DE69721036T2

DE69721036T2 - Druckausgeglichene drehdichtung für turbolader

Info

Publication number: DE69721036T2
Application number: DE69721036T
Authority: DE
Inventors: A. George ADEFF
Original assignee: Honeywell International Inc
Current assignee: Honeywell International Inc
Priority date: 1996-11-27
Filing date: 1997-11-25
Publication date: 2004-02-12
Anticipated expiration: 2017-11-26
Also published as: JP2001506735A; BR9714473A; CA2272368A1; CN1092768C; EP0941431B1; DE69721036D1; EP0941431A1; US5890881A; CN1245553A; AU5362298A; KR20000057256A; WO1998023886A1

Description

ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung betrifft Dichtungsanordnungen für Turboladerwellen im Allgemeinen. Insbesondere eine druckausgeglichene Doppelkolbenring-Konfiguration auf der Welle zusammen mit einer Anschlagdichtung in Eingriff zwischen dem Zentralgehäuse und der Turbinenradhaube stellt eine wirksame Turbinenendabdichtung zur Vermeidung von Verunreinigungen in den die Turbine antreibenden Abgasen durch Kondensate und Dämpfe dar.
Beschreibung des Standes der Technik
Turbolader kommen in den verschiedensten Anwendungen zum Einsatz, einschließlich zur Verbesserung der Leistung herkömmlicher Verbrennungsmotoren durch Ladeluft und in neuen Konzepten zum Turbopumpen von Abgasen und bei der Druckerhöhung von Reaktionsmitteln in Energieerzeugungssystemen wie Brennstoffzellen. In den meisten Turboladern bestimmen die Betriebsanforderungen die Notwendigkeit von relativ auslauffreien Dichtungen zwischen den Wellenlagern im Zentralgehäuse und dem rotierenden Turbinen- und Verdichterrad. Dies gilt insbesondere am Turbinenende der Welle, da die Turbine in der Regel in einer Umgebung mit relativ hohen Temperaturen betrieben wird. Demgemäß ist es wünschenswert, ein Auslaufen von Lagerschmiermitteln in das Turbinengehäuse zu unterbinden, um ein Verharzen oder Verkoken von Schmiermittel in Hochtemperaturanwendungen zu verhindern, was eine nachteilige Wirkung auf die Turbinenleistung haben kann, und um außerdem eine teilweise Entzündung von Schmiermittel im Turbinengehäuse oder ein Durchblasen von Schmiermittel zu verhindern, was beides eine nachteilige Wirkung auf die Menge von Verunreinigungen hat, die vom System abgegeben wird. Es ist ebenfalls wichtig, eine Verunreinigung des Kompressionsgasstroms am Verdichtereinlass durch Schmiermittel aus dem Zentralgehäuse zu vermeiden.
Zahlreiche Anwendungen verlangen eine wesentlich geringere Verunreinigung des Kompressionsgasstroms als vom Stand der Technik angeboten und die Vermeidung einer Verunreinigung des Schmieröls des Turboladers durch Wasserdampf, Kondensate oder andere korrosive Ausflüsse in den Abgasstrom, der die Turbine des Turboladers antreibt. Zur Verhinderung eines Auslaufens an der Turbinenseite und/oder der Verdichterseite der Welle bedient sich der Stand der Technik in der Regel eines oder mehrerer Dichtungsringe in einer Labyrinthanordnung auf der Turbinenwelle. Darüber hinaus wird die Wirksamkeit der gesamten Dichtungskonfiguration durch Entlüften der Dichtungen am Verdichterende des Zentralgehäuses, um mit der Dichtung in Berührung kommendes Schmiermittel ablaufen zu lassen, und Schleuderanordnungen an der Welle zum Abpumpen von überschüssigem Schmiermittel radial weg von den Dichtungsringen verbessert. Diese Konfigurationen des Stands der Technik haben jede für sich und in verschiedenen Kombinationen keine ausreichende Abdichtfähigkeit in Verbindung mit den neuen Anforderungen an eine hochwirksame Dichtung gezeigt.
Mit der vorliegenden Erfindung wird eine verbesserte Wirksamkeit der Dichtung im Vergleich zum Stand der Technik erreicht, indem mehrere Dichtungselemente mit einem integrierten, Druck ausgleichenden, Kavitationen aufnehmenden, mit Druck beaufschlagten Gas vom Kompressionsgasstrom oder einer externen Quelle kombiniert werden.
