DE102015219773B4 - Turbo machine and internal combustion engine - Google Patents
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Abstract
Turbomaschine (100) mit einem Verdichter (110) und einer Turbine (120), wobei- ein Turbinenrad (142, 20) der Turbine (120) und ein Verdichterrad des Verdichters (110) an einer Turboladerwelle (140) angebracht sind, wobei- die Turboladerwelle (140) mittels eines Lagers (130) drehbar gelagert ist, wobei das Lager (130) eine die Turboladerwelle (140) drehbar lagernde Lageranordnung in einem Lagergehäuse aufweist, und- das Turbinenrad (142, 20) in einer Turbinenkammer (10) eines Turbinengehäuses (30) der Turbine (120) drehbar angeordnet ist, wobei ein lagerseitiger Rücken (21.A, 21.B) des Turbinenrades (20) einer Innenseite (31.A, 31.B) einer Turbinengehäusewand (31) über einen Radrückenraum (13) in der Turbinenkammer (10) zugewandt ist, wobei in dem Radrückenraum ein Gas, nämlich ein Abgas, umlaufend um eine axiale Richtung (z) strömen kann, und- das Verdichterrad (141) in einer Verdichterkammer eines Verdichtergehäuses des Verdichters (110) drehbar angeordnet ist, wobei ein lagerseitiger Rücken des Verdichterrades einer Innenseite einer Verdichtergehäusewand über einen Radrückenraum in der Verdichterkammer zugewandt ist, wobei in dem Radrückenraum ein Gas, nämlich eine Ladeluft, umlaufend um eine axiale Richtung (z) strömen kann,- die Turbinenkammer (10) und ein Lagerhohlraum des Lagergehäuses (50) und/oder die Verdichterkammer und ein Lagerhohlraum des Lagergehäuses (50) durch jeweils eine radial zur Turboladerwelle (140) verlaufende Trennwand (40) getrennt sind, welche eine Turbinengehäusewand (31) und eine Lagergehäusewand (51) und/oder eine Verdichtergehäusewand und eine Lagergehäusewand umfasst, wobei die jeweilige Trennwand (40) gegen die Turboladerwelle (140) abgedichtet ist, und- die Trennwand (40) hohl ist, wobei die Trennwand (40) jeweils einen zwischen Turbinengehäusewand (31) und Lagergehäusewand (51) und/oder einen zwischen Verdichtergehäusewand und Lagergehäusewand verlaufenden Ringkanal (41) umfasst, und- die Trennwand (40) und ein radial zur Turboladerwelle (140) verlaufender Radialteil der Turbinengehäusewand (31) und/oder der Verdichtergehäusewand ganz oder teilweise als ein Hitzeschild ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine lichte Weite (W) eines Ringspalts (RS) des Radrückenraumes (13) in axialer Richtung (z), die in einem sich in radialer Richtung (r) erstreckenden Abschnitt (13r) des Radrückenraumes (13) vorherrscht, mittels wenigstens eines in dem Abschnitt (13r) angeordneten Strömungswiderstandselements (1A, 1B) zur Erhöhung eines Strömungswiderstands der Gasströmung des umlaufenden Gases entlang der radialen Richtung (r) verändert ist, und- eine Innenseite (31.A) des Hitzeschildes das wenigstens eine Strömungswiderstandselement (1A) trägt, wobei das Strömungswiderstandselement (1A) in Form einer Kontur (KA) gebildet ist, und somit die Kontur (KA) auf der Innenseite (31.A) der Turbinengehäusewand (31) und/oder Verdichtergehäusewand angebracht ist, und- die lichte Weite (W) des Ringspalts des Radrückenraumes (13) in der Turbinenkammer (10) und/oder die lichte Weite des Ringspalts des Verdichter-Radrückenraumes in der Verdichterkammer jeweils mittels des wenigstens einen Strömungswiderstandselements (1A, 1B) entlang der radialen Richtung (r) abwechselnd verengt und aufgeweitet ist in dem sich in radialer Richtung erstreckenden Abschnitt (13r), wobei der Strömungswiderstand der Gasströmung des umlaufenden Gases entlang der radialen Richtung (r) mittels des Strömungswiderstandselements (1A, 1B) gebildet ist, das sich in den Radrückenraum (13) in axialer Richtung (z) hinein erstreckt zur abschnittsweisen Veränderung, nämlich Verengung oder Aufweitung, des Ringspaltes (RS), wobei- die Kontur (KA) als abwechselnde, in radialer Richtung angeordnete Abfolge von Nuten (13N) und Stegen (13S) gebildet ist, so dass aufgrund einer abwechselnden Tiefe einer Oberfläche auf der Innenseite (31.A) der Turbinengehäusewand (31) und/oder Verdichtergehäusewand der Strömungswiderstand in radialer Richtung (r) erzeugbar ist.Turbomachine (100) with a compressor (110) and a turbine (120), wherein- a turbine wheel (142, 20) of the turbine (120) and a compressor wheel of the compressor (110) are attached to a turbocharger shaft (140), wherein- the turbocharger shaft (140) is rotatably mounted by means of a bearing (130), the bearing (130) having a bearing arrangement which rotatably supports the turbocharger shaft (140) in a bearing housing, and - the turbine wheel (142, 20) in a turbine chamber (10) a turbine housing (30) of the turbine (120) is rotatably arranged, wherein a bearing-side back (21.A, 21.B) of the turbine wheel (20) an inner side (31.A, 31.B) of a turbine housing wall (31) over a The wheel back space (13) in the turbine chamber (10) faces, wherein a gas, namely an exhaust gas, can flow circumferentially around an axial direction (z) in the wheel back space, and - the compressor wheel (141) in a compression chamber of a compressor housing of the compressor ( 110) is rotatably arranged, with a bearing-side The back of the compressor wheel faces an inside of a compressor housing wall via a wheel back space in the compressor chamber, wherein a gas, namely charge air, can circulate around an axial direction (z) in the wheel back space, - the turbine chamber (10) and a bearing cavity of the bearing housing ( 50) and / or the compressor chamber and a bearing cavity of the bearing housing (50) are each separated by a partition wall (40) which runs radially to the turbocharger shaft (140) and which has a turbine housing wall (31) and a bearing housing wall (51) and / or a compressor housing wall and comprises a bearing housing wall, the respective dividing wall (40) being sealed against the turbocharger shaft (140), and the dividing wall (40) being hollow, the dividing wall (40) each having one between the turbine housing wall (31) and the bearing housing wall (51) and / or comprises an annular channel (41) running between the compressor housing wall and the bearing housing wall, and the partition wall (40) and one radially to the turbocharger shaft (140) extending radial part of the turbine housing wall (31) and / or the compressor housing wall is designed entirely or partially as a heat shield, characterized in that a clear width (W) of an annular gap (RS) of the wheel back space (13) in the axial direction (z ), which prevails in a section (13r) of the wheel back space (13) extending in the radial direction (r), by means of at least one flow resistance element (1A, 1B) arranged in the section (13r) to increase a flow resistance of the gas flow along the circulating gas the radial direction (r) is changed, and - an inner side (31.A) of the heat shield carries the at least one flow resistance element (1A), the flow resistance element (1A) being in the form of a contour (KA), and thus the contour ( KA) is attached to the inside (31.A) of the turbine housing wall (31) and / or the compressor housing wall, and - the clear width (W) of the annular gap of the wheel back space (13) in the turbine chamber (10) and / or the clear width of the annular gap of the compressor wheel back space in the compressor chamber is alternately narrowed and widened in the radial direction by means of the at least one flow resistance element (1A, 1B) along the radial direction (r) extending portion (13r), wherein the flow resistance of the gas flow of the circulating gas along the radial direction (r) is formed by means of the flow resistance element (1A, 1B), which extends into the wheel back space (13) in the axial direction (z) in sections Change, namely narrowing or widening, of the annular gap (RS), the contour (KA) being formed as an alternating sequence of grooves (13N) and webs (13S) arranged in the radial direction, so that due to an alternating depth of a surface the inside (31.A) of the turbine housing wall (31) and / or the compressor housing wall generates the flow resistance in the radial direction (r) ar is.
Description
Turbomaschine und BrennkraftmaschineTurbo machine and internal combustion engine
Die Erfindung betrifft eine Turbomaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, mit einem Verdichter und einer Turbine, wobei
- - ein Turbinenrad der Turbine und ein Verdichterrad des Verdichters an einer Turboladerwelle angebracht sind, wobei
- - die Turboladerwelle mittels einem Lager drehbar gelagert ist, insbesondere wobei das Lager eine die Turboladerwelle drehbar lagernde Lageranordnung in einem Lagergehäuse aufweist, und
- - das Turbinenrad in einer Turbinenkammer eines Turbinengehäuses der Turbine drehbar angeordnet ist, wobei ein lagerseitiger Rücken des Turbinenrades einer Innenseite einer Turbinengehäusewand über einen Radrückenraum in der Turbinenkammer zugewandt ist, wobei in dem Radrückenraum ein Gas, insbesondere Abgas, umlaufend um eine axiale Richtung strömen kann, und
- - das Verdichterrad in einer Verdichterkammer eines Verdichtergehäuses des Verdichters drehbar angeordnet ist, wobei ein lagerseitiger Rücken des Verdichterrades einer Innenseite einer Verdichtergehäusewand über einen Radrückenraum in der Verdichterkammer zugewandt ist, wobei in dem Radrückenraum ein Gas, insbesondere eine Ladeluft, umlaufend um eine axiale Richtung strömen kann.
- - A turbine wheel of the turbine and a compressor wheel of the compressor are attached to a turbocharger shaft, wherein
- the turbocharger shaft is rotatably mounted by means of a bearing, in particular wherein the bearing has a bearing arrangement which rotatably supports the turbocharger shaft in a bearing housing, and
- - The turbine wheel is rotatably arranged in a turbine chamber of a turbine housing of the turbine, a bearing-side back of the turbine wheel facing an inside of a turbine housing wall via a wheel back space in the turbine chamber, wherein a gas, in particular exhaust gas, can circulate in an axial direction in the wheel back space , and
- - The compressor wheel is rotatably arranged in a compressor chamber of a compressor housing of the compressor, a bearing-side back of the compressor wheel facing an inside of a compressor housing wall via a wheel back space in the compressor chamber, a gas, in particular charge air, flowing circumferentially in an axial direction in the wheel back space can.
Die Erfindung betrifft weiter eine Brennkraftmaschine, insbesondere für ein Wasserfahrzeug oder ein Landfahrzeug, vorzugsweise ein Nutzfahrzeug wie einen Kipper oder dergleichen.The invention further relates to an internal combustion engine, in particular for a watercraft or a land vehicle, preferably a utility vehicle such as a dump truck or the like.
Aus
Eine Turbomaschine mit einem Verdichter und einer Turbine, ist regelmäßig als Turbolader in einer Peripherie einer Brennkraftmaschine eingebunden, um über den Verdichter der Turbomaschine eine dem Motor zuzuführende Luft anzusaugen, und diese als verdichtete Ladeluft dem Motor zuzuführen. Angetrieben wird der Verdichter regelmäßig durch die Turbine, die mit dem vom Motor ausgegebenen Abgas angetrieben wird. Eine Brennkraftmaschine kann ladeluftseitig auch einen Luftfilter und abgasseitig eine Abgasnachbehandlung oder Abgasrückführung umfassen. Des Weiteren kann die Peripherie der Brennkraftmaschine geeignete Wärmetauscher zur Kühlung der verdichteten Ladeluft und/oder des Abgases umfassen. Eine Turbomaschine der eingangs genannten Art kann auch mehrstufig ausgeführt sein mit einer ersten Stufe und einer zweiten Stufe eines Turboladers; also mit einem ersten Verdichter einer Niederdruckstufe und einem zweiten Verdichter einer Hochdruckstufe und mit einer ersten Turbine einer Hochdruckstufe und mit einer zweiten Turbine einer Niederdruckstufe.A turbomachine with a compressor and a turbine is regularly integrated as a turbocharger in the periphery of an internal combustion engine in order to suck in air to be supplied to the engine via the compressor of the turbomachine and to supply it to the engine as compressed charge air. The compressor is regularly driven by the turbine, which is driven by the exhaust gas emitted by the engine. An internal combustion engine can also include an air filter on the charge air side and exhaust gas aftertreatment or exhaust gas recirculation on the exhaust gas side. Furthermore, the periphery of the internal combustion engine can include suitable heat exchangers for cooling the compressed charge air and / or the exhaust gas. A turbo machine of the type mentioned at the outset can also be designed in multiple stages with a first stage and a second stage of a turbocharger; thus with a first compressor of a low pressure stage and a second compressor of a high pressure stage and with a first turbine of a high pressure stage and with a second turbine of a low pressure stage.
