EP1503042A1 - Bremssystem in einem Turbolader - Google Patents

Bremssystem in einem Turbolader Download PDF

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Publication number
EP1503042A1
EP1503042A1 EP03016650A EP03016650A EP1503042A1 EP 1503042 A1 EP1503042 A1 EP 1503042A1 EP 03016650 A EP03016650 A EP 03016650A EP 03016650 A EP03016650 A EP 03016650A EP 1503042 A1 EP1503042 A1 EP 1503042A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
rotor
housing
braking surface
counter
turbocharger
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP03016650A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Stephen O'hara
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
BorgWarner Inc
Original Assignee
BorgWarner Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by BorgWarner Inc filed Critical BorgWarner Inc
Priority to EP03016650A priority Critical patent/EP1503042A1/de
Publication of EP1503042A1 publication Critical patent/EP1503042A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D27/00—Control, e.g. regulation, of pumps, pumping installations or pumping systems specially adapted for elastic fluids
    • F04D27/02—Surge control
    • F04D27/0292—Stop safety or alarm devices, e.g. stop-and-go control; Disposition of check-valves
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D25/00—Pumping installations or systems
    • F04D25/02—Units comprising pumps and their driving means
    • F04D25/04—Units comprising pumps and their driving means the pump being fluid-driven
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2220/00—Application
    • F05B2220/40—Application in turbochargers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2260/00—Function
    • F05B2260/90—Braking

Definitions

  • the invention relates to a turbocharger with at least one turbine rotor and at least one sitting on the same shaft compressor rotor, which, each wing having rotors in each case in a housing portion of a turbocharger housing are housed.
  • the invention is based on the object, a turbocharger of the aforementioned Art form so that a bursting of a rotor is obstructed from the outset.
  • the turbocharger is provided with a kind of centrifugal brake, which is a rotating with a speed above a permissible and at most adjustable value prevented and thus also prevents it at all can burst.
  • this brake can be provided on each of the rotors or both.
  • this brake can be provided on both rotors, i. at the turbine engine and provide on the compressor rotor, so that under certain circumstances, the heat by the friction spread on two brakes.
  • Turbine rotor It is preferred if at least one rotor connected to the counter-braking surface engages Turbine rotor is (the invention also includes the case that about several turbines and / or Compressor rotors are provided).
  • the braking surface of the housing is provided on an insert part in the housing.
  • This insert part can, in case the turbine rotor is provided with the counter-braking surface of one then usually anyway existing Hitzschild be formed.
  • the part of the rotor may be a molded ring which forms the counter-braking surface carries on its circumference.
  • a ring is preferably at the wings arranged side facing away from the respective rotor because he there the gas or Air flow least disturbs.
  • the ring itself could consist of a slightly flexible material or with a be processed so that he - even without the vibration of the wave - under the effect of the centrifugal force can bend radially outward.
  • this also requires a longer axial dimensioning, which is given the space in a turbocharger generally will not be desirable. That is why it is also production technology advantageous if the ring consists of the same material as the associated rotor and in particular integrally molded with it.
  • braking surface and counter braking surface if desired something can be arranged obliquely to the axis of rotation of the shaft, so that the system of one surface to the other gently. However, it has turned out that it is cheaper if at least one of the braking or counter braking surfaces, preferably both, extending substantially parallel to the shaft.
  • a turbocharger 1 in a conventional manner a turbine housing part 2 and an associated compressor housing part 3 along an axis of rotation R are arranged.
  • the turbine housing part 2 is shown partially in section, so that the located on the axis R turbine rotor 4 visible with corresponding turbine blades is, which is attached to one end of a rotor shaft 5, which in a middle part of the housing or bearing housing 6 is mounted.
  • the turbine housing 2 has a supply pipe 7 for exhaust gas, which opens into an approximately annular supply channel 9 for exhaust gas or itself in this continues to supply the turbine rotor 4 exhaust gas from an internal combustion engine.
  • the supply takes place in the illustrated embodiment on the blades 8 on known (and therefore not described in detail here) Leitgitters variable Geometry, about in a blade bearing ring 10 mounted adjusting with respect their position (more radially to the rotor 4 or more tangentially) are adjustable.
  • the location of this Blades 8 controls the supply amount of exhaust gas to the turbine rotor 4, but is out of the Literature, it is known that this feed rate is also controlled by other gas control devices, as the derivative of the exhaust gas via a turbine housing on the leading shunt can be controlled via a corresponding valve.
