EP2375000B1 - Wellenabdichtung - Google Patents

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EP2375000B1
EP2375000B1 EP11159510.4A EP11159510A EP2375000B1 EP 2375000 B1 EP2375000 B1 EP 2375000B1 EP 11159510 A EP11159510 A EP 11159510A EP 2375000 B1 EP2375000 B1 EP 2375000B1
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EP
European Patent Office
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shaft
bearing housing
oil
seal
shaft seal
Prior art date
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Active
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EP11159510.4A
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English (en)
French (fr)
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EP2375000A2 (de
EP2375000B2 (de
Inventor
Joel Schlienger
Matthias Kies
Patrick Aberle
Gerd Mundinger
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.)
Turbo Systems Switzerland Ltd
Original Assignee
ABB Turbo Systems AG
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Publication date
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Application filed by ABB Turbo Systems AG filed Critical ABB Turbo Systems AG
Publication of EP2375000A2 publication Critical patent/EP2375000A2/de
Publication of EP2375000A3 publication Critical patent/EP2375000A3/de
Publication of EP2375000B1 publication Critical patent/EP2375000B1/de
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Publication of EP2375000B2 publication Critical patent/EP2375000B2/de
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    • F05D2260/20—Heat transfer, e.g. cooling
    • F05D2260/205—Cooling fluid recirculation, i.e. after cooling one or more components is the cooling fluid recovered and used elsewhere for other purposes

Definitions

  • the invention relates to the field of turbomachines, in particular the exhaust gas turbochargers acted upon by exhaust gases from internal combustion engines.
  • exhaust gas turbochargers are used by default, with a turbine in the exhaust system of the internal combustion engine and with the internal combustion engine upstream compressor, which is connected to the turbine via a common shaft.
  • the energy bound in the exhaust gas of an internal combustion engine can be converted by means of a power turbine into electrical or mechanical energy.
  • a generator or a mechanical consumer is connected to the turbine shaft.
  • an exhaust gas turbocharger is composed of a rotor, consisting of a shaft, a compressor wheel and a turbine wheel, a bearing for the shaft, flow-guiding housing parts (compressor housing or turbine housing) and the bearing housing.
  • the shaft of the exhaust gas turbocharger with respect to the cavity of the bearing housing with an appropriate sealing concept is sealed.
  • the internal pressure in the cavity of the bearing housing usually corresponds to the atmospheric pressure.
  • the gas pressure in the flow channel of the compressor or turbine side depends on the current operating point of the exhaust gas turbocharger and is in most Operating points above the pressure in the cavity of the bearing housing. In certain cases, however, is also to be expected with a negative pressure, for example, in partial load operation or at a standstill.
  • a turbine-side shaft seal of an exhaust gas turbocharger which is composed of a simple oil catch chamber on the turbine side of the radial bearing and a piston ring with sealing action between the shaft and the bearing housing.
  • the bearing oil exiting axially from the radial bearing sprays onto the outwardly offset and rotating shaft shoulder and is thrown by centrifugal forces into the oil-collecting chamber.
  • the bearing oil thus thrown off then flows downwards in accordance with gravity within the oil catching chamber and then back into the oil circuit of the bearing lubrication.
  • piston rings of metal such as gray cast iron, are used by default.
  • the live piston ring is clamped in a radial groove with an axial stop shoulder in the bearing housing.
  • the rotating shaft is provided with a radial groove, wherein the piston ring is axially caught within this groove and this covers radially. Due to the differential pressure between the exhaust pressure and the pressure inside the bearing housing, the piston ring is axially displaced in the direction of the existing pressure gradient within the groove to stop. Due to the axial support of the piston ring on one of the Nutinnen designs this grinds and seals the Lagergephase relative to the exhaust flow.
  • a first seal in the form of a gap, a labyrinth or a piston ring and a second seal in the form of a narrow gap or a labyrinth are provided, which between them include an annularly around the circumference of the rotor shaft extending oil drain channel, which by means of a housing side ⁇ lablaufnut and arranged in a coaxial position shaft side ⁇ lablaufnut is constructed.
  • oil drain passage in the radial direction of the rotor shaft is provided with one end freely projecting into the annular oil drain passage annular sealing ridge, which acts in the axial direction barrier for in represents the oil drain passage penetrating lubricant and radially overlaps the gap of the second seal.
  • An exhaust-gas turbocharger which consists of a two-part bearing housing, in which oil is injected from a first part for cooling on the surface of the second part.
  • An exhaust gas turbocharger which has an annular sealing plate as oil splash protection in the region of an axial bearing in the back of the compressor wheel.
  • the present invention has for its object to provide a shaft seal mounted in a bearing housing shaft of a turbomachine in which the flow behavior of the lubricating oil improves and the risk of coking the piston ring seal can be minimized by active cooling of the seal section.
  • the shaft seal according to the invention of a shaft of a turbomachine mounted in a bearing housing between a cavity in the bearing housing and a wheel back of an impeller of the turbomachine comprises a plurality of seals.
  • a first, impeller-side seal which may be formed, for example in the form of at least one piston ring
  • a second, bearing-side seal which may be formed, for example in the form of a sealing gap between the bearing housing and the shaft.
  • an oil drain chamber is arranged, which is bounded by a third, middle seal, which is formed for example in the form of a sealing gap between the bearing housing and the shaft.
  • a gas outlet chamber is arranged between the third seal and the first impeller-side seal.
  • the third seal separates the two media oil from the oil drain chamber from the gas from the gas outlet chamber cleanly, whereby the risk of coking in the oil drain chamber can be minimized since the two media do not meet one another within the same collection chamber.
  • Both media are separated by the third seal separated from each other by at least two drain channels in Lagergeophuseplenum.
  • the inventive shaft seal is also actively cooled by at least one obliquely oriented spray oil device, with no spray oil to get into the drain chambers.
