EP1734231B1 - Turbolader mit variabler turbinengeometrie - Google Patents

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EP1734231B1
EP1734231B1 EP05013040.0A EP05013040A EP1734231B1 EP 1734231 B1 EP1734231 B1 EP 1734231B1 EP 05013040 A EP05013040 A EP 05013040A EP 1734231 B1 EP1734231 B1 EP 1734231B1
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EP
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blade bearing
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turbine
turbocharger
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Gerald Schall
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BorgWarner Inc
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    • F01D17/00—Regulating or controlling by varying flow
    • F01D17/10—Final actuators
    • F01D17/12—Final actuators arranged in stator parts
    • F01D17/14—Final actuators arranged in stator parts varying effective cross-sectional area of nozzles or guide conduits
    • F01D17/16—Final actuators arranged in stator parts varying effective cross-sectional area of nozzles or guide conduits by means of nozzle vanes
    • F01D17/165—Final actuators arranged in stator parts varying effective cross-sectional area of nozzles or guide conduits by means of nozzle vanes for radial flow, i.e. the vanes turning around axes which are essentially parallel to the rotor centre line
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D25/00—Component parts, details, or accessories, not provided for in, or of interest apart from, other groups
    • F01D25/24—Casings; Casing parts, e.g. diaphragms, casing fastenings
    • F01D25/246—Fastening of diaphragms or stator-rings
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    • F05D2230/00—Manufacture
    • F05D2230/60—Assembly methods
    • F05D2230/64—Assembly methods using positioning or alignment devices for aligning or centring, e.g. pins
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2260/00—Function
    • F05D2260/30—Retaining components in desired mutual position
    • F05D2260/33—Retaining components in desired mutual position with a bayonet coupling

Definitions

  • the invention relates to a turbocharger according to the preamble of claim 1.
  • a turbocharger is known from EP 0 204 033 A known.
  • Another turbocharger is from the EP 1 394 364 A1 known.
  • the vane ring is provided with spacers to maintain a clearance for the vanes of a baffle.
  • the spacers of the blade bearing ring are each provided with a bore for connecting bolts. In the assembled state, the connecting bolts pass through the holes and engage in a bearing ring of the turbine housing arranged adjacent to the blade bearing ring.
  • turbocharger according to the preamble of claim 1, which allow a simplification of assembly by reducing the items to be assembled.
  • An embodiment of the invention provides as a fastening device before a radially aligned centering surface, which forms a press fit with a suitably arranged and formed counter surface of the turbine housing in the assembled state.
  • Radial alignment in this context means that the centering surface has radially inwardly with respect to the axis of rotation of the turbine rotor, wherein the mating surface of the turbine housing accordingly faces radially outward.
  • the fastener in forming the fastener as a press fit, it is also possible to provide additional axial securing of the vane ring by cooperating with a disc assembly disposed between the turbine housing and the bearing housing of the turbocharger.
  • This disc arrangement can be formed in a particularly preferred embodiment by a arranged on the side of the bearing housing disc spring and a heat shield, which faces the turbine housing.
  • the turbine housing is formed of a material which has a low temperature resistance
  • an insert disk of particularly temperature-resistant material for protecting the guide vanes between the blade bearing ring and the turbine housing.
  • a turbocharger 1 according to the invention is shown, which has a turbine housing 2 and a compressor housing 3 connected thereto via a bearing housing 28.
  • the housings 2, 3 and 28 are arranged along a rotation axis R.
  • the turbine housing is shown partially in section to illustrate the arrangement of a vane ring 6 and a radially outer vane 18 formed therefrom which has a plurality of circumferentially spaced vanes 7 with pivot axes 8.
  • nozzle cross-sections are formed, which are larger or smaller depending on the position of the guide vanes 7 and apply more or less to the located in the middle of the axis of rotation R turbine rotor 4 with the supplied via a feed channel 9 and discharged via a central port 10 exhaust gas of an engine to drive via the turbine rotor 4 a seated on the same shaft compressor motor 17.
  • an actuating device 11 is provided.
  • a control housing 12 which controls the control movement of a ram member 14 attached to her to implement the movement thereof to a located behind the blade bearing ring 6 adjusting 5 in a slight rotational movement of the same.
  • a clearance 13 for the vanes 7 is formed between the vane ring 6 and an annular part 15 of the turbine housing 2.
