DE3232925C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Turbolader mit geteiltem Turbinengehäuse, mit ersten und zweiten ringförmigen Turbinenkammern für die Aufnahme von heißen Gasen, die in einem ringförmigen Gehäuse angeordnet sind, wobei der radial innerste Teil des Gehäuses eine ringförmige Verengung aufweist, nach der ein Turbinenrad angeordnet ist, welches von heißen Gasen beaufschlagt wird, die radial nach innen von den beiden ringförmigen Kammern durch die Verengung strömen und das Turbinenrad in drehende Bewegung versetzen, wobei das Turbinenrad mit einem im axialen Abstand davon angeordneten Verdichterrad für die Luftkompression gekoppelt ist und wobei die ersten und zweiten ringförmigen Kammern durch eine ringförmige kontinuierliche Trennwand begrenzt sind, die vom radial äußersten Teil des Gehäuses zu der Verengung verläuft.

Turbolader sind energiesparende Vorrichtungen für Verbrennungsmotoren, insbesondere Dieselmotoren für Lastwagen, Traktoren od. dgl. Ein Turbolader kann als eine Kombination aus Turbine und Verdichter angesehen werden, wobei die Turbinen- und Verdichterräder durch eine gemeinsame Welle gekoppelt oder miteinander verbunden sind. Die Abgase eines Verbrennungsmotors werden zu dem Turbinenrad geleitet. Die Gase durchströmen das Turbinenrad und ermöglichen den Entzug von Energie aus den Gasen über das Rad und setzen es in drehende Bewegung. Die Gase entweichen dann in den Auspuff. Das Verdichterrad verdichtet Luft und leitet sie zum Motoreinlaß. Ein Turbolader ist dementsprechend eine Vorrichtung für die zwangsweise Einleitung bei erhöhtem Druck der Luft oder Brennstoff-Luft-Mischung in eine Verbrennungsmaschine, wobei der Turbolader die (für das Drehen des Turbinenrades) notwendige Energie ausnützt, die sonst als Abgas abgegeben würde. In Abweichung von bekannten Verdichtern, welche die Kraft für das Verdichterrad direkt von der Kurbelwelle des Motors abnehmen, entnimmt der Turbolader seine Kraft aus der in den Abgasen enthaltenen Energie.

Vorliegende Erfindung betrifft eine Verbesserung des Gehäuses des Turbinenteils eines Turboladers. In bestimmten Anwendungsfällen erwies es sich als vorteilhaft, die torusförmige oder ringförmige Kammer im Turbinengehäuse in zwei Teile zu unterteilen, wobei diese beiden Teile durch eine sich radial erstreckende kreisförmige Trennwand und den Rest des Gehäuses gebildet werden. Die Trennwand erstreckt sich von einem äußeren Teil des Gehäuses radial nach innen zu der ringförmigen Verengung, durch die Abgase zum Turbinenrad gelangen. Die Turbine entspricht im allgemeinen der Ausführungs mit radialer Einströmung. Beispiele für eine solche Gehäusekonstruktion findet man in der US 32 70 495 und in der US 32 92 364.

In einer typischen Turboladerkonstruktion mit geteiltem Gehäuse, wie sie in diesen beiden US-Patentschriften dargestellt ist, sind das Gehäuse für den Turbinenteil des Turboladers und die sich radial erstreckende Trennwand in einem Stück geformt, zum Beispiel aus Gußeisen. Während des Betriebes des Turboladers gelangen die aus den Zylindern des Verbrennungsmotors in den Turbolader einströmenden heißen Gase in nur eine oder beide der zwei Kammern im Turbinenteil des Gehäuses. Diese Gase sind sehr heiß und verursachen deshalb Veränderungen in den Gehäuseabmessungen, die auf die übliche Wirkung der Wärmedehnung von Metall aufgrund einer Erhöhung der Temperatur zurückzuführen sind.

Sowohl die Trennwand als auch das Gehäuse neigen dazu, sich bei steigenden Temperaturen radial auszudehnen. Die Trennwand erreicht jedoch höhere Temperaturen als das Gehäuse, denn die Trennwand ist den heißen Gasen mit ihren beiden Oberflächen ausgesetzt, während eine Oberfläche des Gehäuses kühlerer Außenluft ausgesetzt ist. Aufgrund dieses Temperaturunterschiedes wäre in radialer Richtung die ungehinderte Wärmeausdehnung der Trennwand größer, als diejenige des Gehäuses. Die geringere Wärmedehnung des Gehäuses behindert die Wärmedehnung der Trennwand und verursacht so unerwünschte Wärmebeanspruchungen in der Trennwand. Außerdem wirkt die geteilte Form des Turbinengehäuses selbsteinschränkend, da Temperaturänderungen selbst bei Fehlen von Temperaturgradienten thermische Belastungen verursachen, die das gesamte Belastungsniveau erhöhen. Es wurde festgestellt, daß solche Belastungen zu Ausfällen oder Rißbildungen in der Trennwand mit anschließendem Ausfall des Turboladers geführt haben.