  • more than one supply channel 9 may be provided, especially if about several Turbine rotors should be attached to the shaft 5.
  • Fig. 1 it can also be seen that the respective rotor housing 2 or 3 leaves a space, in which the respective rotor 4 or 21 can rotate.
  • This room is arranged in such a way that the respective rotor 4 and 21, the respective gas (exhaust gas or air) via its periphery receives or outputs, in the region of the respective supply channels 9 and 11 are arranged.
  • the present invention takes a different route by indicating a possibility to prevent the bursting at all. It is the same at which of the rotors 4 or 21 (or both) the invention is realized because both rotors yes on sit the same rotor shaft 5.
  • Fig. 1 is at the rear of the compressor rotor 21 a Centrifugal brake ring 12 integrally formed, the radially outer circumferential surface as a counter-braking surface G serves. This counter braking surface G opposite and from her only by a separated narrow gap is formed on the compressor housing 3 or mounted on it Brake ring 14 is provided, which has a braking surface B radially inwardly.
  • the rotor 21 has a molded counter-brake ring 12, because it is in principle It would also be possible to use the outer circumferential surface 15 as a counter-braking surface and to work together with the surrounding housing wall. If a specially shaped Brake ring or counter-brake ring, as the ring 12, is present, then must this also not necessarily on the back of the respective rotor, ie against the bearing housing 6 too, but could also be at the front in the areas The rotor blades are where it may possibly obstruct the flow, which is why the attachment shown on the back is preferred.
  • the arrangement can either be realized on the compressor rotor or on the turbine rotor or on both as already mentioned above. Also, the respective ring 12 or 14 would not necessarily an integral part, but could be on the housing or on the rotor, e.g. detachable, fastened.
  • a turbine housing 2 is now shown, to which the present invention is realized.
  • this embodiment is between a part 6 'of the bearing housing 6 (see Fig. 1) and the turbine housing 2 a, preferably relatively flexible, Insert part provided in the form of a heat shield 17.
  • This heat shield 17 is in one angled between bearing housing part 6 'and the turbine rotor 4 space such that it forms a radially inner braking surface B, which with a - in a similar way as in the compressor rotor 21 of FIG. 1 - formed on the turbine rotor 4 counter-brake ring cooperates with counter-braking surface G.
  • that is between the two Surfaces B and G existing gap g extremely small, because only the small game of Shaft 5 is available in the bearings 16 for determining the size of the centrifugal force.
  • a heat shield 17 is generally anyway provided which can be used simultaneously for the purposes of the invention.
  • Fig. 3 shows another embodiment with reference to an enlarged section of the Fig. 2, but it is understood that this embodiment is not to a turbine rotor 4, but also the compressor rotor 21 (FIG. 1) may be formed could.
  • This embodiment differs from that of FIG. 2 by two peculiarities.
  • wings 18 are formed on the radial inside of the brake ring 12, of which several are distributed over the inner circumference of the ring 12 ". These wings 18 serve on the one hand the enlargement of the with the ring 12 "in communication Surface, so that resulting brake heat can be dissipated better.
  • the wings may be helically twisted in the manner of an airscrew Gas from the vicinity of the rotor 4 against and around the surfaces of the ring 12 "swirl to let and so also contribute to the distribution of brake heat.
  • a mechanical brake is provided, the result is friction also some wear. On the one hand, this can be counteracted by one the brake and / or counter braking surface B or G with a replaceable brake layer provides, as will be explained later. On the other hand it is - even from production engineering Reasons - advantageous, an adjustment (for pre and / or readjustment) provided. Fig. 3 illustrates how this can be done.
  • a screw (or a Pressure pin) 19 provided, for example, on the surface F of the folding of the heat shield 17 can press (in which case the approximately U-shaped fold total - related on Fig. 3 - is pressed down) or - as shown - the screw 19 passes the top of this fold and presses directly against the back of the braking surface B.
  • the gap g see Fig. 2 be brought back to its desired size.
  • this gap g has to be widened once, but it is once the desire to make such an expansion possible, so could the end the screw 19 on the braking surface B positively in the axial direction in known per se and be secured in any way. If one uses such a screw 19 as adjusting (wedges, cams, etc. would also be conceivable), so this must be for actuation Of course accessible in any way outside the housing 2 (or 3) be.
