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Die Erfindung betrifft einen Abgasturbolader mit einem verstellbaren Leitapparat gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Abgasturbolader mit einem verstellbaren Leitapparat sind bekannt. Der verstellbare Leitapparat umfasst verstellbare Leitschaufeln, die einen Strömungsquerschnitt eines in einem Abgasführungsabschnitt ausgebildeten Strömungskanals mit Hilfe unterschiedlicher Positionen verändern können. Die Leitschaufeln sind zwischen einem Turbinenrad des Abgasturboladers, welches in einer Radkammer des Abgasführungsabschnitts drehbar aufgenommen ist, und einer Spiralkammer des Abgasführungsabschnitts, welcher stromauf des Strömungskanals liegt, angeordnet.
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Die Leitschaufeln sind an einem Trägerring verdrehbar angeordnet, wobei der Trägerring in einer Kammer aufgenommen ist, die zwischen dem Abgasführungsabschnitt und einem Lagerabschnitt, welcher an den Abgasführungsabschnitt zur Lagerung einer das Turbinenrad aufnehmenden Welle, angrenzend angeordnet ist, liegt. Die Kammer ist vom Abgasführungsabschnitt und dem Lagerabschnitt gebildet.
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Der Trägerring ist sich an seiner der Radkammer zugewandt ausgebildeten Innenfläche auf dem Lagerabschnitt abstützend und in seinem seine Außenfläche aufweisenden Außenbereich sich am Abgasführungsabschnitt abstützend ausgebildet. Zur gesicherten Positionierung wird der Trägerring üblicherweise mit Hilfe eines Federelementes in axialer Richtung gegen den Abgasführungsabschnitt gedrückt.
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Aus der
WO 2016/095940 A1 ist ein Abgasturbolader mit einem verstellbaren Leitapparat bekannt, wobei der Trägerring mit Hilfe eines Federelementes gegen den Abgasführungsabschnitt gedrückt wird. Das Federelement ist zwischen dem Lagerabschnitt und dem Trägerring angeordnet, wobei es an einer dem Lagerabschnitt zugewandt ausgebildeten Trägerwandfläche krafteinleitend angeordnet ist. Das Federelement ist eine Kraft in axialer Richtung ausübend, somit das Trägerelement gegen den Abgasführungsabschnitt drückend, angeordnet. Der Trägerring ist in radialer Richtung im Bereich des Federelementes an den Abgasführungsabschnitt mit Hilfe eines Hitzeschildes verklemmt, derart, dass eine Wärmeausdehnung des Trägerringes zum Verklemmen der Leitschaufeln führen kann.
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Der Offenlegungsschrift
DE 10 2008 005 404 A1 kann ein Abgasturbolader mit einem verstellbaren Leitapparat entnommen werden, wobei ein Federelement sich mit Hilfe seines Außenumfangs am Lagerabschnitt des Abgasturboladers abstützt und mit seinem dem Trägerring zugewandten Ende diesen im Bereich einer Lagerung von Leitschaufelwellen der Leitschaufeln in Richtung des Abgasführungsabschnitts drückt. Zur Vermeidung eines Verkippens des Trägerringes ist ein weiteres Federelement vorgesehen, welches zur weiteren Abstützung des Trägerringes vorgesehen ist und auf der dem Federelement gegenüberliegenden Seite der Leitschaufelwelle angeordnet ist.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es einen kostengünstigen Abgasturbolader mit einem verstellbaren Leitapparat bereitzustellen, welcher eine hohe Betriebssicherheit besitzt.