  • the blade bearing ring 6 integrally molded spacers 16, which in detail in FIGS. 2 and 3 are shown.
  • three spacers 16 are arranged at an angular distance of 120 ° in each case on the circumference of the blade bearing ring 6. In principle, it is possible to provide more or less such spacers 16, but results in accordance with the training Fig. 2 a particularly advantageous geometric arrangement.
  • a vane bearing ring 6 which has a fastening device 19 for fixing the vane bearing ring 6 on the turbine housing 2, which in one piece at least one of the spacers 16 is arranged.
  • the fastening device 19 has a groove 20 which is arranged between a, preferably cylindrically shaped, main part 22 of the spacer 16 and a centering shoulder 23.
  • the centering shoulder 23 is provided with respect to the main body 22 with a shoulder, so that adjacent to the groove 20, an axial bearing surface 24 and a radially aligned centering surface or a centering result.
  • FIGS. 5 and 6 an inventive turbocharger 1 and an inventive blade bearing ring 6 is shown.
  • This embodiment has a fastening device 19 ', which instead of a groove on at least one of the spacers 16 and a corresponding web on the turbine housing 2 has a radially aligned centering surface 26 at least one of the spacers 16, which in the in the FIGS. 5 and 6 shown assembled state with a mating surface 27 of the turbine housing 2.
  • a press fit in the radial direction is achieved, which is sufficient in principle to fix the blade bearing ring 6 on the turbine housing 2.
  • Particularly preferred embodiment further comprises a projection 29 which is arranged on an inner peripheral surface 30 of the blade bearing ring 6, which in detail from the FIGS. 5 and 6 results.
  • the projection 29 in this case has radially inward, ie in the direction of the axis of rotation R, and is arranged at the axial end 31 of the blade bearing ring 6, which is the spacers 16 adjacent.
  • This projection 29, which forms a radially encircling collar, cooperates with a disc assembly 32, which is mainly from the enlarged view of Fig. 6 is apparent.
  • the disc assembly 32 has a conical disc spring 33 and a heat shield 34 disposed on sides of the turbine housing 2.
  • the material of the turbine housing 2 may have lower temperature resistance.
  • a high-temperature resistant insert 35 is provided between the blade bearing ring 6 and the turbine housing 2, which is shown in detail from the illustration of Fig. 7 results.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Supercharger (AREA)

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Turbolader gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1. Ein derartiger Turbolader ist aus der EP 0 204 033 A bekannt.
  • Ein weiterer Turbolader ist aus der EP 1 394 364 A1 bekannt.
  • Bei dieser Turboladerkonstruktion wird der Schaufellagerring mit Abstandshaltern zur Aufrechterhaltung eines Freiraumes für die Leitschaufeln eines Leitgitters versehen. Um den Schaufellagerring am Turbinengehäuse fixieren zu können, sind die Abstandshalter des Schaufellagerrings jeweils mit einer Bohrung für Verbindungsbolzen versehen. Im Montagezustand durchsetzen die Verbindungsbolzen die Bohrungen und greifen in einen benachbart zum Schaufellagerring angeordneten Lagerring des Turbinengehäuses ein.
  • Es ist demgegenüber Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Turbolader gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 zu schaffen, die eine Vereinfachung der Montage durch Reduzierung der zu montierenden Einzelteile ermöglichen.
  • Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des Anspruches 1. Durch die erfindungsgemäße einstückige Ausbildung der Befestigungseinrichtung zur Fixierung des Schaufellagerrings an den Abstandshaltern desselben ist es möglich, sowohl auf die Anbringung von Bohrungen in den Abstandshaltern als auch das Vorsehen und Montieren von separaten Verbindungsbolzen zu verzichten.
  • Vielmehr kann im Zuge der Anordnung des Schaufellagerrings dessen Fixierung durch Ineingriffbringen von Passflächen der Befestigungseinrichtung des Schaufellagerringes und entsprechender Gegenflächen am Turbinengehäuse erreicht werden.
  • Eine erfindungsgemäße Ausführungsform sieht als Befestigungseinrichtung eine radial ausgerichtete Zentrierfläche vor, die im Montagezustand eine Presspassung mit einer geeignet angeordneten und ausgebildeten Gegenfläche des Turbinengehäuses bildet. Radiale Ausrichtung bedeutet in diesem Zusammenhang, dass die Zentrierfläche radial nach innen bezogen auf die Rotationsachse des Turbinenrotors weist, wobei die Gegenfläche des Turbinengehäuses dementsprechend radial nach außen weist.
