DE102018110235A1

DE102018110235A1 - Turbolader

Info

Publication number: DE102018110235A1
Application number: DE102018110235.6A
Authority: DE
Inventors: Steffen Braun; Daniel Albrecht; Harald Denkel; Stefan WEIHARD; Bernd Haas; Johannes Niebuhr; Urban Spatz
Original assignee: MAN Energy Solutions SE
Current assignee: MAN Energy Solutions SE
Priority date: 2018-04-27
Filing date: 2018-04-27
Publication date: 2019-10-31
Also published as: RU2019112642A; KR20190125173A; JP2019190460A; CH714944A2; CH714944B1; CN110410340A; US20190331128A1

Abstract

Turbolader, mit einer Turbine 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 ein Turbinengehäuse (1) der Turbine und ein Verdichtergehäuse des Verdichters mit einem zwischen denselben angeordneten Lagergehäuse verbunden sind, und mit einer das Turbinengehäuse (1) und/oder das Verdichtergehäuse und/oder das Lagergehäuse radial außen und axial außen zumindest abschnittsweise umgebenden Verschalung (2), die mit dem jeweiligen zu verschalenden Gehäuse (1) über mehrere Befestigungseinrichtungen (5, 6) verbunden ist. Mindestens eine Befestigungseinrichtung (5) bildet eine festlagerartige Anbindung und mindestens eine Befestigungseinrichtung (6) eine loslagerartige Anbindung der Verschalung (2) an dem jeweiligen zu verschalenden Gehäuse (1) aus.