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Diese Aufgabe wird durch einen Abgasturbolader mit einem verstellbaren Leitapparat mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Ein erfindungsgemäßer Abgasturbolader mit einem verstellbaren Leitapparat umfasst einen durchströmbaren Abgasführungsabschnitt und einen an den Abgasführungsabschnitt axial angrenzenden Lagerabschnitt zur drehbaren Lagerung eines Laufzeugs des Abgasturboladers, wobei das Laufzeug eine Rotationsachse aufweist. Der verstellbare Leitapparat ist zumindest teilweise im Abgasführungsabschnitt aufgenommen. Ein Trägerring des verstellbaren Leitapparates ist zur bewegbaren Lagerung von einen stromauf eines Turbinenrades des Laufzeugs ausgebildeten Strömungsquerschnitt verändernden Leitschaufeln ausgebildet ist. Der Strömungsquerschnitt ist zwischen einer das Turbinenrad aufnehmenden Radkammer und einem Spiralkanal des Abgasführungsabschnitts im Abgasführungsabschnitt ausgebildet. Der Trägerring ist in einer zwischen dem Abgasführungsabschnitt und dem Lagerabschnitt ausgebildeten Kammer zumindest teilweise aufgenommen, wobei der Trägerring sich an seiner Innenfläche am Lagerabschnitt und sich im Bereich seiner Außenfläche mit Hilfe einer von der Kammer abgewandt ausgebildeten ersten Trägerringfläche am Abgasführungsabschnitt abstützend ausgebildet ist. Erfindungsgemäß ist zur axialen Positionssicherung ein Federelement den Trägerring zwischen dem Lagerabschnitt und dem Abgasführungsabschnitt an der Außenfläche angreifend verspannend ausgebildet. Der Vorteil des an der Außenfläche angreifenden Federelementes ist darin zu sehen, dass eine Verkippung des Trägerrings gesichert vermieden wird, da das Federelement ein Kippmoment aufgrund seines im äußersten Bereich des Trägerringes, nämlich an der Außenfläche, vermeidbar angeordnet ist. Mit anderen Worten wird der Trägerring so von dem Federelement gegen den Abgasführungsabschnitt gedrückt, dass, da es an der Außenfläche angreift, kein Hebelarm zur Erzeugung des Kippmomentes ausgebildet ist. Des Weiteren, da das Federelement an der Außenfläche angreift, ist es möglich einen in radialer Richtung ausgebildeten Bewegungsspalt zwischen dem Abgasführungsabschnitt und dem Trägerring zu realisieren, welcher eine mögliche ungehinderte Wärmeausdehnung des Trägerrings zulässt und somit gesichert ein Verklemmen der Leitschaufeln vermieden wird. Das heißt mit anderen Worten, dass ein betriebssicherer Abgasturbolader realisiert ist.
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Das Federelement ist bezogen auf die Rotationsachse geneigt zwischen dem Trägerring und dem Lagerabschnitt angeordnet, so dass neben seiner axialen Kraftkomponente auch eine in radialer Richtung wirkende Kraftkomponente zur gesicherten Positionierung des Trägerringes erzielbar ist.
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Zur gesicherten Aufnahme des Federelementes weist der Trägerring an seinem dem Federelement zugewandt ausgebildeten Außenflächenbereich eine Stufe auf. Mit Hilfe der Stufe kann sich das Federelement in axialer und radialer Richtung am Trägerring abstützen.
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Sofern das Federelement an seinem Außenumfang einen ersten Halteabschnitt aufweist, kann es einfach gesichert zwischen dem Abgasführungsabschnitt und dem Lagerabschnitt mit Hilfe des ersten Halteabschnitts verklemmt aufgenommen werden.
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Eine alternative gesicherte Aufnahme des Federelementes, insbesondere sofern dieses keine ersten Halteabschnitt aufweist, kann mit Hilfe einer weiteren Stufe, welche der Lagerabschnitt aufweist, herbeigeführt werden.