  • the shaft seal is structurally designed so that as much spray oil keeps the material temperatures of the bearing housing and the optional insert and the built-in piston rings low and prevents coking of the oil in the various drain chambers.
  • That region of the bearing housing which is part of the shaft seal formed according to the invention may be formed as an insert.
  • the insert can be easily replaced during operational wear or removed but for cleaning purposes for a short time from the bearing housing.
  • a material with the highest possible heat conduction property to choose as the material for this insert a material with the highest possible heat conduction property.
  • that region of the shaft which is part of the shaft seal constructed in accordance with the invention and whose contour forms the oil drain chamber and the gas outlet chamber together with the bearing housing can be designed as a sleeve-shaped attachment rotating with the shaft.
  • This essay can be up the shaft shrunk, screwed or otherwise connected positively and / or non-positively with the shaft.
  • the attachment is optionally made of a material which compared to the material of the shaft has an improved thermal conductivity or an increased insulating effect. In this way, a potential ⁇ lverkokung can be prevented in the oil drainage grooves.
  • Fig. 1 shows an exhaust gas turbocharger according to the prior art with a centrifugal compressor 90 and a radial turbine 10.
  • the housing of the exhaust gas turbocharger shown is shown partially cut away to see the rotor with the compressor 91, the shaft 20 and the turbine wheel 11 can.
  • the air flow from the air inlet 92 via the compressor wheel 91 to the air outlet 93 and the gas flow from the gas inlet 12 via the turbine wheel 11 to the gas outlet 13 are indicated by thick arrows.
  • the shaft 20 is rotatably mounted in the bearing housing 30, usually by means of two radial bearings and at least one thrust bearing.
  • Fig. 2 shows an enlarged view of an exhaust gas turbocharger or a power turbine in the region of the turbine-side radial bearing 34.
  • the inventively designed shaft seal is arranged, which separates the cavity 50 in the bearing housing from the Radraum 15 of the turbine wheel 11.
  • the bearing housing in the region of the shaft seal comprises an insert piece 31 (sealing bushing), which is realized as a separate component.
  • the insert 31 is ring-shaped and comprises a radially outer oil drainage channel 52 for the projecting radially outward from the radial bearing 34 and laterally discharged spray oil. The insert is sprayed directly or indirectly with spray oil and thereby actively cooled.
  • the spray oil is passed through the oil spray device 61 to the components to be cooled.
  • the oil spray device 61 is performed and aligned in the illustrated embodiment as a bore such that the spray oil in the region of the bearing housing 30 on the inner contour 63 meets and the insert in the region of the oil drainage channel 52nd wetted.
  • the insert 31 is optionally made of a material with the highest possible heat-conducting property.
  • the components of the shaft seal 31, 30, 41, 42 can be separated from the hot turbine rear wall 11 and wheel back 15 by an additional heat plate 70.
  • the heat sheet 70 is arranged in the region of the Radschreibraumes 15 between the hot turbine rear wall 11 and the insert piece 31 of the shaft seal.
  • the heat sheet is in the radially inner region with a support surface 71 on the insert 31.
  • the oil drainage channel 52 is bounded in the axial direction by a radially extended sealing plate 32, which in turn is itself cooled by the oil in the outlet channel 51.
  • the insert further comprises recesses for receiving two series-arranged piston rings 41 and 42, which are known per se and whose operation is described in the beginning in the prior art.
  • the insert further comprises in the radially inner region of an oil drain chamber 53, a separate gas outlet chamber 55 for the gas leakage from the two piston rings 41 and 42 and a sealing ridge 33 which the oil drain chamber 53 and the gas outlet chamber 55 separates from each other.
  • the oil drainage channel 51 between the radial bearing 34 and the sealing plate 32 forms the first main drainage channel of the bearing oil emerging from the radial bearing.
  • the sealing plate 32 forms with a radially opposite first web 21 of the shaft 20 has a first radial sealing gap 43, due to which penetration of the bearing oil from the oil drainage channel 51 is minimized in the oil drain chamber 53.
  • the rotating wave contour of the oil drain chamber 53 is provided with a radially inwardly offset drainage groove, resulting in two drainage edges left and right of this groove within the oil drain chamber 53.
  • the thrown by the Abspritzkanten in the formed by the groove in the insert 31, radially outer region of the oil drain chamber 53 thrown oil flows due to gravity within the oil drain chamber 53 along the contour of the insert 31 down.
  • the bearing oil from the oil drain chamber 53 can be returned to the oil circuit of the bearing lubrication, the oil drain chamber 53 at the bottom of at least one oil drain passage 54.
  • the insert 31 of the shaft seal according to the invention is characterized by a gas outlet chamber 55 arranged next to the oil drain chamber 53 and separated from the oil drain chamber 53 by a peripheral sealing ridge 33.
  • the annular gas discharge chamber 55 is used for collecting the hot gas flowing through the piston rings 41 and 42.
  • the sealing ridge 33 forms with a radially opposite second web 22 of the shaft 20 a second radial sealing gap 44.
  • the sealing gap 44 separates the two media oil from the oil drain chamber 53 from the gas from the gas outlet chamber 55 cleanly.
  • the gas collected in the gas outlet chamber 55 is in turn transferred through at least one separate gas outlet channel 56 within the insert 31 and separated from the oil drain channel 54 into the common volume of the cavity 50 in the bearing housing.
  • the main portion of the bearing oil emerging from the radial bearing 34 is discharged to the outside through the large oil drainage channel 51 and the first sealing point 43 and kept away from the piston ring section via the oil drainage channel 52.
  • the outlets of the at least one oil drain channel 54 and the gas outlet channel 56 are offset in the circumferential direction, as shown in the FIG. 3 and FIG. 4 is shown.
  • Fig. 3 shows a bottom view of the insert 31 without shaft and adjacent housing parts.
