 der Schrägkugellager 30 abstützen. Die radiale Erstreckung des Wellrohrelementes 35 ist zweckmäßigerweise etwa gleich wie jene eines Schrägkugellagers 30. Das Federelement 29 erzeugt sowohl eine Grundvorspannung durch die Federeigenschaften des Wellrohres 35 selbst als auch eine Zusatzkraft, welche, wie oben beschrieben, durch den Lade druck 11 geregelt ist.

Die Schmierung der Schrägkugellager 30 der Wälzlagerkaskade 38 stellt ebenfalls ein bevorzugtes Merkmal der Erfindung. Die Anordnung ist als Beispiel in der Fig. 2 dargestellt. Die Ölzufuhr erfolgt via Wellrohrelement 35 durch daran ange brachte Spritzlöcher 36, die so angeordnet sind, daß der Schmierölstrahl 31′ in den Bereich Innenring 48 und Wälzkör per 45 gerichtet ist. Die rotationssymmetrische Gestalt der Wellrohre 35 hat den Vorteil, daß sie einen Ring-Ölkanal bilden und dadurch mehrere Spritzlöcher 36 in Umfangsrichtung verteilt angebracht werden können. Somit läßt sich eine sehr gleichmäßige Ölzufuhr zu den Schrägkugellagern 30 realisie ren.

Bezugszeichenliste

1 Verdichterrad
2 Verdichtergehäuse
3 Turbinenrad
4 Turbinenzuströmgehäuse
5 Lagergehäuse
6 Welle
7 Abgas vom Motor (Hochdruck)
8 Leitschaufeln
9 Abgas-Niederdruckgehäuse
10 Ansaugluft (Niederdruck)
11 Ladeluft, (Hochdruck, Ladedruck)
12 Wälzlager
13 Schmieröleintritt in 5
14 Schmierölaustritt aus 5
15 Ölsumpf
16 Ölpumpe
17 Schmierölrücklauf-Leitung zu 26
18 Feder in 23
19 Ölzuflußleitung zu 23
20 Steuerdruckleitung
21 Membrane
22 Überströmquerschnitt in 23
23 Öldruck-Regelventil
24 Ölbehälter
25 Öldruckleitung zu 41
26 Ölversorgungsaggregat
27 Schub in 6, Schubrichtung
28 Vierpunkt-Wälzlager
29 Federelement für Schrägkuggellager
30 Schrägkugellager
31, 31′ Schmierölstrahl
32 Schmierölbohrung in 5
34 Ölzuführung zu 28, 30 in 5
35 Wellrohrelement
36 Spritzloch in 35
37 Ringelement von 29
38 Wälzlagerkaskade bestehend aus 30 und 29
41 Abgasturbolader
42 Rückseite Verdichterrad
43 Zuström-Dom
44 Turbinenrad-Scheibe
45, 45′ Wälzkörper von 28, 30
46 Außenring von 30
47, 47′ Momentane Rotationsachse von 45 und 45′
48 Innenring von 30
49 Ölraum von 23
50 Luftraum von 23
51, 51′ Verbindungslinie der Berührungspunkte von 45 und 45′ an 48 und 46 von 28 und 30
α, β Kontaktwinkel.

Claims

1. Abgasturbolader, mit einem Läufer im wesentlichen beste hend aus einem Verdichterrad (1), einem Turbinenrad (3) und einer gemeinsamen Welle (6) sowie mit einem Verdich tergehäuse (2), einem Turbinengehäuse (4) und einem beide Gehäuse (2, 4) verbindenden Lagergehäuse (5), worin der Läufer zumindest mittels eines gegenüber des Lagergehäuses (5) axial fest positionierten Wälzlagers (28) gelagert ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerung der Welle (6) eine Mehrzahl von Schrägku gellagern (30) aufweist, die durch Federelemente (29) axial gegen das Lagergehäuse (5) in Richtung des Axial schubs abgestützt sind.

2. Abgasturbolader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Federkennlinie der Federelemente (29) durch den Öldruck bzw. den Ladedruck beeinflußbar ist.

3. Abgasturbolader nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß die Federelemente (29) aus Wellrohrele menten (35) hergestellt sind.

4. Abgasturbolader nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellrohrelemente (35) mit einer Öldruckleitung (25, 32, 34) untereinander verbunden sind.

5. Abgasturbolader nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellrohrelemente (35) mit Bohrungen (36) verse hen sind, so daß ein Schmierölstrahl (31′) auf die Schrägkugellager (30) richtbar ist.

6. Abgasturbolader nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der Wellrohrelemente (35) mit je zwei Ring elementen (37) verbunden ist, die sich einerseits am Lagergehäuse (5) und andererseits an Außenringen (46) der Schrägkugellager (30) abstützen.