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1. (WO2018099618) TURBOCHARGER HAVING SEALING SURFACES BETWEEN A NOZZLE RING AND A TURBINE HOUSING
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TURBOLADER MIT DICHTFLÄCHEN ZWISCHEN DÜSENRING UND

TURBINENGEHÄUSE

Die Erfindung betrifft einen Turbolader.

Aus der DE 10 2013 002 605 A1 ist der grundsätzliche Aufbau eines Turboladers bekannt. Ein Turbolader verfügt über eine Turbine, in der ein erstes Medium entspannt wird. Ferner verfügt ein Turbolader über einen Verdichter, in dem ein zwei-tes Medium verdichtet wird, und zwar unter Nutzung der in der Turbine bei der Entspannung des ersten Mediums gewonnenen Energie. Die Turbine des Turboladers verfügt über ein Turbinengehäuse sowie einen Turbinenrotor. Der Verdichter des Turboladers verfügt über ein Verdichtergehäuse sowie einen Verdichterrotor. Zwischen dem Turbinengehäuse der Turbine und dem Verdichtergehäuse des Verdichters ist ein Lagergehäuse positioniert, wobei das Lagergehäuse einerseits mit dem Turbinengehäuse und andererseits mit dem Verdichtergehäuse verbunden ist. Im Lagergehäuse ist eine Welle gelagert, über die der Turbinenrotor mit dem Verdichterrotor gekoppelt ist.

Aus der Praxis ist es bekannt, dass das Turbinengehäuse der Turbine, nämlich ein sogenanntes Turbinenzuströmgehäuse, sowie das Lagergehäuse über eine vorzugsweise als Spannpratze ausgebildete Befestigungseinrichtung miteinander verbunden sind. Eine derartige, vorzugsweise als Spannpratze ausgebildete Befestigungseinrichtung ist mit einem ersten Abschnitt derselben an einem Flansch des Turbinengehäuses über Befestigungsmittel montiert und überdeckt mit einem zweiten Abschnitt einen Flansch des Lagergehäuses zumindest abschnittsweise. Über eine derartige Befestigungseinrichtung wird der Verband bzw. Verbund aus Lagergehäuse und Turbinengehäuse verspannt, insbesondere unter Klemmen eines Flanschs eines Düsenrings und gegebenenfalls eines Flanschs eines Hitze-Schildes zwischen dem Flansch des Turbinengehäuses und dem Flansch des Lagergehäuses.

Das Turbinengehäuse ist mit dem zu entspannenden ersten Medium gefüllt, insbesondere mit zu entspannendem Abgas. Das Turbinenzuströmgehäuse des Turbinengehäuses leitet das Abgas in Richtung auf den Turbinenrotor. Im Turbinen-zuströmgehäuse besteht ein Überdruck gegenüber der Umgebung, der in der Turbine unter Gewinnung von Energie bei der Entspannung des ersten Mediums abgebaut wird. Im Bereich der Verbindungsstelle von Turbinengehäuse bzw. Turbinenzuströmgehäuse und Lagergehäuse kann es zu einer Leckage kommen, sodass das erste, in der Turbine zu entspannende Medium über den Verbindungsbe-reich zwischen Turbinengehäuse und Lagergehäuse in die Umgebung gelangen kann. Dies ist von Nachteil.

Um einer derartigen Leckage des in der Turbine zu entspannenden ersten Mediums entgegenzuwirken, wird in der Praxis die Verspannung zwischen Turbinen-gehäuse bzw. Turbinenzuströmgehäuse und Lagergehäuse erhöht, insbesondere über höhere Anzugsmomente für die Befestigungsmittel, über welche die vorzugsweise als Spannpratze ausgebildete Befestigungseinrichtung am Turbinengehäuse montiert ist. Hierdurch erhöht sich auch eine Klemmkraft zwischen der Befestigungseinrichtung und dem Lagergehäuse. Eine Kontaktstelle zwischen dem Lagergehäuse und der Befestigungseinrichtung ist infolge der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungen von Lagergehäuse und Turbinengehäuse bzw. Turbinenzuströmgehäuse hohen Relativbewegungen ausgesetzt.

Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen neuartigen Turbolader mit verbesserter Flanschverbindung zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch einen Turbolader nach Anspruch 1 gelöst.

Erfindungsgemäß ist zwischen dem Flansch des Turbinengehäuses und dem Flansch des Düsenrings, der zwischen dem Flansch des Turbinengehäuses und

dem Flansch des Lagergehäuses geklemmt ist, ein axialer Dichtbereich zwischen aneinander anliegen axialen Dichtflächen der Flansche von Turbinengehäuse und Düsenring ausgebildet, wobei mindestens einer dieser axialen Dichtflächen eine von einer ebenen Kontur abweichende Kontur aufweist.

Hiermit ist eine besonders vorteilhafte Abdichtung der Verbindungsstelle von Turbinengehäuse bzw. Turbinenzuströmgehäuse und Lagergehäuse möglich. Es wird die Gefahr reduziert, dass in der Turbine zu entspannende Medium über den Verbindungsbereich zwischen Turbinengehäuse und Lagergehäuse in die Umgebung gelangt.

Nach einer vorteilhaften ersten Weiterbildung der Erfindung weisen beide axialen Dichtflächen eine von einer ebenen Kontur abweichende Kontur auf. Vorzugsweise ist dann an der axialen Dichtfläche des Flanschs des Düsenrings ein Vorsprung ausgebildet, der in eine Ausnehmung in der axialen Dichtfläche des Flanschs des Turbinengehäuses eingreift. Alternativ kann auch an der axialen Dichtfläche des Flanschs des Turbinengehäuses ein Vorsprung ausgebildet sein, der in eine Ausnehmung in der axialen Dichtfläche des Flanschs des Düsenrings eingreift. Der Vorsprung und die Ausnehmung bilden eine Labyrinth-Dichtung aus. Bei unter-schiedlicher thermischer Ausdehnungen von Lagergehäuse und Turbinengehäuse bzw. Turbinenzuströmgehäuse und Düsenring drückt der Vorsprung in die Ausnehmung und verstärkt die Dichtwirkung der ausgebildeten Labyrinth-Dichtung. Es wird die Gefahr reduziert, dass in der Turbine zu entspannende Medium über den Verbindungsbereich zwischen Turbinengehäuse und Lagergehäuse in die Umge-bung gelangt.

Nach einer zweiten, alternativen Weiterbildung der Erfindung weist ausschließlich eine der beiden axialen Dichtflächen eine von einer ebenen Kontur abweichende Kontur auf, wohingegen die andere der beiden axialen Dichtflächen eine ebene Kontur aufweist. Vorzugsweise ist dann die axiale Dichtfläche des Flanschs des Turbinengehäuses in Richtung auf die eben konturierte axiale Dichtfläche des Flanschs des Düsenrings konvex nach außen gewölbt. Alternativ kann auch die axiale Dichtfläche des Flanschs des Düsenrings in Richtung auf die eben kontu-rierte axiale Dichtfläche des Flanschs des Turbinengehäuses konvex nach außen gewölbt sein. Bei unterschiedlicher thermischer Ausdehnungen von Lagergehäuse und Turbinengehäuse bzw. Turbinenzuströmgehäuse und Düsenring, insbesondere bei thermischer Verformung des Düsenrings, kann eine gute Dichtwirkung im Verbindungsbereich zwischen Turbinengehäuse und Lagergehäuse gewährleistet werden. Es wird die Gefahr reduziert, dass in der Turbine zu entspannende Medium über den Verbindungsbereich zwischen Turbinengehäuse und Lagergehäuse in die Umgebung gelangt.

Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:

Fig. 1 : einen ausschnittsweisen Querschnitt durch einen ersten erfindungsgemäßen Turbolader im Bereich einer Verbindung eines Turbinengehäuses mit einem Lagergehäuse; und

Fig. 2: einen ausschnittsweisen Querschnitt durch einen zweiten erfindungsgemäßen Turbolader im Bereich einer Verbindung eines Turbinengehäuses mit einem Lagergehäuse.

Die Erfindung betrifft einen Turbolader.