  • the bottom of the insert leading out openings of the two oil drain channels 54 and the gas outlet channel 56 are offset axially and in particular in the circumferential direction.
  • Fig. 4 shows in the guided along IV-IV section, the drainage channels and the radially inwardly projecting sealing plate 32 and in the region of the gas outlet channel 56 also radially inwardly projecting sealing ridge 33.
  • the offset channel outlets lead to greater strength of the insert.
  • the seals 43 and 44 are designed as radial sealing gaps.
  • these seals can be supplemented or replaced with piston ring seals or other sealing elements.
  • the bearing housing may be formed in the region of the shaft seal designed according to the invention without a separate insert piece.
  • the corresponding grooves, sealing plates and sealing webs are embedded directly in the bearing housing.
  • the embodiment described in detail with separate insert has the advantage that the insert for the purpose of cooling the sealing part of a material with good thermal conductivity (eg Ck45) can be made and thus is independent of the bearing housing material used (eg GGG -40). Further, an insert is easy to replace in case of operational wear or remove it for cleaning purposes for a short time from the bearing housing.
  • the rotating shaft contour of the turbine in the region of the shaft seal formed according to the invention are executed by a sleeve-shaped attachment 81.
  • the attachment 81 is shrunk onto a seat 82 on the shaft, and an edge formed on the shaft serves as an axial stop 83 for the attachment.
  • the attachment and the shaft seat are to be designed such that the heat discharge via the oil cooling maximizes and the heat input via the shrink fit on the Wave is minimized.
  • the article is therefore to be made of a good heat conducting material.
  • the attachment 81 can also be fastened in a non-positive and / or positive-locking manner on the shaft, for example by means of a screw connection (thread) between the attachment and the shaft.
  • the shaft seal comprises two piston rings 41 and 42.
  • only one piston ring may be provided, or further piston rings may be provided in the region or other locations of the shaft seal.
  • the embodiment shown and described in detail shows the inventive shaft seal formed on the turbine side of an exhaust gas turbocharger or a power turbine.
  • the shaft seal formed according to the invention can also be used analogously on the compressor side of an exhaust-gas turbocharger, or also in any other turbomachine.

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Description

    Technisches Gebiet
  • Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Strömungsmaschinen, insbesondere der mit Abgasen von Brennkraftmaschinen beaufschlagten Abgasturboladern.
  • Sie betrifft eine Wellenabdichtung einer solchen Strömungsmaschine.
    • Stand der Technik
  • Für die Leistungssteigerung einer Verbrennungskraftmaschine werden heutzutage standardmässig Abgasturbolader eingesetzt, mit einer Turbine im Abgastrakt der Verbrennungskraftmaschine und mit einem der Verbrennungskraftmaschine vorgelagerten Verdichter, welcher mit der Turbine über eine gemeinsame Welle verbunden ist. Mit der Aufladung eines Verbrennungsmotors mittels Abgasturbolader wird die Füllmenge und somit das Kraftstoffgemisch in den Zylindern erhöht und daraus ein merklicher Leistungsanstieg für den Motor gewonnen. Optional kann die im Abgas eines Verbrennungsmotors gebundene Energie mittels einer Nutzturbine in elektrische oder mechanische Energie gewandelt werden. Dabei ist anstelle eines Verdichters wie beim Abgasturbolader ein Generator oder ein mechanischer Verbraucher an der Turbinewelle angeschlossen.
  • Ein Abgasturbolader setzt sich standardmässig aus einem Rotor, bestehend aus einer Welle, einem Verdichterrad und einem Turbinenrad, aus einer Lagerung für die Welle, aus strömungsführenden Gehäuseteilen (Verdichtergehäuse resp. Turbinengehäuse) und aus dem Lagergehäuse zusammen.
  • Aufgrund des hohen Prozessdruckes im turbinen- wie auch verdichterseitigen Strömungsbereich ist die Welle des Abgasturboladers gegenüber dem Hohlraum des Lagergehäuses mit einem passenden Dichtkonzept abzudichten. Der Innendruck im Hohlraum des Lagergehäuses entspricht üblicherweise dem atmosphärischen Druck. Der Gasdruck im Strömungskanal der Verdichter- respektive Turbinenseite hängt dagegen vom aktuellen Betriebspunkt des Abgasturboladers ab und liegt in den meisten Betriebspunkten über dem Druck im Hohlraum des Lagergehäuses. In gewissen Fällen ist aber auch mit einem Unterdruck zu rechnen, z.B. im Teillastbetrieb oder bei Stillstand.
  • Aus DE 20 25 125 ist eine turbinenseitige Wellenabdichtung eines Abgasturboladers bekannt, welche sich aus einer einfachen Ölfangkammer turbinenseitig vom Radiallager sowie einem Kolbenring mit Dichtwirkung zwischen der Welle und dem Lagergehäuse zusammensetzt. Das axial aus dem Radiallager austretende Lageröl spritzt auf die nach Aussen versetzte und rotierende Wellenschulter und wird durch Zentrifugalkräfte in die Ölfangkammer geschleudert. Das derart abgeschleuderte Lageröl fliesst anschliessend der Schwerkraft folgend innerhalb der Ölfangkammer nach unten und wieder zurück in den Ölkreislauf der Lagerschmierung.
