CH709982B1

CH709982B1 - Wellendichtungssystem und Abgasturbolader.

Info

Publication number: CH709982B1
Application number: CH00460/15A
Authority: CH
Inventors: Jenko Holger; Bartholomä Klaus
Original assignee: Man Energy Solutions Se
Priority date: 2014-08-08
Filing date: 2015-03-31
Publication date: 2019-02-28
Also published as: JP6896361B2; CH709982A2; JP2016037960A; CN105370325B; CN105370325A; KR20160018355A; DE102014011849A1

Abstract

Wellendichtungssystem einer Strömungsmaschine, zur Abdichtung eines zwischen einem Lagergehäuseinnenraum (15) und einem Radseitenraum (16) verlaufenden Spalts (14), der von einem rotorseitigen Bauteil (11) und einem statorseitigen Bauteil (10) begrenzt ist, mit einem ersten Dichtelement (17), welches dann, wenn bei laufendem rotorseitigem Bauteil (11) ein im Radseitenraum (16) herrschender Druck grösser als ein im Lagergehäuseinnenraum (15) herrschender Druck ist, einer Leckageströmung vom Radseitenraum (16) in den Lagergehäuseinnenraum (15) entgegenwirkt, und mit einem zweiten Dichtelement (19), welches dann, wenn insbesondere bei stillstehendem rotorseitigem Bauteil (11) ein im Radseitenraum (16) herrschender Druck kleiner als ein im Lagergehäuseinnenraum (15) herrschender Druck ist, einer Leckageströmung vom Lagergehäuseinnenraum (15) in den Radseitenraum (16) entgegenwirkt.

Description

Beschreibung [0001] Die Erfindung betrifft ein Wellendichtungssystem einer Strömungsmaschine und einen Abgasturbolader.

[0002] Wellendichtungssysteme in Strömungsmaschinen wie z.B. Abgasturboladern haben die Aufgabe, einen Spalt, der sich zwischen einem Lagergehäuseinnenraum und einem Radseitenraum erstreckt, abzudichten. Bei einem Abgasturbolader ist der jeweilige Lagergehäuseinnenraum verdichterseitig gegenüber der angesaugten Luft und turbinenseitig gegenüber dem Abgas abzudichten. Hierzu umfassen aus der Praxis bekannte Wellendichtsysteme ein Dichtelement, welches dann, wenn bei laufendem Rotor ein im Radseitenraum herrschender Druck grösser als ein im Lagergehäuseinnenraum herrschender Druck ist, einer Leckageströmung vom Radseitenraum in den Lagergehäuseinnenraum entgegenwirkt. Eine Restleckageströmung, die vom Radseitenraum in den Lagergehäuseinnenraum strömen kann, wird auch als Blow-by bezeichnet.

[0003] Insbesondere bei Grossmotoren kann sich im Stillstand eines turbinenseitigen Rotors sowie eines verdichterseitigen Rotors des Abgasturboladers im jeweiligen Radseitenraum relativ zum jeweiligen Lagergehäuseinnenraum ein Unterdrück ausbilden, sodass dann die Gefahr besteht, dass im Stillstand trotz vorhandenem Dichtelement eine Leckage ausgehend vom Lagergehäuseinnenraum in den Radseitenraum strömt. Insbesondere dann, wenn zur Nachkühlung im Bereich des Verdichters bzw. der Turbine Öl verwendet wird, kann diese Leckageströmung im Stillstand dazu führen, dass Öl in den Bereich des Radseitenraums gelangt, der dann infolge der hohen Bauteiltemperaturen zu Verkokungen des Öls im Bereich des Radseitenraums führt. Derartige Ölverkokungen sind hart und führen zu einer Schädigung des Laufrads des jeweiligen Rotors.

[0004] Aus der DE 10 2004 055 429 B3 ist ein Wellendichtsystem für einen Abgasturbolader bekannt, welches einen ringförmigen Dichtsteg umfasst, der in einem Ölablaufkanal vorgesehen ist und zwischen Dichtungen positioniert ist.

[0005] Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein neuartiges Wellendichtungssystem einer Strömungsmaschine zu schaffen. Diese Aufgabe wird durch ein Wellendichtungssystem nach Anspruch 1 gelöst. Erfindungsgemäss umfasst das Wellendichtungssystem ein zweites Dichtelement, welches dann, wenn insbesondere bei stillstehendem rotorseitigem Bauteil ein im Radseitenraum herrschender Druck kleiner als ein im Lagergehäuseinnenraum herrschender Druck ist, einer Leckageströmung vom Lagergehäuseinnenraum in den Radseitenraum entgegenwirkt.

