WO2015150339A1

WO2015150339A1 - Doppel-konus-luftlagerung eines abgasturboladers

Info

Publication number: WO2015150339A1
Application number: PCT/EP2015/056925
Authority: WO
Inventors: Josef Bättig; Thomas Klimpel; Jan Harnisch
Original assignee: Abb Turbo Systems Ag
Priority date: 2014-04-04
Filing date: 2015-03-30
Publication date: 2015-10-08
Also published as: DE102014104828A1

Abstract

Eine hochtemperaturbeständige Luftlagerung eines Turboladers wird dadurch geschaffen, dass zwei äussere Lagerringe (51, 52) einer Doppel-Konus-Luftlageranordnung gegeneinander elastisch verschiebbar und mit einer Vorspannung beaufschlagt sind.

Description

D oppel- Kon us- Luftl ageru ng ei nes Abgastu rbo laders

B E S C H R E I B U N G Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der mit Abgasen von Brennkraftmaschinen beaufschlagten Turbolader.

Sie betrifft einen Abgasturbolader mit einer Luftlagerung.

Stand der Technik

Turbolader werden zur Leistungssteigerung von Hubkolbenmotoren eingesetzt. Diese Turbolader verwenden eine Turbine welche über eine Welle ein Verdichterrad antreibt. Bei herkömmlichen Abgasturboladern wird der Rotor, umfassend die Welle, die beiden Laufräder sowie weitere, für die Lagerung verwendete Bauelemente, meistens mit einer Gleitlagerung bestehend aus einem Axial- und zwei Radiallagern gelagert, welche sich zwischen der Turbine und dem Verdichterrad befindet. Diese Gleitlagerung ist in einem Lagergehäuse untergebracht welches über entsprechende Schmieröl- Zu- und Abfluss- Anschlüssen verfügt. Die Lagerstellen sind Richtung Verdichter und Turbine mit aufwändigen Abdichtungen versehen um Leckage zu vermeiden bzw. zu minimieren.

Damit sich die Reibungsverluste der Gleitlager in Grenzen halten, müssen die Wellendurchmesser möglichst klein ausgeführt werden. Um die erforderliche Stabilität zu gewährleisten muss ein genügend grosser Abstand der beiden Radiallager sichergestellt werden. Diese bekannte Lageranordnung mit den erforderlichen Dichtstellen gegenüber den Strömungskanälen mit den Arbeitsfluiden erfordert axial relativ grossen Bauraum. Zudem muss infolge der Ölschmierung der Lager immer wieder mit Verschmutzung bzw. Leckage gerechnet werden.

Erste Untersuchungen haben gezeigt, dass sich für Abgasturbolader auch ölfreie Lagerungen eignen könnten. Allerdings zeigte sich bislang die sich im Betrieb laufend ändernde thermische Belastung als grosse Herausforderung für die Umsetzung von ölfreien aerostatischen oder aerodynamischen Lagern bei Abgasturbolader.

EP 0 221 352 A1 zeigt ein aerostatisches Lager mit unterteilten Lagerflächen. DE 31 43 606 A2 zeigt eine Luftlagerung relativ zueinander sich bewegender Bauteile mit direkt auf die Welle wirkenden Lagerringen aus porösem Material.

DE 1 0 2010 006 018 A1 offenbart eine Luftlagerung für den Rotor eines Kompressors.

In EP 2305983A1 wird eine Luftlagerung mit zylindrischen Radiallagern und einem ebenen Schublager offenbart. Dabei werden Folienlager eingesetzt welche mittels wellenförmigen so genannter Pump-Foils abgestützt werden. Solche Blechstrukturen haben jedoch eine nichtlineare Federkennlinie sowie eine Undefinierte Dämpfungscharakteristik.

In WO 2014/006060 A1 wird eine Luftlagerung mit zylindrischen oder konischen Laufflächen offenbart, deren äussere Lagerschalen mittels Elastomer-Dämpfungsringen versehen sind. Diese Dämpfungsringe dienen einerseits zur Abdichtung der zugeführten Luft und andererseits sorgen sie für eine gedämpfte elastische Zentrierung der Lagerschalen.