Ein Turbolader verfügt über eine Turbine zur Entspannung eines ersten Mediums, insbesondere zur Entspannung von Abgas einer Brennkraftmaschine. Ferner verfügt ein Turbolader über einen Verdichter zur Verdichtung eines zweiten Mediums, insbesondere von Ladeluft, und zwar unter Nutzung von in der Turbine bei der Entspannung des ersten Mediums gewonnener Energie. Die Turbine verfügt dabei über ein Turbinengehäuse und einen Turbinenrotor. Der Verdichter verfügt über ein Verdichtergehäuse und einen Verdichterrotor. Der Verdichterrotor ist mit dem Turbinenrotor über eine Welle gekoppelt, die in einem Lagergehäuse gelagert ist, wobei das Lagergehäuse zwischen dem Turbinengehäuse und dem Verdichterge-häuse positioniert und sowohl mit dem Turbinengehäuse und dem Verdichtergehäuse verbunden ist. Dieser grundsätzliche Aufbau eines Turboladers ist dem hier angesprochenen Fachmann geläufig. Die Erfindung betrifft nun solche Details eines Turboladers, die die Verbindung von Turbinengehäuse einer vorzugsweise als Radialturbine ausgebildeten Turbine und Lagergehäuse betreffen. Nachfolgend werden unter Bezugnahme auf Fig. 1 und 2 unterschiedliche Ausführungsbeispiele von Turboladern beschrieben, wobei Fig. 1 und 2 jeweils entsprechende Ausschnitte aus einem Turbolader im Bereich der Verbindung des Turbinengehäuses mit dem Lagergehäuse zeigen.

Ein erstes Ausführungsbeispiel eines Turboladers zeigt Fig. 1 , wobei in Fig. 1 die Verbindungsstelle zwischen einem Turbinengehäuse, nämlich einem Turbinenzu-strömgehäuse 1 des Turbinengehäuses, und einem Lagergehäuse 2 des Abgasturboladers gezeigt ist. Ferner zeigt Fig. 1 einen Düsenring 3 und ein Hitzeschild 4. Das Turbinenzuströmgehäuse 1 ist mit dem Lagergehäuse 2 über eine Befesti-gungseinrichtung 5 derart verbunden, dass die Befestigungseinrichtung 5 an einem Flansch 6 des Turbinenzuströmgehäuses 1 mit einem ersten Abschnitt 7 montiert ist, und zwar über mehrere Befestigungsmittel 8, und dass die Befestigungseinrichtung 5 mit einem zweiten Abschnitt 9 einen Flansch 10 des Lagergehäuses 2 zumindest abschnittsweise überdeckt. Die Befestigungseinrichtung 5 wird auch als Spannpratze bezeichnet und verspannt das Turbinenzuströmgehäuse 1 und Lagergehäuse 2 miteinander. Die Befestigungseinrichtung 5 kann in Um-fangsrichtung gesehen segmentiert sein.

Im in Fig. 1 und 2 gezeigten Ausführungsbeispiel umfasst jedes Befestigungsmittel 8 eine in den Flansch 6 des Turbinenzuströmgehäuses 1 eingeschraubte Gewindeschraube 8a sowie eine an dem anderen Ende der Gewindeschraube 8a angreifende Mutter 8b, wobei durch Anziehen der Muttern 8b eine definierte Vor- Spannkraft über die Befestigungseinrichtung 5 auf das Turbinenzuströmgehäuse 1 und auf das Lagergehäuse 10 aufgebracht werden kann. Hierbei werden ein Flansch 1 1 von Düsenring 3 und ein Flansch 12 vom Hitzeschild 4 zwischen dem Flansch 6 von Turbinenzuströmgehäuse 1 und dem Flansch 10 des Lagergehäu-ses 2 geklemmt.