Die EP-Patentschrift Nr. 357 246 offenbart eine Wellendichtung für einen Turbolader mit einem ersten und zweiten Dichtungsring mit Zwischenabstand zwischen dem Verdichter und den Lagern der Welle. Das Auslaufen von Öl an der Lagerseite in die Verdichterseite wird dadurch verhindert, dass der Unterschied zwischen dem Druck zwischen den Dichtungsringen und dem auf der Lagerseite geringer gehalten wird als der Druck, bei dem das Auslaufen von Öl eintritt.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung sieht ein Dichtungssystem für eine Turbinenradwelle in einem Turbolader vor, das folgende Teile aufweist: eine Welle (22), die ein Turbinenrad (28) und ein Verdichterrad (24) trägt, wobei die Welle (22) drehbar in einer Wellenbohrung (26) gehalten wird, die sich durch ein Zentralgehäuse (105) und eine Turbinenradhaube (34) erstreckt; einen ersten und einen zweiten Dichtungsring (66, 68), die auf der Welle (22) montiert sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtungsringe neben dem Turbinenrad (28) angeordnet sind, wobei der erste Ring (66) abdichtend in eine Umfangsfläche der Wellenbohrung (26) im Zentralgehäuse (10) und der zweite Ring (68) abdichtend in eine Umfangsfläche der Wellenbohrung (26) in der Turbinenradhaube (34) eingreift; einen Durchlass (74) zur Zuführung von mit Druck beaufschlagtem Gas, der mit der Wellenbohrung (26) zwischen dem ersten und dem zweiten Dichtungsring (66, 68) in Verbindung steht; eine Einrichtung zur Beschickung des Durchlasses mit mit Druck beaufschlagtem Gas; und eine Anschlagdichtung (82), die zwischen dem Zentralgehäuse (10) und der Turbinenradhaube (34) außerhalb des Durchlasses (74) eingreift.
Eine formschlüssige Gleitringdichtung am Verdichterende der Welle zusammen mit dem druckausgeglichenen Zwillingsdichtungsring und der Anschlagdichtungsanordnung am Turbinenende stellt eine wirksame Dichtung zur Verhinderung einer Verunreinigung des Kompressionsgasstroms und zur Vermeidung von Verunreinigungen im Schmiermittel dar.
In alternativen Ausführungsformen, die eine höhere Temperaturbeständigkeit der Turbine verlangen, wird die O-Ringdichtung durch eine passende Hochtemperatur-Anschlagdichtung ersetzt.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
Die Einzelheiten und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden anhand der folgenden genauen Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen besser verstanden. Es zeigen:
1 eine Seitenansicht durch den Querschnitt eines Turboladers mit der vorliegenden Erfindung;
2 einen detaillierten Querschnitt durch das Zentralgehäuse des Turboladers aus 1, der die erfindungsgemäßen Elemente in einer aktuellen Ausführungsform veranschaulicht; und
3 eine detaillierte Draufsicht auf einen Querschnitt durch das Zentralgehäuse des Turboladers aus 1, der die Drucköffnung mit einer skizzenhaften Darstellung der Quellen für mit Druck beaufschlagtes Gas veranschaulicht.
GENAUE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen zeigt 1 eine Ausführungsform des Turboladers mit der vorliegenden Erfindung, die ein Zentralgehäuse 10 umfasst, ein Verdichtergehäuse 12, das mit dem Zentralgehäuse mittels Schrauben (nicht dargestellt) verbunden ist, welche in Öffnungen 14 mit Gewinde oder anderen herkömmlichen Einrichtungen aufgenommen sind, und ein Turbinengehäuse 16, das mit dem Zentralgehäuse (nicht dargestellt) verbunden ist, welche in Öffnungen 18 mit Gewinde aufgenommen sind. Im Zentralgehäuse befindet sich eine Lagereinheit mit der allgemeinen Bezugsziffer 20 und eine Welle 22 befindet sich in Eingriff mit einer Zentralbohrung des Lagers. Ein Verdichterrad 24 ist an einem Ende der Welle montiert, die sich durch eine erste Bohrung 26 am Verdichterende des Zentralgehäuses und konzentrisch zur Zentralbohrung erstreckt. Ein Turbinenrad 28 ist am zweiten Ende der Welle montiert, die sich durch eine zweite Bohrung 30 am Turbinenende des Zentralgehäuses, die ebenfalls konzentrisch zur Zentralbohrung ist, und durch eine dritte Bohrung 32 in der Turbinenradhaube 34, welche gleichfalls konzentrisch zur Zentralbohrung ist, erstreckt. Die Turbinenradhaube, in anderen Ausführungsformen entweder als Turbinenrückseite oder als Hitzeschild bezeichnet, ist in der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsform am Zentralgehäuse befestigt oder zwischen dem Zentralgehäuse und dem Turbinengehäuse eingespannt. Die erste, zweite und dritte Bohrung sowie die Zentralbohrung des Lagers stellen gemeinsam eine Wellenbohrung des Turboladers dar.
Der Turbolader arbeitet auf herkömmliche Weise mit expandierendem Gas, das durch einen Diffusor 36 in das Turbinengehäuse geführt wird, wo es aerodynamisch die Turbine antreibt, und durch einen Auslass 38 im Turbinengehäuse abgeführt wird. Die Drehung der Turbine wird zur Drehung des Verdichterrads zur Welle übertragen, wobei Kompressionsgas durch einen Einlass 40 in das Verdichtergehäuse gesaugt wird und verdichtetes Gas aus dem Verdichter über einen Diffusor 42 entweicht, der mit einem Einlasskrümmer eines Motors oder eines anderen Verbrauchers von verdichtetem Gas verbunden ist.