Description

Die Erfindung betrifft eine Verschalung eines Turboladers und einen Turbolader.
Der grundsätzliche Aufbau eines Turboladers ist dem hier angesprochenen Fachmann bekannt. Ein Turbolader verfügt über eine Turbine, in der ein erstes Medium entspannt wird. Ferner verfügt ein Turbolader über einen Verdichter, in dem ein zweites Medium verdichtet wird, und zwar unter Nutzung der in der Turbine bei der Entspannung des ersten Mediums gewonnenen Energie. Die Turbine des Turboladers verfügt über ein Turbinengehäuse sowie einen Turbinenrotor. Der Verdichter des Turboladers verfügt über ein Verdichtergehäuse sowie einen Verdichterrotor. Zwischen dem Turbinengehäuse der Turbine und dem Verdichtergehäuse des Verdichters ist ein Lagergehäuse positioniert, wobei das Lagergehäuse einerseits mit dem Turbinengehäuse und andererseits mit dem Verdichtergehäuse verbunden ist. Im Lagergehäuse ist eine Welle gelagert, über die der Turbinenrotor mit dem Verdichterrotor gekoppelt ist.
Im Betrieb eines Turboladers besteht die Gefahr, dass ein Rotor, so zum Beispiel der Turbinenrotor oder auch der Verdichterrotor, des Turboladers bricht und Bruchstücke des Rotors das entsprechende Gehäuse, also das Turbinengehäuse oder das Verdichtergehäuse, durchschlagen. Dabei besteht dann die Gefahr, dass die Bruchstücke des Turboladers in die Umgebung gelangen. Um diesem Problem des Berstens eines Rotors des Turboladers Rechnung zu tragen, wird bei aus der Praxis bekannten Turboladern das jeweilige Gehäuse derart ausgelegt, dass ein Schadensfall des jeweiligen Gehäuses nicht zu erwarten ist und selbst bei Brechen des jeweiligen Rotors Bruchstücke desselben das jeweilige Gehäuse nicht durchschlagen können. Hierdurch wird jedoch das Gewicht des Turboladers erhöht.
Um das Gewicht des Turboladers nicht unnötig zu erhöhen, ist es aus der Praxis bereits bekannt, einen Turbolader mit einer Verschalung auszurüsten, welche ein Turbinengehäuse und/oder ein Verdichtergehäuse und/oder ein Lagergehäuse des Turboladers radial außen sowie axial außen zumindest abschnittweise umgibt.
Derartige Verschalungen dienen nicht nur der Bereitstellung eines Berstschutzes. Derartige Verschalungen können auch der thermischen Isolierung von Baugruppen des Turboladers dienen.
Die Verschalung eines Turboladers ist mit dem zu verschalenden Gehäuse des Turboladers über mehrere Befestigungseinrichtungen verbunden. Im Betrieb des Turboladers unterliegt das zu verschalende Gehäuse zyklischen thermischen Belastungen, die zu einer thermischen Verformung des zu verschalenden Gehäuses führen. Infolge einer Erhitzung kann sich das zu verschalende Gehäuse ausdehnen und infolge einer Abkühlung zusammenziehen. Hierdurch werden dann Kräfte in die Verschalung bzw. in die Befestigungseinrichtungen, über welche die Verschalung mit dem zu verschalenden Gehäuse verbunden ist, eingetragen, die dazu führen können, dass die Befestigungseinrichtungen, das Gehäuse oder die Verschalung versagen. Dies ist von Nachteil. Ferner neigen Verschalung im Betrieb des Turboladers zu unerwünschten Schwingungen.
Es besteht Bedarf daran, die Verbindung zwischen einem zu verschalenden Gehäuse des Turboladers und einer dasselbe zumindest abschnittweise umgebenden Verschalung zu verbessern. Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen neuartigen Turbolader zu schaffen.
