EP3519103A1

EP3519103A1 - Turbine und flüssigkeitsabscheider mit einer derartigen turbine

Info

Publication number: EP3519103A1
Application number: EP17777030.2A
Authority: EP
Inventors: Maximilian BIRK; Francesco Zitarosa; Petr Polednak; Christoph Erdmann
Original assignee: Reinz Dichtungs GmbH; 3Nine AB
Current assignee: Grimaldi Development AB
Priority date: 2016-09-28
Filing date: 2017-09-28
Publication date: 2019-08-07
Anticipated expiration: 2037-09-28
Also published as: EP3519103B1; WO2018060306A1; EP3519103C0; US11660610B2; DE202016105409U1; US20190224690A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Turbine mit einem Turbinenrad, wie sie beispielsweise als Antrieb für aktive Ölabscheider verwendet werden, sowie einen Flüssigkeitsabscheider mit einer derartigen Turbine.

Description

Turbine und Flüssigkeitsabscheider mit einer derartigen Turbine

In derartigen aktiven Olabscheidern wird oftmals ein Abscheideelement verwendet, das in Drehung versetzt wird, um einen ausreichenden Abscheidegrad einer Flüssigkeit aus einem Gas, beispielsweise von Ölnebel oder Öltröpfchen aus Blow-By-Gasen eines Verbrennungsmotors zu gewährleisten.

Derartige Turbinen weisen ein Turbinenrad auf, das mit einem fluidischen Antriebsmittel angetrieben wird. Bei Olabscheidern in Entlüftungssystemen von Verbrennungsmotoren, insbesondere bei Fahrzeugen, wird für den Antrieb des Turbinenrades oftmals der Öldruck des Motoröls verwendet. Aber auch bei stationären Olabscheidern kann ein hydraulischer Antrieb zum Ein- satz kommen.

Ein derartiges Turbinenrad ist mit einer Welle gekoppelt bzw. zentral auf einer Welle gelagert und treibt diese Welle an, die ihrerseits mit einem drehbaren Abscheideelement gekoppelt ist. Bei im Stand der Technik üblichen aktiven Ölabscheidern, bei denen mittels des Öldrucks ein Turbinenrad angetrieben wird, wird das Antriebsfluid über eine Mitte Ibohrung in der Welle bis zum Turbinenrad geführt und dort in das Turbinenrad eingeleitet. Das Turbinenrad weist an seinem Rand eine ungefähr in tangentialer Richtung gerichtete Düse auf, über die das fluidische Antriebsmittel ausgestoßen wird. Dadurch wird das Turbinenrad in Drehung versetzt. Typisch sind dabei Drehzahlen bis zu 20.000 rpm.

Der Begriff Turbinenrad ist dabei nicht auf ein näherungsweise kreisrundes Element beschränkt, sondern umfasst auch andere Formen rotationsfähiger Körper.

Derartige Turbinenräder im Stand der Technik sind üblicherweise aus Edelstahl gefertigt. Dies macht das Turbinenrad schwer und insbesondere aufwändig und teuer in der Herstellung.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Turbinenrad sowie einen Flüssigkeitsabscheider zur Verfügung zu stellen, die kostengünstig, mit stabiler Außenkontur und präzise hergestellt werden können und ein geringes Gewicht aufweisen. Insbesondere soll die Komplexität der Herstellung verringert, das Integrationspotential erhöht und die Montage der erfindungsgemäßen Turbine vereinfacht werden. Weiterhin soll ein Flüssigkeitsabscheider zur Verfügung gestellt werden, der eine derartige erfindungsgemäße Turbine aufweist.

Erfindungsgemäß weist die Turbine nun ein Turbinenrad auf, das einen längs der Drehachse des Turbinenrads verlaufenden ersten Kanal aufweist. Dieser erste Kanal kann entweder als zentrale Aufnahme einer Welle, so dass die Welle an dem Turbinenrad befestigt werden kann, dienen oder in Verlängerung der Aufnahme einer solchen Welle verlaufen. Beispielsweise kann die Turbine auf eine Welle aufgespritzt werden, die üblicherweise zumindest ab- schnittsweise aus Stahl besteht. In einer anderen Variante ist es auch möglich, die Turbine mit einer Aufnahmegeometrie für eine metallische Welle zu versehen. Ebenso ist es möglich, die Welle in das Turbinenrad einzubetten, beispielsweise warm einzubetten. Zusätzlich kann in diesem Bereich auch ein Lager für die Welle vorgesehen sein.

Das erfindungsgemäße Turbinenrad weist weiterhin einen im Wesentlichen in radialer Richtung verlaufenden zweiten Kanal zum Führen des fluidischen Antriebsmittels, beispielsweise Motoröl, mit einem Einlass und einem Auslass für das fluidische Antriebsmittel auf. Der Einlass steht dabei in fluidischer Verbindung mit dem ersten Kanal. Der Auslass ist im Wesentlichen in eine tangentiale Richtung des Turbinenrads gerichtet. In Einzelfällen kann es jedoch vorteilhaft sein, wenn die Austrittsrichtung einen Winkel von 85 bis 95° zur Richtung des ersten Kanals aufweist, d.h. einen geringen Vektoranteil in Achsrichtung der Welle aufweist. Dies gilt insbesondere bei sehr hohen Drehzahlen.

Die Verwendung von metallischen oder keramischen Einsatzelementen ermöglichen zumindest, dass an den entscheidenden Stellen die Bauteile hochpräzise und äußerst formstabil sind.