Aus der GB 11 99 158 ist ein Turbolader mit den Merkmalen des Oberbegriffes von Patentanspruch 1 bekannt. Die Trennwand, welche die Kammern begrenzt, ist im Bereich ihres Außenumfangs zwischen Flanschen des Gehäuses verschweißt. Der radial innen liegende Bereich der Trennwand liegt in an Schaufeln des Leitapparates vorgesehenen Nuten. Die gesamte Wirkung der Wärmeausdehnung des Gehäuses und der Trennwand muß in diesem Bereich ausgeglichen werden. Solange nur geringe radiale Schwankungen aufzufangen sind, ist dies ohne weiteres möglich. Bei größeren Schwankungen besteht jedoch die Gefahr, daß die Trennwand in den Nuten klemmt.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen Turbolader so auszugestalten, daß die auftretenden Wärmeausdehnungen im Bereich des Turbinengehäuses ausgeglichen werden.

Diese Aufgabe wird von einem Turbolader der eingangs genannten Gattung mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teiles von Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Mit der erfindungsgemäßen Ausführung wurde das Problem der unterschiedlichen Radialausdehnung überwunden. Um dies zu erreichen, sind das Turboladergehäuse und die Trennwand in einer erfindungsgemäßen Ausführungsart getrennt hergestellt, wobei sich der radiale äußere Umfang der Trennwand in eine Nut im angrenzenden Teil der Turbinengehäusekammer erstreckt. Zwischen dem radial äußeren Teil der Trennwand und dem radial äußeren Teil der Nut ist ein radialer Freiraum vorgesehen, in dem der äußere Umfang der Trennwand angeordnet ist. Mit Hilfe dieser Konstruktion kann sich die Trennwand radial ausdehnen und gleitet im Betrieb in der Nut radial nach außen an ihrem äußeren Umfang und verursacht so keine Belastungen des Gehäuses, da diese radiale Bewegung relativ unbehindert ist. Dementsprechend werden durch Wärme induzierte Belastungen in der Trennwand vermieden. Der radial äußerste Umfang der Trennwand ist vorzugsweise ausgekehlt oder gekerbt, um axial versetzte, winklig alternierende Segmente zu bilden, wobei diese Segmente in normaler Weise in axialer Richtung voneinander weggerichtet sind, um so eine Zentrierungs- oder Positionierungswirkung zwischen dem Gehäuse und der Trennwand zu bewirken. Um den Zusammenbau zu erleichtern, ist das Gehäuse aus zwei Teilen gebildet, wobei ein Teil eine kontinuierliche ringförmige Aussparung aufweist, so daß, wenn beide Teile zusammengefügt werden, eine ringförmig kontinuierliche Nut gebildet wird. Vorzugsweise wird die Trennwand aus einem hitzebeständigen Material, wie zum Beispiel rostfreiem Stahl gebildet, der einen höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen kann, als das Gußeisen, aus dem das restliche Gehäuse besteht.

Nach einer weiteren erfindungsgemäßen Ausgestaltung ist der äußere Radius der Trennwand gleich dem äußeren Radius der Gehäusenut, welche sie aufnimmt, wobei die Trennwand mit einer ringförmig kontinuierlichen Dehnfuge versehen wird. In dieser zweiten Ausführungsart wird die äußere Dehnung des größten Teils der kreisförmigen Trennwand durch die Dehnfuge ausgeglichen, während nur die Ausdehnung des äußersten Randteils der Trennwand radial nach außen gegen das Turbinengehäuse drückt. In den Zeichnungen zeigt

Fig. 1 einen Längsschnitt eines Turboladerturbinengehäuseteils entsprechend der Erfindung, sowie die Anordnung des mit dem Gehäuse verbundenen üblichen Turbinenrades und Verdichterrades,

Fig. 2 eine Kantenansicht der Trennwand aus Fig. 1,

Fig. 3 eine Teilansicht entsprechend der Fig. 1 einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.