Diese Aufgabe wird einen Turbolader nach Anspruch 1 gelöst. Erfindungsgemäß bildet mindestens eine Befestigungseinrichtung eine festlagerartige Anbindung und mindestens eine Befestigungseinrichtung eine loslagerartige Anbindung der Verschalung an dem jeweiligen zu verschalenden Gehäuse aus. Eine Befestigungseinrichtung, die eine festlagerartige Anbindung der Verschalung an dem jeweiligen zu verschalenden Gehäuse ausbildet, unterbindet eine Relativbewegung zwischen der Verschalung und dem jeweiligen zu verschalenden Gehäuse am Punkt der Lagerung. Eine Befestigungseinrichtung, die eine loslagerartige Anbindung der Verschalung an dem jeweiligen zu verschalenden Gehäuse ausbildet, lässt eine Relativbewegung zwischen der Verschalung und dem jeweiligen zu verschalenden Gehäuse zu. Dadurch, dass mindestens eine Befestigungseinrichtung, die der Befestigung der Verschalung an dem zu verschalenden Gehäuse dient, eine festlageartige Anbindung und mindestens eine Befestigungseinrichtung, die der Befestigung der Verschalung am zu verschalenden Gehäuse dient, eine loslagerartige Anbindung der Verschalung an dem jeweiligen zu verschalenden Gehäuse ausbildet, können Kräfte, die infolge einer zyklisch-thermischen Belastung des zu verschalenden Gehäuses auf die Verschalung, die Gehäuse sowie auf die Befestigungseinrichtungen einwirken, reduziert werden. Beschädigungen der Verschalung, der Befestigungseinrichtungen sowie des Gehäuses können so vermieden werden. Ferner werden Schwingungen der Verschalung vermieden.
Nach einer ersten Weiterbildung der Erfindung lässt die oder die jeweilige loslagerartige Anbindung eine translatorische Relativbewegung zwischen der Verschalung und dem jeweiligen zu verschalenden Gehäuse in radialer Richtung zu. Nach einer zweiten Weiterbildung der Erfindung lässt die oder die jeweilige loslagerartige Anbindung eine translatorische Relativbewegung zwischen der Verschalung und dem jeweiligen zu verschalenden Gehäuse in axialer Richtung zu. Beide vorteilhaften Weiterbildungen erlauben eine definierte Relativbewegung zwischen dem zu verschalenden Gehäuse und der Verschalung, um so zyklische thermische Belastungen des zu verschalenden Gehäuses zu kompensieren und hierdurch in die Verschalung bzw. in die Befestigungseinrichtungen eingeleitete Kräfte zu reduzieren.
Dann, wenn die oder die jeweilige loslagerartige Anbindung eine translatorische Relativbewegung zwischen der Verschalung und dem jeweiligen zu verschalenden Gehäuse in radialer Richtung zulässt, ist vorzugsweise vorgesehen, dass an mindestens einer axialen Wand der Verschalung jeweils eine Befestigungseinrichtung eine festlagerartige Anbindung und jeweils eine Befestigungseinrichtung eine loslagerartige Anbindung bereitstellt. Hiermit kann besonders einfach und zuverlässig eine Relativbewegung zwischen der Verschalung und dem zu verschalenden Gehäuse in radialer Richtung ermöglicht werden.
Dann, wenn die oder die jeweilige loslagerartige Anbindung eine translatorische Relativbewegung zwischen der Verschalung und dem jeweiligen zu verschalenden Gehäuse in axialer Richtung zulässt, ist vorzugsweise vorgesehen, dass an einer axialen Wand der Verschalung eine Befestigungseinrichtung eine festlagerartige Anbindung und an einer radialen Wand der Verschalung eine Befestigungseinrichtung eine loslagerartige Anbindung bereitstellt. Hierdurch kann in einfacher und zuverlässiger Weise eine Relativbewegung zwischen der Verschalung und dem zu verschalenden Gehäuse in axialer Richtung ermöglicht 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 eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Turboladers im Bereich eines Gehäuses des Turboladers und einer Verschalung des Gehäuses in axialer Blickrichtung;
2 einen Querschnitt eines ersten Details der 1;
3 einen Querschnitt eines zweiten Details der 1.