  • Die Unteransprüche haben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung zum Inhalt.
  • Bei der Ausbildung der Befestigungseinrichtung als Presspassung ist es ferner möglich, eine zusätzliche axiale Sicherung des Schaufellagerrings durch ein Zusammenwirken mit einer Scheibenanordnung zu bewirken, die zwischen dem Turbinengehäuse und dem Lagergehäuse des Turboladers angeordnet ist. Diese Scheibenanordnung kann bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform durch eine auf der Seite des Lagergehäuses angeordnete Tellerfeder und einem Hitzeschild gebildet werden, der dem Turbinengehäuse zugewandt ist.
  • Für Anwendungen im Niedertemperaturbereich, bei dem das Turbinengehäuse aus einem Werkstoff ausgebildet ist, der eine geringe Temperaturbeständigkeit hat, ist es möglich, zwischen dem Schaufellagerring und dem Turbinengehäuse eine Einlegescheibe aus besonders temperaturfestem Material zum Schutz der Leitschaufeln anzuordnen.
  • Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus nachfolgender Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen.
  • Es zeigt:
    • Fig. 1:
    eine teilweise im Schnitt dargestellte Perspektivansicht eines erfindungsgemäßen Turboladers,
    Fig. 2:
    eine perspektivische Ansicht eines nicht erfindungsgemäßen Schaufellagerrings,
    Fig. 3:
    eine Teilansicht des Schaufellagerrings gemäß Fig. 2,
    Fig. 4:
    eine Teilansicht des nicht erfindungsgemäßen Turboladers zur Verdeutlichung des Montagezustandes des Schaufellagerrings gemäß der Fig. 2 und 3,
    Fig. 5 und 6:
    der Fig. 4 entsprechende Darstellungen des erfindungsgemäßen Turboladers zur Verdeutlichung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Schaufellagerrings, und
    Fig. 7:
    eine der Fig. 5 entsprechende Darstellung eines Teiles des erfindungsgemäßen Turboladers zur Verdeutlichung einer weiteren Ausführungsform.
  • In Fig. 1 ist ein erfindungsgemäßer Turbolader 1 dargestellt, der ein Turbinengehäuse 2 und ein damit über ein Lagergehäuse 28 verbundenes Kompressorgehäuse 3 aufweist. Die Gehäuse 2, 3 und 28 sind entlang einer Rotationsachse R angeordnet. Das Turbinengehäuse ist teilweise im Schnitt gezeigt, um die Anordnung eines Schaufellagerrings 6 und ein von diesem gebildetes radial äußeres Leitgitter 18 zu verdeutlichen, das eine Mehrzahl von über den Umfang verteilten Leitschaufeln 7 mit Schwenkachsen 8 aufweist. Hierdurch werden Düsenquerschnitte gebildet, die je nach der Lage der Leitschaufeln 7 grösser oder kleiner sind und den in der Mitte an der Rotationsachse R gelegenen Turbinenrotor 4 mehr oder weniger mit dem über einen Zuführkanal 9 zugeführten und über einen Zentralstutzen 10 abgeführten Abgas eines Motors beaufschlagen, um über den Turbinenrotor 4 einen auf derselben Welle sitzenden Kompressorrotor 17 anzutreiben.
  • Um die Bewegung bzw. die Lage der Leitschaufeln 7 zu steuern, ist eine Betätigungseinrichtung 11 vorgesehen. Diese kann an sich beliebig ausgebildet sein, jedoch weist eine bevorzugte Ausführungsform ein Steuergehäuse 12 auf, das die Steuerbewegung eines an ihr befestigten Stößelgliedes 14 steuert, um dessen Bewegung auf einen hinter dem Schaufellagerring 6 gelegenen Verstellring 5 in eine leichte Drehbewegung desselben umzusetzen. Zwischen dem Schaufellagerring 6 und einem ringförmigen Teil 15 des Turbinengehäuses 2 wird ein Freiraum 13 für die Leitschaufeln 7 gebildet. Um diesen Freiraum 13 sichern zu können, weist der Schaufellagerring 6 einstückig angeformte Abstandshalter 16 auf, die im Detail in Fig. 2 und 3 dargestellt sind. Im Beispielsfalle sind drei Abstandshalter 16 in einem Winkelabstand von jeweils 120° am Umfang des Schaufellagerrings 6 angeordnet. Vom Prinzip her ist es möglich, mehr oder weniger derartige Abstandshalter 16 vorzusehen, jedoch ergibt die Ausbildung gemäß Fig. 2 eine besonders vorteilhafte geometrische Anordnung.