In den Figuren ist ein ringförmig kontinuierliches Gehäuse 10 für den Turbinenteil eines Turboladers durch eine erste Gehäusehälfte 12 mit einer Vielzahl fest damit verbundener, winklig versetzter Flansche 14 sowie eine ergänzende zweite Gehäusehälfte 16 gebildet, welche ebenfalls eine Vielzahl winklig versetzter Flansche 18 aufweist, die beim Zusammenfügen der Gehäusehälften in die Flansche 14 eingreifen. In einer ringförmig kontinuierlichen Nut 20 sitzt eine ringförmig kontinuierliche Dichtung 22, die zum Beispiel aus Draht gebildet ist. Nieten oder Bolzen 24 dienen zur Befestigung der ineinandergreifenden Flansche 14 und 18. Es können auch andere Mittel zum Verbinden der Gehäusehälften 12, 16 verwendet werden, beispielsweise Schweißen. Eine Nut 28 erstreckt sich radial auf einer Fläche des äußeren Randes der Gehäusehälfte 12. Ein axial sich erstreckender kreisförmiger Wandteil 29 verläuft von der Nut 28 zur Fläche des Randes der Gehäusehälfte 12.

Am äußersten Umfang einer kreisförmigen scheibenförmigen Trennwand 34 ist eine beliebige Anzahl axial versetzter Segmente 30 angeordnet. Die kreisförmige Trennwand 34 weist eine zentrale Öffnung auf, um das Turbinenrad 48 aufzunehmen. Ein Freiraum 33 erstreckt sich zwischen dem radial äußersten Teil der Trennwand 34 (mit Segmenten 30) und dem sich axial erstreckenden Wandteil 29.

Eine ringförmig kontinuierliche Turbinenkammer 36 und eine zweite ringförmig kontinuierliche Turbinenkammer 38, die beide durch die Trennwand 34 abgegrenzt werden, erstreckt sich radial nach innen in das aus den Gehäusehälften 12, 16 gebildete Gehäuse. Die Gehäusehälfte 12 weist einen radial innersten Teil 40, die Gehäusehälfte 16 einen radial innersten Teil 42 auf. Eine Verengung 44 bildet den radial innersten Teil der Turbinenkammern 36, 38 im Bereich der radial innersten Teile 40, 42. Ein herkömmliches Turbinenrad 46 dreht sich um eine Achse 47, wobei es das Verdichterrad 48 dreht. Sowohl das Turbinenrad 46 als auch das Verdichterrad 48 sind auf einer gemeinsamen Welle 50 angeordnet.

Die Betriebsweise ist die folgende:

Heiße Abgase werden mittels geeigneter Rohrleitungen im Turbolader (nicht dargestellt) in eine oder beide der ringförmigen Kammern 36 und 38 eingeleitet. Die Gase strömen radial nach innen durch die Verengung 44 auf den Umfang des Turbinenrades 46. Dann strömen sie entlang und zwischen den Schaufeln des Turbinenrades und treten dann in axialer Richtung als Abgas aus. Die Drehbewegung des Turbinenrades 46 bewirkt eine Drehbewegung des Verdichterrades 48, um Luft zu komprimieren, die dann als Luftgemisch oder Luft-Brennstoff-Gemisch in die Verbrennungsmaschine gelangt. Die übrigen Teile, wie zum Beispiel das Verdichtergehäuse des Turboladers, sind nicht näher dargestellt, da sie nicht Teil der Erfindung und in der Technik wohl bekannt sind.

Während des Betriebs dehnt sich die Trennwand 34 radial weiter aus als die Gehäusehälften 12, 16. Wegen des Freiraumes 33 kann sich die Trennwand 34 mit ihrem äußeren Umfang ungezwungen radial nach außen bewegen, wodurch mechanische Belastungen vermieden werden, die sich sonst in der Trennwand 34 aufbauen würden. Eine mangelnde radiale Beweglichkeit ist eine typische Eigenschaft bekannter Trennwandkonstruktionen in Turbinengehäusen. Sie führt, wie schon erwähnt, zu Ausfällen der Trennwand.

In Fig. 2 der Zeichnungen zeigt eine Rückansicht die gekehlte oder gekerbte Konfiguration des äußersten Umfangs der kreisförmigen Trennwand 34. Man erkennt, daß der Umfang 30 eine wellenartige Konfiguration aufweist.

Die abwechselnd axial gegenüberliegend angeordneten wellenartigen Segmente haben eine dreifache Funktion. Erstens ermöglichen die Segmente bessere Toleranzen der Nutbreite, da ihre wirksame Breite leichter kontrolliert werden kann, als die Dicke des Blechmaterials. Zweitens haben die Segmente nur linearen Kontakt mit den Gußteilen, so daß Reibung zwischen der Trennwand und gegossenen Teilen kontrolliert werden kann. Drittens erlaubt die Wellenform der Segmente eine kontrollierte axiale Vorbelastung zum Zwecke der Anordnung der Trennwand, d. h. die Segmente wirken Abdichtfeder gegen Druckwellen, so daß die beaufschlagte Vorlast auf ein Minimum reduziert werden kann.

Als spezifisches Beispiel für die Erfindung wird die Trennwand 34 aus AISI 321 austenitischem rostfreiem Stahl hergestellt, während die Gehäusehälften 12 und 16 aus bearbeiteten Eisenelementen hergestellt werden.