Der grundsätzliche Aufbau eines Turboladers ist dem hier angesprochenen Fachmann geläufig. So umfasst ein Turbolader eine Turbine zur Entspannung eines ersten Mediums, insbesondere zur Entspannung von Abgas, sowie einen Verdichter zur Verdichtung eines zweiten Mediums, insbesondere zur Verdichtung von Ladeluft, und zwar unter Nutzung der bei der Entspannung des ersten Mediums in der Turbine gewonnenen Energie.
Die Turbine verfügt über einen Turbinenrotor und ein Turbinengehäuse. Der Verdichter verfügt über einen Verdichterrotor und ein Verdichtergehäuse. Der Turbinenrotor und der Verdichterrotor sind über eine Welle gekoppelt, die in einem Lagergehäuse des Turboladers gelagert ist, wobei das Lagergehäuse sowohl mit dem Turbinengehäuse als auch mit dem Verdichtergehäuse verbunden ist.
Dann, wenn im Betrieb zum Beispiel der Turbinenrotor oder der Verdichterrotor bricht, können Bruchstücke desselben das jeweilige Gehäuse, also das Turbinengehäuse oder das Verdichtergehäuse, durchschlagen und in die Umgebung gelangen. Dies muss vermieden werden, wozu es bekannt ist, einen Turbolader mit einer Verschalung auszurüsten, welche das Turbinengehäuse und/oder das Verdichtergehäuse und/oder das Lagergehäuse des Turboladers umgibt.
Vorzugsweise kommt im Bereich des Turbinengehäuses sowie des Verdichtergehäuses jeweils eine separate Verschalung zum Einsatz, welche das jeweilige zu verschalende Gehäuse des Turboladers radial außen und axial außen zumindest abschnittweise umgibt.
Derartige Verschalungen dienen nicht nur der Bereitstellung eines Berstschutzes. Derartige Verschalungen können auch der thermischen Isolierung und der Schallisolierung von Baugruppen des Turboladers dienen.
1 zeigt eine Seitenansicht eines Turboladers im Bereich eines Turbinengehäuses 1 und einer das Turbinengehäuse 1 zumindest abschnittsweise außen umgebenden Verschalung 2. Der konkrete Aufbau der Verschalung 2 ist für die hier vorliegende Erfindung ohne Bedeutung.
1 zeigt eine Seitenansicht in axialer Blickrichtung auf das verschalte Gehäuse 1 eines Turboladers, das von der Verschalung 2 zumindest abschnittsweise außen umgeben ist. Bei dem verschalten Gehäuse 1 handelt es sich insbesondere um das Turbinengehäuse der Turbine eines Turboladers.
Die Verschalung 2 verfügt über axiale Wände 3 und radiale Wände 4. So ist vorzugsweise an jeder axialen Seite des zu verschalenden Gehäuses 1 jeweils eine axiale Wand 3 der Verschalung 2 angeordnet, welche das jeweilige zu verschalende Gehäuse 1 axial zumindest abschnittsweise abdeckt. Radial außen deckt eine radiale Wand 4 der Verschalung 2 das jeweilige zu verschalende Gehäuse 1 zumindest abschnittsweise ab.
Die Verschalung 2 ist über Befestigungseinrichtungen 5, 6 mit dem zu verschalenden Gehäuse 1 verbunden. Dabei können sowohl mindestens eine axiale Wand 3 der Verschalung 2 als auch die radiale Wand 4 der Verschalung 2 über Befestigungseinrichtungen mit dem zu verschalenden Gehäuse verbunden sein.
In 1 sind Befestigungseinrichtungen 5, 6 gezeigt, über welche die in 1 sichtbare axiale Wand 3 mit dem zu verschalenden Gehäuse 1 verbunden ist.
2 zeigt einen Querschnitt durch die Anordnung der 1 im Bereich der Befestigungseinrichtung 5. 3 zeigt einen Querschnitt durch die Anordnung der 1 im Bereich der Befestigungseinrichtung 6.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass mindestens eine Befestigungseinrichtung, die der Befestigung der Verschalung 2 am zu verschalenden Gehäuse 1 dient, eine festlagerartige Anbindung der Verschalung 2 am zu verschalenden Gehäuse 1 ausbildet, und dass mindestens eine weitere Befestigungseinrichtung eine loslagerartige Anbindung der Verschalung 2 am jeweiligen zu verschalenden Gehäuse 1 ausbildet.
In 1 bildet die Befestigungseinrichtung 5 eine festlagerartige Anbindung und die Befestigungseinrichtung 6 eine loslagerartige Anbindung der Verschalung 2 an dem jeweiligen zu verschalenden Gehäuse 1 aus. Die Befestigungseinrichtungen 5, 6 erstrecken sich durch die Verschalung 2 hindurch in das zu verschalenden Gehäuse 1 hinein. Die Befestigungseinrichtung 5, die eine festlagerartige Anbindung der Verschalung 2 am zu verschalenden Gehäuse 1 ausbildet und sich durch die axiale Wand 3 der Verschalung 2 hindurch in das zu verschalende Gehäuse 1 hinein erstreckt, unterbindet eine lokale Relativbewegung zwischen der Verschalung 2 und dem jeweiligen zu verschalenden Gehäuse 1. Die Befestigungseinrichtung 6 hingegen, die eine loslagerartige Anbindung der Verschalung 2 am zu verschalenden Gehäuse 1 ausbildet und sich durch die axiale Wand 3 der Verschalung 2 hindurch in das zu verschalende Gehäuse 1 hinein erstreckt, lässt eine lokale Relativbewegung zwischen der Verschalung 2 und dem zu verschalenden Gehäuse 1 in einer einzigen translatorischen Richtung zu.