  • Fig. 4 shows an embodiment in which instead of a rigid ring 12, 12 'or 12 "a is provided from individual segments 12a constructed counter brake ring.
  • Each of the Segments 12a is attached to an approximately L-shaped support 20 which, in view of the high Rotational speeds is yielding enough so that held by him segment 12a below the influence of centrifugal force can be forced radially outward and to the Braking surface B applies.
  • the respective brake ring consists of the same material as the associated rotor and in particular with it is integrally formed, so here can of course the choice of material be arbitrary.
  • the counter braking surface G (and / or the braking surface B) to choose a little abrasive material, So for example, a softer metal than iron, such as a copper alloy. This can then, for example, as a counter-braking layer Gs to form the corresponding counter-braking surface be applied to the respective segments 12a. If necessary, leaves the deflection movement of the L-shaped carrier 20 and the counter-braking surface G in Limit radial direction by a more or less compliant stop 22. Since it comes just to a small radial deflection but could, the counter-braking surface G (and possibly also the braking surface B) is arranged somewhat obliquely to the axis of rotation R. be.

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Abstract

Ein Turbolader weist mindestens einen Turbinenrotor (4) und mindestens einen auf gleicher Welle (5) sitzenden Kompressorrotor (21) auf. Die, jeweils Flügeln aufweisenden, Rotoren (4, 21) sind jeweils in einem Gehäuseabschnitt (2, 3) eines Turboladergehäuses (2, 3, 6) untergebracht. Im Inneren des Gehäuses (2, 3, 6) ist eine wenigstens einem Rotor (4, 21) radial außen gegenüberliegende Bremsfläche (B) vorgesehen. Der Rotor (4, 21) seinerseits ist mit einer fliehkraftabhängig wirksamen Gegenbremsfläche (G) verbunden. <IMAGE>

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich auf einen Turbolader mit mindestens einem Turbinenrotor und mindestens einem auf gleicher Welle sitzenden Kompressorrotor, welche, jeweils Flügeln aufweisenden, Rotoren jeweils in einem Gehäuseabschnitt eines Turboladergehäuses untergebracht sind.
Hintergrund der Erfindung
Bei Turboladern ist es bekannt, daß ihre Rotoren wegen der hohen Tourenzahlen auch einer großen Fliehkraftbelastung ausgesetzt sind, die unter Umständen zum Bersten des Rotors führen können. Nun ist es für verschiedene Turbinen aus den U.S. Patenten No. 4,867,644; 5,540553 oder 5,941,688 bekannt, zur Vermeidung des Berstens dem jeweiligen Rotor durch Faserverstärkung eine höhere Festigkeit zu geben.
Ebenso hat es auch nicht an Versuchen gefehlt, eine völlige Zerstörung des Rotorgehäuses durch geeignete Fangvorrichtungen für die berstenden Teile zu vermeiden. Beispiele dafür finden sich etwa in den U.S. Patenten No. 3,866,415 und 4,521,160. Nun wird damit zwar die völlige Zerstörung des Gehäuses nicht aber der wesentlichen Teile eines Turboladers vermieden.
Kurzfassung der Erfindung
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen Turbolader der eingangs genannten Art so auszubilden, daß ein Bersten eines Rotors von vorneherein hintangehalten wird. Dies gelingt erfindungsgemäß dadurch, daß am im Inneren des Gehäuses eine wenigstens einem Rotor radial außen gegenüberliegende Bremsfläche vorgesehen ist, und daß dieser Rotor mit einer fliehkraftabhängig wirksamen Gegenbremsfläche verbunden ist. Mit anderen Worten wird der Turbolader mit einer Art Fliehkraftbremse versehen, die ein Rotieren mit einer Drehzahl oberhalb eines zulässigen und allenfalls einstellbaren Wertes verhindert und so auch verhindert, daß es überhaupt zum Bersten kommen kann.
An sich kann diese Bremse an jedem der Rotoren oder auch an beiden vorgesehen werden. Beispielsweise wäre es auch möglich, die Bremse an beiden Rotoren, d.h. am Turbinerotor und am Kompressorrotor vorzusehen, so daß unter Umständen die Hitzeentwicklung durch die Reibung sich auf zwei Bremsen verteilt.