  • Zur Reduktion der Gasleckage aus dem Strömungskanal durch den Radrückraum der Turbine in den Hohlraum des Lagergehäuses werden standardmässig Kolbenringe aus Metal, beispielsweise Grauguss, eingesetzt. Der unter Spannung stehende Kolbenring wird in einer radialen Nut mit axialer Anschlagschulter im Lagergehäuse verspannt. Als Gegenstück zum Kolbenring wird die rotierende Welle mit einer radialen Nut versehen, wobei der Kolbenring innerhalb dieser Nut axial gefangen ist und diese radial überdeckt. Aufgrund des Differenzdrucks zwischen dem Abgasdruck und dem Druck im Inneren des Lagergehäuses wird der Kolbenring in Richtung des vorhandenen Druckgradienten innerhalb der Nut axial auf Anschlag verschoben. Durch die axiale Auflage des Kolbenrings an einer der Nutinnenfläche schleift sich dieser ein und dichtet das Lagergehäuseplenum relativ zur Abgasströmung ab. Zur Verbesserung der Dichtwirkung können auch zwei oder mehr Kolbenringe eingesetzt werden, wie dies etwa in CH 661 964 A5 , US 3 180 568 , US 4 196 910 oder EP 1 860 299 offenbart ist. In diesen Dokumenten ist gezeigt, wie sich die Dichtwirkung gegenüber den heissen Abgasen durch die zusätzliche Verwendung von Sperrluft respektive Entlüftung der Raums zwischen den beiden Kolbenringen erhöhen lässt und dadurch ein Entweichen der Abgase ins Lagergehäuse gänzlich unterbunden werden kann.
  • Aus DE 37 37 932 A1 ist eine turbinenseitige Wellenabdichtung eines Abgasturboladers bekannt, bei welcher der Ölablauf aus dem Radiallager zwischen der Lagerstelle und den beiden Kolbenringen erfolgt. Dabei wird zur Verbesserung der Öldichtheit anstelle einer einfachen axialen Wellenschulter eine zusätzliche Schleuderscheibe verwendet. Die Menge des im Bereich der Kolbenringnut auftreffenden unerwünschten Lageröls kann damit erheblich reduziert werden. Analog erfolgt in den Wellenabdichtungen gemäss US 4 268 229 sowie DE 30 21 349 der Ölablauf zwischen dem Radiallager und dem benachbarten Kolbenring, wobei der Ölablauf immer aus einer Kammer besteht. Zusätzlich wird der Hohlraum zwischen den beiden Kolbenringen mittels eines zusätzlichen Verbindungskanals mit dem Hohlraum des Lagergehäuses verbunden und auf atmosphärischen Umgebungsdruck belüftet. Die resultierende Druckdifferenz über dem linken Kolbenring wird dadurch unterbunden, sodass der Kolbenring vorwiegend eine ölabdichtende jedoch nicht heissgasabdichtende Funktion übernimmt. Somit übernimmt nur der rechte Kolbenring die Abdichtung zwischen dem unter Druck stehenden Strömungskanal und dem Hohlraum des Lagergehäuses. Durch diese Konstruktionsvarianten ergeben sich demnach zwei getrennte Abläufe für die Medien Öl (aus Radiallager) sowie Abgas (aus Strömungskanal) wobei die Abläufe durch einen Kolbenring getrennt werden. Das aus dem Radiallager austretende Schmieröl spritzt unter Umständen axial in den Kolbenringbereich der Gasabdichtung und flutet im ungünstigsten Falle die gesamte Kolbenringnut. Üblicherweise ist der Gasdruck im Strömungskanal eines Verdichters oder Turbine grösser als der Innendruck im Lagergehäuse des Turboladers. So hat eine positive Druckdifferenz (Druck im Strömungskanal ist höher als im Hohlraum des Lagergehäuses) zur Folge, dass die sich einstellende Gasleckage die Kolbenringdichtung durchbläst und das unbeabsichtigt in den Kolbenringbereich eingedrungene Lageröl zurück in die Ölfangkammer des Lagergehäuses befördert.
  • Dem entgegenzuwirken versucht die in DE 10 2004 055 429 B3 beschriebene Dichtungseinrichtung für eine geschmierte Lagerung einer Rotorwelle, die ein Lagergehäuse eines Abgasturboladers gegen ein zugeführtes Schmiermittel in axialer Richtung abdichtet. Auf der Rotorwelle ist eine erste Dichtung in Form eines Spaltes, eines Labyrinths oder eines Kolbenrings und eine zweite Dichtung in Form eines engen Spaltes oder eines Labyrinths vorgesehen, welche zwischen sich einen sich ringförmig um den Umfang der Rotorwelle erstreckenden Ölablaufkanal einschließen, der mittels einer gehäuseseitigen Ölablaufnut und einer in achsgleicher Position angeordneten wellenseitigen Ölablaufnut aufgebaut ist. Im Ölablaufkanal ist ein in radialer Richtung der Rotorwelle mit einem Ende frei in den ringförmigen Ölablaufkanal ragender ringförmiger Dichtsteg vorgesehen, der eine in axialer Richtung wirkende Barriere für in den Ölablaufkanal eindringendes Schmiermittel darstellt und den Spalt der zweiten Dichtung radial überdeckt.
  • Aus DE 43 30 380 A1 ist ein Abgasturbolader bekannt, welcher aus einem zweiteiligen Lagergehäuse besteht, bei dem aus einem ersten Teil Öl zur Kühlung auf die Oberfläche des zweiten Teils gespritzt wird.
  • Bei allen beschriebenen, turbinenseitigen Wellenabdichtkonzepten besteht unter gewissen Umständen die Gefahr, dass heisse Gase aus dem Radrückraum der Abgasturbine durch die Kolbenringabdichtung entweichen, und das im Kolbenringbereich sowie der Ölablaufnuten verbleibende Lageröl lokal verbrennt und dadurch eine starke Verkokung der Wellenabdichtung und damit verbundenem Verschleiss verursacht. Die Verkokungsgefahr nimmt mit steigender Abgastemperatur und erhöhter Gasleckage durch die Kolbenringe sowie schlechter Bauteilkühlung zu. So ist eine aktive Kühlung dieser Dichtungspartie entscheidend für die Betriebssicherheit der Wellenabdichtung.
  • Aus DE 197 13 415 A1 ist ein Abgasturbolader bekannt, welcher im Bereich eines Axiallagers im Rücken des Verdichterrades eine ringförmige Dichtungsplatte als Ölspritzschutz aufweist.
  • Aus US2005/0188694 A1 ist ein Abgasturbolader bekannt, welcher im Bereich der Wellenabdichtung im Rücken des Verdichterrades zwischen zwei Kolbenringen ein Ölabsaugrohr aufweist, durch welches mittels einer Vakuumpumpe die Zone zwischen den beiden Kolbenringen von allfällig eindringendem Öl gereinigt wird.
  • Aus US 4,523,763 ist ein Abgasturbolader bekannt, welcher im Bereich der Wellenabdichtung im Rücken des Verdichterrades eine Labyrinth-Dichtung aufweist, welche verhindern soll, dass Öl aus dem Schmierkreislauf in den Arbeitsraum des Verdichters gelangen kann.
    • Kurze Darstellung der Erfindung
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Wellenabdichtung einer in einem Lagergehäuse gelagerten Welle einer Strömungsmaschine zu schaffen bei welcher das Ablaufverhalten des Schmieröls verbessert sowie die Verkokungsgefahr der Kolbenringabdichtung durch aktive Kühlung der Dichtungspartie minimiert werden kann.
  • Die erfindungsgemässe Wellenabdichtung einer in einem Lagergehäuse gelagerten Welle einer Strömungsmaschine zwischen einem Hohlraum im Lagergehäuse und einem Radrückraum eines Laufrades der Strömungsmaschine umfasst mehrere Dichtungen. Eine erste, laufradseitige Dichtung, welche beispielsweise in Form mindestens eines Kolbenrings ausgebildet sein kann, sowie eine zweite, lagerseitige Dichtung, welche beispielsweise in Form eines Dichtspaltes zwischen dem Lagergehäuse und der Welle ausgebildet sein kann. Zwischen der laufradseitigen Dichtung und der lagerseitigen Dichtung ist eine Ölablaufkammer angeordnet, welche von einer dritten, mittleren Dichtung, die beispielsweise in Form eines Dichtspaltes zwischen dem Lagergehäuse und der Welle ausgebildet ist, begrenzt ist. Zwischen der dritten Dichtung und der ersten, laufradseitigen Dichtung ist zudem erfindungsgemäss eine Gasaustrittskammer angeordnet. Die dritte Dichtung trennt erfindungsgemäss die beiden Medien Öl aus der Ölablaufkammer vom Gas aus der Gasaustrittskammer sauber ab wodurch die Verkokungsgefahr in der Ölablaufkammer minimiert werden kann, da die beiden Medien nicht innerhalb der gleichen Sammelkammer aufeinander treffen. Beide Medien werden durch die dritte Dichtung getrennt voneinander durch mindestens zwei Ablaufkanäle seitlich ins Lagergehäuseplenum abgeleitet. Die erfindungsgemässe Wellenabdichtung wird zudem durch mindestens eine schräg ausgerichtete Spritzölvorrichtung aktiv gekühlt, wobei kein Spritzöl in die Ablaufkammern gelangen soll. Die Wellenabdichtung ist konstruktiv so gestaltet, dass möglichst viel Spritzöl die Materialtemperaturen des Lagergehäuses sowie des optionalen Einsatzstücks und den darin eingebauten Kolbenringen gering hält und eine Verkokung des Öls in den diversen Ablaufkammern unterbindet.
  • Optional kann derjenige Bereich des Lagergehäuses, welcher Teil der erfindungsgemäss ausgebildeten Wellenabdichtung ist, als ein Einsatzstück ausgebildet sein. Das Einsatzstück kann bei betriebsbedingter Abnutzung leicht ersetzt oder aber etwa zu Reinigungszwecken kurzzeitig aus dem Lagergehäuse ausgebaut werden. Zudem ist als Material für dieses Einsatzstück ein Werkstoff mit möglichst hoher Wärmeleiteigenschaft zu wählen.
  • Optional kann derjenige Bereich der Welle, welcher Teil der erfindungsgemäss ausgebildeten Wellenabdichtung ist und mit seiner Kontur zusammen mit dem Lagergehäuse die Ölablaufkammer sowie die Gasaustrittskammer bildet, als ein mit der Welle mitrotierender, hülsenförmiger Aufsatz ausgebildet sein. Dieser Aufsatz kann auf die Welle aufgeschrumpft, aufgeschraubt oder auf andere Weise form- und/ oder kraftschlüssig mit der Welle verbunden werden. Der Aufsatz ist optional aus einem Material gefertigt, welches gegenüber dem Material der Welle eine verbesserte Wärmeleitfähigkeit oder eine erhöhte isolierenden Wirkung aufweist. Auf diese Weise kann eine potentielle Ölverkokung in den Ölablaufrillen unterbunden werden kann.
    • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Nachfolgend wird die erfindungsgemässe Wellenabdichtung anhand von Zeichnungen detailliert erläutert. Dabei zeigt
    • Fig. 1
    eine teilweise aufgeschnittene Ansicht eines Abgasturboladers gemäss dem Stand der Technik mit einem Radialverdichter und einer Radialturbine,
    Fig. 2
    einen entlang der Welle geführten Schnitt durch eine erfindungsgemäss ausgebildete, turbinenseitige Wellenabdichtung eines Abgasturboladers nach Fig. 1,
    Fig. 3
    eine Ansicht von unten auf ein Gehäuseteil einer zweiten Ausführungsform der Wellenabdichtung nach Fig. 2,
    Fig. 4
    einen entlang IV-IV geführten Schnitt durch das Gehäuseteil nach Fig. 3, und
    Fig. 5
    die Wellenabdichtung gemäss Fig. 2 mit einem auf der Welle aufgeschrumpften Aufsatz.
    Weg zur Ausführung der Erfindung
  • Fig. 1 zeigt einen Abgasturbolader gemäss dem Stand der Technik mit einem Radialverdichter 90 und einer Radialturbine 10. Das Gehäuse des abgebildeten Abgasturboladers ist teilweise aufgeschnitten dargestellt, um den Rotor mit dem Verdichterrad 91, der Welle 20 und dem Turbinenrad 11 sehen zu können. Die Luftführung vom Lufteintritt 92 über das Verdichterrad 91 bis zum Luftaustritt 93 sowie die Gasführung vom Gaseintritt 12 über das Turbinenrad 11 bis zum Gasaustritt 13 sind mit dicken Pfeilen angedeutet. Die Welle 20 ist im Lagergehäuse 30 drehbar gelagert, in der Regel mittels zweier Radiallager und mindestens eines Axiallagers.
  • Fig. 2 zeigt vergrössert dargestellt einen Abgasturbolader oder eine Nutzturbine im Bereich des turbinenseitigen Radiallagers 34. Turbinenseitig dieses Radlagers, also in der Darstellung rechts davon, ist die erfindungsgemäss ausgebildete Wellenabdichtung angeordnet, welche den Hohlraum 50 im Lagergehäuse vom Radrückraum 15 des Turbinenrades 11 trennt. In der dargestellten Ausführungsform der erfindungsgemäss ausgebildeten Wellenabdichtung umfasst das Lagergehäuse im Bereich der Wellenabdichtung ein Einsatzstück 31 (Dichtbüchse), welches als separates Bauteil realisiert ist. Das Einsatzstück 31 ist ringförmig ausgebildet und umfasst eine radial äussere Ölablaufrinne 52 für das aus dem Radiallager 34 radial nach Aussen geschleuderte sowie seitlich abgegebene Spritzöl. Das Einsatzstück wird direkt oder indirekt mit Spritzöl bespritzt und dadurch aktiv gekühlt. Das Spritzöl wird durch die Ölspritzvorrichtung 61 auf die zu kühlenden Bauteile geleitet. Die Versorgung mit Spritzöl erfolgt durch den Ölkanal 60 im turbinenseitigen Lagerflansch 62. Die Ölspritzvorrichtung 61 ist in der dargestellten Ausführungsform als Bohrung derart ausgeführt und ausgerichtet, dass das Spritzöl im Bereich des Lagergehäuses 30 auf die Innenkontur 63 trifft und das Einsatzstück im Bereich der Ölablaufrinne 52 benetzt. Durch das Spritzöl sowie dem Öl aus der Lagerung 34 und Ölablaufrinne 51 werden das Einsatzstück und die darin befindlichen Kolbenringe, Dichtungen und Ablaufkammern umfassend gekühlt und eine Verkokung weitgehend unterbunden. Zur Erhöhung der Kühlwirkung auf die Kolbenringe und Ablaufkammern ist das Einsatzstück 31 optional aus einem Material mit möglichst hoher Wärmeleiteigenschaft gefertigt. Weiter lassen sich die Komponenten der Wellenabdichtung 31, 30, 41, 42 durch ein zusätzliches Hitzeblech 70 von der heissen Turbinenrückwand 11 und Radrückraum 15 trennen. Das Hitzeblech 70 ist im Bereich des Radrückraumes 15 zwischen der heissen Turbinenrückwand 11 und dem Einsatzstück 31 der Wellenabdichtung angeordnet. Optional liegt das Hitzeblech im radial inneren Bereich mit einer Auflagefläche 71 am Einsatzstück 31 auf. Durch dieses Hitzeblech 70 reduzieren sich die Materialtemperaturen im Bereich des Einsatzstücks 31 und Kolbenringe 41, 42 zusätzlich, was wiederum die Verkokungsneigung minimiert. Die Ölablaufrinne 52 ist in axialer Richtung von einer radial ausgezogenen Dichtplatte 32 begrenzt die wiederum selbst durch das Öl im Ablaufkanal 51 gekühlt wird. Das Einsatzstück umfasst weiter Aussparungen zur Aufnahme zweier in Serie angeordneter Kolbenringe 41 und 42, welche an sich bekannt sind und deren Funktionsweise eingangs im Stand der Technik beschrieben ist. Das Einsatzstück umfasst weiter im radial innenliegenden Bereich eine Ölablaufkammer 53, eine separate Gasaustrittskammer 55 für die Gasleckage aus den beiden Kolbenringen 41 und 42 sowie einen Dichtsteg 33 welcher die Ölablaufkammer 53 und die Gasaustrittskammer 55 voneinander trennt.
  • Die Ölablaufrinne 51 zwischen dem Radiallager 34 und der Dichtplatte 32 bildet den ersten Hauptablaufkanal des aus dem Radiallager austretenden Lageröls. Die Dichtplatte 32 bildet mit einem radial gegenüberliegenden ersten Steg 21 der Welle 20 einen ersten radialen Dichtspalt 43, aufgrund dessen ein Eindringen des Lageröls aus der Ölablaufrinne 51 in die Ölablaufkammer 53 minimiert wird. Die rotierende Wellenkontur der Ölablaufkammer 53 ist mit einer radial nach Innen versetzten Ablaufnut versehen, wodurch sich innerhalb der Ölablaufkammer 53 zwei Abspritzkanten links und rechts dieser Nut ergeben. Das durch die Abspritzkanten in den durch die Nut im Einsatzstück 31 gebildeten, radial äusseren Bereich der Ölablaufkammer 53 geschleuderte Öl fliesst aufgrund der Schwerkraft innerhalb der Ölablaufkammer 53 entlang der Kontur des Einsatzstücks 31 nach unten. Damit das Lageröl aus der Ölablaufkammer 53 in den Ölkreislauf der Lagerschmierung zurückgeführt werden kann, weist die Ölablaufkammer 53 im unteren Bereich mindestens einen Ölablaufkanal 54 auf.
  • Das Einsatzstück 31 der erfindungsgemäss ausgebildeten Wellenabdichtung zeichnet sich durch eine neben der Ölablaufkammer 53 angeordnete Gasaustrittskammer 55 aus, die von der Ölablaufkammer 53 durch einen umlaufenden Dichtsteg 33 abgetrennt ist. Die ringförmig ausgebildete Gasaustrittskammer 55 wird für das Sammeln des durch die Kolbenringe 41 und 42 durchströmenden heissen Gases verwendet. Der Dichtsteg 33 bildet mit einem radial gegenüberliegenden zweiten Steg 22 der Welle 20 einen zweiten radialen Dichtspalt 44. Der Dichtspalt 44 trennt erfindungsgemäss die beiden Medien Öl aus der Ölablaufkammer 53 vom Gas aus der Gasaustrittskammer 55 sauber ab. Das in der Gasaustrittskammer 55 aufgefangene Gas wird wiederum durch mindestens einen separaten Gasablaufkanal 56 innerhalb des Einsatzstücks 31 und getrennt vom Ölablaufkanal 54 ins gemeinsame Volumen des Hohlraums 50 im Lagergehäuse überführt. Durch die gezielte Trennung der beiden Abläufe soll eine Vermischung der beiden Medien im Bereich der Ölablaufkammer 53 unterbunden und dadurch die Verkokungsgefahr im Dichtverbund reduziert werden. Zudem wird durch die grosse Ölablaufrinne 51 sowie der ersten Dichtstelle 43 der Hauptanteil des aus dem Radiallager 34 austretenden Lageröls nach Aussen hin abgeführt und über die Ölablaufrinne 52 von der Kolbenringpartie ferngehalten.
  • Optional sind die Austritte des mindestens einen Ölablaufkanals 54 und des Gasablaufkanals 56 in Umfangsrichtung versetzt angeordnet, wie dies in der Fig. 3 und Fig. 4 dargestellt ist. Fig. 3 zeigt eine Ansicht von unten auf das Einsatzstück 31 ohne Welle und angrenzende Gehäuseteile. Die unten aus dem Einsatzstück hinausführenden Öffnungen der beiden Ölablaufkanäle 54 und des Gasablaufkanals 56 sind axial und insbesondere in Umfangsrichtung versetzt. Fig. 4 zeigt in dem entlang IV-IV geführten Schnitt die Ablaufkanäle und die radial nach Innen vorstehende Dichtplatte 32 sowie im Bereich des Gasablaufkanals 56 den ebenfalls radial nach Innen vorstehenden Dichtsteg 33. Die versetzten Kanalaustritte führen zu einer grösseren Festigkeit des Einsatzstückes.
  • In der dargestellten Ausführungsform sind die Dichtungen 43 und 44 als radiale Dichtspalte ausgeführt. Optional können diese Dichtungen mit Kolbenringdichtung oder anderen Dichtelementen ergänzt oder ersetzt werden.
  • Optional kann das Lagergehäuse im Bereich der erfindungsgemäss ausgebildeten Wellenabdichtung ohne separates Einsatzstück ausgebildet sein. In diesem Fall sind die entsprechenden Nuten, Dichtplatten und Dichtstege direkt ins Lagergehäuse eingelassen. Gegenüber der einteilig ausgebildeten Variante ohne separates Einsatzstück weist die ausführlich beschriebene Ausführungsform mit separatem Einsatzstück den Vorteil auf, dass das Einsatzstück zwecks Kühlung der Dichtungspartie aus einem Material mit guter Wärmeleitfähigkeit (z.B. Ck45) gefertigt werden kann und somit unabhängig ist vom verwendeten Lagergehäusematerial (z.B. GGG-40). Weiter ist ein Einsatzstück bei betriebsbedingter Abnutzung leicht zu ersetzen oder aber etwa zu Reinigungszwecken kurzzeitig aus dem Lagergehäuse auszubauen.
  • Optional kann gemäss Fig. 5 die rotierende Wellenkontur der Turbine im Bereich der erfindungsgemäss ausgebildeten Wellenabdichtung durch einen hülsenförmigen Aufsatz 81 ausgeführt werden. Der Aufsatz 81 wird auf einen Sitz 82 auf der Welle aufgeschrumpft und eine auf der Welle ausgebildete Kante dient dem Aufsatz als Axialanschlag 83. Der Aufsatz sowie der Wellensitz sind so auszulegen, dass der Wärmeaustrag über die Ölkühlung maximiert und der Wärmeeintrag über den Schrumpfsitz auf die Welle minimiert wird. Der Aufsatz ist demzufolge aus einem gut wärmeleitenden Material zu fertigen. Durch die Kühlung des Aufsatzes werden die Ölablaufrinnen ebenfalls gekühlt, was wiederum die Verkokungsgefahr in den Ablaufklammern 53 und 55 minimiert. Optional kann der Aufsatz 81 auch auf andere Weise kraft- und/ oder formschlüssig auf der Welle befestigt werden, beispielsweise mittels einer Schraubverbindung (Gewinde) zwischen dem Aufsatz und der Welle.
  • In der dargestellten Ausführungsform umfasst die Wellenabdichtung zwei Kolbenringe 41 und 42. Alternativ kann auch nur ein Kolbenring vorgesehen sein oder es können in dem Bereich oder an anderen Stellen der Wellenabdichtung weitere Kolbenringe vorgesehen sein.
  • Die dargestellte und detailliert beschriebene Ausführungsform zeigt die erfindungsgemäss ausgebildete Wellenabdichtung auf der Turbinenseite eines Abgasturboladers oder einer Nutzturbine. Natürlich kann die erfindungsgemäss ausgebildete Wellenabdichtung auch analog auf der Verdichterseite eines Abgasturboladers, oder auch bei einer beliebigen anderen Strömungsmaschine eingesetzt werden.
    • Bezugszeichenliste
    • 10
    Turbine
    11
    Turbinenrad
    12
    Gaseinlass
    13
    Gasaustritt
    15
    Radrückraum des Laufrades
    20
    Welle
    21, 22
    Dichtsteg
    30
    Lagergehäuse
    31
    Einsatzstück des Lagergehäuses
    32
    Dichtplatte
    33
    Dichtsteg
    34
    Radiallager
    41, 42
    Kolbenring
    43, 44
    radialer Dichtspalt
    50
    Hohlraum im Lagergehäuse
    51, 52
    Ölablaufrinne
    53
    Ölablaufkammer
    54
    Ölablaufkanal
    55
    Gasaustrittskammer
    56
    Gasablaufkanal
    60
    Ölkanal
    61
    Ölspritzvorrichtung
    62
    Turbinenseitiger Lagerflansch
    63
    Innenkontur des Lagergehäuses
    70
    Hitzeblech
    71
    Auflagestelle
    81
    Mit der Welle mitrotierender Aufsatz
    82
    Wellensitz
    83
    Axialanschlag
    90
    Verdichter
    91
    Verdichterrad
    92
    Lufteinlass
    93
    Luftaustritt

Claims (14)

  1. Wellenabdichtung einer in einem Lagergehäuse (30) gelagerten Welle (20) einer Strömungsmaschine zwischen einem Hohlraum (50) im Lagergehäuse (30) und einem Radrückraum (15) eines Laufrades (11) der Strömungsmaschine, umfassend eine laufradseitige Dichtung (41, 42) zwischen dem Lagergehäuse (30, 31) und der Welle (20, 21) sowie eine lagerseitige Dichtung (43) zwischen dem Lagergehäuse (30, 31) und der Welle (20, 21), wobei zwischen der laufradseitigen Dichtung und der lagerseitigen Dichtung eine Ölablaufkammer (53) vorgesehen ist,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Ölablaufkammer (53) von einer dritten Dichtung (44) zwischen dem Lagergehäuse (30, 31) und der Welle (20, 22) begrenzt ist, und dass zwischen der dritten Dichtung und der laufradseitigen Dichtung eine Gasaustrittskammer (55) angeordnet ist, und
    in das Lagergehäuse radial ausserhalb der Ölablaufkammer (53) eine Ölablaufrinne (52) eingelassen ist, wobei im Bereich der Ölablaufrinne (52) mindestens eine Ölspritzvorrichtung (61) angeordnet ist, mit welcher der Bereich der Ölablaufrinne mit Öl bespritzt werden kann.
  2. Wellenabdichtung nach Anspruch 1, wobei die laufradseitige Dichtung in Form mindestens eines Kolbenrings (41, 42) ausgebildet ist.
  3. Wellenabdichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die lagerseitige Dichtung in Form eines Dichtspaltes (43) ausgebildet ist.
  4. Wellenabdichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die dritte Dichtung in Form eines Dichtspaltes (44) ausgebildet ist.
  5. Wellenabdichtung nach Anspruch 1 bis 4, wobei innerhalb des Radrückraumes (15) ein Hitzeblech (70) die Wellenabdichtung von der heissen Turbinenrückwand (11) abschirmt.
  6. Wellenabdichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Lagergehäuse im Bereich der Wellenabdichtung ein Einsatzstück (31) umfasst, in welches Ausnehmungen eingelassen sind, welche die Ölablaufkammer (53) sowie die Gasaustrittskammer (55) bilden.
  7. Wellenabdichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Ölablaufkammer (53) und die Gasaustrittskammer (55) je mindestens einen separaten Ablaufkanal (54, 56) umfassen.
  8. Wellenabdichtung nach Anspruch 7, wobei der mindestens eine Ablaufkanal (54) der Ölablaufkammer (53) und der mindestens eine Ablaufkanal (56) der Gasaustrittskammer (55) getrennt voneinander in den Hohlraum (50) im Lagergehäuse (30) münden.
  9. Wellenabdichtung nach Anspruch 8, wobei der mindestens eine Ablaufkanal (54) der Ölablaufkammer (53) und der mindestens eine Ablaufkanal (56) der Gasaustrittskammer (55) in Umfangsrichtung versetzt in den Hohlraum (50) im Lagergehäuse (30) münden.
  10. Wellenabdichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Welle im Bereich der Wellenabdichtung einen Aufsatz (81) umfasst, welcher eine Kontur aufweist, die zusammen mit dem Lagergehäuse die Ölablaufkammer (53) sowie die Gasaustrittskammer (55) bildet.
  11. Wellenabdichtung nach Anspruch 10, wobei der Aufsatz (81) aus einem Material gefertigt ist, welches gegenüber dem Material der Welle eine höhere Wärmeleitfähigkeit aufweist.
  12. Strömungsmaschine, umfassend mindestens ein auf einer Welle (20) angeordnetes Laufrad (11) sowie ein Lagergehäuse (30), in welchem die Welle (20) drehbar gelagert ist, wobei zwischen dem Lagergehäuse (30) und der Welle (20) eine Wellenabdichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10 angeordnet ist.
  13. Abgasturbolader oder Nutzturbine, umfassend mindestens ein auf einer Welle (20) angeordnetes Turbinen-Laufrad (11), sowie ein Lagergehäuse (30), in welchem die Welle (20) drehbar gelagert ist, wobei zwischen dem Lagergehäuse (30) und der Welle (20) eine Wellenabdichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10 angeordnet ist.
  14. Abgasturbolader, umfassend mindestens ein auf einer Welle (20) angeordnetes Verdichter-Laufrad (11), sowie ein Lagergehäuse (30), in welchem die Welle (20) drehbar gelagert ist, wobei zwischen dem Lagergehäuse (30) und der Welle (20) eine Wellenabdichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10 angeordnet ist.
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