Im Ausführungsbeispiel der 1 bis 3 lässt die jeweilige loslagerartige Anbindung im Bereich der Befestigungseinrichtung 6 eine translatorische Relativbewegung zwischen der Verschalung 2 und dem jeweiligen zu verschalenden Gehäuse 1 in radialer Richtung zu. Hierbei ist im Ausführungsbeispiel der 1 bis 3 vorgesehen, dass an sich gegenüberliegenden axialen Wänden 3 der Verschalung 2 jeweils eine Befestigungseinrichtung 5 eine festlagerartige Anbindung und jeweils eine Befestigungseinrichtung 6 eine loslagerartige Anbindung bereitstellt.
1 kann entnommen werden, dass die an der in 1 sichtbaren axialen Wand 3 angreifenden Befestigungseinrichtungen 5, 6, einerseits die festlagerartige Anbindung im Bereich der Befestigungseinrichtung 5 und andererseits die loslagerartige Anbindung im Bereich der Befestigungseinrichtung 6 ausbilden, auf einer sich in Radialrichtung erstreckenden Achse liegen. Dabei erstreckt sich die Befestigungseinrichtung 5, welche die festlagerartige Anbindung ausbildet, spielfrei oder nahezu durch eine Ausnehmung in der axialen Wand 3 hindurch in das zu verschalende Gehäuse 1 hinein. Die Befestigungseinrichtung 6 hingegen, welche die loslagerartige Anbindung der Verschalung 2 am zu verschalenden Gehäuse 1 ausbildet, erstreckt sich durch eine als Langloch 8 ausgebildete Ausnehmung der jeweiligen axialen Wand 3 hindurch in das zu verschalende Gehäuse 1 hinein und ist im Langloch 8 geführt.
Die Befestigungseinrichtungen 5, die festlagerartige Anbindungen bereitstellen und die an gegenüberliegenden axialen Wänden 3 ausgebildet sind, liegen auf einer ersten sich in Axialrichtung erstreckenden Achse. An sich gegenüberliegenden axialen Wänden 3 ausgebildete loslagerartige Anbindungen bzw. die Befestigungseinrichtungen 6, die solche loslagerartigen Anbindungen ausbilden, liegen auf einer zweiten sich in Axialrichtung erstreckenden Achse, die vorzugsweise parallel zur ersten Achse verlaufen.
Das Langloch 8, welches in der axialen Wand 3 ausgebildet ist und zusammen mit der Befestigungseinrichtung 6 die loslagerartige Anbindung bereitstellt, erstreckt sich in Radialrichtung des zu verschalenden Gehäuses 1. Im Ausführungsbeispiel der 1 lässt demnach die jeweilige loslagerartige Anbindung eine translatorische Relativbewegung zwischen der Verschalung 2 und dem jeweiligen zu verschalenden Gehäuse 1 in radialer Richtung zu.
Alternativ ist es auch möglich, dass eine jeweilige loslagerartige Anbindung eine translatorische Relativbewegung zwischen der Verschalung 2 und dem jeweiligen zu verschalenden Gehäuse 1 in axialer Richtung zulässt.
Dann, wenn eine loslagerartige Anbindung eine translatorische Relativbewegung zwischen der Verschalung 2 und dem jeweiligen zu verschalenden Gehäuse 1 in axialer Richtung zulässt, ist insbesondere vorgesehen, dass an einer axialen Wand 3 der Verschalung 2 eine Befestigungseinrichtung, die sich durch die axiale Wand 3 der Verschalung 2 hindurch in das zu verschalende Gehäuse 1 hinein erstreckt, eine festlagerartige Anbindung bereitstellt, und dass an einer radialen Wand 4 der Verschalung 2 eine Befestigungseinrichtung, die sich durch die radiale Wand 4 der Verschalung 2 hindurch in das zu verschalende Gehäuse 1 hinein erstreckt, eine loslagerartige Anbindung bereitstellt. Hierzu kann im Bereich der radialen Wand 4 ein sich in Axialrichtung erstreckendes Langloch ausgebildet sein, in welcher die Befestigungseinrichtung geführt ist.
Mit der Erfindung ist insbesondere bei zyklischer thermischer Belastung eines zu verschalenden Gehäuses 1 eines Turboladers eine definierte Relativbewegung zwischen dem zu verschalenden Gehäuse 1 und der Verschalung 2 möglich. Kräfte, die bedingt durch eine zyklische thermische Belastung des Gehäuses 1 über die Befestigungseinrichtungen in die Verschalung 2 eingetragen werden, können reduziert werden. Beschädigungen des zu verschalenden Gehäuses 1, der Befestigungseinrichtungen 4 sowie der Verschalung 2 können so vermieden werden. Mindestens eine Befestigungseinrichtung bildet eine festlagerartige und mindestens eine andere Befestigungseinrichtung eine loslagerartige Anbindung der Verschalung 2 am Gehäuse 1 aus, um eine definierte Relativbewegung zwischen der Verschalung 2 und dem zu verschalenden Gehäuse 1 zu ermöglichen. Ferner werden Schwingungen der Verschalung 2 vermieden.
Bezugszeichenliste