Es ist besonders vorteilhaft, wenn das erfindungsgemäße Turbinenrad genau einen zweiten Kanal aufweist, da somit das gesamte Antriebsfluid dem Auslass dieses einen zweiten Kanals zur Verfügung steht. Die erfindungsgemäße Turbine weist weiterhin im Auslass eine Fluiddüse auf.

Anstelle einer einzigen Fluiddüse können aber auch mehrere Fluiddüsen nebeneinander angeordnet sein, die alle im Wesentlichen dieselbe Auslassrichtung aufweisen. Unabhängig von der genauen Anzahl Düsen ergibt sich eine Fluidführung, die allenfalls bezüglich eines Querschnitts durch die Mittelebe- ne der Turbine symmetrisch, sonst aber unsymmetrisch ausgeführt ist.

Zusätzlich ist in mindestens einem Abschnitt einer Wand des ersten und/oder zweiten Kanals eine Metall- und/oder Keramikverstärkung angeordnet.

Diese erfindungsgemäße Turbine mit dem erfindungsgemäßen Turbinenrad zeigt ein einfaches und kostengünstiges Design. Dadurch, dass lediglich das Turbinenrad mit seinen zwei Kanälen zu fertigen und die Metall Verstärkung zu integrieren ist, ist die Teilezahl der zur Herstellung des Turbinenrades erforderlichen Einzelteile sehr gering. Dadurch, dass das Turbinenrad insbesondere entweder auf die Welle aufgeschrumpft, direkt an die Welle angespritzt wer- den kann oder die Welle in das Turbinenrad eingebettet werden kann, je nachdem, ob der erste Kanal eine Metallverstärkung aufweist oder nicht, wird die Montagezeit verkürzt, wobei hierdurch auch die Montagekosten verringert werden. Der Einlass des zweiten Kanals kann beispielsweise benachbart zu der Welle in dem Durchgang der Welle durch das Turbinenrad vorgesehen sein, so dass das Antriebsfluid über eine Mittelbohrung der Welle bis in den Durchlassbereich geführt und von dort über eine seitliche Bohrung in der Welle und den erfindungsgemäßen Einlass in das Turbinenrad eingebracht werden kann.

Der zweite Kanal ist vorzugsweise gekrümmt oder gewinkelt ausgeführt.

Der Auslass ist vorzugsweise am Umfangsrand des Turbinenrades angeordnet. Die im Auslass angeordnete Fluiddüse kann dabei einteilig mit dem zweiten Kanal ausgebildet sein, so dass das Turbinenrad die Fluiddüse als integrales

Bauelement enthält. Alternativ kann die Fluiddüse als separates Bauteil im Bereich des Auslasses in den zweiten Kanal eingefügt, beispielsweise eingeschraubt, eingebettet oder eingespritzt sein und ein Metall und/oder eine Keramik enthalten oder daraus bestehen. Es ist auch möglich, diese Fluiddüse als Einsatzteil zu gestalten, die im Auslass befestigt wird. Hierzu kann diese

Fluiddüse in den Auslass eingesetzt und mit einer Verliersicherung gesichert werden. Als Verliersicherung kommen hierzu beispielsweise quer zur Längsrichtung des Kanals eingesetzte Schwerter oder Schieber in Frage. Um das Einsetzen der Fluiddüse zu erleichtern kann der Auslass konisch ausgestaltet sein. Insbesondere kann die Fluiddüse derart im Auslass angeordnet sein, dass eine Austrittsrichtung des fluidischen Antriebsmittels aus der Fluiddüse im Wesentlichen senkrecht zum ersten und/oder zweiten Kanal verläuft. Die Fluiddüse kann ein Metall, eine Keramik oder einen hochwertigen Kunststoff enthalten oder daraus bestehen.

Insbesondere sind bei einer ersten Variante lediglich das einstückige Turbi- nenrad und eine entsprechende, insbesondere metallische oder keramische Fluiddüse erforderlich.

In einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann die Wand des ersten Kanals und/oder des zweiten Kanals vollständig eine Metallverstärkung aufweisen. Insbesondere bildet die Metallverstärkung die Innenwandung mindestens eines Kanals oder der Düse. Dies ermöglicht eine besonders einfache Herstellung. Zudem tritt an einer metallischen Innenwand eine geringere Abrasion auf als an einer Kunststoff-Innenwand.

Besonders bevorzugt ist es, wenn die Metallverstärkung des ersten und/oder zweiten Kanals als ein Metallrohr ausgebildet ist, das von einem Kunststoff zumindest abschnittsweise umgeben, insbesondere umspritzt ist.

Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die Metallverstärkung oder das Metallrohr im ersten Kanal in einem Verbindungsbereich mit dem zweiten Kanal eine Aussparung aufweist, in welche die Metallverstärkung oder das Metallrohr für den zweiten Kanal eingefügt ist und/oder in welcher die Metallverstärkung oder das Metallrohr für den zweiten Kanal mit der Metallverstärkung oder dem Metallrohr im ersten Kanal insbesondere mediendicht verschweißt, verlötet oder vercrimpt ist. Die Metallverstärkungen oder die Metallrohre für den ersten und zweiten Kanal können auch schon vor der Herstellung des Turbinenrades mediendicht miteinander verschweißt, verlötet, vercrimpt oder gegebenenfalls unter Zuhilfenahme von O-Ringen oder ähnlichen Abdichtelementen ineinander gesteckt werden. Das Turbinenrad kann dann anschließend auf die verbundenen Metallverstärkungen oder Metallrohre aufgespritzt werden. Alternativ können die Metallverstärkungen oder Metallrohre auch zunächst lediglich entsprechend zueinander ausgerichtet und fixiert werden und anschließend gemeinsam in das Material des Turbinenrades, wie z.B. Kunststoff, eingebettet werden.

