EP1688589A1 - Laüferwellen-Abdichteinrichtung einer Turbomaschine - Google Patents

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EP1688589A1
EP1688589A1 EP05002505A EP05002505A EP1688589A1 EP 1688589 A1 EP1688589 A1 EP 1688589A1 EP 05002505 A EP05002505 A EP 05002505A EP 05002505 A EP05002505 A EP 05002505A EP 1688589 A1 EP1688589 A1 EP 1688589A1
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EP
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rotor shaft
bearing housing
ring
sealing device
turbomachine
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Bruno Ferling
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BorgWarner Inc
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    • F21V17/12—Fastening of component parts of lighting devices, e.g. shades, globes, refractors, reflectors, filters, screens, grids or protective cages characterised by specific fastening means or way of fastening by screwing
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    • F21—LIGHTING
    • F21Y—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASSES F21K, F21L, F21S and F21V, RELATING TO THE FORM OR THE KIND OF THE LIGHT SOURCES OR OF THE COLOUR OF THE LIGHT EMITTED
    • F21Y2115/00—Light-generating elements of semiconductor light sources
    • F21Y2115/10—Light-emitting diodes [LED]

Definitions

  • the invention relates to a turbomachine, in particular an exhaust gas turbocharger according to the preamble of claim 1.
  • Such a turbomachine in the form of a turbocharger is known from DE 100 28 161 C2 DE 102 97 203 T5.
  • the turbine-side seal between the rotor shaft and the bearing housing, which can be seen there, is accomplished by means of a labyrinth seal. Leakage is thereby possible both in the direction of the turbine wheel and in the direction of the bearing housing.
  • the invention relates to a turbomachine, in particular in the form of an exhaust gas turbocharger, for example for motor vehicles, with a turbine-side rotor shaft sealing system, which may preferably be in the form of a gas-lubricated mechanical seal.
  • This rotor shaft sealing system makes it possible to seal spaces which are exposed to media (liquids and / or gases) which are subject to different pressures, wherein a rotating shaft is guided through a housing wall which, in the case of a turbocharger, is a rotating shaft Rotor shaft acts.
  • the turbomachine according to the invention or the rotor shaft sealing system according to the invention is suitable for high temperatures (up to 900 ° C.) and extremely high rotational speeds (up to 300,000 min -1) and peripheral speeds up to 550 m / s suitable.
  • a rotating mating ring is fixed (with sampling) on the rotor shaft, which can be achieved for example by shrinking, screwing or pressing.
  • a stationary slide ring with feathering preferably in the form of a metal diaphragm bellows, is screwed into the housing via a screw-in sleeve. The mating ring together with the sliding ring in the operation of the turbocharger dynamic and the metal diaphragm bellows with the graphite ring represents the static seal.
  • the metal diaphragm bellows is a biasing device that realizes a resilient contact.
  • this part of the entire sealing device as a cartridge.
  • a preload arises in the metal diaphragm bellows so that axial play and possible wear of the sliding surfaces can advantageously be minimized.
  • the turbocharger is at a standstill, the mating ring and the sliding ring form a static seal between the rotor shaft and the bearing housing.
  • the rotation of the counter-ring 11 generates by its axial sampling a pressure build-up in the contact surface with the sliding ring, so that forms a small axial gap.
  • a running shaft sealing device is defined as a self-negotiable part.
  • a turbomachine 1 according to the invention is shown, which is formed in this example as an exhaust gas turbocharger.
  • This exhaust-gas turbocharger contains, in addition to the following details of a running-shaft sealing device 8 according to the invention, of course all the usual components which, however, are not shown in part in order to simplify the illustration in FIG. 1, since these are dispensable for the explanation of the present invention.
  • FIG. 1 shows the rear wall 2 of a compressor housing (not shown) and a compressor wheel 3 arranged in this compressor housing.
  • a turbine wheel (rotor) 4 is shown, which is arranged in a turbine housing, not shown.
  • the compressor wheel 3 and the turbine wheel 4 are mounted on a rotor shaft 6 at its opposite ends, as shown in detail in FIG.
  • the rotor shaft 6 is guided via a suitable bearing arrangement in a bearing housing 5.
  • the bearing housing 5 has a turbine-side end region 7, which is arranged adjacent to the turbine wheel 4 and which is protected by a heat shield 26 against excessive heating.
  • the turbine-side end region 7 has a receiving space 30 for a rotor shaft sealing device 8, which in FIG. 1 is marked with the detail X and will be explained below with reference to the enlarged view of FIG. 2 in detail.
  • the rotor shaft sealing device 8 is constructed as a gas-lubricated sliding ring sealing device comprising a static sealing arrangement and a dynamic sealing arrangement.
