DE4413100A1

DE4413100A1 - Innengelagerter Abgasturbolader

Info

Publication number: DE4413100A1
Application number: DE19944413100
Authority: DE
Inventors: Helmut Embersits; Fritz Spinnler
Original assignee: ABB Management AG
Current assignee: ABB Schweiz Holding AG
Priority date: 1994-04-15
Filing date: 1994-04-15
Publication date: 1995-10-19

Description

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft einen innengelagerten Abgasturbolader mit einem Läufer, im wesentlichen bestehend aus einem Ver dichterrad, einem Turbinenrad und einer gemeinsamen Welle, sowie mit einem Verdichtergehäuse, einem Turbinengehäuse und einem diese beiden Gehäuse verbindenden Lagergehäuse, in dem der Läufer mittels ölgeschmierten Lagern gelagert ist, wobei die Ölabdichtung vom turbinenseitigen Lager zum Turbinenrad über eine Labyrinthdichtung erfolgt und hierzu die Welle mit einem Kolben versehen ist.

Stand der Technik

Die Lagerung bei derartigen Turboladern kann als Gleitlage rung oder als Wälzlagerung ausgeführt sein, welche in der Regel durch Motoröl geschmiert und gekühlt sind. Die Ölzu- und -abfuhr zu den Lagerstellen der Welle erfolgt durch Ölkanäle, die im Lagergehäuse angebracht sind und mittels Ölleitungen mit dem Schmiersystem des Motors verbunden sind.

Der Läufer besteht im wesentlichen aus der Turbine, dem mitt leren, die Lagerung bildenden Teil sowie dem Zugbolzen, wel cher das Verdichterrad in dessen Zentrum aufnimmt. Diese drei Partien des Läufers haben eine gemeinsame Achse. Der Aufbau des Läufers ist aus verschiedenen Materialien. Das Turbinen rad besteht entsprechend dem geforderten hohen Temperatur niveau aus einer warmfesten, in der Regel Nickel-haltigen Metallegierung. Auch keramisches Material für die Turbine ist auch schon verschiedentlich eingesetzt worden. Die übrigen Teile der Welle sind aus Stahl. Besondere Beachtung gilt der Verbindung des aus einer Nickel-Basislegierung oder aus einem keramischen Material bestehenden Turbinenrades und der Stahl welle, sowie der Turbinen-seitigen Abdichtstelle der Welle.

Dem Stande der Technik entsprechend wird das Turbinenrad, falls es aus einer Metallegierung besteht, mittels Reib schweißen mit der Stahlwelle verbunden. Die Schweißnaht liegt nahe bei der Turbinenradscheibe. Die Abdichtung des Lagergehäuse-Innenraumes zum Turbinenarbeitsraum erfolgt mittels einer Labyrinthdichtung in Form eines Kolbenringes. Die Kolbenringnut ist im Reibschweißbund der Welle eingear beitet; der Kolbenring selbst stützt sich am Lagergehäuse ab. Diese Labyrinthdichtung soll unter anderm verhindern, daß heißes Abgas in den Lagerraum eindringt und dadurch das dort vorhandene Spritzöl resp. Ölnebel im Turbinen-seitigen Berei che der Welle verkokt oder verbrennt.

Ein Abgasturbolader der eingangs genannten Art ist bekannt aus dem Zeitschriftenartikel "Die weiterentwickelte MAN-BTurboladerreihe NR/R mit Radialturbine", veröffentlicht in MTZ Motortechnische Zeitschrift, Band 46 (1985) 11, Seiten 415-419. In Bild 4 und zugehöriger Beschreibung ist ein innengelagerter Turbolader angegeben, bei dem das Radial turbinenrad aus hochwarmfesten Feinguß mit einer Welle durch Reibschweißen verbunden ist und bei dem die Ölabdichtung vom turbinenseitigen Lager zum Turbinenrad über ein Einlauf labyrinth erfolgt, welches auf einem Kolben angeordnet ist.

Ein schwieriger Betriebszustand mit den bekannten Ladern ist der schnelle Motorstop. Der Turbolader wird, wie bereits erwähnt, meist mit Motoröl geschmiert und gekühlt. Beim schnellen Motorstop wird der Öldurchfluß durch den Turbola der unterbrochen. Die heiße Turbine heizt die Welle im Bereiche des turbinenseitigen Lagers auf. Ganz besonders stark wird der Bereich des Kolbenringes nacherwärmt. Allen falls vorhandene Ölreste können verkoken und den Kolbenring beim schnellen Motorstop verkleben, was zu einer Beschädigung führen kann.