Bevorzugt ist es, wenn wenigstens ein mit der Gegenbremsfläche verbundener Rotor ein Turbinenrotor ist (die Erfindung umfaßt auch den Fall, dass etwa mehrere Turbinenund/oder Kompressorrotoren vorgesehen sind).
Um das Gehäuse selbst zu schonen und auch die Bremsfläche gegebenenfalls etwas nachgiebig ausbilden zu können, ist es bevorzugt, wenn die Bremsfläche des Gehäuses an einem Einlageteil im Gehäuse vorgesehen ist. Dieses Einlageteil kann, im Falle daß der Turbinenrotor mit der Gegenbremsfläche versehen ist, von einem dann meist sowieso vorhandenen Hitzschild gebildet sein.
Wenn oben von einer Fliehkraftbremse die Rede war, so wird im allgemeinen darunter eine Konstruktion verstanden, bei der etwa federbelastete Hebel unter dem Einfluß der Fliehkraft nach außen schwingen. Eine solche Konstruktion ist im Rahmen der Erfindung durchaus möglich, doch kam man bei Versuchen zur Erkenntnis, daß gerade bei Turboladern infolge der sehr hohen Drehzahlen und der unvermeidlichen Unwucht bereits die Welle des Turboladers einer gewissen Oszillation innerhalb der Grenzen des Lagerspiels unterworfen ist. Mit dieser Erkenntnis zeigte es sich, daß es gesonderter beweglicher Teile gar nicht bedarf, sondern bevorzugt die Gegenbremsfläche am Umfang eines Teiles des Rotors vorgesehen sein kann, weil dieser Teil dann mit der Welle oszilliert und dabei unter Überwindung eines sehr geringen Spaltes diese Gegenbremsfläche gegen die Bremsfläche legt. Der Teil des Rotors kann ein angeformter Ring sein, der die Gegenbremsfläche an seinem Umfang trägt. Ein solcher Ring ist vorzugsweise an der den Flügeln abgewandten Seite des jeweiligen Rotors angeordnet, weil er dort die Gas- bzw. Luftströmung am wenigsten stört.
An sich könnte der Ring selbst aus einem etwas flexiblen Material bestehen oder mit einem solchen verarbeitet sein, so daß er sich - auch ohne die Vibration der Welle - unter der Wirkung der Fliehkraft radial auswärts biegen kann. Dies bedingt jedoch auch eine längere axiale Dimensionierung, was angesichts der Raumverhältnisse in einem Turbolader im allgemeinen nicht wünschenswert sein wird. Deshalb ist es auch produktionstechnisch vorteilhaft, wenn der Ring aus demselben Material besteht wie der zugehörige Rotor und insbesondere mit ihm einteilig geformt ist.
Es versteht sich, daß Bremsfläche und Gegenbremsfläche gewünschtenfalls etwas schräg zur Rotationsachse der Welle angeordnet sein können, so daß die Anlage der einen Fläche an die andere sanft erfolgt. Es hat sich jedoch herausgestellt, daß es günstiger ist, wenn wenigstens eine der Brems- bzw. Gegenbremsflächen, vorzugsweise beide, sich im wesentlichen parallel zur Welle erstreckt.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich an Hand der nachfolgenden Beschreibung von in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen. Es zeigen:
Fig. 1
eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäß ausgebildeten Turboladers;
Fig. 2
ein teilweiser Axialschnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Turboladers nach der Erfindung, und die
Fig. 3 und 4
jeweils einen vergrößerten Ausschnitt des Details X aus Fig. 2, jedoch in einer jeweils anderen Ausführungsform.
Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen
Gemäß Fig. 1 weist ein Turbolader 1 in üblicher Weise einen Turbinengehäuseteil 2 und einen damit verbundenen Kompressorgehäuseteil 3 auf, die entlang einer Rotationsachse R angeordnet sind. Der Turbinengehäuseteil 2 ist teilweise im Schnitt gezeigt, so daß der an der Achse R gelegene Turbinenrotor 4 mit entsprechenden Turbinenflügeln sichtbar ist, der am einen Ende einer Rotorwelle 5 befestigt ist, welche in einem Gehäusemittelteil oder Lagergehäuse 6 gelagert ist. Das Turbinengehäuse 2 weist einen Zufuhrstutzen 7 für Abgas auf, der in einen etwa ringförmigen Zufuhrkanal 9 für Abgas mündet bzw. sich in diesem fortsetzt, um dem Turbinenrotor 4 Abgas aus einem Verbrennungsmotor zuzuführen. Die Zufuhr erfolgt bei der dargestellten Ausführung über die Schaufeln 8 eines an sich bekannten (und daher hier nicht im einzelnen beschriebenen) Leitgitters variabler Geometrie, die über in einem Schaufellagerring 10 gelagerte Verstellwellen hinsichtlich ihrer Lage (mehr radial zum Rotor 4 oder mehr tangential) einstellbar sind. Die Lage dieser Schaufeln 8 steuert die Zufuhrmenge an Abgas zum Turbinenrotor 4, doch ist aus der Literatur bekannt, daß diese Zufuhrmenge auch durch andere Gassteuereinrichtungen, wie die Ableitung des Abgases über einen am Turbinengehäuse vorbeiführenden Nebenschluß über ein entsprechendes Ventil, geregelt werden kann. Es versteht sich, daß auch mehr als ein Zufuhrkanal 9 vorgesehen sein kann, insbesondere wenn etwa mehrere Turbinenrotoren an der Welle 5 befestigt sein sollten.
Auf diese Weise wird über den Turbinenrotor 4 ein auf derselben Rotorwelle 5, und zwar an deren anderen Ende, sitzender Kompressorrotor 21 mit entsprechenden Luftflügeln angetrieben. Dieser Kompressorrotor saugt Luft über einen Axialstutzen 13 an, verdichtet diese Luft und liefert sie durch einen daran angeschlossenen Zufuhrstutzen 12 für verdichtete Luft an einen nicht dargestellten Verbrennungsmotor. In ähnlicher Weise besitzt auch das Turbinengehäuse 2 einen Axialstutzen 13" durch den das über den Zufuhrkanal 9 zugeführte Abgas des Motors axial wieder ausgeblasen wird.
Aus Fig. 1 ist auch ersichtlich, daß das jeweilige Rotorgehäuse 2 bzw. 3 einen Raum freiläßt, in dem sich der jeweilige Rotor 4 bzw. 21 drehen kann. Dieser Raum ist derart angeordnet, daß der jeweilige Rotor 4 bzw. 21 das jeweilige Gas (Abgas bzw. Luft) über seine Peripherie erhält bzw. abgibt, in deren Bereich die jeweiligen Zufuhrkanäle 9 bzw. 11 angeordnet sind. Nun wurde bereits gesagt, daß die an sich mit der Belastung des Verbrennungsmotors ändernden Drehzahlen der beiden Rotoren 4, 21 sehr hohe Werte erreichen können, beispielsweise von etwa 200 000/min. Daher ist die durch die Fliehkräfte auf die Rotoren 4, 21 wirkende Berstbelastung enorm. Herkömmliche Gehäuse für Turbolader müssen deshalb stark überdimensionierte Wandstärken aufweisen, um ein Durchschlagen von Rotorstücken durch die Gehäusewand beim Bersten zu verhindern. Auch wurde bereits ausgeführt, daß verschiedene Fangvorrichtungen vorgeschlagen wurden, um berstende Teile am Durchschlagen des Gehäuses zu hindern.
Die vorliegende Erfindung geht einen anderen Weg, indem sie eine Möglichkeit angibt, das Bersten überhaupt zu verhindern. Dabei ist es an sich gleich, an welchem der Rotoren 4 oder 21 (oder an beiden) die Erfindung verwirklicht wird, weil beide Rotoren ja auf derselben Rotorwelle 5 sitzen. In Fig. 1 ist an der Rückseite des Kompressorrotors 21 ein Fliehkraft-Bremsring 12 angeformt, dessen radial äußere Mantelfläche als Gegenbremsfläche G dient. Dieser Gegenbremsfläche G gegenüber und von ihr nur durch einen schmalen Spalt getrennt ist ein am Kompressorgehäuse 3 angeformter oder daran montierter Bremsring 14 vorgesehen, der radial innen eine Bremsfläche B besitzt.
An dieser Stelle sei gesagt, daß es für die Erfindung nicht wesentlich, obwohl bevorzugt, ist, daß der Rotor 21 einen angeformten Gegenbremsring 12 besitzt, weil es im Prinzip auch möglich wäre, die Außenmantelfläche 15 als Gegenbremsfläche heranzuziehen und mit der umgebenden Gehäusewand zusammenarbeiten zu lassen. Wenn ein eigens angeformter Bremsring oder Gegenbremsring, wie der Ring 12, vorhanden ist, dann muß dieser auch nicht unbedingt an der Rückseite des jeweiligen Rotors, also gegen das Lagergehäuse 6 zu, angeordnet sein, sondern könnte auch an der Vorderseite im Bereiche der Rotorschaufeln liegen, wo er allerdings möglicherweise die Strömung behindert, weshalb die gezeigte Anbringung an der Rückseite bevorzugt ist. Die Anordnung kann entweder am Kompressorrotor oder am Turbinenrotor oder an beiden verwirklicht werden, wie oben bereits erwähnt wurde. Auch müsste der jeweilige Ring 12 bzw. 14 nicht unbedingt einen integralen Teil darstellen, sondern könnte am Gehäuse bzw. am Rotor, z.B. lösbar, befestigt werden.
Im Betrieb ergeben sich die oben genannten hohen Tourenzahlen der Rotoren 4 und 21 sowie der Welle 5. Dabei führen praktisch unvermeidliche Fertigungstoleranzen zu Unwucht und damit zu einem leichten Schlagen bzw. radialen Oszillieren der Welle 5 in ihren Lagern 16. Bei welcher Drehzahl die Gefahr eines Berstens gegeben ist, läßt sich durch einfache Versuche feststellen. Der Spalt zwischen den beiden Bremsflächen B und G ist nun so zu bemessen, daß die beiden Bremsflächen B und G dann auf Grund der radialen Oszillation der Welle 5 in ihren Lagern 16 in Reibungskontakt kommen, wenn diese Berstdrehzahl abzüglich einer Toleranz erreicht ist. Kommen die beiden Flächen B und G miteinander in Reibungskontakt, dann wird die Drehzahl der die beiden Rotoren 4 und 21 sowie die Welle 5 umfassenden Einheit so weit gebremst, daß die Gefahr des Bersten vermieden ist.
Auch hier sollen einige Bemerkungen über mögliche Alternativen eingeflochten werden. Es ist nicht unbedingt erforderlich, daß - wie dargestellt - die beiden Bremsflächen B und G parallel zur Achse R verlaufen, vielmehr könnten sie auch einen mehr oder weniger kleinen Winkel zu ihr einschließen. Es ist aber auch nicht unbedingt erforderlich, eine mechanische Bremse vorzusehen, vielmehr kann eine Wirbelstrombremse derart ausgebildet werden, daß etwa an Stelle des einfachen Ringes 14 eine doppelte Magnetspule vorhanden ist, deren Außenseite die Bremsfläche bildet und in die ein, z.B. magnetisierbarer, radial sich erstreckender, die Gegenbremsfläche bildender Ring je nach Drehzahl mehr oder weniger tief eintaucht und so bremsende Wirbelströme generiert.
An Hand der Fig. 2 wird nun ein Turbinengehäuse 2 gezeigt, an dem die vorliegende Erfindung verwirklicht ist. Bei dieser Ausführungsform ist zwischen einem Teil 6' des Lagergehäuses 6 (vgl. Fig. 1) und dem Turbinengehäuse 2 ein, vorzugsweise relativ flexibler, Einlageteil in Form eines Hitzeschildes 17 vorgesehen. Dieser Hitzeschild 17 ist in einem zwischen Lagergehäuseteil 6' und dem Turbinenrotor 4 gelegenen Raum derart abgewinkelt, daß es eine radial innere Bremsfläche B bildet, die mit einem - in ähnlicher Weise wie beim Kompressorrotor 21 der Fig. 1 - am Turbinenrotor 4 angeformten Gegenbremsring mit Gegenbremsfläche G zusammenwirkt. Wie ersichtlich, ist der zwischen den beiden Flächen B und G bestehende Spalt g äußerst klein, weil ja nur das geringe Spiel der Welle 5 in den Lagern 16 zur Bestimmung der Größe der Fliehkraft zur Verfügung steht.
Die Verwendung eines, vorzugsweise gegenüber den Wandungen des jeweiligen Gehäuse relativ flexiblen, Einlageteils ermöglicht eine sanftere Bremsung, weil sich dieser Einlageteil ja bei Berührung der beiden Flächen B und G zunächst unter Druck verformen wird und damit je nach Größe der Auslenkung der Welle 5 in ihren Lagern eine mehr oder weniger starke Bremsung ergibt. Im Falle der Anbringung der erfindungsgemäßen Bremse im Turbinengehäuse 2 wird im allgemeinen sowieso ein Hitzeschild 17 vorgesehen sein, das für die Zwecke der Erfindung gleich mitverwendet werden kann.