[0006] Bei dem erfindungsgemässen Wellendichtsystem besteht keine Gefahr, dass dann, wenn im jeweiligen Radseitenraum ein Unterdrück relativ zum jeweiligen Lagergehäuseinnenraum herrscht, eine Leckageströmung vom Lagergehäuseinnenraum in den Radseitenraum strömt. Das erfindungsgemäss vorgesehene zweite Dichtelement wirkt dieser Leckageströmung entgegen. Einer Verkokungsgefahr im Radseitenraum kann somit effektiv entgegengewirkt werden.

[0007] Nach einer vorteilhaften Weiterbildung ist das zweite Dichtelement als membranartiges Dichtelement ausgebildet, welches am statorseitigen Bauteil derart befestigt ist, dass dasselbe dann, wenn der im Radseitenraum herrschende Druck kleiner als der im Lagergehäuseinnenraum herrschende Druck ist, an einer Planfläche des rotorseitigen Bauteils dichtend anliegt, und welches dann, wenn der im Radseitenraum herrschende Druck grösser als der im Lagergehäuseinnenraum herrschende Druck ist, von der Planfläche des rotorseitigen Bauteils unter Zulassen eines Blow-by vom Radseitenraum in den Lagergehäuseinnenraum abgehoben ist.

[0008] Die Verwendung eines solchen membranartigen Dichtelements lässt mit einfachen Mitteln bei einem Überdruck im Radseitenraum relativ zum Lagergehäuseinnenraum den sogenannten Blow-by vom Radseitenraum in den Lagergehäuseinnenraum zu. Dann hingegen, wenn im Radseitenraum relativ zum Lagergehäuseinnenraum ein Unterdrück herrscht, wird eine Leckageströmung vom Lagergehäuseinnenraum in den Radseitenraum effektiv verhindert.

[0009] Vorzugsweise ist das membranartige Dichtelement mit einem ersten, radial äusseren Abschnitt an einer dem Lagergehäuseinnenraum zugewandten Planfläche des statorseitigen Bauteils befestigt, wobei das membranartige Dichtelement mit einem zweiten, radial inneren Abschnitt dann, wenn der im Radseitenraum herrschende Druck kleiner als der im Lagergehäuseinnenraum herrschende Druck ist, an der Planfläche des rotorseitigen Bauteils, die dem Lagergehäuseinnenraum zugewandt ist, dichtend anliegt. Diese Ausführung des membranartigen Dichtelements ist besonders einfach und bevorzugt.

[0010] Nach einer vorteilhaften Weiterbildung ist die Planfläche des rotorseitigen Bauteils, an welcher das membranartige Dichtelement dann, wenn der im Radseitenraum herrschende Druck kleiner als der im Lagergehäuseinnenraum herrschende Druck ist, anliegt, durch einem Absatz am rotorseitigen Bauteil begrenzt, der dann, wenn das membranartige Dichtelement an der Planfläche des rotorseitigen Bauteils anliegt, mit einem radial inneren Rand des zweites Dichtelements einen Spalt definiert. Hiermit kann die Dichtwirkung des membranartigen Dichtelements weiter verbessert werden.

[0011] Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:

Fig. 1: eine schematisierte Ansicht eines erfindungsgemässen Wellendichtungssystems in einem ersten Zustand; und

Fig. 2: eine schematisierte Ansicht des erfindungsgemässen Wellendichtungssystems in einem zweiten Zustand.

[0012] Die hier vorliegende Erfindung betrifft ein Wellendichtungssystem einer Strömungsmaschine, insbesondere eines Abgasturboladers, sowie einen Abgasturbolader mit einem solchen Wellendichtungssystem.

[0013] Der grundsätzliche Aufbau eines Abgasturboladers ist dem hier angesprochenen Fachmann bekannt. So verfügt ein Abgasturbolader über eine Turbine und einen Verdichter, wobei in der Turbine Abgas einer Brennkraftmaschine entspannt wird, um Energie zu gewinnen. Die im Bereich der Turbine bei der Abgasentspannung gewonnene Energie kann im Bereich des Verdichters genutzt werden, um der Brennkraftmaschine zuzuführende Ladeluft zu verdichten.