In einem weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiel der Erfindung können sich der erste und der zweite Kanal, mit Ausnahme des Auslasses, im Wesentlichen geradlinig erstrecken. Dies ist insbesondere vorteilhaft bei der Herstellung des Turbinenrads im Spritzguss-, Spritzpräge- und/oder Pre ssverfahren. In das erfindungsgemä e Turbinenrad kann problemlos eine Vielzahl von Zusatzfunktionen integriert werden. Beispielsweise ist es möglich, auf der Oberseite des Turbinenrades einen Stutzen vorzusehen, der die Welle abschnittsweise aufnimmt, so dass eine verbesserte Halterung der Welle in dem Turbi- nenrad bewirkt wird. Dieser Stutzen kann einteilig mit dem Turbinenrad gefertigt, insbesondere einteilig gespritzt werden.

Ebenso ist es möglich, auf der Ober- und/oder Unterseite des Turbinenrades einen Stutzen vorzusehen, der die Lagerung der rotierenden Bauteile ermög- licht oder die Welle zumindest abschnittsweise aufnimmt und/oder führt.

Hierbei ist es besonders vorteilhaft, wenn zwischen der Welle und dem ersten Kanal der Turbine eine Trennwand, insbesondere eine integral mit der Turbine gefertigte Trennwand vorgesehen ist, so dass kein Antriebsöl zur Welle gelangen kann. Ist eine solche Trennwand vorgesehen, ist der erste Kanal dann ins- besondere nicht zur Aufnahme der Welle ausgebildet, sondern verläuft in Verlängerung der Welle. Das Antriebsöl wird durch einen Leitungsabschnitt in dem Stutzen dem ersten Kanal und weiter dem zweiten Kanal zugeführt.

Insbesondere ist es vorteilhaft, dass das Turbinenrad im Leichtbau hergestellt werden kann. Hierzu können beispielsweise das Turbinenrad und/oder sein

Gehäuse überwiegend oder vollständig aus Kunststoff bestehen. Als thermoplastische Kunststoffe kommen Polyphenylensulfid (PPS), Polyetherimid (PEI), Polyimide (PI), Polyphthalamide (PPA), Polyetheretherketon (PEEK), Polyamid (PA), Polypropylen (PP), Polyamidimid (PAI), Polysulfon (PSU) und/oder Liquid- Crystal Polymer (LCP) oder Kombinationen der vorgenannten Materialien besonders vorteilhaft in Frage. Sie können weiterhin mittels Fasern, wie Aramid- fasern, Kohlefasern oder Glasfasern und/oder sonstigen Füllstoffen, beispielsweise partikulären Füllstoffen, wie etwa Glaskugeln oder Partikeln auf Mineralbasis verstärkt sein. Als Füllstoffe kommen insbesondere Calciumcarbonat, Calciumsulfat, Kaolin, Glimmer, Talkum und Ouarz in Betracht. Ebenso können duroplastische Kunststoffe, wie Polyesterharze (UP), Vinylesterharze (VE), Epoxidharze (EP), Phenolharze (PF), Melamin- Formaldehyd-Harze (MF) eingesetzt werden. Ein derartiges Turbinenrad kann besonders einfach hergestellt werden, beispielsweise mittels Spritzguss, Spritzpräge- oder in einem Pressverfahren. Wird das Turbinenrad aus einem duroplastischen Werkstoff hergestellt, kann dies auch mittels Spritzpressen bewerkstelligt werden. Weiterhin ist auch eine Herstellung aus Metallen, vorzugsweise Leichtmetallen, beispielsweise aus Aluminium möglich, Hierzu kann beispielsweise Sintermaterial mittels 3-D-Druck verarbeitet werden. Zur einfachen Gestaltung des Werkzeuges bietet sich an, den zweiten Kanal derart vorzusehen, dass dieser vom einen Umfangsrand zum anderen Um- fangsrand des Turbinenrades durchgeht und so am Umfangsrand des Turbinenrades zwei gegenüberliegende Öffnungen aufweist. Die für die Fluidfüh- rung nicht benötigte Öffnung auf einer Seite des Kanals kann dann mit einem Verschlussmittel verschlossen werden. Als Verschlussmittel eignen sich beispielsweise Stopfen, die in der Öffnung verpresst, mit einem Schwert oder einem Schieber gesichert werden können. Es ist dabei vorteilhaft, wenn das Schwert oder der Schieber von der bzw. durch die Ober- oder Unterseite der Turbine eingeführt und seitlich und/oder in der der Einführungsseite gegen- überliegenden Wandung zumindest abschnittsweise in einer Nut geführt wird.

Ein solches Schwert oder ein solcher Schieber kann auch Teil eines anderen zur Turbine benachbarten Bauteils oder als integraler Fortsatz eines solchen ausgebildet sein. Alternativ ist ein Verschweißen des Stopfens möglich, dies kann ggf. mit anderen Schweißvorgängen zur Herstellung der Turbine kombi- niert werden. Auch ein Schraubverschluss, ein Bajonettverschluss oder eine im Presssitz eingebrachte Kugel kann zum Verschluss einer Öffnung des Kanals dienen. Dieser Verschluss sollte vorteilhafterweise fluiddicht sein, so dass ein geschlossener Fluidweg vom Einlass zum Auslass zur Verfügung gestellt wird. Hierzu kann das Verschlussmittel mit einem geeigneten Abdichtmittel kombi- niert werden, etwa mit einem O-Ring oder einem Flüssigdichtmittel.