Darstellung der Erfindung

Es ist deshalb die Aufgabe der Erfindung, eine thermische Abkoppelung des Kolbenringes von der heißen Turbinen-Naben partie zu schaffen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einem Abgasturbolader der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß das Turbinen rad auf seiner Rückseite mit einem Wellenstummel versehen ist, welcher in eine Bohrung der Welle eingreift, und daß der am turbinenseitigen Wellenende sitzende Kolben einen Innendurchmesser aufweist, der im überwiegenden Bereich der axialen Erstreckung des Kolbens kleiner ist als der Außen durchmesser des Wellenstummels.

Zwar ist aus der DE-A 27 34 747 bereits ein Turbolader bekannt, bei dem das Turbinenrad auf seiner Rückseite mit einem Wellenstummel versehen ist, welcher in eine Bohrung der Welle eingreift. Hierzu ist die Welle mit einer Verstärkung versehen, welche die Bohrung aufnimmt. Diese Verstärkung, die durchaus als Kolben für die Aufnahme des Labyrinthes angese hen werden kann, wird auf den Wellenstummel aufgeschrumft. Dadurch unterscheidet sie sich nicht mehr von der eingangs erwähnten Reibschweißung hinsichtlich des Wärmeübergangs vom Wellenstummel in den Kolben.

Der Vorteil der vorliegenden Erfindung ist darin zu sehen, daß der Kolben mit der Welle an einer Stelle verbunden ist, die von der heißen Turbinenradnabe beabstandet ist. Der Kolben ist dadurch frei gestaltbar und muß nicht mit dem zylindrischen Fortsatz der Turbinen-Nabenpartie verbunden sein. Somit bleibt ein ringförmiger Luftspalt zwischen Kolben und zylindrischem Fortsatz an der Turbinen-Nabenpartie beste hen. Dieser Luftspalt stellt eine wirksame Barriere für den Wärmeübergang dar.

Wenn der Wellenstummel des Turbinenrades und die den Wellen stummel aufnehmende Wellenbohrung sich zudem über den axialen Bereich des turbinenseitigen Lagers erstrecken, so kann die Verbindungsstelle im Bereich des turbinenseitigen Lagers lie gen und kann sogar axial auf die Partie des turbinenseitigen Gleitlagers begrenzt werden. Dort wird die vom Turbinenrad beim schnellen Motorstop in die Welle eingeleitete Wärme über die Lagerbüchse abgeführt. Der Kolben nimmt dann die Tempera tur der Welle an dieser Verbindungsstelle an. Diese Tempera tur ist wesentlich niedriger als jene in der Turbinen-Rad nabe.

Es ist besonders zweckmäßig, wenn die Welle mit dem Wellen stummel durch Rundkneten unlösbar verbunden ist. Bei der bis herigen Reibschweißverbindung entsteht nämlich ein massiver Wulst an der Schweißstelle, welcher durch äußere Nacharbeit auf die Funktionsmasse gebracht wird. Ein nachträgliches thermisches Abkoppeln des Kolbens im Sinne der Erfindung ist bei dieser Verbindungsart jedoch nicht möglich, da von der Turbinenseite der Zugang für ein Bearbeitungswerkzeug durch das Turbinenrad selbst versperrt ist. Dies gilt auch für die aus DE-A 27 34 747 bekannte Schrumpfverbindung.

Bei der vorliegenden neuen Verbindung ist das Turbinenrad mit einem zylindrischen Fortsatz in der Nabenpartie versehen, auf welchem die vorbearbeitete Stahlwelle lediglich aufgeschoben und anschließend rundgeknetet wird. Dabei kann die Verbindung mit Vorteil so gestaltet werden, daß der Rundkneteingriff genau unter den Bereich des turbinenseitigen Lagers zu liegen kommt, somit an die Stelle, an der Wärme aus der Welle abge führt werden kann.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

In der Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch dargestellt.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen Turbolader mit einer dem Stande der Technik entsprechend ausgeführten Verbindung zwischen Turbinenrad und Welle;

Fig. 2 einen Längsschnitt durch die erfindungsgemäße Wellen-Turbinenrad-Verbindung;

Fig. 3 eine Ausführungsvariante der Wellen-Turbinenrad- Verbindung nach Fig. 2.