Bei dem Turbolader der Fig. 1 ist zur Abdichtung des Verbindungsbereichs zwischen Turbinenzuströmgehäuse 1 und Lagergehäuse 2 vorgesehen, dass zwischen dem Flansch 6 des Turbinenzuströmgehäuses 1 und dem Flansch 1 1 des Düsenrings 3 ein axialer Dichtbereich 13 zwischen aneinander anliegenden axialen Dichtflächen 14, 15 der Flansche 6, 1 1 von Turbinenzuströmgehäuse 1 und Düsenring ausgebildet ist. Mindestens eine dieser axialen Dichtflächen 14, 15, also die axiale Dichtfläche 14 des Flanschs 1 1 des Düsenrings 3 und/oder die axiale Dichtfläche 15 des Flanschs 6 des Turbinenzuströmgehäuses 1 , weist eine von einer ebenen Kontur abweichende Kontur auf. Hiermit kann bei einer unterschiedlichen thermischen Ausdehnung von Turbinenzuströmgehäuse 1 , Lagergehäuse 2 und Düsenring 3 eine besonders vorteilhafte Abdichtung des Verbindungsbereichs zwischen Turbinenzuströmgehäuse 1 und Lagergehäuse 2 bereitgestellt werden, nämlich im Bereich des axialen Dichtbereichs 13 zwischen Turbinenzuströmge-häuse 1 und Düsenring 3.

Im Ausführungsbeispiel der Fig. 1 weist eine der beiden axialen Dichtflächen 14, 15 eine von einer ebenen Kontur abweichende Kontur auf, wohingegen die andere der beiden axialen Dichtflächen 15 oder 14 eine ebene Kontur aufweist. Vorzugs-weise ist diejenige Dichtfläche 14, 15, welche die von der ebenen Kontur abweichende Kontur aufweist, in Richtung auf die andere, eben konturierte axiale Dichtfläche konvex nach außen hin gewölbt.

Im Ausführungsbeispiel der Fig. 1 ist die Dichtfläche 15 am Flansch 6 des Turbi-nenzuströmgehäuses 1 in Richtung auf die eben konturierte axiale Dichtfläche 14 des Flanschs 1 1 des Düsenrings 3 konvex nach außen gewölbt, und zwar mit dem Wölbungsradius R. Obwohl nicht bevorzugt, ist es auch möglich, einen derartigen Wölbungsradius alternativ an der Dichtfläche 14 des Flanschs 1 1 des Düsenrings 3 vorzusehen, die dann konvex nach außen in Richtung auf die dann eben kontu-rierte axiale Dichtfläche des Flanschs 6 des Turbinenzuströmgehäuses 1 gewölbt ist.

Dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 liegt die Erkenntnis zugrunde, dass sich im Betrieb der Düsenring 3 thermisch verformt und hierdurch die zur Dichtung notwendige Flächenpressung zwischen Düsenring 3 und Turbinenzuströmgehäuse 1 nicht mehr aufrechterhalten werden kann. Die thermische Verformung des Düsenrings wird durch die konvexe Wölbung insbesondere der Dichtfläche 15 des Flanschs 6 des Lagergehäuses 1 gezielt genutzt, und zwar derart, dass sich an dieser konvex gewölbten Dichtfläche 15 des Flanschs 6 des Turbinenzuströmgehäuses 1 die Dichtfläche 14 des Flanschs 1 1 des Düsenrings 3 rollen kann, wodurch dann ein durchgängiger Linienkontakt zwischen den einander zugewandten Dichtflächen 14, 15 der Flansche 6, 1 1 von Turbinenzuströmgehäuse 1 und Düsenring 3 gewährleistet werden kann, sodass keine Gefahr besteht, dass über diesen Verbindungsbereich Abgas in die Umgebung gelangt.

Fig. 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei sich der Turbolader der Fig. 2 vom Turbolader der Fig. 1 insbesondere dadurch unterscheidet, dass bei dem in Fig. 2 gezeigten Turbolader zwischen dem Flansch 10 des Lagergehäuses 2 und dem Flansch 6 des Turbinenzuströmgehäuses 1 ausschließlich der Flansch 1 1 des Düsenrings 3 geklemmt ist, jedoch nicht wie in Fig. 1 der Hit-zeschild 4 mit seinem Flansch 12.

Ein weiterer Unterschied zwischen dem Ausführungsbeispiel der Fig. 2 und dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 besteht darin, dass im Ausführungsbeispiel der Fig. 2 beide axialen Dichtflächen 14, 15 der Flansche 6, 1 1 von Turbinenzuströmge-häuse 1 und Düsenring 3 eine von einer ebenen Kontur abweichende Kontur aufweisen.