  • a counter-ring 11 which comprises a fixing section 12 which can be fixed (shrunk, screwed or pressed on) on a first rotor shaft area 9.
  • the counter ring 11 further comprises a preferably arranged at right angles to the fixing portion 12 annular collar 13 which abuts axially in part on a transition region 31 of the rotor shaft 9, which leads to a second rotor shaft region 10 having a larger diameter than that first rotor shaft area 9.
  • the rotor shaft sealing device 8 also has a sliding ring 14, which is screwed to a pretensioning device, preferably in the form of the illustrated metal diaphragm bellows 19, via a screw-in sleeve 20 with external thread 27 in the bearing housing 5 or in the end section 7 of the bearing housing 5.
  • the slip ring 14 has a main body 16 and a nose 15 extending radially outward from the main body 16. This arrangement results in a contact surface, which assigns to the collar 13 of the counter-ring 11 and comes with this, as shown in Fig. 2, in the assembled state in contact.
  • Fig. 2 also illustrates a graphite ring 18 which is braced in screwed-in screw 20 in the housing 5.
  • an adapter plate 17 is arranged, which is fixedly connected to the sliding ring 14.
  • the spring element 21 in turn is welded to a welding lip 25 of the screw 20.
  • the welded individual spring elements 21 to 23 of the bellows 19, the adapter plate 17 and the screw 20 and the slide ring 14 is a preassembled cartridge, which adjusts a bias of the sliding ring 14 when mounting this cartridge through the metal diaphragm bellows 19 , so that the axial play and possible wear of the sliding surfaces can be minimized.
  • the adapter plate 17 has an annular body 29 which is arranged around the rotor shaft section 10 of the rotor shaft 6 and which is provided at its radially outward-pointing end with the welding lip 24 and the connecting section 28 is.

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Abstract

Turbomaschine (1), insbesondere Abgasturbolader mit einem in einem Verdichtergehäuse (2) angeordneten Verdichterrad (3), mit einem in einem Turbinengehäuse angeordneten Turbinenrad (4), und mit einer in einem Lagergehäuse (5) geführten Läuferwelle (6), auf der einerseits das Verdichterrad (3) und andererseits das Turbinenrad (4) befestigt ist, wobei zwischen einem turbinenseitigen Endbereich (7) des Lagergehäuses (5) und der Läuferwelle (6) eine Läuferwellen-Abdichteinrichtung (8) angeordnet ist.
Figure imgaf001

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Turbomaschine, insbesondere einen Abgasturbolader gemäß des Oberbegriffes des Anspruchs 1.
  • Eine derartige Turbomaschine in Form eines Turboladers ist aus der DE 100 28 161 C2 DE 102 97 203 T5 bekannt.
    Die dort ersichtliche turbinenseitige Abdichtung zwischen Läuferwelle und Lagergehäuse wird mittels einer Labyrinthabdichtung bewerkstelligt.
    Eine Leckage ist dadurch sowohl in Richtung Turbinenrad wie auch in Richtung Lagergehäuse möglich.
    Gegenüber diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Turbomaschine der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art zu schaffen, die es möglich macht, eine bessere Abdichtung von durch Medien, wie Flüssigkeiten und/oder Gase unterschiedlichen Druckes beaufschlagten Räumen zu erreichen.
  • Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des Anspruchs 1.
  • Dementsprechend betrifft die Erfindung eine Turbomaschine, insbesondere in Form eines Abgasturboladers, beispielsweise für Kraftfahrzeuge, mit einem turbinenseitigen Läuferwellen-Abdichtungssystem, das vorzugsweise in Form einer gasgeschmierten Gleitringdichtung ausgebildet sein kann. Dieses Läuferwellen-Abdichtungssystem macht die Abdichtung von Räumen möglich, die von Medien (Flüssigkeiten und/oder Gase) beaufschlagt werden, die unterschiedlichen Drücken unterliegen, wobei durch eine Gehäusewand eine sich drehende Welle geführt ist, bei der es sich im Falle eines Turboladers um eine Läuferwelle handelt. Die erfindungsgemäße Turbomaschine bzw. das erfindungsgemäße Läuferwellen-Abdichtungssystem ist für hohe Temperaturen (bis 900°C) und extrem hohe Drehzahlen (bis 300.000 min-1) und Umfangsgeschwindigkeiten bis 550 m/s geeignet.
  • Die Unteransprüche haben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung zum Inhalt.
  • Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist ein rotierender Gegenring (mit Bemusterung) auf der Läuferwelle fixiert, was beispielsweise durch Aufschrumpfen,Aufschrauben oder Aufpressen erreicht werden kann. Ferner ist ein stationärer Gleitring mit Befederung, vorzugsweise in Form eines Metallmembranbalges, über eine Einschraubhülse im Gehäuse verschraubt. Der Gegenring stellt zusammen mit dem Gleitring im Betrieb des Turboladers die dynamische und der Metallmembranbalg mit dem Graphitring stellt die statische Abdichtung dar.
  • Der Metallmembranbalg stellt eine Vorspanneinrichtung dar, die einen federelastischen Kontakt realisiert. Vorzugsweise ist es hierbei möglich, die einzelnen Federelemente des Balges miteinander zu verschweißen und dann an die dafür vorgesehenen Schweißlippen an einem Adapterblech und der Einschraubhülse anzuschweißen. Somit wird es vorteilhafterweise möglich, diesen Teil der gesamten Dichtungseinrichtung bereits als Kartusche vorzumontieren. Bei der Montage der Kartusche stellt sich bei dem Metallmembranbalg eine Vorspannung ein, so dass Axialspiel und möglicher Verschleiß der Gleitflächen vorteilhafterweise minimiert werden können.
    Im Stillstand des Turboladers bilden der Gegenring und der Gleitring eine statische Abdichtung zwischen Läuferwelle und Lagergehäuse.
    Im Betrieb des Turboladers erzeugt die Rotation des Gegenringes 11 durch seine axiale Bemusterung einen Druckaufbau in der Kontaktfläche zum Gleitring, sodass sich ein kleiner axialer Spalt bildet.
  • Somit entsteht im Betrieb eine berührungslose, gasgeschmierte dynamische Gleitringdichtung, die keine mechanischen Reibverluste verursacht.
    Die Bemusterung des Gegenringes ist so gewählt, dass eine Lekkage (Spaltströmung) vom Turbinenrad ins Lagergehäuseinnere unterstützt wird.
  • In Anspruch 11 ist eine erfindungsgemäße Laufwellen-Abdichteinrichtung als selbstständig handelbares Teil definiert.
  • In Anspruch 12 ist ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Laufwellen-Abdichteinrichtung definiert, welches sich durch folgende Verfahrensschritte auszeichnet:
    • Einlegen des Graphitringes in das Lagergehäuse;
    • Aufziehen des Gegenringes auf einen Montagedorn und Einlegen in das Lagergehäuse;
    • Einschrauben der Kartusche mit Gleitring und Befederung mit Hilfe eines Werkzeuges, welches in dafür vorgesehene Bohrungen in der Einschraubhülse greift, in das Lagergehäuse und daraus resultierendes Verpressen des Graphitringes;
    • Aufschieben eines Hitzeschildes auf die Läuferwelle; und
    • Einführen der Läuferwelle in das Lagergehäuse, wobei der Gegenring mit Hilfe des Montagedorns auf die Läuferwelle aufgepresst wird.
  • Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus nachfolgender Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der beigefügten Zeichnung. Es zeigt:
    • Fig. 1
    einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Turbomaschine in Form eines Turboladers, und
    Fig. 2
    die Einzelheit X in Fig. 1 in vergrößertem Maßstab zur Erläuterung der Konstruktionsdetails der erfindungsgemäßen Laufwellen-Abdichteinrichtung.
  • In Fig. 1 ist eine erfindungsgemäße Turbomaschine 1 gezeigt, die in diesem Beispielsfalle als Abgasturbolader ausgebildet ist.
  • Dieser Abgasturbolader enthält neben den nachfolgenden Details einer erfindungsgemäßen Laufwellen-Abdichteinrichtung 8 natürlich sämtliche üblichen Bauteile, die teilweise jedoch zur Vereinfachung der Darstellung in Fig. 1 nicht dargestellt sind, da diese für die Erläuterung vorliegender Erfindung entbehrlich sind.
  • Fig. 1 zeigt jedoch die Rückwand 2 eines nicht dargestellten Verdichtergehäuses und ein in diesem Verdichtergehäuse angeordnetes Verdichterrad 3.
  • Ferner ist ein Turbinenrad (Läufer) 4 dargestellt, der in einem nicht dargestellten Turbinengehäuse angeordnet ist.
  • Das Verdichterrad 3 und das Turbinenrad 4 sind auf einer Läuferwelle 6 an deren gegenüberliegenden Enden montiert, wie sich dies im Einzelnen aus Fig. 1 ergibt.
  • Die Läuferwelle 6 ist über eine geeignete Lageranordnung in einem Lagergehäuse 5 geführt.
  • Das Lagergehäuse 5 weist einen turbinenseitigen Endbereich 7 auf, der benachbart zum Turbinenrad 4 angeordnet ist und der von einem Hitzeschild 26 gegen übermäßige Erwärmung geschützt wird.
  • Der turbinenseitige Endbereich 7 weist einen Aufnahmeraum 30 für eine Läuferwellen-Abdichteinrichtung 8 auf, die in Fig. 1 mit der Einzelheit X gekennzeichnet ist und die nachfolgend anhand der vergrößerten Darstellung der Fig. 2 im Einzelnen erläutert werden wird.
  • Die Läuferwellen-Abdichteinrichtung 8 ist als gasgeschmierte Gleitring-Dichteinrichtung aufgebaut, die eine statische Dichtanordnung und eine dynamische Dichtanordnung aufweist.
  • Im Einzelnen ist ein Gegenring 11 vorgesehen, der einen Fixierungsabschnitt 12 umfasst, der auf einem ersten Läuferwellen-Bereich 9 festgelegt (aufgeschrumpft, aufgeschraubt oder aufgepresst) werden kann.
  • Der Gegenring 11 weist ferner einen vorzugsweise im rechten Winkel zum Fixierungsabschnitt 12 angeordneten ringförmigen Bund 13 auf, der zum Teil an einem Übergangsbereich 31 der Läuferwelle 9 axial anliegt, der zu einem zweiten Läuferwellen-Bereich 10 führt, der einen größeren Durchmesser hat, als der erste Läuferwellen-Bereich 9.
  • Die Läuferwellen-Abdichteinrichtung 8 weist ferner einen Gleitring 14 auf, der mit einer Vorspanneinrichtung, vorzugsweise in Form des dargestellten Metallmembranbalges 19, über eine Einschraubhülse 20 mit Außengewinde 27 im Lagergehäuse 5 bzw. in dem Endabschnitt 7 des Lagergehäuses 5 verschraubt ist.
  • Wie dargestellt, weist der Gleitring 14 einen Hauptkörper 16 und eine Nase 15 auf, die sich vom Hauptkörper 16 aus radial nach außen erstreckt. Diese Anordnung ergibt eine Kontaktfläche, die auf den Bund 13 des Gegenrings 11 zuweist und mit diesem, wie in Fig. 2 dargestellt, im Montagezustand in Berührung kommt .
  • Fig. 2 verdeutlicht ferner einen Graphitring 18, der bei eingeschraubter Einschraubhülse 20 im Gehäuse 5 verspannt ist.
  • Zwischen dem Gleitring 14 und der Anordnung aus Einschraubhülse 20 und Metallmembranbalg 19 ist ein Adapterblech 17 angeordnet, welches fest mit dem Gleitring 14 verbunden ist.
  • Am gegenüberliegenden Ende weist das Adapterblech 17 eine Schweißlippe 24 an, an der ein Federelement 23 einer Federelementanordnung aus den Federelementen 21, 22 und 23 des Metallmembranbalges 19 angeschweißt ist.
  • Das Federelement 21 seinerseits ist an einer Schweißlippe 25 der Einschraubhülse 20 angeschweißt.
  • Wie zuvor bereits erläutert, stellen die miteinander verschweißten einzelnen Federelemente 21 bis 23 des Balgs 19, das Adapterblech 17 und die Einschraubhülse 20 sowie der Gleitring 14 eine vormontierbare Kartusche dar, wobei sich bei Montage dieser Kartusche durch den Metallmembranbalg 19 eine Vorspannung des Gleitrings 14 einstellt, so dass das Axialspiel und möglicher Verschleiß der Gleitflächen minimiert werden kann. Wie sich schließlich aus Fig. 2 ergibt, weist das Adapterblech 17 einen Ringkörper 29 auf, der um den Läuferwellen-Abschnitt 10 der Läuferwelle 6 herum angeordnet ist, und der an seinen radial nach außen weisenden Ende mit der Schweißlippe 24 und dem Verbindungsabschnitt 28 versehen ist.
  • Wie Fig. 2 verdeutlicht, liegt der Verbindungsabschnitt 28 sowohl an der Nase 15 wie auch an dem Hauptkörper 16 des Gleitrings 14 an, während der Ringkörper 29 am Hauptkörper 16 des Gleitrings 14 anliegt. Für weitere Details der Anordnungen der zuvor beschriebenen Teile wird hiermit explizit auf die zeichnerische Offenbarung in Fig. 2 Bezug genommen.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Turbomaschine/Turbolader
    2
    Rückwand
    3
    Verdichterrad
    4
    Turbinenrad
    5
    Lagergehäuse
    6
    Läuferwelle
    7
    Endbereich
    8
    Läuferwellen-Abdichteinrichtung
    9
    Erster Läuferwellen-Bereich mit kleinem Durchmesser
    10
    Zweiter Läuferwellen-Bereich mit größerem Durchmesser
    11
    Gegenring
    12
    Fixierungsabschnitt
    13
    Bund
    14
    Gleitring
    15
    Nase
    16
    Hauptkörper
    17
    Adapterblech
    18
    Graphitring
    19
    Balg, insbesondere Metallmembranbalg/Vorspanneinrichtung
    20
    Einschraubhülse
    21 bis 23
    Federelemente
    24, 25
    Schweißlippe
    26
    Hitzeschild
    27
    Außengewinde
    28
    Verbindungsabschnitt
    29
    Ringkörper
    30
    Hohlraum
    31
    Übergangsbereich

Claims (12)

  1. Turbomaschine (1), insbesondere Abgasturbolader
    - mit einem in einem Verdichtergehäuse angeordneten Verdichterrad (3);
    - mit einem in einem Turbinengehäuse angeordneten Turbinenrad (4); und
    - mit einer in einem Lagergehäuse (5) geführten Läuferwelle (6), auf der einerseits das Verdichterrad (3) und andererseits das Turbinenrad (4) befestigt ist;
    dadurch gekennzeichnet,
    - dass zwischen einem turbinenseitigen Endbereich (7) des Lagergehäuses (5) und der Läuferwelle (6) eine Läuferwellen-Abdichteinrichtung (8) angeordnet ist.
  2. Turbomaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Läuferwellen-Abdichteinrichtung (8) als gasgeschmierte Gleitring-Dichteinrichtung ausgebildet ist.
  3. Turbomaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleitring-Dichtungseinrichtung eine statische Dichtungsanordnung und eine dynamische Dichtungseinrichtung aufweist.
  4. Turbomaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die dynamische Dichtungseinheit die dynamische Dichtungswirkung durch einen Gleitring (14) mit einem auf der Läuferwelle (6) fixierten Gegenring (11) erzeugt.
  5. Turbomaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleitring (14) mittels einer Einschraubhülse (20) unter Zwischenschaltung einer Vorspanneinrichtung (19) im Lagergehäuse (5) fixiert ist.
  6. Turbomaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorspanneinrichtung als Metallmembranbalg (19) ausgebildet ist.
  7. Turbomaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Metallmembranbalg (19), die Einschraubhülse (20) und ein Adapterblech (17) als vormontierte Kartusche ausgebildet sind.
  8. Turbomaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Metallmembranbalg (19) Federelemente (21 bis 23) aufweist, die miteinander verschweißt sind und die zur Bildung der Kartusche an Schweißlippen (24 bzw. 25) des Adapterblechs (17) bzw. der Einschraubhülse (20) angeschweißt sind.
  9. Turbomaschine nach einem der Ansprüche 5 bis 8, gekennzeichnet durch einen in das Lagergehäuse (5) eingelegten Graphitring (18), der mittels Einschraubhülse (20) verspannt wird.
  10. Turbomaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem turbinenseitigen Endbereich (7) und dem Turbinenrad (4) ein Hitzeschild (26) angeordnet ist.
  11. Läuferwellen-Abdichteinrichtung (8) für eine Turbomaschine (1) gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1, gekennzeichnet durch wenigstens eines der Merkmale der Ansprüche 2 bis 10.
  12. Verfahren zur Montage einer Läuferwellen-Abdichteinrichtung (8) gemäß Anspruch 11 mit folgenden Verfahrensschritten:
    - Einlegen des Graphitringes (8) in das Lagergehäuse (5) ;
    - Aufziehen des Gegenringes (11) auf einen Montagedorn und Einlegen in das Lagergehäuse (5);
    - Einschrauben der Kartusche mit Gleitring (14) und Vorspanneinrichtung (19) mit Hilfe eines Werkzeuges, welches in dafür vorgesehene Bohrungen in der Einschraubhülse (20) eingreift, in das Lagergehäuse (5) und Verpressen des Graphitringes (18) im Zuge des Einschraubens;
    - Anordnen des Hitzeschildes (26) über der Läuferwelle (5); und
    - Einführen der Läuferwelle (6) in das Lagergehäuse (5) und Aufpressen des Gegenrings (11) mit Hilfe des Montagedorns auf die Läuferwelle (6).
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US11/347,606 US7789636B2 (en) 2005-02-07 2006-02-03 Turbomachine, particularly exhaust gas turbocharger
CN200610008967XA CN1818435B (zh) 2005-02-07 2006-02-06 转子轴密封装置、包括其的涡轮机以及安装涡轮机的方法
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