Wenn das Turbinenrad aus Kunststoff hergestellt ist, können verschiedene vorteilhafte Ausgestaltungen des Turbinenrades realisiert werden. So kann das Turbinenrad beispielsweise aus mehreren Teilen, insbesondere aus zwei Halbschalen, ausgebildet werden. Die Halb- oder Teilschalen können entweder zwei Hälften des Turbinenrades über jeweils 180° des Umfangsran- des des Turbinenrades oder auch die Oberseite und die Unterseite eines Turbinenrades sein. Die beiden Halbschalen müssen keinesfalls baugleich oder spiegelverkehrt zueinander gefertigt sein. Es kann sich auch um Teilschalen handeln, die unterschiedliche Gewichts- bzw. Volumenanteile am gesamten Turbinenrad ausmachen, es handelt sich also ggf. nur um eine Teilschale, wobei es vorteilhaft ist, wenn lediglich zwei Teilschalen zu einem Turbinenrad verbunden werden. Im Extremfall handelt es sich bei einer Halbschale nur um einen flächigen Deckel, der eine Öffnung in der anderen Halbschale ver- schließt. Zwischen den einzelnen Teilen, insbesondere zwischen den beiden

Halbschalen des Turbinenrades kann vorteilhafterweise eine Dichtung, beispielsweise eine Gummiformdichtung und/oder ein O-Ring angeordnet werden. Diese wird zwischen den beiden Teilen verpresst, indem beispielsweise die zwei Halbschalen miteinander verschraubt, verschweißt, verclipst, ver- klebt oder anderweitig verbunden werden, beispielsweise analog zu einem

Bajonett-Verschluss.

Das Turbinenrad kann weiterhin ein Gehäuse aufweisen, innerhalb dessen unter anderem die Kanäle (bzw. deren Wände) und weitere Versteifungsstrukturen, beispielsweise Versteifungsstege oder Aussteifungsrippen angeordnet sein können. Das Gehäuse kann dabei einteilig mit dem Turbinenrad ausgebildet sein. Es ist auch möglich, auf das Gehäuse zu verzichten und das Turbinenrad ausschließlich aus den Wänden der Kanäle und ggf. derartigen Versteifungsstrukturen herzustellen. Die Außenwände der Kanäle, die Versteifungsstrukturen als auch das Gehäuse dienen sämtlich unter anderem auch der Versteifung des Turbinenrades, der Einstellung der richtigen Gewichtsverteilung (Auswuchten des Turbinenrades) und beispielsweise auch der Ölfüh- rung. Gehäuse, Versteifungsstrukturen und Kanäle bzw. deren Wände können folglich je nach Auslegung unterschiedlich bezüglich ihrer Lage, ihrer Dicke und Form und dergleichen ausgelegt werden. Insbesondere kann die Ausgestaltung der Versteifungsstege oder der Aussteifungsrippen dem Design bezüglich Geräuschen, Schwingungen und Wärmeverteilung dienen (NVH, d.h. Noise Vibration Harshness-Optimierung). Zudem begünstigt eine Rippenstruktur das Agglomerieren und Ablaufen von Öl, insbesondere von Spritzöl.

Das Gehäuse kann jedoch auch als Halbschale ausgebildet werden, beispielsweise als Boden oder auch Deckel (Unterteil und auch als Oberteil) des Turbinenrades. Das Gehäuse kann dabei vorteilhafterweise eine glatte und/oder geschlossene Oberfläche aufweisen. Ebenso ist es möglich, auf einer Oberfläche des Turbinenrades Funktionsbauteile aufzubringen, beispielsweise ein Flügelrad zur Unterdruckerzeugung und/oder ein Dichtelement. Insbesondere bei Verwendung eines Turbinenrades aus Kunststoff oder im Wesentlichen aus Kunststoff können weitere Funktionselemente, wie beispielsweise ein Magnet in das Turbinenrad eingebettet werden. Mittels eines derartigen eingebetteten Magnetes kann beispielsweise die Drehzahl des Turbinenrades erfasst werden. Weiterhin kann in das Turbinenrad ein Gleitlager eingegossen werden, so dass das Turbinenrad gemeinsam oder auch getrennt von der Welle reibungsarm in einem Ölabscheider gelagert werden kann. Die Verwendung von Kunststoff ermöglicht es auch, das Turbinenrad unmittelbar auf der Welle anzuspritzen, beispielsweise mediendicht auf einer Stahlwelle anzuspritzen. Zusätzlich oder alternativ ist eine Abdichtung mittels zusätzlicher Dichtelementen wie z.B. O-Ringen möglich.

Im Folgenden werden einige Beispiele erfindungsgemäßer Turbinen und erfindungsgemäßer Flüssigkeitsabscheider gegeben. Dabei weisen die folgenden Beispiele neben den nach Anspruch 1 erforderlichen Merkmalen eine Vielzahl von optionalen Weiterbildungen auf, die einzeln für sich oder auch in beliebiger Kombination und auch in Kombination mit einzelnen oder einer Vielzahl von optionalen Merkmalen anderer Beispiele zur Weiterbildung der erfindungsgemäßen Turbine und des erfindungsgemäßen Flüssigkeitsabscheiders dienen können.

Im Folgenden werden für die einzelnen Beispiele für gleiche oder ähnliche Bauelemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, so dass deren Beschreibung nicht immer wiederholt wird. Es zeigen:

Figur 1 einen Vertikalschnitt durch einen erfindungsgemäßen

Flüssigkeitsabscheider,

Figur 2 einen Horizontalschnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Turbine,

Figur 3A einen Horizontalschnitt durch ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Turbine von einer Oberseite,

Figur 3B einen Vertikalschnitt durch das zweite Ausführungsbeispiel, Figur 3C eine Ansicht der Turbine gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel von einer Unterseite,

Figur 4A einen Horizontalschnitt durch eine erfindungsgemäße

Turbine gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel,

Figur 4B einen Vertikalschnitt durch eine erfindungsgemäße

Turbine gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel,

Figur 5A einen Horizontalschnitt durch eine erfindungsgemäße Turbine gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel,

Figur 5B einen Vertikalschnitt durch eine Turbine gemäß dem vierten

Ausführungsbeispiel,

Figur 6A einen Horizontalschnitt durch eine Turbine gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel, Figur 6B einen Vertikalschnitt durch eine Turbine gemäß dem fünften

Ausführungsbeispiel,

Figur 7 einen Horizontalschnitt durch eine Turbine gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel

Figur 8A einen Horizontalschnitt durch eine Turbine gemäß einem siebten Ausführungsbeispiel

Figur 8B einen Vertikalschnitt durch eine Turbine gemäß dem siebten

Ausführungsbeispiel und

Figur 9 eine Aufsicht auf eine Turbine gemäß einem achten Ausfüh rungsbeispiel.

Figur 1 zeigt einen Vertikalschnitt durch einen erfindungsgemäßen Flüssig- keitsabscheider 1. Der Flüssigkeitsabscheider 1 weist ein Gehäuse 4 auf, das in eine Antriebskammer 7 und eine Abscheidekammer 5 unterteilt ist. Antriebskammer 7 und Abscheidekammer 5 sind durch eine Trennwand 6 voneinander getrennt. In der Abscheidekammer 5 ist ein Tellerseparator 2 angeordnet, der eine Vielzahl an übereinander gestapelten Tellern 3 als Abscheideelemente aufweist. Der Tellerseparator 2 ist in seiner Rotationsachse auf einer Welle 8 befestigt. Die Welle 8 erstreckt sich durch eine Öffnung in der Trennwand 6 bis in die Antriebskammer 7. In der Antriebskammer 7 ist die Welle 8 drehbar auf einem Lager 9 gelagert. In der Antriebskammer 7 ist ferner eine Turbine 10 auf der Welle 8 befestigt. Die Turbine 10 treibt den Tellerseparator 2 mittels eines Antriebsfluids, wie z.B. Motoröl, an. Beim Betrieb des Flüssigkeitsabscheiders 1 als Ölabscheider in einem Verbrennungsmotor fließt Motoröl als Antriebsfluid durch eine Mitte Ibohrung 8b im Inneren der Welle 8. Der Pfeil 38 deutet die Zufuhrrichtung des Motoröls an. Im Bereich der Turbine 10 tritt das Motoröl über eine seitliche Bohrung 8a in der Welle 8 aus der Welle 8 in die Turbine 10 ein, wird aufgrund der Rotation des Turbinenrades zum Um- fangsrand der Turbine 10 geführt und wird durch eine in etwa in eine tangentiale Richtung gerichtete Fluiddüse 14 wieder ausgestoßen. Hierdurch wird das Turbinenrad in Rotation versetzt und dadurch der über die Welle 8 fest mit der Turbine 10 verbundene Tellerseparator 2 angetrieben.

Figur 2 zeigt einen Horizontalschnitt durch eine Turbine 10 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel. Die Turbine 10 weist ein in etwa rotationssymmetrisches Turbinenrad 10a auf, das entlang seiner Mittelachse einen ersten Kanal 11 zur Aufnahme einer Welle aufweist. Von dem ersten Kanal 11 führt in etwa in radialer Richtung ein zweiter Kanal 13 zum Führen des Antriebsfluids zum Umfangsrand des Turbinenrades 10a. Der zweite Kanal 13 weist einen Einlass 13a am ersten Kanal 11 und einen Auslass 25 am Umfangsrand des Turbinenrades 10a auf. Im Bereich des Umfangsrandes weist der zweite Kanal 13 eine in etwa rechtwinklige Biegung auf, sodass der Auslass in etwa in eine tangentiale Richtung gerichtet ist. Entlang des Umfangsrandes sowie entlang der Wände des ersten und zweiten Kanals 11 und 13 weist die Turbine eine Kunst- stoffummantelung 15 auf. Ferner ist innerhalb des ersten Kanals 11 in der Kunststoffummantelung 15 kanalseitig eine Metallverstärkung 17 angeordnet, die unmittelbar an die Kunststoffummantelung 15 angrenzt. Innerhalb des gesamten zweiten Kanals 13, einschließlich der Fluiddüse 14, ist auf der Ober- fläche der Kunststoffummantelung 15 ein Metallrohr 12 angeordnet. Im Bereich des Einlasses 13a des zweiten Kanals 13 weist die Metallverstärkung 17 eine Aussparung IIa auf, in welche das Metallrohr 12 eingefügt ist. Zum Aus- lass 25 hin verjüngt sich das Metallrohr 12 konisch und bildet so eine Fluiddü- se 14, die somit einteilig mit dem Turbinenrad 10a in das Turbinenrad 10a eingeformt ist.

Figuren 3A, 3B und 3C zeigen ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Turbine 10. Figur 3A zeigt einen Horizontalschnitt durch die Turbine 10. In diesem Ausführungsbeispiel weist der zweite Kanal 13 zwei in etwa diametral angeordnete, in unterschiedliche Richtungen weisende Öffnungen 24 und 25 am Umfangsrand 16 auf. Die zweite Öffnung 24 ergibt sich durch das Herstellungsverfahren, da der zweite Kanal 13 durch ein Kanalformwerkzeug geformt worden ist, dass nach der Formung des Turbinenrades 10a durch die zweite Öffnung 24 wieder herausgezogen worden ist. Die zweite Öffnung 24 ist mit einem Stopfen 21 als Verschlusselement mit einer Dichtung 22 sowie einem Schieber 23 als Sicherungselement für den Stopfen 21, das den Stopfen 21 gegen ein Herausdrücken sichert, verschlossen. Der Schieber 23 greift dabei durch die obere Wandung des Kanals 13 hindurch in eine kleine schlitzartige Verbreiterung des zweiten Kanals 13 ein. Durch das Verschlusselement 21 ist der zweite Kanal 13 an der zweiten Öffnung 24 fluid- dicht verschlossen. In etwa diametral gegenüberliegend ist als erste Öffnung der Auslass 25 des zweiten Kanals 13 in etwa in eine tangentiale Richtung abgewinkelt angeordnet. In den Auslass 25 ist ein metallisches Gewindebauteil 18 mit einer Fluiddüse 14 in das Turbinenrad 10a eingeschraubt. Das Außengewinde 19 der Fluiddüse 14 ist in das Metall des Gewindebauteils 18 eingeformt. Das Innengewinde 20 kann direkt in die Kunststoffummantelung 15 eingeformt sein oder sich beim Einschrauben des Außengewindes 19 der Fluiddüse 14 ausbilden. Auf der Oberseite der Turbine sind Zentrier- und Be- festigungseinrichtungen 50 zur Befestigung eines Flügelrades 49 angeordnet.

Figur 3B zeigt eine Ansicht der Turbine 10 aus Figur 3A entlang der Linie A-A. Auf der Oberseite der Turbine ist ein Flügelrad 49 angeordnet, beispielsweise zur Erzeugung eines Unterdrucks und/oder als Element des Abdichtsystems. Der Schieber 23 ist hier einteilig mit dem Flügelrad 49 ausgebildet. Das Flügelrad 49 ist an den Zentrier- und Befestigungseinrichtungen 50 befestigt. Wei- terhin ist auf der Oberseite der Turbine 10 mittig ein Stutzen 40 angeordnet, der zur Führung und vereinfachten Aufnahme der Welle vorgesehen ist.

Figur 3C zeigt eine Ansicht von einer Unterseite der Turbine des zweiten Aus- führungsbeispiels. Das Turbinenrad 10a weist gitterartig angeordnete Längsund Querrippen 35 sowie eine Rippe 34 entlang des Umfangsrandes 16 zur Versteifung und Verstärkung des Turbinenrades 10a auf. Alternativ zur der hier gezeigten gleichmäßigen Anordnung der Rippen 35 ist auch eine unregelmäßige Anordnung möglich. Durch eine bestimmte unregelmäßige Rippen- anordnung kann die Turbine beispielsweise richtig ausgewuchtet werden.

Ferner können die Rippen 34 und 35 auch zur Olableitung oder Reduktion der Geräuschentwicklung genutzt werden.

Figuren 4A und 4B zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsge- mäßen Turbine 10 in einer horizontalen Schnittansicht (4A) und einer vertikalen Schnittansicht (4B). Die horizontale Schnittansicht verläuft ungefähr auf halber Höhe des zweiten Kanals 13. Im Unterschied zum Ausführungsbeispiel der Figur 2 verläuft der zweite Kanal 13 lediglich radial vom ersten Kanal 11 überwiegend geradlinig zum Umfangsrand 16. Am Umfangsrand 16 ist der Auslass 25 senkrecht, also in tangentialer Richtung, vom übrigen Teil des zweiten Kanals 13 abgewinkelt. In den Auslass 25 ist ebenfalls eine metallische Fluiddüse 18 eingeschraubt, wobei das Gegengewinde 20 direkt in die Kunst- stoffummantelung 15 eingeformt ist. Der Bereich zwischen der Wandung 16a am Umfangsrand 16 und der Wandung der Kanäle 11, 13 ist überwiegend als Hohlraum ausgeführt, auf die Darstellung von Versteifungsrippen, die zum

Auswuchten des Gewichts des Turbinenrades 10a notwendig sind, wurde verzichtet.

Die Welle 8 reicht hier nicht wie in Figur 1 durch die Turbine 10 hindurch, sondern endet in einem Stutzen 40 auf der Oberseite des Turbinenrades 10a.

Die Welle 8 ist somit durch eine Trennwand 41 vom ersten Kanal 11 getrennt. Die Lagerung der Turbine 10 erfolgt über einen auf der Unterseite vorstehenden Stutzen 42. Der Öleintritt in den ersten Kanal 11 erfolgt durch eine Öffnung IIa auf der Unterseite des Turbinenrades 10a, die mittig zum Stutzen 42 angeordnet ist. Figuren 5A und 5B zeigen ein viertes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Turbine 10 in einer horizontalen (5A) und einer vertikalen Schnittansicht (5B). Bei diesem Ausführungsbeispiel ist, im Unterschied zum dritten Ausführungsbeispiel, die Turbine 10 in eine Oberschale 26 und eine Unter- schale 27 horizontal geteilt. Zwischen den Schalen ist ein Dichtelement 28 entlang des Umfangrandes 16 und entlang der Wände des ersten und zweiten Kanals 11 und 13 angeordnet. Ferner ist im Inneren des Turbinenrades 10a ein Hohlraum 37 angeordnet. Dieser Hohlraum dient der Reduktion des Gesamtgewichts der Turbine 10 und/oder dem Auswuchten der Turbine 10. Verstei- fungsrippen, die die genaue Auswuchtung ergeben, sind hier nicht dargestellt.