So ist im Ausführungsbeispiel der Fig. 2 vorgesehen, dass an der axialen Dichtfläche 14 des Flanschs 1 1 des Düsenrings 3 ein Vorsprung 16 ausgebildet ist, der in eine korrespondierende Ausnehmung 17 in der axialen Dichtfläche 15 des

Flanschs 6 des Turbinenzuströmgehäuses 1 eingreift. Der Vorsprung 16 ist dabei im Querschnitt nasenartig konturiert und läuft in Umfangsrichtung um. Durch das Ineinandergreifen des Vorsprungs 16 in die in Umfangsrichtung umlaufende Ausnehmung 17 wird eine Art Labyrinth-Dichtung ausgebildet. Bei unterschiedlicher thermischer Ausdehnung von Turbinenzuströmgehäuse 1 , Düsenring 3 und La-gergehäuse 2 wird der Vorsprung 16 in die Nut 17 gedrückt und verstärkt die Dichtwirkung im axialen Dichtbereich 13.

Obwohl nicht bevorzugt, ist es auch möglich, den in Fig. 2 an der Dichtfläche 14 des Flanschs 1 1 des Düsenrings 3 vorgesehenen Vorsprung 16 im Bereich der Dichtfläche 15 des Flanschs 6 des Turbinenzuströmgehäuses 1 vorzusehen, wobei dann in diesem Fall die entsprechend konturierte Ausnehmung an der Dichtfläche 14 des Flanschs 1 1 des Düsenrings 3 ausgebildet ist.

Im Ausführungsbeispiel der Fig. 2 ist zwischen dem Flansch 10 des Lagergehäu-ses 2 und dem Flansch 6 des Turbinenzuströmgehäuses 1 ein weiteres Dichtelement 18 angeordnet, um den Verbindungsbereich zwischen Turbinenzuströmgehäuse 1 und Lagergehäuse 2 weiter abzudichten. Dabei handelt es sich vorzugsweise um ein metallisches Dichtelement 18, so zum Beispiel um einen metallischen O-Ring oder metallischen C-Ring. Ferner kann das Dichtelement 18 auch aus Grafit bestehen.

Das Dichtelement 18 der Fig. 2, welches zwischen den Flanschen 6, 10 von Turbinenzuströmgehäuse 1 und Lagergehäuse 2 positioniert ist und sowohl in axialer als auch in radialer Richtung dichtet, kann auch beim Turbolader der Fig. 1 zum Einsatz kommen.

Beiden Ausführungsbeispielen der Fig. 1 und 2 ist gemeinsam, dass zwischen dem Flansch 6 des Turbinenzuströmgehäuses 1 und dem Flansch 1 1 des Düsenrings 3 der axiale Dichtbereich 13 ausgebildet ist, in welchem axiale Dichtflächen 14, 15 der Flansche 6, 1 1 von Turbinenzuströmgehäuse 1 und Düsenring anei-nander anliegen. Insbesondere besteht zwischen diesen axialen Dichtflächen 14, 15 ein metallischer Flächenkontakt. Mindestens einer dieser axialen Dichtflächen 14, 15 der Flansche 6, 1 1 von Turbinenzuströmgehäuse 1 und Düsenring 3 weist eine von einer ebenen Kontur abweichende Kontur auf. Besonders bevorzugt ist die Variante der Fig. 2, in welcher beide axialen Dichtflächen 14, 15 eine von der ebenen Kontur abweichende Kontur aufweisen, nämlich derart, dass ein an der axialen Dichtfläche 14 des Flansches 1 1 des Düsenrings 3 ausgebildeter, umlaufender Vorsprung 16 in eine entsprechend konturierte Ausnehmung 17 eingreift, die in die Dichtfläche 15 des Flanschs 6 des Turbinenzuströmgehäuses 1 angebracht ist.

Bezugszeichenliste

1 Turbinenzuströmgehäuse

2 Lagergehäuse

3 Düsenring

4 Hitzeschild

5 Befestigungseinrichtung

6 Flansch

7 Abschnitt

8 Befestigungsmittel

8a Schraube

8b Mutter

9 Abschnitt

10 Flansch

1 1 Flansch

12 Flansch

13 Dichtbereich

14 Dichtfläche

15 Dichtflache

16 Vorsprung

17 Ausnehmung

18 Dichtelement