  • In den Fig. 2 bis 4 ist ein Schaufellagerring 6 dargestellt, der eine Befestigungseinrichtung 19 zur Fixierung des Schaufellagerrings 6 am Turbinengehäuse 2 aufweist, die einstückig an zumindestens einem der Abstandshalter 16 angeordnet ist. Bei der in diesen Figuren dargestellten Ausführungsform weist die Befestigungseinrichtung 19 eine Nut 20 auf, die zwischen einem, vorzugsweise zylindrisch ausgebildeten, Hauptteil 22 des Abstandshalters 16 und einem Zentrierabsatz 23 angeordnet ist. Wie sich aus der Detailansicht der Fig. 3 ergibt, geht der Hauptteil 22 aufgrund der einstückigen Ausbildung in den Schaufellagerring 6 über und der Zentrierabsatz 23 ist am freien Ende des Abstandshalters 16 angeordnet. Durch das Anbringen der Nut 20 zwischen dem Hauptteil 22 und dem Zentrierabsatz 23 ergibt sich die aus Fig. 3 im Einzelnen ersichtliche Hakenform. Wie Fig. 3 ferner verdeutlicht, ist der Zentrierabsatz 23 gegenüber dem Hauptkörper 22 mit einem Absatz versehen, so dass sich benachbart zur Nut 20 eine axiale Anlagefläche 24 sowie eine radial ausgerichtete Zentrierfläche bzw. ein Zentrierdurchmesser ergeben.
  • Im in Fig. 4 dargestellten Montagezustand greift ein Steg 21 des Turbinengehäuses 2 in die Nut 20 ein und bildet damit eine bajonettähnliche Verschlusseinrichtung zur Fixierung des Schaufellagerrings 6 am Turbinengehäuse 2.
  • Hierzu und zur Ausbildung des Schaufellagerrings gemäß der Ausführungsformen der Fig. 2 bis 4 wird neben der schriftlichen Beschreibung explizit auf die zeichnerische Darstellung der genannten Figuren verwiesen.
  • In den Fig. 5 und 6 ist ein erfindungsgemäßer Turbolader 1 bzw. ein erfindungsgemäßer Schaufellagerring 6 dargestellt.
  • Diese Ausführungsform weist eine Befestigungseinrichtung 19' auf, die anstatt einer Nut an zumindestens einem der Abstandshalter 16 und einem korrespondierenden Steg am Turbinengehäuse 2 eine radial ausgerichtete Zentrierfläche 26 an zumindestens einem der Abstandshalter 16 aufweist, die im in den Fig. 5 und 6 dargestellten Montagezustand mit einer Gegenfläche 27 des Turbinengehäuses 2 zusammenwirkt. Durch dieses Zusammenwirken wird eine Presspassung in radialer Richtung erreicht, die vom Prinzip her dazu ausreicht, den Schaufellagerring 6 am Turbinengehäuse 2 zu fixieren.
  • Um die Fixierung zu unterstützen ist bei den in den Fig. 5 und 6 besonders bevorzugten Ausführungsform ferner ein Vorsprung 29 vorgesehen, der an einer Innenumfangsfläche 30 des Schaufellagerrings 6 angeordnet ist, was sich im Einzelnen aus den Fig. 5 und 6 ergibt.
  • Der Vorsprung 29 weist hierbei radial nach innen, also in Richtung auf die Rotationsachse R, und ist an dem axialen Ende 31 des Schaufellagerrings 6 angeordnet, das den Abstandshaltern 16 benachbart ist. Dieser Vorsprung 29, der einen radial umlaufenden Bund bildet, wirkt mit einer Scheibenanordnung 32 zusammen, was vor allem aus der vergrößerten Darstellung der Fig. 6 ersichtlich ist.
  • Bei der dargestellten Ausführungsform weist die Scheibenanordnung 32 eine konisch ausgebildete Tellerfeder 33 und einen Hitzeschild 34 auf, der auf Seiten des Turbinengehäuses 2 angeordnet ist.