Fig. 3 zeigt eine andere Ausführungsform an Hand eines vergrößerten Ausschnittes der Fig. 2, doch versteht es sich, daß auch diese Ausführungsform nicht an einen Turbinenrotor 4 gebunden ist, sondern auch der Kompressorrotor 21 (Fig. 1) derart ausgebildet sein könnte. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der der Fig. 2 durch zwei Besonderheiten. Zum einen sind an der radialen Innenseite des Bremsringes 12" Flügel 18 angeformt, wovon mehrere über den Innenumfang des Ringes 12" verteilt sind. Diese Flügel 18 dienen einerseits der Vergrößerung der mit dem Ring 12" in Verbindung stehenden Oberfläche, so daß entstehende Bremswärme besser abgeführt werden kann. Anderseits können die Flügel nach Art einer Luftschraube schraubenlinienförmig verdreht sein, um Gas aus der Umgebung des Rotors 4 gegen und um die Flächen des Ringes 12" wirbeln zu lassen und so ebenfalls zur Verteilung der Bremswärme beizutragen.
Sieht man diese Flügel im zuletzt genannten Fall allgemein als "Gaszuführeinrichtung" an, so läßt sich bei Anbringung einer Fliehkraftbremse am Kompressorrotor 21 (Fig. 1) eine solche Gaszuführeinrichtung auch dadurch verwirklichen, daß zum Abführen der Bremswärme angesaugte und/oder verdichtete Luft aus der vom Kompressor 21 hervorgerufenen Luftströmung, beispielsweise durch mindestens eine Düse, auf den Bremsring 14 und/oder den Gegenbremsring 12 geblasen wird.
Wenn eine mechanische Bremse vorgesehen wird, so ergibt sich auf Grund der Reibung auch eine gewisse Abnützung. Dem kann einerseits so entgegengewirkt werden, indem man die Brems- und/oder Gegenbremsfläche B bzw. G mit einer ersetzbaren Bremsschicht versieht, wie später noch erläutert wird. Anderseits ist es - schon aus fertigungstechnischen Gründen - vorteilhaft, eine Justiereinrichtung (zum Vor- und/oder Nachjustieren) vorzusehen. Fig. 3 veranschaulicht, wie dies geschehen kann.
Als allgemeines Beispiel für eine solche Justiereinrichtung sei eine Schraube (oder ein Druckstift) 19 vorgesehen, der beispielsweise auf die Fläche F der Faltung des Hitzeschildes 17 drücken kann (in welchem Falle die etwa U-förmige Falte insgesamt - bezogen auf Fig. 3 - abwärts gedrückt wird) oder - wie dargestellt - die Schraube 19 durchsetzt den Oberteil dieser Falte und drückt unmittelbar gegen die Rückseite der Bremsfläche B. Damit kann, etwa bei Abnützung der Fläche B und/oder der Fläche G, der Spalt g (vgl. Fig. 2) wieder auf seine gewünschte Größe gebracht werden. Zwar ist es weniger wahrscheinlich, dass dieser Spalt g auch einmal aufgeweitet werden muß, besteht aber einmal der Wunsch, eine solche Aufweitung ebenfalls zu ermöglichen, so könnte das Ende der Schraube 19 an der Bremsfläche B formschlüssig in Axialrichtung in an sich bekannter und beliebiger Weise gesichert werden. Verwendet man eine solche Schraube 19 als Justiereinrichtung (Keile, Nocken etc. wären ebenso denkbar), so muß diese zur Betätigung natürlich auf irgendeine Weise außerhalb des Gehäuses 2 (oder 3) zugänglich sein.
Fig. 4 zeigt eine Ausführung, bei der an Stelle eines starren Ringes 12, 12' oder 12" ein aus einzelnen Segmenten 12a aufgebauter Gegenbremsring vorgesehen ist. Jedes der Segmente 12a ist an einem etwa L-förmigen Träger 20 befestigt, der angesichts der hohen Drehzahlen nachgiebig genug ist, damit das von ihm gehaltene Segment 12a unter dem Einfluß der Fliehkraft radial nach außen gedrängt werden kann und sich an die Bremsfläche B anlegt. Obwohl es - gerade bei den zuvor besprochenen Ausführungsformen - bevorzugt ist, wenn der jeweilige Bremsring aus demselben Material besteht wie der zugehörige Rotor und insbesondere mit ihm einteilig geformt ist, so kann hier natürlich die Materialwahl beliebig sein. Beispielsweise kann es erwünscht sein, für die Gegenbremsfläche G (und/oder die Bremsfläche B) ein wenig abrasives Material zu wählen, also beispielsweise ein weicheres Metall als Eisen, etwa eine Kupferlegierung. Dies kann dann beispielsweise als Gegenbremsschicht Gs zur Bildung der entsprechenden Gegenbremsfläche auf die jeweiligen Segmente 12a aufgetragen werden. Gegebenenfalls läßt sich die Auslenkbewegung der L-förmigen Träger 20 bzw. der Gegenbremsfläche G in radialer Richtung durch einen mehr oder weniger nachgiebigen Anschlag 22 begrenzen. Da es eben zu einer geringen radialen Auslenkung aber kommt, könnte die Gegenbremsfläche G (und allenfalls auch die Bremsfläche B) etwas schräg zur Rotationsachse R angeordnet sein.
Im Rahmen der Erfindung sind zahlreiche Varianten möglich. Insbesondere können an Hand der besprochenen Ausführungsbeispiele geschilderte Merkmale untereinander oder mit Merkmalen des Standes der Technik kombiniert werden. Ferner ist ersichtlich, daß die jeweiligen Bremsringe 12, 12', 12", 12a - aus Platzgründen - einen geringeren Durchmesser besitzen als der zugehörige Rotor, der damit gegebenenfalls auch einer größeren Fliehkraft ausgesetzt ist. Daher ist es im Rahmen der Erfindung durchaus möglich, den Rotor, und insbesondere seinen radial äußeren Rand derart mit Fasern oder Metalldraht zu verstärken, wie dies etwa in einer der bereits genannten U.S. Patenten No. 4,867,644; 5,540553 oder 5,941,688 bekannt geworden ist.

Claims (9)

  1. Turbolader mit mindestens einem Turbinenrotor (4) und mindestens einem auf gleicher Welle (5) sitzenden Kompressorrotor (21), welche, jeweils Flügeln aufweisenden, Rotoren (4, 21) jeweils in einem Gehäuseabschnitt (2, 3) eines Turboladergehäuses (2, 3, 6) untergebracht sind, dadurch gekennzeichnet, daß im Inneren des Gehäuses (2, 3, 6) eine wenigstens einem Rotor (4, 21) radial außen gegenüberliegende Bremsfläche (B) vorgesehen ist, und daß dieser Rotor (4, 21) mit einer fliehkraftabhängig wirksamen Gegenbremsfläche (G) verbunden ist.
  2. Turbolader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein mit der Gegenbremsfläche (G) verbundener Rotor (4, 21) ein Turbinenrotor (4) ist.
  3. Turbolader nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bremsfläche (B) des Gehäuses (2, 3) an einem, vorzugsweise gegenüber dem Material des Gehäuses relativ flexiblen, Einlageteil (17) im Gehäuse (2, 3) vorgesehen ist.
  4. Turbolader nach den Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Bremsfläche (B) des Gehäuses (2, 3) an einem Hitzeschild (17) des Gehäuses (2, 3) vorgesehen ist.
  5. Turbolader nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegenbremsfläche (G) am Umfang eines Teiles des Rotors (4, 21) vorgesehen ist.
  6. Turbolader nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (4, 21) einen, insbesondere angeformten, Ring (12; 12'; 12"; 12a) aufweist, der die Gegenbremsfläche (G) an seinem Umfange trägt.
  7. Turbolader nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Ring (12; 12'; 12"; 12a) an der den Flügeln abgewandten Seite des jeweiligen Rotors (4, 21) angeordnet ist.
  8. Turbolader nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Ring (12; 12'; 12"; 12a) aus demselben Material besteht wie der zugehörige Rotor (4, 21) und insbesondere mit ihm einteilig geformt ist.
  9. Turbolader nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine der Brems- bzw. Gegenbremsflächen (B bzw. G), vorzugsweise beide, sich im wesentlichen parallel zur Welle (5) erstreckt.
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