1: Turbinengehäuse
2: Verschalung
3: axiale Wand
4: radiale Wand
5: Befestigungseinrichtung
6: Befestigungseinrichtung
7: Ausnehmung
8: Langloch

Claims

Turbolader, mit einer Turbine 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 ein Turbinengehäuse (1) der Turbine und ein Verdichtergehäuse des Verdichters mit einem zwischen denselben angeordneten Lagergehäuse verbunden sind, mit einer das Turbinengehäuse (1) und/oder das Verdichtergehäuse und/oder das Lagergehäuse radial außen und axial außen zumindest abschnittsweise umgebenden Verschalung (2), die mit dem jeweiligen zu verschalenden Gehäuse (1) über mehrere Befestigungseinrichtungen (5, 6) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Befestigungseinrichtung (5) eine festlagerartige Anbindung und mindestens eine Befestigungseinrichtung (6) eine loslagerartige Anbindung der Verschalung (2) an dem jeweiligen zu verschalenden Gehäuse (1) ausbildet.
Turbolader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Befestigungseinrichtung (5), die eine festlagerartige Anbindung der Verschalung (2) an dem jeweiligen zu verschalenden Gehäuse (1) ausbildet, eine Relativbewegung zwischen der Verschalung (2) und dem jeweiligen zu verschalenden Gehäuse (1) unterbindet, eine Befestigungseinrichtung (6), die eine loslagerartige Anbindung der Verschalung (2) an dem jeweiligen zu verschalenden Gehäuse (1) ausbildet, eine Relativbewegung zwischen der Verschalung (2) und dem jeweiligen zu verschalenden Gehäuse (1) in einer translatorischen Richtung zulässt.
Turbolader nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die oder die jeweilige loslagerartige Anbindung eine translatorische Relativbewegung zwischen der Verschalung (2) und dem jeweiligen zu verschalenden Gehäuse (1) in radialer Richtung zulässt.
Turbolader nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass an mindestens einer axialen Wand (3) der Verschalung (2) eine Befestigungseinrichtung (5) eine festlagerartige Anbindung und eine Befestigungseinrichtung (6) eine loslagerartige Anbindung bereitstellt.
Turbolader nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass an sich gegenüberliegenden axialen Wänden (3) der Verschalung (7) jeweils eine Befestigungseinrichtung (5) eine festlagerartige Anbindung und jeweils eine Befestigungseinrichtung (6) eine loslagerartige Anbindung bereitstellt.
Turbolader nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine an einer axialen Wand (3) ausgebildete festlagerartige Anbindung und eine an derselben axialen Wand (3) ausgebildete loslagerartige Anbindung auf einer sich in Radialrichtung erstreckenden Achse liegen.
Turbolader Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die oder die jeweilige loslagerartige Anbindung eine translatorische Relativbewegung zwischen der Verschalung (2) und dem jeweiligen zu verschalenden Gehäuse (1) in axialer Richtung zulässt.
Turbolader nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass an einer axialen Wand (3) der Verschalung (2) eine Befestigungseinrichtung eine festlagerartige Anbindung und an einer radialen Wand (4) der Verschalung (2) eine Befestigungseinrichtung eine loslagerartige Anbindung bereitstellt.
Turbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Befestigungseinrichtung (5), die eine festlagerartige Anbindung ausbildet, sich spielfrei oder nahezu spielfrei durch eine Ausnehmung (7) in der jeweiligen Wand der Verschalung erstreckt.
Turbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Befestigungseinrichtung (6), die eine loslagerartige Anbindung ausbildet, sich durch ein Langloch (8) in der jeweiligen Wand der Verschalung erstreckt.