Figur 6A und 6B zeigen ein fünftes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Turbine 10. Figur 6A zeigt einen Horizontalschnitt durch die Turbine 10. Wie im dritten und vierten Ausführungsbeispiel verläuft der zweite Kanal 13 geradlinig radial vom ersten Kanal 11 zum Umfangsrand 16, wo der Auslass

25 in tangentialer Richtung senkrecht zum übrigen Teil des zweiten Kanals 13 abgewinkelt ist. Der erste und zweite Kanal 11 und 13 weisen wie im ersten Ausführungsbeispiel Metallverstärkungen 12 und 17 auf, wobei die Metallverstärkung 12 des zweiten Kanals 13 ein Metallrohr ist, das im Bereich des Ein- lasses 13a in eine Öffnung und Aussparung IIa der Metallverstärkung 17 eingefügt ist. In den Auslass 25 ist eine Fluiddüse 14 eingeschraubt. Im Unterschied zu den vorhergehenden Ausführungsbeispielen ist das Gegengewinde 29 für die Fluiddüse nicht in die Kunststoffummantelung 15, sondern in das Metallrohr 12 eingeformt.

Figur 6B zeigt einen Vertikalschnitt durch die Turbine 10 entlang der Linie C-C. Die Turbine des fünften Ausführungsbeispiels ist ebenfalls in eine Oberschale

26 und eine Unterschale 27 unterteilt. Die beiden Schalen 26, 27 sind mittels eines Rastverschlusses verbindbar. Der Rastverschluss weist an der Unterscha- le 27 angeordnete Rastnasen 30 und an der Oberschale 26 angeordnete Eingriffe 31 auf, hinter welche die Rastnasen 30 greifen, wenn die Unterschale 27 und die Oberschale 26 zusammengesetzt werden.

Figur 7 zeigt ein sechstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Tur- bine 10 in einer horizontalen Schnittansicht. Im Gegensatz zu den bisherigen

Ausführungsbeispielen ist das Turbinenrad 10a nicht rotationssymmetrisch um die Rotationsachse 39, sondern weist lediglich auf einer Halbseite der Turbine 10 einen zweiten Kanal 13 auf, der wie im fünften Ausführungsbeispiel ausgebildet ist. Auf der dem zweiten Kanal 13 gegenüberliegenden Halbseite der Turbine 10 weist das Turbinenrad 10a lediglich einen Ausgleichskörper 36 als Gegengewicht zum zweiten Kanal 13 bzw. zur Anpassung der Unwucht auf.

Der erste Kanal 11 ist ebenfalls wie im fünften Ausführungsbeispiel ausgebildet.

Figuren 8A und 8B zeigen ein siebtes Ausführungsbeispiel einer erfindungs- gemäßen Turbine 10 in einer horizontalen Schnittansicht (8A) und einer vertikalen Schnittansicht (8B). Auch hier ist das Turbinenrad 10a wie schon im sechsten Ausführungsbeispiel nicht rotationssymmetrisch bezüglich der Rotationsachse 39 ausgebildet. Auf der dem zweiten Kanal 13 gegenüberliegenden Halbseite der Turbine weist das Turbinenrad 10a lediglich Ausgleichskörper 36 auf, wobei der Ausgleichskörper 36 hier so geschnitten ist, dass der in ihm vorhandene Hohlraum ersichtlich ist. Zudem ist der Ausgleichskörper 36 in Figuren 8A und 8B bezüglich seiner Außenmaße kleiner als jener in Figur 7, da hier die Halbseite, welche den zweiten Kanal 13 einschließt, ein geringeres Gewicht aufweist und daher auf der gegenüberliegenden Seite ein geringeres Ausgleichsgewicht zur Anpassung der Unwucht notwendig ist. Der zweite Kanal 13 ist hier wie im zweiten Ausführungsbeispiel ausgebildet, d.h. lediglich mit einer Kunststoffummantelung 15, jedoch ohne Metallverstärkung. Die Fluiddüse ist hier in einem Keramikelement 18 ausgebildet, das in den Kunststoffkörper des Turbinenrades 10a eingeschraubt ist.

Die Welle 8 ist hier unmittelbar in den Kunststoffkörper 15 eingespritzt bzw. vom Kunststoffkörper 15 umspritzt und somit im ersten Kanal 11 aufgenommen. Dabei weist die Welle 8 auf ihrer Aussenfläche im Bereich des Turbinenrades 10a zwei ringförmig umlaufende Nuten 45a, 45b auf, in denen jeweils ein O-Ring 44a, 44b aufgenommen ist. Beim Umspritzen wurden die Nuten

45a, 45b nicht nur verfüllt, sondern auf die O-Ringe verpresst, so dass eine dichte Verbindung zwischen dem Turbinenrad 10a und der Welle gegeben ist. Hier ist nun auch die Mitte Ibohrung 8b der Welle dargestellt, durch die das Motoröl in Richtung 38 eingeführt wird. Über die Öffnung 8a in der Seiten- wand der Welle tritt das Motoröl in den zweiten Kanal 13 ein. Fig. 9 zeigt ein achtes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Turbine 10 in einer axialen Aufsicht.

Die Außenkontur der Turbine 10 weicht in diesem Ausführungsbeispiel von der Außenkontur der Ausführungsbeispiele der Figuren 2 bis 6 ab. Während in den vorhergehenden Ausführungsbeispielen abgesehen von der Aussparung am Ausgang der Düse 14 eine im Wesentliche kreisrunde Außengeometrie gewählt wurde, wird hier nun eine spiralförmige Außengeometrie verwendet, d. h. die Außenumfangslinie der Turbine 10 läuft spiralförmig nach innen. Hierdurch ergibt sich auch eine außermittige Anordnung der Welle 8 bzw. des ersten Kanals 11.

Claims

Patentansprüche

1. Turbine (10) mit einem Turbinenrad (10a), wobei das Turbinenrad (10a) einen längs einer Drehachse (39) des Turbinenrads (10a) verlaufenden ersten Kanal (11) und einen im Wesentlichen in radialer Richtung verlaufenden zweiten Kanal (13) zum Führen des fluidischen Antriebsmittels mit einem Einlass (13a) und einem Auslass (25) für das fluidische Antriebsmittel, wobei der Einlass (13a) in fluidischer Verbindung mit dem ersten Kanal (11) steht und der Auslass (25) im Wesentlichen in eine tangentiale Richtung des Turbinenrads (10a) gerichtet ist, aufweist, wobei die Turbine (10) im Auslass (25) eine Fluiddüse (14) aufweist, und wobei in mindestens einem Abschnitt einer Wand des ersten und/oder zweiten Kanals eine Metall- und/oder Keramikverstärkung angeordnet ist.

2. Turbine (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Fluiddüse (14) einteilig mit dem zweiten Kanal (13) ausgebildet ist.

3. Turbine (10) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die Fluiddüse (14) als separates Bauteil im Bereich des Auslasses (25) in den zweiten Kanal (13) eingefügt ist und ein Metall und/oder eine Keramik enthält oder daraus besteht.

4. Turbine (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Kanal (11) zur Aufnahme einer Welle (8) oder in Verlängerung der Aufnahme einer Welle ausgebildet ist.

Turbine (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Wand des ersten Kanals (11) und/oder des zweiten Kanals (13) vollständig eine Metall Verstärkung (12, 17) aufweist.

Turbine (10) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Metallverstärkung (12, 17) eine Innenwand des ersten Kanals (11) und/oder zweiten Kanals (13) und/oder der Fluiddüse (14) bildet.

Turbine (10) nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, wobei die Metallverstärkung (17) im ersten Kanal (11) in einem Verbindungsbereich mit dem zweiten Kanal (13) eine Aussparung (IIa) aufweist, in welche die Metallverstärkung (12) des zweiten Kanals (13) eingefügt ist und/oder in welcher die Metallverstärkung (12) des zweiten Kanals (13) mit der Metallverstärkung (17) im ersten Kanal verschweißt, verlötet oder vercrimpt ist.

Turbine (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich der erste Kanal (11) und der zweite Kanal (13) mit Ausnahme des Auslasses (25) jeweils im Wesentlichen geradlinig erstrecken.

Turbine (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Turbinenrad (10a) aus zwei Halbschalen (26, 27) ausgebildet ist, die längs einer Ebene quer zur Drehachse (39) des Turbinenrades (10a) oder quer zur Richtung des Auslasses (25) zum Turbinenrad zusammengefügt sind.

Turbine (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei auf einer Oberseite des Turbinenrades (10) weitere funktionelle Bauteile, beispielsweise ein Flügelrad (49) oder ein Dichtelement, angeordnet sind.

Turbine (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Versteifungsstege und/oder Aussteifungsrippen (35) außerhalb der Kanäle (11, 13).

12. Turbine (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Turbinenrad (10a) ein Gehäuse aufweist, wobei gegebenenfalls innerhalb des Gehäuses Versteifungsstrukturen, beispielsweise Versteifungsstege und/oder Aussteifungsrippen (34, 35), angeordnet sind.

13. Turbine (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Turbinenrad (10a), insbesondere eine obere und/oder untere Oberfläche des Turbinenrads, und/oder sein Gehäuse aus Kunststoff, insbesondere aus faserverstärktem oder mit Füllstoffen gefülltem Kunststoff bestehen oder diesen enthalten.

14. Turbine (10) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoff Polyphenylensulfide (PPS),

Polyetherimide (PEI), Polyimide (PI), Polyphthalamide (PPA),

Polyetheretherketon (PEEK), Polyamid (PA), Polypropylen (PP), Polyesterharz (UP), Vinylesterharz (VE), Epoxidharz (EP), Phenolharz (PF), Me- lamin-Formaldehyd-Harze (MF) oder eine Kombination der vorgenannten Materialien ist oder enthält.

15. Turbine (10) nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Verstärkungsfaser ein oder mehrere der folgenden Faserarten Kohlefaser, Glasfasern, Polyesterfasern und/oder Aramidfasern verwendet werden.

16. Turbine (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Turbinenrad (10a) und/oder sein Gehäuse teilweise oder vollständig mittels eines Spritzguss-, Spritzpräge- und/oder eines Spritzpressverfahrens und/oder mittels Pressverarbeitung herstellbar ist.

17. Turbine (10) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Metall- und/oder Keramikverstärkung (12, 17, 18) in das Turbinenrad (10a) eingebettet ist.

18. Turbine (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Metallverstärkung (17, 12) des ersten (11) und/oder des zweiten Ka- nals (13), die Fluiddüse (14), die Versteifungsstege und/oder die Aussteifungsrippen (34, 35) Edelstahl, Messing, Kupfer, Zink-Druckguß, Aluminium-Druckguß, Sintermetall und/oder mindestens eine technische Keramik aufweisen oder daraus bestehen.

Flüssigkeitsabscheider (1) zur Abscheidung von Flüssigkeitströpfchen und/oder -nebel, insbesondere von Öltröpfchen und/oder -nebel, aus einem Gas, insbesondere Blow-By-Gasen eines Verbrennungsmotors, mit einem drehbar gelagerten Abscheideelement (2) und einem Antriebselement zum drehbaren Antrieb des Abscheideelementes, dadurch gekennzeichnet, dass

das Antriebselement eine Turbine (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche aufweist.