Gleiche Teile sind in den verschiedenen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.

Weg zur Ausführung der Erfindung

Die Erläuterung der Funktionsweise des Turboladers, welche nicht Gegenstand der Erfindung ist, ist anhand der Fig. 1 ersichtlich.

Durch eine Ansaugöffnung 16 wird durch das rotierende Ver dichterrad 1 die Verbrennungsluft angesaugt und in den Lade luftraum 17 im Verdichtergehäuse 8 gefördert. Die im nicht dargestellten Motor verbrannte Ladeluft strömt als heißes Abgas über die Abgas-Hochdruckleitung 18 in das Turbinenrad 5 und expandiert darin in die Abgas-Niederdruckleitung 19. Bei diesem zum Stand der Technik zählenden Turbolader ist das Turbinenrad 5 durch eine Reibschweißung 30 drehfest mit der Welle 2 verbunden. Das Verdichterrad 1 ist über eine Ver schraubung 15 mit der Welle 2 drehfest verbunden und bildet mit dieser und dem Turbinenrad 5 zusammen den Läufer des Tur boladers.

Dieser Läufer ist radial über Gleitlagerbüchsen 4, 4′ und axial über eine Schublagereinheit 3 im Lagergehäuse 6 geführt. Über einen Öleintritt 10 erfolgt die Schmiermittel zufuhr zu den Lagerstellen.

Im Betrieb nimmt das Turbinenrad nahezu die Temperatur des heißen Abgases an. Das turbinenseitige Lager 4′ führt die über den Wellenabschnitt 28 anfallende Wärme über das Schmieröl ab.

Im Falle des schnellen Abstellens des Motors aus einem Zustand hoher Last und demzufolge hoher Turbinenrad-Tempera tur wird dieser Wellenabschnitt 28 stark aufgeheizt, da die Ölkühlung ebenfalls unterbrochen ist. Mit diesem Wellenab schnitt 28 wird auch die Wellenabdichtung 13, die hier als Kolbenring 31 dargestellt ist, stärker als im Betrieb nachge wärmt.

Soweit sind Turbolader bekannt. Gemäß der Erfindung soll nunmehr eine thermische Abkoppelung des gefährdeten Kolben ringes von der heißen Turbinen-Nabenpartie geschaffen werden.

Hierzu ist eine neue Verbindung zwischen Turbinenrad 5 und Welle 2 vorgesehen. Gemäß Fig. 2 ist das Turbinenrad auf seiner Rückseite mit einen zylindrischen Fortsatz in Form eines Wellenstummels 36 versehen. Dieser ragt in eine ent sprechende Bohrung 39 der Welle 2 hinein. Der Wellenstummel 36 und die ihn aufnehmende Wellenbohrung 39 erstrecken sich über den ganzen axialen Bereich des turbinenseitigen Lagers 4′. Der am turbinenseitigen Wellenende sitzende Kolben 32 weist einen Innendurchmesser auf, der im überwiegenden Bereich der axialen Erstreckung des Kolbens kleiner ist als der Außendurchmesser des Wellenstummels 36. Die den Kolben bildende Erweiterung der Welle liegt unmittelbar neben dem Lager 4′. Im Kolben ist eine Ringnut eingearbeitet, welche einen Kolbenring 31 aufnimmt. Dieser Kolbenring dichtet gegen das Lagergehäuse 6.

Der Wellenstummel 36 ist durch einen Rundknetvorgang mit der Welle unlösbar verbunden. Der Eingriff der Rundknetoperation ist an der Stelle 34′ im Bereich der Lagerstelle vorgenommen. Dadurch wird diese Partie kalt verfestigt, was sich auf die Verschleißfestigkeit der Welle 2 im Bereiche der Gleitlager stelle vorteilhaft auswirkt.

Die geeignete Vorbearbeitung der Welle mitsamt Kolben läßt somit im Bereiche des Kolbenringes 31 einen Luftspalt 33 zwi schen dem Wellenstummel 36 und dem Kolbenringträger 32 zu. Dadurch ist eine thermische Abkoppelung des Kolbens vom hei ßen Wellenstummel 36 realisiert.