Bei schnelllaufenden Turbomaschinen ist es vorteilhaft, wenn die AbStützung der statischen äusseren Lagerbüchsen mit einer definierten Federsteifigkeit und Dämpfung erfolgt. Eine AbStützung mittels Elastomer-Ringen gemäss WO 2014/006060 A1 bietet eine einfache und kostengünstige Lösung. Optimierungspotential ergibt sich dabei allenfalls bezüglich der nichtlinearen und temperaturabhängigen Eigenschaften sowie der begrenzte Lebensdauer. Zudem können derartige Elastomer-Ringe aufgrund ihrer Materialeigenschaften nur bis zu einer Temperatur von rund 200°C eingesetzt werden.

In US 3 674 355 wird eine Luftlagerung mit konischen Laufflächen offenbart, bei der zwei äussere Lagerringe durch ein Federelement mit einer axialen Vorspannung beaufschlagt sind.

Werden Luftlagerungen bei Turbomaschinen ohne aufwändige Zusatzkühlungen mit Wasser oder Kühlluft betrieben, kann sich die Temperatur im Bereich der AbStützung auf bis zu 250-350°C erhöhen. Bei ungekühlten zylindrischen Luftlager können bereits geringe Temperaturdifferenzen zwischen Rotor und Lagerschale zu einer unzulässigen Reduktion des Lagerspiels und folglich zum Anstreifen bzw. Blockieren der rotierenden Teile an den umliegenden Lagerteilen führen. Kurze Darstellung der Erfindung

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine hochtemperaturbeständige Luftlagerung eines Turboladers zu schaffen.

Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass zwei äussere Lagerringe einer Doppel-Konus-Luftlageranordnung gegeneinander elastisch verschiebbar und mit einer Vorspannung beaufschlagt sind.

Dabei erfolgt die Beaufschlagung mit Vorspannung durch ein ringscheibenförmiges Federelement mit biegeweichen Federarmen, wobei die Federarme durch mehrere sich in Umfangsrichtung erstreckende, sich gegenseitig in Umfangsrichtung teilweise überlappende Ausnehmungen im scheibenförmigen Element geformt sind. Damit kann eine Lager-Abstützung für eine Luftlagerung mit linearen radialen und axialen Feder Kennlinien und einer definierten Dämpfung geschaffen werden.

Optional werden zur Zufuhr der Luft vom Lagergehäuse zu den wirksamen Lagerlaufflächen durch bewegliche Membranen begrenzte Zuführkanäle vorgesehen, in welchen zur Erhöhung der axialen Steifigkeit eine Stützmembran eingebracht werden kann.

Weitere Vorteile ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen oder sind der detaillierten Beschreibung der Ausführungsbeispiele zu entnehmen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Nachfolgend werden verschiedene Ausführungsformen der Erfindung anhand von Zeichnungen detailliert erläutert. Hierbei zeigt

Fig. 1 einen entlang der Achse geführten Schnitt durch einen Abgasturbolader mit einer ersten, erfindungsgemässen Ausführungsform einer Doppel-Konus- Luftlageranordnung,

Fig. 2 einen vergrössert dargestellten Ausschnitt der erfindungsgemässen

Luftlageranordnung nach Fig. 1 ,

Fig. 3 einen vergrössert dargestellten Ausschnitt der erfindungsgemässen

Luftlageranordnung nach Fig. 1 mit einem alternativen Axial-Federelement, eine zweite erfindungsgemässe Ausführungsform einer Doppel-Konus- Luftlageranordnung mit einem Federelement zur radialen AbStützung der Lagerschalen,

eine isometrische Ansicht eines Federelements zur radialen AbStützung der Lagerschalen, welches aufgrund seiner Ausdehnung in axialer Richtung zusätzlich eine axiale Vorspannung der Lagerschalen erwirken kann, eine dritte erfindungsgemässe Ausführungsform einer Doppel-Konus- Luftlageranordnung mit dem modifizierten Federelement nach Fig. 5 zur radialen und axialen AbStützung der Lagerschalen,

die dritte erfindungsgemässe Ausführungsform einer Doppel-Konus- Luftlageranordnung nach Fig. 6 mit einer zusätzlichen Stützmembran zur Erhöhung der axialen Steifigkeit, und

eine isometrische Ansicht der Stützmembran nach Fig. 7.