In der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsform weist das Lagersystem einen Lageraußenring 44 in einem Lagerträger 46 auf. Ein Lagerinnenring 48, der so montiert ist, dass er zusammen mit der Welle dreht, wird von axial getrennten Sätzen von Kugellagerelementen 50 und 52 getragen. Einspritzkanäle für Schmieröl mit der allgemeinen Bezugsziffer 54 und eine Sammelwanne 56 stellen das Schmiersystem für die Lager und die Welle dar. Ein Kragen 58 am Turbinenende der Welle und ein Kragen 60 und Ring 62 am Verdichterende der Welle nehmen die Drucklasten auf. In der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsform werden Längsbelastungen von den Kugellagerelementen aufgenommen. In anderen erfindungsgemäßen Ausführungsformen kommen Radiallager und verbundene Drucklager als Lagersysteme der Welle zum Einsatz. Die Kontur des Turbinenendes der Welle mit der allgemeinen Bezugsziffer 64 ergibt die Schleuderwirkung zum Auffangen von Öl.
Ein erster und ein zweiter Dichtungsring 66 und 68, die auf der Welle montiert sind, stellen eine Mehrelementdichtung dar, wobei der erste Ring abdichtend in eine Umfangsfläche 70 der zweiten Bohrung 30 im Zentralgehäuse und der zweite Ring abdichtend in eine Umfangsfläche 72 der dritten Bohrung 32 in der Turbinenradhaube eingreift. Ein Durchlass 74 mit einem ersten Abschnitt 76 als Bestandteil des Zentralgehäuses zur Zuführung von mit Druck beaufschlagtem Gas steht mit der Wellenbohrung zwischen dem ersten und dem zweiten Kolbenring in Verbindung, wobei ein zweiter Abschnitt des Durchlasses einen Umfangskanal 78 an der Innenseite 80 der Turbinenradhaube aufweist. Eine O-Ringdichtung 82, die zwischen dem Zentralgehäuse und der Turbinenradhaube außerhalb des Kanals eingreift, vervollständigt die Dichtung am Turbinenende der Welle.
Über eine Öffnung 84, siehe 3, die an eine externe Quelle, wie den Druckluftbehälter des Bremssystems bei einer Kraftfahrzeuganwendung oder unabhängige Druckgasspeicher, angeschlossen ist oder über den Diffusor im Verdichter des Turboladers oder weiter stromabwärts im Gasversorgungssystem gespeist wird, wird der Durchlass 74 mit mit Druck beaufschlagtem Gas versorgt. Jede dieser Alternativen ist skizzenhaft in 1 und 3 dargestellt. Der erste Abschnitt 76 des Durchlasses 74 wird in der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsform als Bestandteil des Zentralgehäuses gegossen und erstreckt sich zur Seitenfläche des Zentralgehäuses am Turbinenende. Der Umfangskanal 78 leitet das mit Druck beaufschlagte Gas zur gleichmäßigen Verteilung um die Welle zwischen den Dichtungsringen durch den Zwischenraum zwischen der Endfläche und der Turbinenradhaube. Das mit Druck beaufschlagte Gas, das einen höheren absoluten Druck als das expandierende Gas in der Turbine hat, verursacht einen Druckgradienten am äußeren Dichtungsring und verhindert so die Übertragung von Verunreinigungen wie Wasserdampf, korrosive Kondensate und andere mögliche Verunreinigungen aus dem expandierenden Gas in das Schmiersystem des Turboladers. Auf die gleiche Weise verursacht der zwischen den Dichtungen ausgebildete Druck einen Gradienten am inneren Dichtungsring und unterstützt die Labyrinth-Konfiguration der Dichtungsstruktur dabei zu verhindern, dass Schmieröl in das Turbinengehäuse ausläuft.
Am Verdichterende der Welle befindet sich eine formschlüssige Gleitringdichtung 86, die zusammen mit dem druckausgeglichenen Zwillingsdichtungsring und der Anschlagdichtungsanordnung am Turbinenende eine wirksame Dichtung zur Verhinderung der Verunreinigung des Kompressionsgasstroms darstellt. Eine beispielhafte Dichtung zur Verwendung am Verdichterende der Welle ist eine Kohlenstoffgleitringdichtung wie die, die in der am 13. Dezember 1983 an Herman C. Laham erteilten US-Patentschrift Nr. 4,420,160 mit dem Titel „Face Seal System" offenbart ist, die einen Erwerber mit der vorliegenden Anmeldung gemeinsam hat.
In alternativen Ausführungsformen, die eine höhere Temperaturbeständigkeit der Turbine verlangen, wird die O-Ringdichtung durch eine passende Hochtemperatur-Anschlagdichtung wie einen zusammendrückbaren Metall ring ersetzt.
Nach der gemäß dem Patentrecht vorgeschriebenen ausführlichen Beschreibung der Erfindung sind für den Fachmann Abwandlungen und Substitutionen im Vergleich zu den hier offenbarten spezifischen Ausführungsformen offensichtlich. Solche Abwandlungen und Substitutionen liegen im Rahmen des Schutzumfangs und des Geistes der vorliegenden Erfindung, wie sie durch die nachfolgenden Ansprüche definiert sind.

Claims

Dichtungssystem für eine Turbinenradwelle in einem Turbolader, das Folgendendes aufweist: eine Welle (22), die ein Turbinenrad (28) und ein Verdichterrad (24) trägt, wobei die Welle (22) drehbar in einer Wellenbohrung (26) gehalten wird, die sich durch ein Zentralgehäuse (105) und eine Turbinenradhaube (34) erstreckt; einen ersten und einen zweiten Dichtungsring (66, 68), die auf der Welle (22) montiert sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtungsringe neben dem Turbinenrad (28) angeordnet sind, wobei der erste Ring (66) abdichtend in eine Umfangsfläche der Wellenbohrung (26) im Zentralgehäuse (10) und der zweite Ring (68) abdichtend in eine Umfangsfläche der Wellenbohrung (26) in der Turbinenradhaube (34) eingreift; ein Durchlass (74) zur Zuführung von mit Druck beaufschlagtem Gas, der mit der Wellenbohrung (26) zwischen dem ersten und dem zweiten Dichtungsring (66, 68) in Verbindung steht; Mittel zur Beschickung des Durchlasses mit mit Druck beaufschlagtem Gas; und eine Anschlagdichtung (82), die zwischen dem Zentralgehäuse (10) und der Turbinenradhaube (34) außerhalb des Durchlasses (74) eingreift.
Dichtungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchlass (74) einen ersten Abschnitt (76) als Bestandteil des Zentralgehäuses (10) und einen zweiten Abschnitt mit einem Umfangskanal (78) an der Innenseite der Turbinenradhaube (34) aufweist.
Dichtungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlagdichtung einen O-Ring (82) aufweist.
Dichtungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlagdichtung einen verformbaren Metallring aufweist.
Dichtungssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Zentralgehäuse (10) ein Gussstück ist und dass der erste Abschnitt (76) des Durchlasses (74) als Bestandteil des Zentralgehäuses (10) gegossen wird.
Dichtungssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zur Beschickung mit mit Druck beaufschlagtem Gas eine Öffnung im Zentralgehäuse (10) aufweist, die funktionsfähig mit dem ersten Abschnitt (76) des Durchlasses (74) und einer Druckgasquelle verbunden ist.
Dichtungssystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckgasquelle eine Druckentnahmestelle an einem Diffusor (36) aufweist, der verdichtetes Gas vom Verdichterrad (24) erhält.
System nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckgasquelle einen Kompressionsgasspeicher aufweist.
Dichtungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, das außerdem eine formschlüssige Gleitringdichtung aufweist, die funktionsfähig in die Welle neben dem Verdichterrad eingreift.