[0014] Die Turbine eines Abgasturboladers verfügt über einen Turbinenrotor und ein Turbinengehäuse, wobei der Verdichter über einen Verdichterrotor und ein Verdichtergehäuse verfügt. Sowohl im Bereich der Turbine als auch im Bereich des Verdichters sind ein sogenannter Lagergehäuseinnenraum und ein Radseitenraum ausgebildet, wobei sich zwischen dem Lagergehäuseinnenraum und dem Radseitenraum ein Spalt erstreckt, der einerseits, nämlich radial aussen, vom jeweiligen statorseitigen Gehäuse und andererseits, nämlich radial innen, vom jeweiligen Rotor begrenzt ist.

[0015] Fig. 1 und 2 zeigen stark schematisiert einen Ausschnitt aus einem Abgasturbolader im Bereich einer Turbine, wobei in Fig. 1 einerseits als statorseitiges Bauteil 10 das Turbinengehäuse und andererseits als rotorseitiges Bauteil 11 der Turbinenrotor gezeigt sind. Der Turbinenrotor 11 umfasst eine Welle 12 sowie Laufschaufeln 13.

[0016] Gemäss Fig. 1 und 2 ist zwischen dem statorseitigen Bauteil 10 und dem rotorseitigen Bauteil 11 ein Spalt 14 ausgebildet, der sich zwischen einem Lagergehäuseinnenraum 15 und einem Radseitenraum 16 erstreckt.

[0017] Zur Abdichtung dieses Spalts 14 ist ein erstes Dichtelement 17 vorhanden, welches im gezeigten Ausführungsbeispiel als Kolbenringdichtung ausgebildet ist. Dieses erste, im gezeigten Ausführungsbeispiel als Kolbenringdichtung ausgebildete Dichtelement 17 ist gemäss Fig. 1 und 2 in einer Nut 18 des rotorseitigen Bauteils 11 angeordnet und dichtet den Spalt 14 gegenüber dem statorseitigen Bauteil 10 ab. Ein solches vorzugsweise als Kolbendichtring ausgebildetes, erstes Dichtelement 17 ist insbesondere dann zur Abdichtung des Spalts 14 wirksam, wenn insbesondere bei laufendem rotorseitigem Bauteil 11, dessen Drehzahl n > 0 ist, im Radseitenraum 16 relativ zum Lagergehäuseinnenraum 15 ein grösserer Druck herrscht, wobei jedoch dieses erste Dichtelement 17 eine Restleckageströmung, die auch als Blow-by bezeichnet wird, ausgehend vom Radseitenraum 16 in den Lagergehäuseinnenraum 15 zulässt.

[0018] Um dann, wenn insbesondere bei stillstehendem rotorseitigem Bauteil 11 (n = 0) im Lagergehäuseinnenraum 15 ein grösserer Druck herrscht als im Radseitenraum 16, eine Leckageströmung vom Lagergehäuseinnenraum 15 in den Radseitenraum 16 mit einfachen Mitteln sicher und zuverlässig zu verhindern, umfasst das erfindungsgemässe Wellendichtsystem ein zweites Dichtelement 19. Dieses zweite Dichtelement 19 unterbindet dann, wenn der im Radseitenraum 16 herrschende Druck kleiner als der im Lagergehäuseinnenraum 15 herrschende Druck ist, eine Leckageströmung vom Lagergehäuseinnenraum 15 in den Radseitenraum 16. Es besteht dann keine Gefahr, dass bei einem Unterdrück im Radseitenraum 16 relativ zum Lagergehäuseinnenraum 15 zum Beispiel zur Kühlung verwendetes Öl in den Bereich des Radseitenraums 16 gelangt und dort verkokt.

[0019] Beim zweiten Dichtelement 19 handelt es sich vorzugsweise um ein membranartiges Dichtelement. Dieses membranartige Dichtelement 19, welches auch als Dichtmembran bezeichnet werden kann, ist am statorseitigen Bauteil 10 derart befestigt, dass dasselbe dann, wenn der im Radseitenraum 16 herrschende Druck kleiner als der im Lagergehäuseinnenraum 15 herrschende Druck ist, an einer Planfläche 20 des rotorseitigen Bauteils 11 dichtend anliegt (siehe Fig. 2), wohingegen das membranartige Dichtelement 19 dann, wenn der im Radseitenraum 16 herrschende Druck grösser als der im Lagergehäuseinnenraum 15 herrschende Druck ist, von der Planfläche 20 des rotorseitigen Bauteils 11 abgehoben ist und so den Blow-by zulässt (siehe Fig. 1).