Eine Turbomaschine dient regelmäßig zur Leistungserhöhung des Motors. Die Turboladerwelle ist, wie eingangs erläutert, mittels eines Lagers drehbar gelagert. Das Lager kann ein Radial- und/oder ein Axiallager aufweisen, sowie ein geeignetes Schmiersystem, das mit einem Schmierfluid wie Öl oder dergleichen, befüllt ist, um dieTurboladerwelle drehbar und möglichst reibungsfrei in der Lageranordnung des Lagers zu lagern.A turbo machine is used regularly to increase the power of the engine. As explained above, the turbocharger shaft is rotatably mounted by means of a bearing. The bearing can have a radial and / or a thrust bearing, as well as a suitable lubrication system which is filled with a lubricating fluid such as oil or the like, in order to mount the turbocharger shaft in the bearing arrangement of the bearing in a rotatable manner and with as little friction as possible.
Das Schmierfluid kommt regelmäßig mit der Turboladerwelle in Berührung und steht, insbesondere in einem Lagerhohlraum des Lagergehäuses an. Ein Eindringen des Schmierfluids in eine Turbinenkammer und/oder Verdichterkammer sollte verhindert werden. Ein Eindringen des Schmierfluids in die Turbinenkammer und/oder Verdichterkammer kann nicht nur Beeinträchtigungen der Abgaswerte nach sich ziehen, sondern darüber hinaus aufgrund der erhöhten Temperatur in der Turbinenkammer und/oder der Verdichterkammer zu einer Verkokung in der Turbine bzw. dem Verdichter führen. Grundsätzlich besteht diese Gefahr in der Turbine und, wenn auch in verringerten Maße, auch bei dem Verdichter.The lubricating fluid regularly comes into contact with the turbocharger shaft and is in particular in a bearing cavity of the bearing housing. Penetration of the lubricating fluid into a turbine chamber and / or compression chamber should be prevented. Penetration of the lubricating fluid into the turbine chamber and / or compressor chamber can not only impair the exhaust gas values, but also lead to coking in the turbine or the compressor due to the increased temperature in the turbine chamber and / or the compressor chamber. Basically, this danger exists in the turbine and, albeit to a lesser extent, also in the compressor.
Beispielsweise offenbart das Dokument
In
Eine eingangs genannte Turbomaschine ist beispielsweise in
Eine zusätzliche Problematik ergibt sich nämlich daraus, dass die Öldichtigkeit an der Turboladerwelle insofern beeinträchtigt wird, als dass im Turbinen- und/oder Verdichtergehäuse, d. h. in einem Radrückenraum der Turbinenkammer und/oder in einem Radrückenraum der Verdichterkammer ein absoluter Druck erzeugt wird, sodass Öl über die Dichtung hinweg angesaugt werden kann.An additional problem arises from the fact that the oil tightness on the turbocharger shaft is impaired insofar as that in the turbine and / or compressor housing, i. H. An absolute pressure is generated in a wheel back space of the turbine chamber and / or in a wheel back space of the compressor chamber, so that oil can be sucked in via the seal.
Darüber hinaus zeigt sich, wie vorliegend erkannt, dass Axialschübe bei der Turbine und dem Verdichter unterschiedlich sein können, so dass ein daraus resultierender Axialschub in die eine oder andere Richtung des Lagers zunächst die Dichtung an der Turboladerwelle beeinträchtigen kann. Insbesondere hat sich gezeigt, dass ein Axialschub der Turbine im Vergleich zum Verdichter vergleichsweise groß ist, so dass Lagerschäden vor allem an einer Gegenschubfläche auftreten können.In addition, it is shown, as recognized here, that axial thrusts in the turbine and the compressor can be different, so that an axial thrust resulting therefrom in one or the other direction of the bearing can initially impair the seal on the turbocharger shaft. In particular, it has been shown that an axial thrust of the turbine is comparatively large compared to the compressor, so that bearing damage can occur primarily on a counter-thrust surface.
Eine elektrisch angetriebene Turboladergruppe mit einem strömungsgünstig gestalteten Rücken eines Turbinen- und Verdichterrades beziehungsweise einer strömungsgünstigen Innenseite einer Gehäusewand ist in
Die vorgenannte Problematik ist jedoch in bekannten Turbomaschinen nicht berücksichtigt. Wünschenswert ist es, die Öldichtigkeit und/oder die Axialschubproblematik bei einem Lager für die Turboladerwelle mit einer verbesserten Vorrichtung, insbesondere einer verbesserten Turbomaschine und Brennkraftmaschine, zu berücksichtigen.However, the aforementioned problem is not taken into account in known turbo machines. It is desirable to take into account the oil tightness and / or the axial thrust problem in a bearing for the turbocharger shaft with an improved device, in particular an improved turbomachine and internal combustion engine.