Weg zur Ausführung der Erfindung

Fig. 1 , welche ausschnittsweise vergrössert in Fig. 2 und geringfügig angepasst in Fig. 3 nochmals wiederholt ist, zeigt einen Abgasturbolader mit einer Abgasturbine und einem Verdichter. Die rotierende Einheit (Rotor) des Abgasturboladers umfasst im Wesentlichen das Turbinenrad 2 und das Verdichterrad 1 , sowie allfällig dazwischen angeordnet und die beiden Räder verbindende Elemente der Welle 23 sowie für die Lagerung benötigte Lagerteile. Das Turbinenrad 2 ist in einem Turbinengehäuse angeordnet und umfasst eine Nabe 21 sowie mehrere Laufschaufeln 22. Das Verdichterrad 1 ist im Verdichtergehäuse angeordnet und umfasst ebenfalls eine Nabe 1 1 sowie mehrere Laufschaufeln 12. Zwischen Turbinengehäuse und Verdichtergehäuse erstreckt sich das Lagergehäuse 3, in welchem die erfindungsgemässe, Luftlagerung angeordnet ist. Im Vergleich mit Abgasturboladern, welche mit herkömmlichen Lagern ausgestatteten sind, ist das Lagergehäuse des abgebildeten Abgasturboladers in axialer Richtung relativ kurz ausgebildet.

An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass der Begriff Luftlager im gesamten Dokument, inklusive der Patentansprüche, nicht dahingehend einschränkend zu verstehen sei, dass ausschliesslich Luft als Lagermedium eingesetzt werden kann. Vielmehr steht der Begriff für eine Art Lager, bei welcher ein gasförmiges Medium als ein dünner Film zwischen zwei sich gegeneinander bewegenden Partnern eingesetzt wird. Entsprechend kann der Begriff Luftlager auch als Gaslager oder Gasgemischlager oder Gas-Luft-Gemischlager verstanden werden.

Wesentliches Bestandteil des Luftlagers ist ein mit dem Rotor mitrotierender Lagerkamm 4, welcher in der dargestellten beispielhaften Ausführungsform zweiteilig ausgebildet und zwischen Turbinenrad 2 und Verdichterrad 1 festgeklemmt ist. Alternativ kann der Lagerkamm oder ein Teil davon einstückig mit dem Verdichterrad, einstückig mit dem Turbinenrad, oder aber einstückig mit einer zwischen Verdichterrad und Turbinenrad angeordneten Welle ausgebildet sein.

Der Lagerkamm der vorliegenden beispielhaften Ausführungsform weist neben einem radial innenliegenden Kontaktbereich, in welchem der Lagerkamm mit den übrigen rotierenden Teilen verbunden ist, zwei kombinierte Lagerstellen auf. Die beiden kombinierten Lagerstellen, auch als Kombilager bezeichnet, dienen sowohl als Radial- wie auch als Axiallager. Die den Spalt zwischen Lagerring und Lagerkamm bildenden Laufflächen der kombinierten Lagerstellen (auch Kombilager genannt) sind konisch ausgebildet, und können somit sowohl die Funktion des Axiallagers - Aufnahme von Axialkräften - wie auch die Funktion des Radiallagers - Zentrierung des Rotors bezüglich des Lagergehäuses und Aufnahme von Radialkräften - war nehmen.