  • Dadurch, dass die Scheibenanordnung 32 an ihrem radial äußeren Ende auf dem Vorsprung 29 aufliegt, ist es möglich, bei der Montage eine axiale Kraft F (siehe Fig. 5) aufzubringen, die eine zusätzliche axiale Verspannung des Schaufellagerrings 6 möglich macht. In Fig. 7 ist eine Anordnung dargestellt, die derjenigen der Fig. 5 und 6 weitestgehend entspricht, so dass auf die voranstehende Erläuterung Bezug genommen werden kann.
  • Es handelt sich bei der Fig. 7 jedoch um eine Ausführungsform des Turboladers 1, die für einen Niedertemperatureinsatz vorgesehen ist, bei der dementsprechend das Material des Turbinengehäuses 2 geringere Temperaturfestigkeit haben kann.
  • Um jedoch die Leitschaufeln 7 schützen zu können, ist eine hochtemperaturfeste Einlegescheibe 35 zwischen dem Schaufellagerring 6 und dem Turbinengehäuse 2 vorgesehen, was sich im Einzelnen aus der Darstellung der Fig. 7 ergibt.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Turbolader
    2
    Tubinengehäuse
    3
    Kompressorgehäuse
    4
    Turbinenrotor
    5
    Verstellring
    6
    Schaufellagerring
    7
    Leitschaufeln
    8
    Schwenkachsen
    9
    Zuführkanal
    10
    Axialstutzen
    11
    Betätigungseinrichtung
    12
    Steuergehäuse
    13
    Freiraum für Leitschaufeln 7
    14
    Stößelglied
    15
    ringförmiger Teil des Turbinengehäuses 2
    16
    Abstandshalter/Distanznocken
    17
    Kompressorrotor
    18
    Leitgitter
    19
    Befestigungseinrichtung
    20
    Nut
    21
    Steg
    22
    Hauptteil
    23
    Zentrierabsatz
    24
    axiale Anlagefläche
    25
    Zentrierfläche bzw. Zentrierdurchmesser des Abstandshalters
    26
    Zentrierfläche
    27
    Gegenfläche
    28
    Lagergehäuse
    29
    Vorsprung
    30
    Innenumfangsfläche
    31
    axiales Ende
    32
    Scheibenanordnung
    33
    Tellerfeder
    34
    Hitzeschild
    35
    Einlegescheibe
    R
    Rotationsachse
    F
    axiale Vorspannkraft

Claims (5)

  1. Turbolader (1) mit variabler Turbinengeometrie (VTG)
    - mit einem Turbinengehäuse (2) mit einem Zuführkanal (9) für Abgase;
    - mit einem Turbinenrotor (4), der drehbar im Turbinengehäuse (2) gelagert ist;
    - mit einem Leitgitter (18) variabler Turbinengeometrie, das den Turbinenrotor (4) radial außen umgibt und einen Schaufellagerring (6) aufweist, der mit Abstandshaltern (16) zur Aufrechterhaltung eines Freiraumes (13) für Leitschaufeln (7) des Leitgitters (18) versehen ist; und
    - mit einer einstückig an zumindestens einem der Abstandshalter (16) angeformten Befestigungseinrichtung (19; 19') zur Fixierung des Schaufellagerrings (6) am Turbinengehäuse (2),
    dadurch gekennzeichnet,
    - dass die Befestigungseinrichtung (19') als radial ausgerichtete Zentrierfläche (26) ausgebildet ist, die im Montagezustand des Schaufellagerrings (6) eine Presspassung mit einer Gegenfläche (27) des Turbinengehäuses (2) bildet.
  2. Turbolader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaufellagerring (6) einen radial nach innen vorstehenden Vorsprung (29) an seiner Innenumfangsfläche (30) aufweist.
  3. Turbolader nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorsprung (29) an dem den Abstandshaltern (16) benachbarten axialen Ende (31) des Schaufellagerrings (6) angeordnet ist.
  4. Turbolader nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorsprung (29) im Montagezustand des Schaufellagerrings (6) mit einer Scheibenanordnung (32), vorzugsweise bestehend aus einer Tellerfeder (33) und einem dem Turbinengehäuse (2) zugewandten Hitzeschild (34), zur Bildung einer axialen Verspannung des Schaufellagerrings (6) zwischen Lagergehäuse (28) und Turbinengehäuse (2) zusammenwirkt.
  5. Turbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Turbinengehäuse (2) und dem Schaufellagerring (6) eine Einlegescheibe (35) angeordnet ist.
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