In der Fig. 3 ist eine Ausführungsvariante gezeigt, bei wel cher die Welle 2 mehrteilig ausgebildet ist. Die ursprünglich einteilige Welle besteht aus zwei Einzelteilen, nämlich der eigentlichen Welle 2 als Mittelteil und dem Dehnbolzen 35, auf den das nicht dargestellte Verdichterrad aufgezogen ist. Der Dehnbolzen 35 wird analog dem Wellenstummel des Turbinen rades in eine Bohrung 40 des Mittelteils eingehämmert und dadurch unlösbar mit diesem verbunden.

Diese Variante besitzt weitere Vorteile. An die einzelnen Komponenten des Läufers sind durch die Funktion bedingt, ver schiedene Anforderungen gestellt. Durch die neue Aufteilung können für die einzelnen Komponenten die am besten geeigneten Materialien gewählt werden. So benötigt man zur Aufnahme des Verdichterrades einen Dehnbolzen 35 mit hoher Festigkeit und guten Dehneigenschaften, für das Mittelstück, d. h. die eigentliche Welle 2 benötigt man duktiles Material, welches an den Gleitlagerstellen 23, 23′ durch den strichpunktiert symbolisierten Rundkneteingriff 37, 37′ kalt verfestigt wird. Dies findet vorzugsweise genau dort statt, wo hohe Ver schleißfestigkeit an der Welle 2 gefordert ist. Das Turbi nenrad selbst muß aus hochwarmfestem Material (Metall-Legie rung oder keramischer Werkstoff) hergestellt sein, für welche sich die neue Verbindungsart gut eignet.

Bezugszeichenliste

1 Verdichterrad
2 Welle
3 Schublager
4, 4′ Radiallager-Büchse
5 Turbinenrad
6 Lagergehäuse
7 Turbinengehäuse
8 Verdichtergehäuse
10 Öleintritt
11 Ölaustritt
13 Wellenabdichtung
15 Verschraubung
16 Ansaugöffnung
17 Ladeluftraum
18 Abgashochdruck
19 Abgasniederdruck
23, 23′ Gleitlagerstelle
28 Wellenabschnitt
30 Reibschweißverbindung
31 Kolbenring
32 Kolben
33 Luftspalt
34, 34′ Knetverbindung
35 Dehnbolzen
36 Wellenstummel
37, 37′ Stelle des Rundkneteingriffes
39 Bohrung
40 Bohrung

Claims

1. Innengelagerter Abgasturbolader mit einem Läufer, im wesentlichen bestehend aus einem Verdichterrad (1), einem Turbinenrad (5) und einer gemeinsamen Welle (2), sowie mit einem Verdichtergehäuse (8), einem Turbinen gehäuse (7) und einem diese beiden Gehäuse verbindenden Lagergehäuse (6), in dem der Läufer mittels ölgeschmier ten Lagern (4, 4′) gelagert ist, wobei die Ölabdichtung vom turbinenseitigen Lager (4′) zum Turbinenrad über eine Labyrinthdichtung erfolgt und hierzu die Welle mit einem Kolben versehen ist, dadurch gekennzeichnet,

- daß das Turbinenrad (5) auf seiner Rückseite mit einem Wellenstummel (36) versehen ist, welcher in eine Bohrung (39) der Welle eingreift,
- und daß der am turbinenseitigen Wellenende sit zende Kolben (32) einen Innendurchmesser aufweist, der im überwiegenden Bereich der axialen Erstreckung des Kolbens kleiner ist als der Außendurchmesser des Wel lenstummels (36).

2. Abgasturbolader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wellenstummel (36) des Turbinenrades (5) und die den Wellenstummel aufnehmende Wellenbohrung (39) sich über den axialen Bereich des turbinenseitigen Lagers (4′) erstrecken.

3. Abgasturbolader nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß die Welle (2) mit dem Wellenstummel (36) durch Rundkneten unlösbar verbunden ist.

4. Abgasturbolader nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Dehnbolzen (35), auf den das Verdichterrad (1) aufgezogen ist, mit der Welle (2) durch Rundkneten unlösbar verbunden ist.