Im Detail umfasst das doppelte Kombilager zwei konische, im axial geführten Schnitt bezüglich der axialen Richtung geneigte Laufflächen-Paare. Im dargestellten Ausführungsbeispiel wirken zwei zueinander hin geneigte Laufflächen des zweigeteilten Lagerkamms 4 mit entsprechend geneigten Laufflächen an aussenliegenden Lagerringen 51 und 52 zusammen. Der Lagerkamm setzt sich aus zwei inneren Lagerringen 41 und 42 zusammen, welche zwischen entsprechenden Axialanschlägen am Verdichterrad und Turbinenrad festgeklemmt sind. Erfindungsgemäss sind die beiden äusseren Lagerringe 51 und 52 in axialer Richtung gegeneinander verschiebbar und für eine optimierte Kippsteifigkeit mit einer Vorspannung beaufschlagt. Die Vorspannung erfolgt durch mehrere, zwischen den beiden äusseren Lagerringen angeordnete und entlang des Umfangs verteilte Federelemente 71 . Somit können Temperaturdifferenzen zwischen Rotor und Stator durch die axiale Nachgiebigkeit der äusseren Lagerringe einfach kompensiert werden. In der Ausführungsform nach Fig. 1 und Fig. 2 weist ein fest mit dem Lagergehäuse 3 verbundener Lagerträgerflansch 31 einen radial nach innen ragenden Vorsprung auf, welcher sich axial zwischen den beiden äusseren Lagerringen 51 und 52 befindet. Der Lagerträgerflansch ist mittels einem oder mehrere Befestigungsmittel (Schraube) am Lagergehäuse befestigt. Zur Abdichtung des gesamten Lagerbereichs gegenüber dem Verdichterrad wird ein ringscheibenförmiger Befestigungsflansch 32 ebenfalls am Lagergehäuse 3 befestigt. Der verdichterseitige äussere Lagerring 51 ist mittels Federelement 71 am Vorsprung abgestützt, während auf der anderen Seite des Vorsprungs eine Reibleiste 75 zwischen dem Vorsprung und dem turbinenseitigen äusseren Lagerring 52 vorgesehen ist. Indirekt sind somit die beiden äusseren Lagerringe gegeneinander mit einer Vorspannung beaufschlagt, welche die beiden äusseren Lagerringe in axiale Richtung gegen die beiden konischen Laufflächen der beiden inneren Lagerringe 41 und 42 drücken, welche zusammen den Lagerkamm 4 bilden.

Die Luftzuführung in den Spaltbereich zwischen den Laufflächen-Paaren erfolgt dabei wie folgt: Eine Luftzuleitung 61 führt durch das Lagergehäuse zum Lagerbereich. Unmittelbar ausserhalb der beiden äusseren Lagerringe mündet die Luftzuleitung in eine Luftverteilbohrung 63, welche die zugeführte Luft auf zwei umlaufende Ringkanäle 64 aufteilt, wobei die Ringkanäle als nach radial innen offene Nut in einen Lagerträgerflansch 31 oder direkt ins Lagergehäuse eingelassen sind. Die Ringkanäle 64 sind nach radial innen durch die beiden äusseren Lagerringe begrenzt und zur Seite hin durch umlaufende, temperaturbeständige Elastomer-Dämpfungsringe 74 abgedichtet. Entlang des Umfangs führen mehrere Zuführbohrungen 65 in den jeweiligen äusseren Lagerringen aus den Ringkanälen 64 in den Spaltbereich der Laufflächen-Paare. Die Abluft der Luftlager strömt nach dem Austritt aus dem Spaltbereich zwischen den Laufflächen-Paaren über Entlüftungsrillen 67 und/ oder Entlüftungsbohrungen 66 in die Abluftleitung 62, welche die Abluft aus dem Lagergehäuse abführt. Zu den Laufrädern 1 und 2 hin ist der Lagerbereich abgedichtet, beispielsweise durch die dargestellten Kolbenringe 34 welche turbinenseitig direkt mi einem Lagergehäusevorsprung und verdichterseitig mit dem ringscheibenförmigen Befestigungsflansch 32 zusammenwirken.

In der Ausführungsform nach Fig. 3 sind die mehreren, entlang des Umfangs verteilt angeordneten Federelemente durch ein umlaufendes Tellerfederelement 71 ersetzt worden. Die Tellerfeder ist dabei in einer umlaufenden Nut im Vorsprung des Lagerträgerflansches 31 angeordnet und drückt gegen eine Reibleiste 75 am verdichterseitigen äusseren Lagerring 51 . In den weiteren beispielhaften Ausführungsformen sorgen ringscheibenförmige Federelemente 72 für die Vorspannung der beiden äusseren Lagerringe. Ein derartiges Federelement 72 ist in Fig. 5 separat dargestellt. Seine federnde, linearelastische Wirkung erhält das scheibenförmige Element durch umlaufende, schlitzförmige Ausnehmungen 721 , durch welche das scheibenförmige Element 72 zwischen einem Innenring 723 und einem Aussenring 724 in mehrere, biegeweiche Federarme 722 unterteilt wird.

Fig. 4 zeigt eine beispielhafte Ausführung bei der je ein Federelement 72 jeweils die elastische, radiale AbStützung und Zentrierung der äusseren Lagerringe 51 und 52 übernehmen, während die axiale Vorspannung der Lagerringe durch spezielle Tellerfedern 71 realisiert wird. Diese Tellerfedern drücken bzw. dichten gegen die Reibleisten 75 und sorgen so einerseits für eine flexible Zuführung der Versorgungsluft und andererseits durch die resultierende Reibkraft für die notwendige Dämpfung. Da die Federelemente 72 jeweils an ihren Innen- wie Aussenringen kraftschlüssig mit den äusseren Lagerringen bzw. dem Lagerträgerflansch verbunden sind, wird eine vollkommen verschleissfreie Lagerabstützung realisiert.

In der beispielhaften Ausführungsform nach Fig. 6 übernehmen die ringscheibenförmigen Elemente 72 neben der radialen AbStützung und Zentrierung der äusseren Lagerringe 51 und 52 auch deren axiale Vorspannung. Hierzu werden die ringscheibenförmigen Elemente beim Einbau des Lagers in axialer Richtung gespannt, so dass die im entspannten Zustand flachen Elemente wie in den Figuren ersichtlich von der radialen Richtung abweichend geneigt sind. Die flexible Zuführung der Luft vom Lagerträgerflansch 31 in die äusseren Lagerringe 51 und 52 sowie die Reibleistendämpfung wird je durch ein Paar parallel angeordneter ringscheibenförmiger Dichtmembrane 76 realisiert, welche axial leicht vorgespannt gegen die Reibleisten 75 drücken. Die Anpresskraft und somit die Reibleistung wird durch den Überdruck der Versorgungsluft im Hohlraum zwischen den beiden Dichtmembranen 76 noch zusätzlich verstärkt. Die Reibleisten können für geringe Temperaturanforderungen aus PTFE und für höhere Temperaturen aus Graphit oder Keramik gefertigt sein.

Zur Erhöhung der axialen Steifigkeit kann, wie in Fig. 7 dargestellt, zwischen den ringscheibenförmigen Dichtmembranen 76 zusätzlich eine Stützmembran 77 angeordnet werden. Eine derartige Stützmembran ist in Fig. 8 separat dargestellt. Die gewünschte Nachgiebigkeit lässt sich durch Schlitzen der Membrane gezielt einstellen. Je nach Anzahl und Breite der Schlitze weist die Membran eine bestimmte Menge von Abstützfingern 771 einer bestimmten Breite auf. In den Schlitzen zwischen jeweils zwei Abstützfingern sind in die Membran Zuführbohrungen 772 eingelassen, durch welche die Luft strömen kann. Die Versorgungsluft wird so zwischen den Abstützfingern 771 zu den Zuführbohrungen 65 geleitet, von denen die Laufflächen durch entsprechende Düsen mit Luft versorgt werden.

Bezugszeichenliste

Verdichterrad

Nabe des Verdichterrades

Schaufeln des Verdichterrades

Verdichtergehäuse

Turbinenrad

Nabe des Turbinenrades

Schaufeln des Turbinenrades

Welle

Turbinengehäuse

Lagergehäuse

Lagerträgerflansch

Befestigungsflansch

Befestigungsmittel (Schraube)

Dichtelement, Kolbenring

Lagerkamm

, 42 Innerer Lagerring

, 52 Äusserer Lagerring

Luftzuleitung

Abluftleitung

Luftverteilbohrung

Ringkanal

Zuführbohrung

Entlüftungsbohrung

Entlüftungsrille

Federelement, axial

ringscheibenförmiges Federelement1 schlitzförmige Ausnehmungen2 Federarm, Biegebalken

3 Innenring

Aussenring

Dämpfungsring

Reibleiste

ringscheibenförmige Dichtmembran

Stützmembran

1 Abstützfinger

2 Zuführbohrungen

Claims

P AT E N T A N S P R Ü C H E

Abgasturbolader mit einer luftgelagerten, um eine Achse rotierenden Einheit umfassend ein Verdichterrad (1 ), ein Turbinenrad

(2) und einen dazwischen angeordneten Lagerkamm (4) sowie mit einem feststehenden Lagergehäuse (3) und zwei nicht rotierenden, konzentrisch zum Lagerkamm angeordneten äusseren Lagerringen (51 , 52),

wobei die rotierende Einheit am Lagerkamm zwei entgegengesetzt geneigte, konische Laufflächen umfasst,

wobei die beiden äusseren Lagerringe (51 , 52) jeweils eine konische Lauffläche umfassen, wobei die konischen Laufflächen der beiden Lagerringe zur AbStützung der konischen Laufflächen am Lagerkamm derart geneigt angeordnet sind, dass sie mit den konischen Laufflächen am Lagerkamm zwei einander gegenüberliegende Kontaktflächenpaare bilden, und wobei in den Lagerringen (51 , 52) Bohrungen (65) zum Einblasen von Luft in den jeweiligen Spalt zwischen den Laufflächen des Lagerkamms und den Laufflächen der Lagerringe vorgesehen sind,

wobei die beiden äusseren Lagerringe (51 , 52) in axialer Richtung relativ zueinander verschiebbar sind, und dass die beiden äusseren Lagerringe durch mindestens ein Federelement (71 , 72) mit einer axialen Vorspannung beaufschlagt sind, dadurch gekennzeichnet, dass

die beide Lagerringe (51 , 52) über jeweils ein Federelement (72) gegenüber dem Lagergehäuse abgestützt sind, und

das Federelement (72) jeweils ringscheibenförmig ausgebildet und mit biegeweichen Federarmen (722) versehen ist, wobei die Federarme durch mehrere sich in Umfangsrichtung erstreckende, sich gegenseitig in Umfangsrichtung teilweise überlappende Ausnehmungen (721 ) im ringscheibenförmigen Element geformt sind.

Abgasturbolader nach Anspruch 1 , wobei das Federelement (72) zwischen dem jeweiligen Lagerring (51 , 52) und dem Lagergehäuse (3) in axialer Richtung vorgespannt ist.

Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei zur Zufuhr der in den jeweiligen Spalt zwischen den Laufflächen des Lagerkamms und den Laufflächen der Lagerringe einzublasenden Luft vom Lagergehäuse

(3) zu den äusseren Lagerringen (51 , 52) durch bewegliche Membranen (76) begrenzte Zuführkanäle vorgesehen sind.

4. Abgasturbolader nach Anspruch 3, wobei die Zuführkanäle durch ringscheibenförmige Dichtmembranen (76) begrenzt sind, welche am Lagergehäuse (3) festgeklemmt sind.

5. Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 3 oder 4, wobei in den Zuführkanälen jeweils eine Stützmembran (77) vorgesehen ist.

6. Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Lagerkamm (4) zwei innere Lagerringe (41 , 42) mit jeweils einer der beiden entgegengesetzt geneigten konischen Laufflächen des Lagerkamms umfasst.