[0020] Im gezeigten, bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das zweite, membranartige Dichtelement 19 mit einem ersten, radial äusseren Abschnitt 21 an einer dem Lagergehäuseinnenraum 15 zugewandten Planfläche 22 des statorseitigen Bauteils 10 befestigt. Dann, wenn der im Radseitenraum 16 herrschende Druck kleiner als der im Lagergehäuseinnenraum 15 herrschende Druck ist, liegt das membranartige Dichtelement mit einem zweiten, radial inneren Abschnitt 23 an der Planfläche 20 des rotorseitigen Bauteils 11, die ebenfalls dem Lagergehäuseinnenraum 15 zugewandt ist, dichtend an. Dann hingegen, wenn der im Radseitenraum 16 herrschende Druck grösser als der im Lagergehäuseinnenraum 15 herrschende Druck ist, ist dieser zweite, radial innere Abschnitt 23 des membranartigen, zweiten Dichtelements 19 von der Planfläche 20 des rotorseitigen Bauteils 11 abgehoben.

[0021] Die Planfläche 22 des statorseitigen Bauteils 10, an welcher der erste, radial äussere Abschnitt 21 des membranartigen Dichtelements 19 befestigt ist, ist gemäss Fig. 1 und 2 an der gleichen Axialposition angeordnet wie die Planfläche 20 des rotorseitigen Bauteils 11, an welcher bei Unterdrück im Radseitenraum 16 der zweite, radial innere Abschnitt 23 des membranartigen Dichtelements 19 anliegt. Dabei ist die Planfläche 22 des statorseitigen Bauteils 10 radial ausserhalb der Planfläche 20 des statorseitigen Bauteils 11 angeordnet.

[0022] Im gezeigten, bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Planfläche 20 des rotorseitigen Bauteils 11, an welcher das membranartige Dichtelement 19 dann anliegt, wenn im Radseitenraum 16 relativ zum Lagergehäuseinnenraum 15 ein Unterdrück herrscht, durch einen Absatz 24 am rotorseitigen Bauteil 11 begrenzt.

[0023] Dann, wenn der zweite, radial innere Abschnitt 23 des membranartigen Dichtelements 19 an der Planfläche 20 des rotorseitigen Bauteils 11 anliegt, begrenzt ein radial innerer Rand 25 des membranartigen Dichtelements 19 mit diesem Absatz 24 einen Spalt. Hierdurch kann die Dichtwirkung des Wellendichtsystems bei Unterdrück im Radseitenraum 16 relativ zum Lagergehäuseinnenraum 15 weiter verbessert werden.

[0024] Das membranartige Dichtelement 19 kann aus einem Kunststoff oder Metall bestehen, der Werkstoff muss lediglich auf die im Bereich des Wellendichtungssystems herrschenden Temperaturen ausgelegt sein. Die Dicke des membranartigen Dichtelements 19 ist derart bemessen, dass dieselbe an Druckdifferenzen zwischen dem Lagergehäuseinnenraum 15 und dem Radseitenraum 16 angepasst ist, um den Spalt 14 bei Herrschen eines Unterdrucks im Radseitenraum 16 relativ zum Lagergehäuseinnenraum 15 sicher abzudichten und bei Herrschen eines Überdrucks im Radseitenraum 16 relativ zum Lagergehäuseinnenraum 15 den Blow-by zuzulassen. Der Blow-by vom Radseitenraum 16 in den Lagergehäuseinnenraum 15 wird demnach durch das zweite Dichtelement 19 nicht behindert, lediglich wird eine entgegengesetzte Leckageströmung vom Lagergehäuseinnenraum 15 in den Radseitenraum 16 verhindert.

[0025] Das erfindungsgemässe Wellendichtsystem kann sowohl im Bereich der Turbine des Abgasturboladers als auch im Bereich des Verdichters des Abgasturboladers zum Einsatz kommen. Ferner kann das Wellendichtsystem auch bei anderen Strömungsmaschinen, wie zum Beispiel bei sogenannten Powerturbinen, zum Einsatz kommen.

Bezugszeichenliste [0026] 10 Bauteil 11 Bauteil 12 Welle 13 Laufrad 14 Spalt 15 Lagergehäuseinnenraum 16 Radseitenraum 17 Dichtelement 18 Nut 19 Dichtelement 20 Planfläche 21 Abschnitt 22 Abschnitt 23 Planfläche 24 Absatz 25 Rand

Claims

Patentansprüche

1. Wellendichtungssystem einer Strömungsmaschine, zur Abdichtung eines zwischen einem Lagergehäuseinnenraum (15) und einem Radseitenraum (16) verlaufenden Spalts (14), der von einem rotorseitigen Bauteil (11) und einem statorseitigen Bauteil (10) begrenzt ist, mit einem ersten Dichtelement (17), welches dann, wenn insbesondere bei laufendem rotorseitigem Bauteil (11) ein im Radseitenraum (16) herrschender Druck grösser als ein im Lagergehäuseinnenraum (15) herrschender Druck ist, einer Leckageströmung vom Radseitenraum (16) in den Lagergehäuseinnenraum (15) entgegenwirkt, gekennzeichnet durch ein zweites Dichtelement (19), welches dann, wenn insbesondere bei stillstehendem rotorseitigem Bauteil (11) ein im Radseitenraum (16) herrschender Druck kleiner als ein im Lagergehäuseinnenraum (15) herrschender Druck ist, einer Leckageströmung vom Lagergehäuseinnenraum (15) in den Radseitenraum (16) entgegenwirkt.
2. Wellendichtungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Dichtelement (19) als membranartiges Dichtelement ausgebildet ist, welches am statorseitigen Bauteil (10) derart befestigt ist, dass dasselbe dann, wenn der im Radseitenraum (16) herrschende Druck kleiner als der im Lagergehäuseinnenraum (15) herrschende Druck ist, an einer Planfläche (20) des rotorseitigen Bauteils (11) dichtend anliegt, und welches dann, wenn der im Radseitenraum (16) herrschende Druck grösser als der im Lagergehäuseinnenraum (15) herrschende Druck ist, von der Planfläche (20) des rotorseitigen Bauteils (11) abgehoben ist.
3. Wellendichtungssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das membranartige Dichtelement (19) mit einem ersten, radial äusseren Abschnitt (21) an einer dem Lagergehäuseinnenraum (15) zugewandten Planfläche (22) des statorseitigen Bauteils (10) befestigt ist.
4. Wellendichtungssystem nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das membranartige Dichtelement (19) mit einem zweiten, radial inneren Abschnitt (23) dann, wenn der im Radseitenraum (16) herrschende Druck kleiner als der im Lagergehäuseinnenraum (15) herrschende Druck ist, an der Planfläche (20) des rotorseitigen Bauteils (11), die dem Lagergehäuseinnenraum (15) zugewandt ist, dichtend anliegt.
5. Wellendichtungssystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das membranartige Dichtelement (19) mit dem zweitem, radial inneren Abschnitt (23) dann, wenn der im Radseitenraum (16) herrschende Druck grösser als der im Lagergehäuseinnenraum (15) herrschende Druck ist, von der Planfläche (20) des rotorseitigen Bauteils (11), die dem Lagergehäuseinnenraum (15) zugewandt ist, unter Zulassen einer Restleckageströmung vom Radseitenraum (16) in den Lagergehäuseinnenraum (15) abgehoben ist.
6. Wellendichtungssystem nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Planfläche (20) des rotorseitigen Bauteils (11), an welcher das membranartige Dichtelement (19) dann, wenn der im Radseitenraum (16) herrschende Druck kleiner als der im Lagergehäuseinnenraum (15) herrschende Druck ist, anliegt, durch einen Absatz (24) am rotorseitigen Bauteil (11) begrenzt ist.
7. Wellendichtungssystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Absatz (24) dann, wenn das membranartige Dichtelement (19) an der Planfläche (20) des rotorseitigen Bauteils (11) anliegt, mit einem radial inneren Rand (25) des zweites Dichtelements (19) einen Spalt definiert.
8. Wellendichtungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das membranartige Dichtelement (19) aus Kunststoff oder Metall besteht und in seiner Dicke an Druckdifferenzen zwischen dem Lagergehäuseinnenraum (15) und dem Radseitenraum (16) angepasst ist.
9. Wellendichtungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Dichtelement (17) als Kolbenringdichtung oder als Bürstendichtung oder als Labyrinthdichtung ausgebildet ist.
10. Abgasturbolader, mit einer Turbine und einem Verdichter, wobei die Turbine einen Turbinenrotor und ein Turbinengehäuse aufweist, wobei der Verdichter einen Verdichterrotor und ein Verdichtergehäuse aufweist, und wobei sowohl im Bereich der Turbine als auch im Bereich des Verdichters von dem jeweiligen Rotor und dem jeweiligen Gehäuse ein Spalt begrenzt ist, der zwischen einem entsprechenden Lagergehäuseinnenraum und einem entsprechenden Radseitenraum verläuft und der von einem Wellendichtungssystem abgedichtet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Wellendichtungssystem der Turbine und/oder das Wellendichtungssystem des Verdichters nach einem der Ansprüche 1 bis 9 ausgebildet ist.