An dieser Stelle setzt die Erfindung an, deren Aufgabe es ist, eine verbesserte Turbomaschine und eine verbesserte Brennkraftmaschine anzugeben, welche die vorgenannte Problematik adressiert. Insbesondere soll die Turbomaschine und die Brennkraftmaschine ausgebildet sein, eine Öldichtigkeit und/oder eine verminderte Axialschubanfälligkeit zu gewährleisten, vorzugsweise beides, d.h. gleichermaßen die Öldichtigkeit als auch die verminderte Axialschubanfälligkeit zu gewährleisten. Insbesondere soll ein Druck in Turbinengehäuse bzw. Verdichtergehäuse erhöht und/oder ein Axialschub im Lager verringert werden.This is where the invention begins, the object of which is to specify an improved turbo machine and an improved internal combustion engine which addresses the aforementioned problem. In particular, the turbo machine and the internal combustion engine should be designed to ensure oil tightness and / or reduced susceptibility to axial thrust, preferably both, i.e. to ensure both oil tightness and reduced susceptibility to axial thrust. In particular, a pressure in the turbine housing or compressor housing is to be increased and / or an axial thrust in the bearing is to be reduced.
Die Aufgabe, betreffend eine Turbomaschine wird durch die Erfindung mit einer Turbomaschine des Anspruchs 1 gelöst.The object relating to a turbo machine is achieved by the invention with a turbo machine of claim 1.
Die Erfindung basiert auf einer eingangs genannten Turbomaschine mit einem Verdichter und einer Turbine, wobei
- - ein Turbinenrad der Turbine und ein Verdichterrad des Verdichters an einer Turboladerwelle angebracht sind, wobei
- - die Turboladerwelle mittels eines Lagers drehbar gelagert ist, wobei das Lager eine die Turboladerwelle drehbar lagernde Lageranordnung in einem Lagergehäuse aufweist, und
- - das Turbinenrad in einer Turbinenkammer eines Turbinengehäuses der Turbine drehbar angeordnet ist, wobei ein lagerseitiger Rücken des Turbinenrades einer Innenseite einer Turbinengehäusewand über einen Radrückenraum in der Turbinenkammer zugewandt ist, wobei in dem Radrückenraum ein Gas, nämlich ein Abgas, umlaufend um eine axiale Richtung strömen kann, und
- - das Verdichterrad in einer Verdichterkammer eines Verdichtergehäuses des Verdichters drehbar angeordnet ist, wobei ein lagerseitiger Rücken des Verdichterrades einer Innenseite einer
- - A turbine wheel of the turbine and a compressor wheel of the compressor are attached to a turbocharger shaft, wherein
- the turbocharger shaft is rotatably supported by means of a bearing, the bearing having a bearing arrangement which rotatably supports the turbocharger shaft in a bearing housing, and
- The turbine wheel is rotatably arranged in a turbine chamber of a turbine housing of the turbine, a bearing-side back of the turbine wheel facing an inside of a turbine housing wall via a wheel back space in the turbine chamber, a gas, namely an exhaust gas, flowing circumferentially in an axial direction in the wheel back space can, and
- - The compressor wheel is rotatably arranged in a compressor chamber of a compressor housing of the compressor, with a bearing-side back of the compressor wheel on an inside
Verdichtergehäusewand über einen Radrückenraum in der Verdichterkammer zugewandt ist, wobei in dem Radrückenraum ein Gas, nämlich eine Ladeluft, umlaufend um eine axiale Richtung strömen kann.Compressor housing wall faces over a wheel back space in the compressor chamber, wherein a gas, namely a charge air, can flow circumferentially around an axial direction in the wheel back space.
Weiter ist gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 vorgesehen, dass
- - die Turbinenkammer und ein Lagerhohlraum des Lagergehäuses und/oder die Verdichterkammer und ein Lagerhohlraum des Lagergehäuses durch jeweils eine radial zur Turboladerwelle verlaufende Trennwand getrennt sind, welche eine Turbinengehäusewand und eine Lagergehäusewand und/oder eine Verdichtergehäusewand und eine Lagergehäusewand umfasst, wobei die jeweilige Trennwand gegen die Turboladerwelle abgedichtet ist, und
- - die Trennwand hohl ist, wobei die Trennwand jeweils einen zwischen Turbinengehäusewand und Lagergehäusewand und/oder einen zwischen Verdichtergehäusewand und Lagergehäusewand verlaufenden Ringkanal umfasst, und
- - die Trennwand und ein radial zur Turboladerwelle verlaufender Radialteil der Turbinengehäusewand und/oder der Verdichtergehäusewand ganz oder teilweise als ein Hitzeschild ausgebildet ist.
- the turbine chamber and a bearing cavity of the bearing housing and / or the compressor chamber and a bearing cavity of the bearing housing are each separated by a partition wall running radially to the turbocharger shaft, which comprises a turbine housing wall and a bearing housing wall and / or a compressor housing wall and a bearing housing wall, wherein the respective partition is sealed against the turbocharger shaft, and
- the partition wall is hollow, the partition wall each comprising an annular channel running between the turbine housing wall and the bearing housing wall and / or between the compressor housing wall and the bearing housing wall, and
- the partition and a radial part of the turbine housing wall and / or the compressor housing wall that extends radially to the turbocharger shaft is designed entirely or partially as a heat shield.
Erfindungsgemäß ist bei dieser Turbomaschine vorgesehen, dass eine lichte Weite eines Ringspalts des Radrückenraumes in axialer Richtung, die in einem sich in radialer Richtung erstreckenden Abschnitt des Radrückenraumes vorherrscht, mittels wenigstens eines in dem Abschnitt angeordneten Strömungswiderstandselements zur Erhöhung eines Strömungswiderstands der Gasströmung des umlaufenden Gases entlang der radialen Richtung verändert ist und eine Innenseite des Hitzeschildes das wenigstens eine Strömungswiderstandselement trägt, wobei das Strömungswiderstandselement in Form einer Kontur gebildet ist, und somit die Kontur auf der Innenseite einer Turbinengehäusewand und/oder Verdichtergehäusewand angebracht ist.According to the invention, it is provided in this turbomachine that a clear width of an annular gap of the wheel back space in the axial direction, which prevails in a section of the wheel back space extending in the radial direction, by means of at least one flow resistance element arranged in the section to increase a flow resistance along the gas flow of the circulating gas the radial direction is changed and an inside of the heat shield carries the at least one flow resistance element, wherein the flow resistance element is formed in the form of a contour, and thus the contour is attached to the inside of a turbine housing wall and / or compressor housing wall.
Erfindungsgemäß ist bei der Turbomaschine weiter vorgesehen, dass die lichte Weite des Ringspalts des Radrückenraumes in der Turbinenkammer und/oder die lichte Weite des Ringspalts des Verdichter-Radrückenraumes in der Verdichterkammer jeweils mittels des wenigstens einen Strömungswiderstandselements entlang der radialen Richtung abwechselnd verengt und aufgeweitet ist in dem sich in radialer Richtung erstreckenden Abschnitt, wobei der Strömungswiderstand der Gasströmung des umlaufenden Gases entlang der radialen Richtung mittels des Strömungswiderstandselements gebildet ist, das sich in den Radrückenraum in axialer Richtung hinein erstreckt zur abschnittsweisen Veränderung, nämlich Verengung oder Aufweitung, des Ringspaltes, wobei die Kontur als abwechselnde, in radialer Richtung angeordnete Abfolge von Nuten und Stegen gebildet ist, so dass aufgrund einer abwechselnden Tiefe einer Oberfläche auf der Innenseite der Turbinengehäusewand und/oder Verdichtergehäusewand der Strömungswiderstand in radialer Richtung erzeugbar ist.According to the invention, it is further provided in the turbomachine that the clear width of the annular gap of the wheel back space in the turbine chamber and / or the clear width of the annular gap of the compressor wheel back space in the compressor chamber is alternately narrowed and widened along the radial direction by means of the at least one flow resistance element in the section extending in the radial direction, wherein the flow resistance of the gas flow of the circulating gas along the radial direction is formed by means of the flow resistance element, which extends into the wheel back space in the axial direction for changing sections, namely narrowing or widening, of the annular gap, the Contour is formed as an alternating sequence of grooves and webs arranged in the radial direction, so that, due to an alternating depth of a surface on the inside of the turbine housing wall and / or compressor housing wall, the flow impedes tand can be generated in the radial direction.
Die Erfindung führt im Rahmen der Aufgabenstellung auch auf eine Brennkraftmaschine des Anspruchs 11. Die Brennkraftmaschine hat einen Motor und eine Turbomaschine gemäß der Erfindung, wobei eine Ladeluftführung des Motors an den Verdichter und eine Abgasführung des Motors an die Turbine angeschlossen ist. Die Brennkraftmaschine eignet sich mit Vorteil insbesondere für ein Wasserfahrzeug oder ein Landfahrzeug, vorzugsweise ein Nutzfahrzeug wie einen Kipper od. dgl.The invention also leads within the scope of the object to an internal combustion engine of
Die Erfindung hat erkannt, dass sich mit einer Veränderung der in axialer Richtung vorherrschenden lichten Weite eines Ringspalts des Radrückenraumes ein Strömungswiderstand im Radrückenraum verändern lässt. Ein solcher Strömungswiderstand in einem sich in radialer Richtung erstreckenden Abschnitt kann insbesondere über eine Verengung und/oder Aufweitung der in axialer Richtung vorherrschenden lichte Weite des Ringspaltes erzeugt werden. Dazu kann in dem radialen Abschnitt wenigstens ein Strömungswiderstandselement angeordnet sein. Diese Maßnahme gilt grundsätzlich für einen Turbinenradrückenraum als auch, zusätzlich oder alternativ für einen Verdichterradrückenraum.The invention has recognized that a flow resistance in the wheel back space can be changed with a change in the clear width prevailing in the axial direction of an annular gap in the wheel back space. Such a flow resistance in a section extending in the radial direction can in particular be generated via a narrowing and / or widening of the clear width of the annular gap prevailing in the axial direction. For this purpose, at least one flow resistance element can be arranged in the radial section. This measure applies in principle to a turbine wheel back space and, additionally or alternatively, to a compressor wheel back space.
Das Konzept der Erfindung eignet sich dafür einen absoluten Druck in dem Radrückenraum an einem Innenradius eines wellennahen Bereichs der Turboladerwelle im Radrückenraum zu erhöhen und fördert damit die Öldichtigkeit einer Abdichtung an einer Turboladerwelle. Üblicherweise ist ein absoluter Druck in einem Radrückenraum an einem Innenradius eines wellennahen Bereichs der Turboladerwelle ohne Strömungswiderstandselement geringer.The concept of the invention is suitable for increasing an absolute pressure in the wheel back space at an inner radius of a region of the turbocharger shaft near the shaft in the wheel back space and thus promotes the oil tightness of a seal on a turbocharger shaft. An absolute pressure in a wheel back space is usually lower at an inner radius of a region of the turbocharger shaft close to the shaft without a flow resistance element.
Darüber hinaus verringert das Strömungswiderstandselement im Radrückenraum -mittels der Erhöhung eines im Radrückenraum vorherrschenden absoluten Drucks--, abhängig von Lastpunkten am Abgasturbolader, existierende Axialschübe beziehungsweise kompensiert diese. Insbesondere werden Axialschübe beim Verdichterradrückenraum und/oder Turbinenradrückenraum verringert beziehungsweise angeglichen. Dadurch werden Axiallagerschäden an einer Gegenschubfläche vermieden.In addition, the flow resistance element in the wheel back space - by increasing the absolute pressure prevailing in the wheel back space - depending on load points on the exhaust gas turbocharger, reduces or compensates for existing axial thrusts. In particular, axial thrusts in the compressor wheel back space and / or the turbine wheel back space are reduced or adjusted. This prevents axial bearing damage on a counter thrust surface.
Erfindungsgemäß ist somit vorgesehen, dass die lichte Weite des Ringspalts des Turbinen-Radrückenraumes in der Turbinenkammer und/oder die lichte Weite des Ringspalts des Verdichter-Radrückenraumes in der Verdichterkammer,
- - jeweils mittels dem wenigstens einen Strömungswiderstandselement entlang der radialen Richtung verengt oder aufgeweitet oder abwechselnd verengt und aufgeweitet ist in dem sich in radialer Richtung erstreckenden Abschnitt. Auf diese Weise ist besonders vorteilhaft die lichte Weite mittels dem Strömungswiderstandselement zur Erhöhung eines Strömungswiderstands der Gasströmung verändert.