Fig. 3 der Zeichnung zeigt eine Abänderung der Trennwand 34. In dieser Ausführungsform kann der äußere Umfang der Trennwand ebenfalls gekehlt oder anders geformt werden, um Unterschiede in der Wärmedehnung zu ermöglichen. Der Betrachter wird feststellen, daß kein Freiraum wie der in Fig. 1 vorgesehene Freiraum 33 notwendig ist. In dieser Ausführungsart wird die radiale Bewegung des größten Teiles einer der Trennwand 34 ähnlichen Trennwand 34′ relativ zum Gehäuse durch eine ringförmig kontinuierliche Dehnfuge 60 in der Trennwand ermöglicht. Die Dehnfuge 60 wird durch sich axial erstreckende Teile 62 und 64 und den sich radial erstreckenden Teil 66 gebildet. Die Dehnfuge 60 ist umlaufend und vorzugsweise in der Nähe des äußersten Teiles der Trennwand 34′ angeordnet.

Die Dehnfuge 60 kann durch Stanzen der Scheibe gebildet werden, welche die Trennwand 34′ bildet. Der Betrachter ist nun in der Lage, leicht festzustellen, daß eine radiale Ausdehnung der Trennwand 34′, wie sie durch hohe Temperaturen bewirkt wird, in einer Verwindung der Dehnfuge 60 resultiert. Mit Hilfe der Dehnfuge 60 ergeben sich mit erhöhten Temperaturen verbundene radiale Kräfte Verwindungen der Dehnfuge 60, statt daß unerwünscht hohe Belastungen in der Trennwand 34′ aufgebaut werden. Die Ausdehnung dieser Scheibenteile radial nach innen von der Dehnfuge 60 werden von der Dehnungsverbindung aufgenommen. Eine radiale Ausdehnung der Scheibe in radialer Richtung über die Dehnfuge hinaus wird Belastungen in diesem Teil hervorrufen, aber da diese Kräfte niedriger sind, werden sie keinen Ausfall verursachen. Um die Darstellung deutlicher zu machen, ist in Fig. 3 der Rand der Trennwand 34′ im Abstand von der mit einer Nut versehenen Wand 29 und dicker als der Rest der Scheibe dargestellt.

Claims (6)

1. Turbolader mit geteiltem Turbinengehäuse, mit ersten und zweiten ringförmigen Turbinenkammern für die Aufnahme von heißen Gasen, die in einem ringförmigen Gehäuse angeordnet sind, wobei der radial innerste Teil des Gehäuses eine ringförmige Verengung aufweist, nach der ein Turbinenrad angeordnet ist, welches von heißen Gasen beaufschlagt wird, die radial nach innen von den beiden ringförmigen Kammern durch die Verengung strömen und das Turbinenrad in drehende Bewegung versetzen, wobei das Turbinenrad mit einem im axialen Abstand davon angeordneten Verdichterrad für die Luftkompression gekoppelt ist und wobei die ersten und zweiten ringförmigen Kammern durch eine ringförmige kontinuierliche Trennwand begrenzt sind, die vom radial äußersten Teil des Gehäuses zu der Verengung verläuft, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennwand (34) von dem Gehäuse (10) abtrennbar ist, wobei der radial äußerste Umfang der Trennwand (34) in einer ringförmigen kontinuierlichen Nut (28) im Gehäuse (10) gleitbar gehalten ist, und daß Einrichtungen bei erhöhten Temperaturen eine radial auswärts gerichtete Bewegung der Trennwand (34) relativ zum Gehäuse (10) ermöglichen.

2. Turbolader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (10) durch zwei ringförmig kontinuierliche Gehäusehälften (12, 16) gebildet ist, wobei eine der Gehäusehälften (12) einen Teil der ringförmigen kontinuierlichen Nut aufweist oder beide Gehäusehälften (12, 16) einen Teil der Nut (28) aufnehmen.

3. Turbolader nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen aus einem radialen Freiraum (33) zwischen dem radial äußersten Umfang der Trennwand (34) und dem radial äußersten Umfang der Nut (28) bestehen.

4. Turbolader nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der radial äußerste Umfang der Trennwand (34) mit nebeneinanderliegenden, axial gegenüberliegend versetzten Segmenten (30) versehen ist, die abwechselnd gegenüberliegende axiale Seiten der Nut (28) berühren.

5. Turbolader nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen durch eine ringförmige kontinuierliche Dehnfuge (60) in der Trennwand (34) gebildet sind, wobei die Dehnfuge (60) radial näher zum Gehäuse (10) als zum radial innersten Teil der Trennwand (34) angeordnet ist.

6. Turbolader nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Werkstoffe des Gehäuses (10) und der Trennwand (34) unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen.