DE102017105756A1 - Turbolader - Google Patents

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Björn Hoßbach
Santiago UHLENBROCK
David JERABEK
Lukas Bozek
Stefan ROST
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Abstract

Turbolader, mit einer Turbine (1) zur Entspannung eines ersten Mediums, mit einem Verdichter zur Verdichtung eines zweiten Mediums unter Nutzung von in der Turbine bei Entspannung des ersten Mediums gewonnener Energie, wobei die Turbine (1) ein Turbinengehäuse (3) mit einem Turbinenzuströmgehäuse (4) und einen Turbinenrotor (6) aufweist, wobei der Verdichter ein Verdichtergehäuse und einen mit dem Turbinenrotor (6) über eine Welle (7) gekoppelten Verdichterrotor aufweist, wobei das Turbinengehäuse (3) und das Verdichtergehäuse jeweils mit einem zwischen denselben angeordneten Lagergehäuse (2), in welchem die Welle (7) gelagert ist, verbunden sind, und wobei das Turbinenzuströmgehäuse (4) derart spiralartig, einstückig und doppelwandig ausgebildet, dass zwischen einer äußeren Wand (15) des Turbinenzuströmgehäuses (4) und einer inneren Wand (16) des Turbinenzuströmgehäuses (4) ein Wasserkanal (17) zur Führung von Kühlwasser ausgebildet ist, und dass sich an die den Wasserkanal (17) begrenzende, innere Wand (16) des Turbinenzuströmgehäuses (4) an einer vom Wasserkanal (17) abgewandten Seite der inneren Wand (16) ein Führungskanal (18) des zu entspannenden ersten Mediums unmittelbar anschließt.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Turbolader.
  • Ein Turbolader verfügt über eine Turbine zur Entspannung eines ersten Mediums, insbesondere zur Entspannung von Abgas, sowie über einen Verdichter zur Verdichtung eines zweiten Mediums, insbesondere von Ladeluft, unter Nutzung der bei der Entspannung des ersten Mediums in der Turbine gewonnenen Energie. Die Turbine verfügt über ein Turbinengehäuse sowie einen Turbinenrotor. Der Verdichter verfügt über ein Verdichtergehäuse sowie einen Verdichterrotor. Turbinenrotor und Verdichterrotor sind über eine Welle gekoppelt, die in einem Lagergehäuse gelagert ist, wobei das Lagergehäuse einerseits mit dem Turbinengehäuse und andererseits mit dem Verdichtergehäuse verbunden ist.
  • Das Turbinengehäuse der Turbine des Turboladers verfügt über ein Turbinenzuströmgehäuse, über welches das zu entspannende Medium, insbesondere heißes Abgas, dem Turbinenrotor zugeführt werden kann. Das Turbinengehäuse ist hohen thermischen Belastungen ausgesetzt. Ein weiteres Problem von bekannten Turbinenzuströmgehäusen ist die sogenannte Containment-Sicherheit. Dann, wenn insbesondere der Turbinenrotor bricht, können Bruchstücke desselben ein Bersten des Turbinenzuströmgehäuses verursachen. Hierdurch wird die Lebensdauer des Turbinenzuströmgehäuses beschränkt.
  • Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen neuartigen Turbolader zu schaffen. Diese Aufgabe wird durch einen Turbolader nach Anspruch 1 gelöst.
  • Erfindungsgemäß ist das Turbinenzuströmgehäuse spiralartig, einstückig und doppelwandig ausgebildet, wobei zwischen einer äußeren Wand des Turbinenzuströmgehäuses und einer inneren Wand des Turbinenzuströmgehäuses ein Wasserkanal zur Führung von Kühlwasser ausgebildet ist, und wobei sich an die den Wasserkanal begrenzende, innere Wand des Turbinenzuströmgehäuses an einer vom Wasserkanal abgewandten Seite der inneren Wand ein Führungskanal des ersten Mediums unmittelbar anschließt. Durch die Kühlung des spiralartigen, einstückigen und doppelwandigen Turbinenzuströmgehäuses über das durch den Wasserkanal geführte Kühlwasser wird die thermische Belastung des Turbinenzuströmgehäuses reduziert. Die einstückige und doppelwandige Ausführung des Turbinenzuströmgehäuses erhöht weiterhin die Containment-Sicherheit desselben. Dadurch kann insgesamt die Lebensdauer eines Turbinenzuströmgehäuses verlängert werden.
  • Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist innerhalb des Wasserkanals eine in Umfangsrichtung gesehen umlaufende, sich zwischen der äußeren Wand und der inneren Wand ersteckende Trennwand ausgebildet, die im Bereich von in die äußere Wand eingebrachten Kernlochbohrungen unterbrochen ist, wobei die Trennwand zusammen mit der äußeren Wand und der inneren Wand integraler Bestandteil des spiralartigen, einstückigen und doppelwandigen Turbinenzuströmgehäuses ist. Die Trennwand erlaubt eine uneingeschränkte Kühlung des Turbinenzuströmgehäuses über das Kühlwasser. Ferner erhöht die Trennwand die Steifigkeit des Turbinenzuströmgehäuses und dessen Containment-Sicherheit.
  • Vorzugsweise unterteilt die Trennwand den Wasserkanal in zwei Teilkanäle, die über sich in die Trennwand hinein erstreckenden Kernlochbohrungen miteinander gekoppelt sind, wobei vorzugsweise jede der sich in Radialrichtung erstreckenden Kernlochbohrungen sich in die Trennwand hinein erstreckt, sodass die Trennwand im Bereich jeder dieser Kernlochbohrungen unterbrochen ist. Auch diese Merkmale dienen der einfachen und effektiven Kühlung des Turbinenzuströmgehäuses sowie der einfachen und effektiven Erhöhung der Containment-Sicherheit. Hierdurch kann die Lebensdauer des Turbinenzuströmgehäuses erhöht werden.
  • 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:
    • 1: einen ausschnittsweisen Querschnitt in Axialrichtung durch einen erfindungsgemäßen Turbolader im Bereich einer Turbine und eines Lagergehäuses; und
    • 2 einen Querschnitt in Radialrichtung durch ein Turbinenzuströmgehäuse der Turbine der 1.
  • 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 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 Verdichtergehäuse positioniert und sowohl mit dem Turbinengehäuse und dem Verdichtergehäuse verbunden ist. Dieser grundsätzliche Aufbau eines Turboladers ist dem hier angesprochenen Fachmann geläufig.
  • 1 zeigt einen ausschnittsweisen, schematisierten Querschnitt durch einen Turbolader im Bereich einer Turbine 1 sowie eines Lagergehäuses 2. Die Turbine 1 verfügt über ein Turbinengehäuse 3, wobei das Turbinengehäuse 3 ein Turbinenzuströmgehäuse 4 sowie ein Einsatzstück 5 umfasst.
  • Ferner weist die Turbine 1 einen Turbinenrotor 6 auf. Der Turbinenrotor 6 der Turbine 1 ist über eine Welle 7 mit einem nicht gezeigten Verdichterrotor des Verdichters des Turboladers gekoppelt, wobei die Welle 7 in dem Lagergehäuse 2 gelagert ist.
  • Das Turbinengehäuse 3, nämlich das Turbinenzuströmgehäuse 4, ist an einer Seite 8 desselben mit dem Lagergehäuse 2 verbunden, und zwar im gezeigten Ausführungsbeispiel über eine Spannpratzenverbindung 9, die eine Spannpratze 10 sowie mehrere Befestigungsschrauben 11 umfasst. Die Spannpratze 10 überdeckt an dieser axialen Seite 8 des Turbinenzuströmgehäuses 4 einen Abschnitt 12 des Turbinenzuströmgehäuses 4 sowie einen Abschnitt 13 des Lagergehäuses 2, wobei sich die Befestigungsschrauben 11 in Axialrichtung durch die Spannpratze 10 hindurch in den Abschnitt 12 des Lagergehäuses 4 hinein erstrecken und das Turbinenzuströmgehäuse 4 und das Lagergehäuse 2 miteinander verklemmen. An einer dieser axialen Seite 8 gegenüberliegenden axialen Seite 14 des Turbinengehäuses 3 ist das Einsatzstück 5 positioniert, welches an dieser axialen Seite gegenüber dem Turbinenzuströmgehäuse 4 vorsteht und das im Bereich des Turbinenrotors 6 entspannte erste Medium von der Turbine 1 abführt.
  • Das Turbinenzuströmgehäuse 4 des erfindungsgemäßen Turboladers ist spiralartig, einstückig und doppelwandig ausgebildet, nämlich derart, dass zwischen einer äußeren Wand 15 des Turbinenzuströmgehäuses 4 und einer inneren Wand 16 des Turbinenzuströmgehäuses 4 ein Wasserkanal 17 für Kühlwasser ausgebildet ist, wobei dieses Kühlwasser der Kühlung des Turbinenzuströmgehäuses dient. Der Wasserkanal 17 wird demnach radial außen von der äußeren Wand 15 und radial innen von der inneren Wand 16 des spiralartigen, einstückigen Turbinenzuströmgehäuses 4 begrenzt, wobei sich an einer vom Wasserkanal 17 abgewandten Seite der inneren Wand 16 unmittelbar ein Führungskanal 18 des Turbinenzuströmgehäuses 4 für das noch zu entspannende, erste Medium anschließt.
  • Der Wasserkanal 17 reduziert die thermische Belastung des Turbinenzuströmgehäuses 4, ferner erhöht der Wasserkanal 17 die Containment-Sicherheit desselben. Insgesamt kann die Lebensdauer des Turbinenzuströmgehäuses 4 erhöht werden.
  • Im gezeigten, bevorzugten Ausführungsbeispiel ist innerhalb des Wasserkanals 17 eine in Umfangsrichtung des Zuströmgehäuses 4 gesehen umlaufende, sich zwischen der äußeren Wand 15 und der inneren Wand 16 erstreckende Trennwand 19 ausgebildet, die von sich in die äußere Wand 15 des Turbinenzuströmgehäuses 4 eingebrachten, sich in Radialrichtung erstreckenden Kernlochbohrungen 20 unter Ausbildung von Ausnehmungen 21 in der Trennwand 19 unterbrochen ist. Dabei ist der Wasserkanal 17 über die Trennwand 19 in zwei Teilkanäle 17a, 17b unterteilt, wobei diese beiden Teilkanäle 17a, 17b im Bereich der Kernlochbohrungen 20 durch die sich in die Trennwand 19 hinein erstreckenden Kernlochbohrungen 20, die im Bereich der Trennwand 19 die Durchbrüche 21 bereitstellen, gekoppelt sind. Dadurch wird ein Übertritt des Kühlwassers zwischen den beiden Teilkanälen 17a, 17b ermöglicht.
  • In Umfangsrichtung gesehen sind über die äußere Wand 15 des Turbinenzuströmgehäuses 4 mehrere derartige sich in Radialrichtung erstreckende Kernlochbohrungen 20 verteilt, wobei sich jede der in Radialrichtung erstreckenden Kernlochbohrungen 20 in die Trennwand 19 hinein erstreckt, sodass an mehreren Umfangspositionen, nämlich überall dort, wo Kernlochbohrungen 20 ausgebildet sind, ein Übertritt des Kühlwassers zwischen den Teilkanälen 17a, 17b des Wasserkanals 17 möglich ist.
  • Wie bereits ausgeführt, ist das Turbinenzuströmgehäuse 4 einstückig bzw. monolithisch ausgeführt, wobei die Trennwand 19 zusammen mit der äußeren Wand 15 und der inneren Wand 16 integraler Bestandteil des einstückigen bzw. monolithischen Turbinenzuströmgehäuses 4 ist, welches vorzugsweise durch Gießen hergestellt wird.
  • Wie bereits ausgeführt, ist Wasserkanal 17 über die Trennwand 19 in die beiden Teilkanäle 17a, 17b unterteilt, die über die Durchbrüche 21 gekoppelt sind. Dabei erstreckt sich der Teilkanal 17a im Bereich der axialen Seite 8 und der Teilkanal 17b im Bereich der axialen Seite 14 des Turbinenzuströmgehäuses 4.
  • Im gezeigten, bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist dabei vorgesehen, dass sich der Teilkanal 17a radial innen im Bereich der axialen Seite 8 derart nach radial innen erstreckt, dass derselbe in Radialrichtung gesehen einen Abstand von dem Abschnitt 12 des Turbinenzuströmgehäuses 4 aufweist, in welchen sich die Befestigungsschrauben 11 der Spannpratzenverbindung 9 hinein erstrecken. Der an der gegenüberliegenden axialen Seite 14 verlaufende Teilkanal 17b erstreckt sich ebenfalls nach radial innen, und zwar derart, dass der Teilkanal 17b an der axialen Seite 14 des Turbinenzuströmgehäuses 4 in Radialrichtung gesehen sich bis in einen Abschnitt 22 des Turbinenzuströmgehäuses 4 hinein erstreckt, an welchem ein radial äußerer Abschnitt 23 des Einsatzstücks 5 zur Anlage kommt. Hierdurch kann auch vom Einsatzstück 5, nämlich von dem mit dem noch zu entspannenden, ersten Medium in Kontakt kommenden Abschnitt 23 desselben, Wärme effektiv abgeführt werden.
  • Die Erfindung betrifft demnach einen Turbolader, dessen Turbine 1 im gezeigten Ausführungsbeispiel als Radialturbine ausgeführt ist. Dabei betrifft die Erfindung konstruktive Details des Turbinenzuströmgehäuses 4 des Turbinengehäuses 3 der als Radialturbine ausgeführten Turbine 1 des Turboladers. Durch die erfindungsgemäßen Details kann Wärme effektiv vom Turbinenzuströmgehäuse abgeführt werden, um die thermische Belastung desselben zu reduzieren. Ferner dienen die Details der Erhöhung der Containment-Sicherheit. Insgesamt kann die Lebensdauer des Turbinenzuströmgehäuses 4 und damit der Turbine 1 erhöht werden.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Turbine
    2
    Lagergehäuse
    3
    Turbinengehäuse
    4
    Turbinenzuströmgehäuse
    5
    Einsatzstück
    6
    Turbinenrotor
    7
    Welle
    8
    Seite
    9
    Spannpratzenverbindung
    10
    Spannpratze
    11
    Befestigungsschraube
    12
    Abschnitt
    13
    Abschnitt
    14
    Seite
    15
    Wand
    16
    Wand
    17
    Wasserkanal
    17a
    Teilkanal
    17b
    Teilkanal
    18
    Führungskanal
    19
    Trennwand
    20
    Kernlochbohrung
    21
    Durchbruch
    22
    Abschnitt
    23
    Abschnitt

Claims (8)

  1. Turbolader, mit einer Turbine (1) zur Entspannung eines ersten Mediums, mit einem Verdichter zur Verdichtung eines zweiten Mediums unter Nutzung von in der Turbine (1) bei der Entspannung des ersten Mediums gewonnener Energie, wobei die Turbine (1) ein Turbinengehäuse (3) mit einem Turbinenzuströmgehäuse (4) und einen Turbinenrotor (6) aufweist, wobei der Verdichter ein Verdichtergehäuse und einen mit dem Turbinenrotor (6) über eine Welle (7) gekoppelten Verdichterrotor aufweist, wobei das Turbinengehäuse (3) und das Verdichtergehäuse jeweils mit einem zwischen denselben angeordneten Lagergehäuse (2), in welchem die Welle (7) gelagert ist, verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Turbinenzuströmgehäuse (4) derart spiralartig, einstückig und doppelwandig ausgebildet, dass zwischen einer äußeren Wand (15) des Turbinenzuströmgehäuses (4) und einer inneren Wand (16) des Turbinenzuströmgehäuses (4) ein Wasserkanal (17) zur Führung von Kühlwasser ausgebildet ist, und dass sich an die den Wasserkanal (17) begrenzende, innere Wand (16) des Turbinenzuströmgehäuses (4) an einer vom Wasserkanal (17) abgewandten Seite der inneren Wand (16) ein Führungskanal (18) des zu entspannenden ersten Mediums unmittelbar anschließt.
  2. Turbolader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Wasserkanals (17) eine in Umfangsrichtung gesehen umlaufende, sich zwischen der äußeren Wand (15) und der inneren Wand (16) ersteckende Trennwand (19) ausgebildet ist, die von in die äußere Wand (15) eingebrachten, sich in Radialrichtung erstreckenden Kernlochbohrungen (20) unterbrochen ist.
  3. Turbolader nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennwand (19) den Wasserkanal (17) in zwei Teilkanäle (17a, 17b) unterteilt, die über die sich in die Trennwand (19) hinein erstreckenden Kernlochbohrungen (20) miteinander gekoppelt sind.
  4. Turbolader nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass jede der sich in Radialrichtung erstreckenden Kernlochbohrungen (20) sich in die Trennwand (19) hinein erstreckt, sodass die Trennwand (19) im Bereich jeder dieser Kernlochbohrungen (20) unterbrochen ist.
  5. Turbolader nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennwand (19) zusammen mit der äußeren Wand (15) und der inneren Wand (16) Bestandteil des spiralartigen, einstückigen und doppelwandigen Turbinenzuströmgehäuses (4) ist.
  6. Turbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Turbinenzuströmgehäuse (4) an einer ersten axialen Seite (8) mit einen ersten Abschnitt (12) an das Lagergehäuse (2) und an einer zweiten axialen Seite (14) mit einem zweiten Abschnitt (22) an ein Einsatzstück (5) angrenzt, wobei der Wasserkanal (17) an der ersten axialen Seite (8) in Radialrichtung gesehen mit Abstand vom ersten Abschnitt (12) endet.
  7. Turbolader nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Wasserkanal (17) an der zweiten axialen Seite (14) in Radialrichtung gesehen bis in den zweiten Abschnitt (22) hinein erstreckt.
  8. Turbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbine eine Radialturbine ist.
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