- is narrowed or widened or alternately narrowed and widened by means of the at least one flow resistance element along the radial direction in the section extending in the radial direction. In this way, the clear width is changed in a particularly advantageous manner by means of the flow resistance element in order to increase a flow resistance of the gas flow.
Erfindungsgemäß ist somit der Strömungswiderstand der Gasströmung des umlaufenden Gases entlang der radialen Richtung mittels dem Strömungswiderstandselement gebildet, das sich in den Radrückenraum in axialer Richtung hinein erstreckt zur abschnittsweisen Veränderung, insbesondere Verengung und/oder Aufweitung, des Ringspaltes. Das Strömungswiderstandselement wirkt somit vergleichsweise effektiv.According to the invention, the flow resistance of the gas flow of the circulating gas is thus formed along the radial direction by means of the flow resistance element, which is located in the The wheel back space extends in the axial direction for changing sections, in particular narrowing and / or widening, of the annular gap. The flow resistance element thus acts comparatively effectively.
Im Rahmen der Erfindung ist somit der Strömungswiderstand der Gasströmung des umlaufenden Gases entlang der radialen Richtung mittels einem Strömungswiderstandselement in Form einer Kontur gebildet. Eine Kontur lässt sich besonders gut an die Strömungsbedingungen anpassen und vergleichsweise einfach anbringen.In the context of the invention, the flow resistance of the gas flow of the circulating gas along the radial direction is thus formed by means of a flow resistance element in the form of a contour. A contour can be adapted particularly well to the flow conditions and can be attached comparatively easily.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen und geben im Einzelnen vorteilhafte Möglichkeiten an, das oben erläuterte Konzept im Rahmen der Aufgabenstellung sowie hinsichtlich weiterer Vorteile zu realisieren.Advantageous further developments of the invention can be found in the subclaims and indicate in detail advantageous possibilities for realizing the concept explained above within the scope of the task and with regard to further advantages.
Im Rahmen einer besonders bevorzugten ersten Variante kann die Kontur auf dem Rücken des Turbinenrades und/oder Verdichterrades angebracht sein, insbesondere aufgebracht oder eingebracht ist. Im Rahmen einer besonders bevorzugten zweiten Variante kann -zusätzlich oder alternativ-- die Kontur auf der Innenseite einer Turbinengehäusewand und/oder Verdichtergehäusewand angebracht sein, insbesondere aufgebracht oder eingebracht ist. Sowohl die Maßnahmen der ersten Variante als auch der zweiten Variante haben sich allein oder in Kombination als vorteilhaft erwiesen, die lichte Weite eines Ringspalts des Radrückenraumes mittels wenigstens einem Strömungswiderstandselement in einem sich in radialer Richtung erstreckenden Abschnitt zu verengen und/oder aufzuweiten.In the context of a particularly preferred first variant, the contour can be attached, in particular applied or introduced, on the back of the turbine wheel and / or compressor wheel. In the context of a particularly preferred second variant, the contour can - additionally or alternatively - be attached, in particular applied or introduced, on the inside of a turbine housing wall and / or compressor housing wall. Both the measures of the first variant and the second variant have proven to be advantageous, alone or in combination, to narrow and / or widen the clear width of an annular gap in the wheel back space by means of at least one flow resistance element in a section extending in the radial direction.
Bevorzugt ist eine Strömungsgeschwindigkeit der Gasströmung des umlaufenden Gases entlang der radialen Richtung des Radrückenraumes, insbesondere der Ladeluft und/oder des Abgases, in der radialen Richtung des Radrückenraumes gegeben und das Strömungswiderstandselement ist bevorzugt derart ausgebildet, dass sich die Strömungsgeschwindigkeit in der radialen Richtung und/oder umlaufenden Richtung des Radrückenraumes sublinear erhöht. Eine besonders bevorzugte beispielhafte Erläuterung ist dazu im Detail der
Insbesondere ist in dem Radrückenraum ein Betrag eines Druckgefälles von einem Innenradius eines wellennahen Bereichs der Turboladerwelle zu einem Außenradius eines wellenfernen Bereichs der Turboladerwelle gegeben. Bevorzugt ist das Strömungswiderstandselement derart ausgebildet, dass der Betrag des Druckgefälles geringer ist als bei einer linearen Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit. Eine besonders bevorzugte beispielhafte Erläuterung ist dazu im Detail der
Erfindungsgemäß sind die Turbinenkammer und ein Lagerhohlraum des Lagergehäuses und/oder die Verdichterkammer und ein Lagerhohlraum des Lagergehäuses durch jeweils eine radial zur Turboladerwelle verlaufende Trennwand getrennt, welche eine Turbinengehäusewand und eine Lagergehäusewand und/oder eine Verdichtergehäusewand und eine Lagergehäusewand umfasst, wobei die Trennwand gegen die Turboladerwelle abgedichtet ist, insbesondere durch eine Dichtnabe, Wellendichtung oder dergleichen. Mit einer solchen Trennwand lässt sich das Konzept der Erfindung besonders vorteilhaft umsetzen.According to the invention, the turbine chamber and a bearing cavity of the bearing housing and / or the compressor chamber and a bearing cavity of the bearing housing are separated by a partition wall running radially to the turbocharger shaft, which comprises a turbine housing wall and a bearing housing wall and / or a compressor housing wall and a bearing housing wall, the partition wall against the Turbocharger shaft is sealed, in particular by a sealing hub, shaft seal or the like. The concept of the invention can be implemented particularly advantageously with such a partition.
Erfindungsgemäß istdie Trennwand hohl, wobei die Trennwand jeweils einen zwischen Turbinengehäusewand und Lagergehäusewand und/oder einen zwischen Verdichtergehäusewand und Lagergehäusewand verlaufenden Ringkanal umfasst. Ein Hohlraum der Trennwand lässt sich vorteilhaft auch für das Konzept der Erfindung nutzen, insbesonderedurch eine Druckbeaufschlagung desselben.According to the invention, the partition is hollow, the partition comprising in each case an annular channel running between the turbine housing wall and the bearing housing wall and / or between the compressor housing wall and the bearing housing wall. A cavity in the partition can also be used advantageously for the concept of the invention, in particular by applying pressure to it.
Erfindungsgemäß istdie Trennwand und/oder ein radial zur Turboladerwelle verlaufender Radialteil der Turbinengehäusewand und/oder der Verdichtergehäusewand ganz oder teilweise als ein Hitzeschild ausgebildet. Dadurch lässt sich vorteilhaft ein Wärmeübertrag in das Lager verringern bzw. vermeiden. Vorzugsweise trägt eine Innenseite des Hitzeschildes das Strömungswiderstandselement, insbesondere ist das Strömungswiderstandselement in Form einer Kontur gebildet.According to the invention, the partition wall and / or a radial part of the turbine housing wall and / or the compressor housing wall extending radially to the turbocharger shaft is designed entirely or partially as a heat shield. As a result, a heat transfer into the bearing can advantageously be reduced or avoided. An inside of the heat shield preferably bears the flow resistance element, in particular the flow resistance element is in the form of a contour.
Vorteilhaft ist die Trennwand als ein vom Lagergehäuse und/oder als ein vom Turbinengehäuse und/oder als ein vom Verdichtergehäuse separates und mit diesen verbundenes Ringteil gebildet. Insbesondere ist der Hitzeschild als eine Strahlscheibe ausgebildet und die Innenseite der Strahlscheibe trägt ein Strömungswiderstandselement in Form einer Kontur. Das Konzept der Erfindung kann somit vorteilhaft im Rahmen des Hitzeschildes und der Strahlscheibe umgesetzt werden.The partition is advantageously formed as an annular part that is separate from the bearing housing and / or from the turbine housing and / or as an annular part that is connected to the compressor housing. In particular, the heat shield is designed as a jet disk and the inside of the jet disk carries a flow resistance element in the form of a contour. The concept of the invention can thus advantageously be implemented in the context of the heat shield and the jet disk.
Ausführungsformen der Erfindung werden nun nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben. Diese soll die Ausführungsformen nicht notwendigerweise maßstäblich darstellen, vielmehr ist die Zeichnung, wo zur Erläuterung dienlich, in schematisierter und/oder leicht verzerrter Form ausgeführt. Im Hinblick auf Ergänzungen der aus der Zeichnung unmittelbar erkennbaren Lehren wird auf den einschlägigen Stand der Technik verwiesen. Dabei ist zu berücksichtigen, dass vielfältige Modifikationen und Änderungen betreffend die Form und das Detail einer Ausführungsform vorgenommen werden können, ohne von der allgemeinen Idee der Erfindung abzuweichen. Die in der Beschreibung, in der Zeichnung sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Weiterbildung der Erfindung wesentlich sein. Zudem fallen in den Rahmen der Erfindung alle Kombinationen aus zumindest zwei der in der Beschreibung, der Zeichnung und/oder den Ansprüchen offenbarten Merkmale. Die allgemeine Idee der Erfindung ist nicht beschränkt auf die exakte Form oder das Detail der im folgenden gezeigten und beschriebenen bevorzugten Ausführungsform oder beschränkt auf einen Gegenstand, der eingeschränkt wäre im Vergleich zu dem in den Ansprüchen beanspruchten Gegenstand. Bei angegebenen Bemessungsbereichen sollen auch innerhalb der genannten Grenzen liegende Werte als Grenzwerte offenbart und beliebig einsetzbar und beanspruchbar sein. Der Einfachheit halber sind nachfolgend für identische oder ähnliche Teile oder Teile mit identischer oder ähnlicher Funktion gleiche Bezugszeichen verwendet.Embodiments of the invention will now be described below with reference to the drawing. This should not necessarily represent the embodiments to scale; rather, the drawing, where useful for explanation, is in a schematic and / or slightly distorted form. With regard to additions to the teachings that can be seen directly from the drawing, reference is made to the relevant prior art. It must be taken into account that various modifications and changes relating to the shape and detail of an embodiment can be made without deviating from the general idea of the invention. The features of the invention disclosed in the description, in the drawing and in the claims can be essential for the development of the invention both individually and in any combination. In addition, all combinations of at least two of the features disclosed in the description, the drawing and / or the claims fall within the scope of the invention. The general idea of the invention is not restricted to the exact form or the detail of the preferred embodiment shown and described below or restricted to an object which would be restricted in comparison to the object claimed in the claims. In the case of the specified measurement ranges, values lying within the stated limits should also be disclosed as limit values and be able to be used and claimed as required. For the sake of simplicity, the same reference symbols are used below for identical or similar parts or parts with an identical or similar function.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnung; diese zeigt in:
-
1 eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit einem Motor und einer Turbomaschine gemäß einer bevorzugten Ausführungsform; -
2 ein Detail einer Turbomaschine gemäß dem Stand der Technik, bei der ein Radrückenraum in einer Turbinenkammer eine in axialer Richtung im Wesentlichen gleichbleibende vorherrschende lichte Weite eines Ringspalts --und somit mit entsprechend hohem radialen Druckgradienten (p2'-p1')-- hat; -
3A eine zur Erfindung gehörende erste besonders bevorzugte Ausführungsform einer Turbomaschine, bei welcher --beispielhaft bei der Turbine-- die in axialer Richtung vorherrschende lichte Weite eines Ringspalts des Radrückenraumes entlang der radialen Richtung (r ) wiederholt aufgeweitet ist, wobei ein entsprechendes Strömungswiderstandselement an der Innenseite einer Turbinengehäusewand angeordnet ist; -
3B eine nicht zur Erfindung gehörende Ausführungsform, wobei im Unterschied zu3A ein entsprechendes Strömungswiderstandselement am Rücken des Turbinenrades anstatt an der Innenseite einer Turbinengehäusewand angeordnet ist; -
4A ,4B eine schematische Darstellung eines Geschwindigkeitsverlaufs (A) und Druckverlaufs (B) entlang des Radius eines Starrkörperwirbels in einem Radrückenraum bei einer Ausführungsform der Erfindung im Vergleich zum Stand der Technik; -
5 eine schematische Darstellung der Dichtigkeitsproblematik im Stand der Technik aufgrund der in4A ,4B gestrichelt dargestellten Geschwindigkeits- und Druckverläufe; -
6A ,6B eine schematische Prinzipskizze entsprechend der speziellen Ausführungsform der3A ,3B welche den in4A und4B dargestellten durchgezogenen Geschwindigkeits- und Druckverläufen zugeordnet sind; -
7A ,7B Details der3A und3B in Bezug auf eine Trennwand der Turbomaschine.
-
1 a schematic representation of an internal combustion engine with a motor and a turbo machine according to a preferred embodiment; -
2 a detail of a turbomachine according to the prior art, in which a wheel back space in a turbine chamber has a predominant clear width of an annular gap that is essentially constant in the axial direction - and thus with a correspondingly high radial pressure gradient (p2'-p1 '); -
3A a first particularly preferred embodiment of a turbomachine belonging to the invention, in which - for example in the case of the turbine - the clear width of an annular gap of the wheel back space prevailing in the axial direction along the radial direction (r ) is repeatedly expanded, a corresponding flow resistance element being arranged on the inside of a turbine housing wall; -
3B an embodiment not belonging to the invention, wherein in contrast to3A a corresponding flow resistance element is arranged on the back of the turbine wheel instead of on the inside of a turbine housing wall; -
4A ,4B a schematic representation of a speed curve (A) and pressure curve (B) along the radius of a rigid body vortex in a wheel back space in an embodiment of the invention compared to the prior art; -
5 a schematic representation of the leakage problem in the prior art due to the in4A ,4B speed and pressure curves shown in dashed lines; -
6A ,6B a schematic outline diagram corresponding to the special embodiment of FIG3A ,3B which the in4A and4B solid speed and pressure curves shown are assigned; -
7A ,7B Details of the3A and3B with respect to a partition wall of the turbo-machine.
Aufgrund dieser Druckverhältnisse, insbesondere im Bereich des Innenradius
Zum Anderen bringen gegebenenfalls unterschiedliche Druck- und Geschwindigkeitsverhältnisse
Im Einzelnen zeigt
Gemäß dem Konzept der Erfindung ist bei beiden Ausführungsformen der Turbine
Das Strömungswiderstandselement
Mit anderen Worten ist durch die Anhebung des absoluten Drucks
Die entsprechenden grundsätzlichen Formeln ergeben sich durch Betrachtung eines Starrkörperwirbels im Radrückenraum
Im Einzelnen ist dort ersichtlich, dass die Turbinenkammer
Die Kontur
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 1A, 1B1A, 1B
- StrömungswiderstandselementFlow resistance element
- TK, 10TK, 10
- TurbinenkammerTurbine chamber
- 1111
- DiffusorDiffuser
- 1212th
- AuslassOutlet
- 1313th
- RadrückenraumRear wheel space
- 13r13r
- radialer Abschnittradial section
- 13S13S
- Stegweb
- 13N13N
- NutGroove
- 2020th
- TurbinenradTurbine wheel
- 21.A, 21.B21.A, 21.B
- Rücken des Turbinenrades der TurbineBack of the turbine wheel of the turbine
- 3030th
- TurbinengehäuseTurbine housing
- 3131
- TurbinengehäusewandTurbine housing wall
- 31.A, 31.B31.A, 31.B
- Innenseite der TurbinengehäusewandInside of the turbine housing wall
- 4040
- Trennwandpartition wall
- 5050
- LagergehäuseBearing housing
- 5151
- LagergehäusewandBearing housing wall
- 10001000
- BrennkraftmaschineInternal combustion engine
- 100100
- TurbomaschineTurbo engine
- V110, 110V110, 110
- Verdichtercompressor
- 111111
- LadeluftführungCharge air duct
- 112112
- LuftfilterAir filter
- T120, 120T120, 120
- Turbineturbine
- 121121
- AbgasführungExhaust gas routing
- 122122
- AbgasrückführungExhaust gas recirculation
- 130130
- Lagerwarehouse
- T140, 140T140, 140
- TurboladerwelleTurbocharger shaft
- 141141
- VerdichterradCompressor wheel
- 142142
- TurbinenradTurbine wheel
- 200200
- Motorengine
- 300300
- AbgasperipherieExhaust peripherals
- AGAG
- AbgasExhaust gas
- LL.
- Luftair
- LLLL
- LadeluftCharge air
- LaLa
- Lagerwarehouse
- TR, 20TR, 20
- TurbinenradTurbine wheel
- TRRTRR
- Rücken des TurbinenradesBack of the turbine wheel
- TGTG
- TurbinengehäusewandTurbine housing wall
- TGITGI
- Innenseite der TurbinengehäusewandInside of the turbine housing wall
- TDTD
- Dichtungpoetry
- RRRR
- RadrückenraumRear wheel space
- RSRS
- RingspaltAnnular gap
- TGITGI
- TurbinengehäuseinnenwandTurbine housing inner wall
- p1, p2, p1', p2'p1, p2, p1 ', p2'
- Druckprint
- c1, c2, c1', c2'c1, c2, c1 ', c2'
- StrömungsgeschwindigkeitFlow velocity
- r1r1
- InnenradiusInner radius
- r2r2
- AußenradiusOuter radius
- WW.
- lichte Weiteclear width
- zz
- axiale Richtungaxial direction
- rr
- radiale Richtungradial direction
- KA, KBKA, KB
- Konturcontour
Claims (11)
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Applications Claiming Priority (1)
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Publications (2)
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DE102015219773A1 DE102015219773A1 (en) | 2017-04-13 |
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-
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Also Published As
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---|---|
DE102015219773A1 (en) | 2017-04-13 |
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