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Des Federelement kann vorteilhaft zur Vermeidung einer Rotation um die Rotationsachse ausgebildet sein, wobei es eine Haltenase aufweist, welche sich bevorzugt in radialer Richtung des bevorzugt kreisförmigen Federelementes erstreckt. In einer vorteilhaften Ausgestaltung weist das Federelement an seiner Elementinnenfläche sich die in Richtung des Trägerrings erstreckende Haltenase auf.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Haltenase sich in Richtung des Trägerrings erstreckend vom Abgasführungsabschnitt abgewandt gekrümmt ausgebildet, wodurch eine Zentrierwirkung des Federelementes herbeigeführt wird. Die somit nach „hinten“ gebogenen Haltenase, welche dem Lagerabschnitt zugewandt gekrümmt ist, bringt den Trägerring und Lagerring in eine Achse. Das heißt mit anderen Worten, dass diese beiden Bauteile nach einer Montage koaxial angeordnet sind. Die beiden Bauteile zusammen sind somit relativ zur Rotationsachse zentriert.
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Zur weiteren gesicherten Positionierung ist der Trägerring sich an seiner Innenfläche an einem Hitzeschild abstützend ausgebildet ist, wobei der Hitzeschild am Lagerabschnitt radial gesichert aufgenommen ist.
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Kostengünstig ist das Federelement in einem Tiefziehverfahren hergestellt.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Gleichen oder funktionsgleichen Elementen sind identische Bezugszeichen zugeordnet. Es zeigen:
- 1 in einem Längsschnitt einen Ausschnitt eines erfindungsgemäßen Abgasturboladers mit einem verstellbaren Leitapparat in einem ersten Ausführungsbeispiel,
- 2 eine Detailansicht II den Abgasturbolader gem. 1,
- 3 in einem Längsschnitt einen Ausschnitt des erfindungsgemäßen Abgasturboladers mit dem verstellbaren Leitapparat in einem zweiten Ausführungsbeispiel,
- 4 in einer Draufsicht ein Federelement des Abgasturboladers gem. 3,
- 5 ein Querschnittsprofil des Federelementes gem. 4,
- 6 in einem Längsschnitt einen Ausschnitt des erfindungsgemäßen Abgasturboladers mit dem verstellbaren Leitapparat in einem dritten Ausführungsbeispiel,
- 7 in einer Draufsicht das Federelement des Abgasturboladers gem. 6, und
- 8 ein Querschnittsprofil das Federelement gem. 7.
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Ein gemäß 1 in einem ersten Ausführungsbeispiel ausgebildeter erfindungsgemäßer Abgasturbolader 1 besitzt einen Lagerabschnitt 2, in dem eine Welle 3 eines Laufzeugs 4 des Abgasturboladers 1 um eine Rotationsachse 5 drehbar gelagert ist. Das Laufzeug 4 umfasst neben der Welle 3 ein mit der Welle 3 drehfest verbundenes Turbinenrad 6, das in einem durchströmbaren Abgasführungsabschnitt 7 des Abgasturboladers 1 in einer Radkammer 8 drehbar aufgenommen ist, und ein mit der Welle 3 drehfest verbundenes nicht näher dargestelltes Verdichterrad, das in einem nicht näher dargestellte Luftführungsabschnitt des Abgasturboladers 1 in einer dort ausgebildeten Radkammer drehbar aufgenommen ist. Über die Welle 3 treibt das mit einem gasförmigen Medium, üblicherweise Abgas einer Verbrennungskraftmaschine, beaufschlagte Turbinenrad 6 das Verdichterrad an, so dass dieses ein gasförmiges Medium, üblicherweise Frischluft, ansaugen und verdichten kann.
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Stromauf des Turbinenrades 6 sind in einem Strömungskanal 9, welcher zwischen einem im Abgasführungsabschnitt 7 ausgebildeten Spiralkanal 10 und der Radkammer 8 ausgebildet ist, Leitschaufeln 11 eines verstellbaren Leitapparates 12 des Abgasturboladers 1 angeordnet. Der verstellbare Leitapparat 12 ist zur Änderung eines Strömungsquerschnitts S des Strömungskanals 9 ausgebildet.
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Der verstellbare Leitapparat 12 umfasst einen Trägerring 13 zur drehbaren Lagerung der Leitschaufeln 11. Jeder Leitschaufel 11 ist eine Schaufelwelle 14 zugeordnet, die drehbar im Trägerring 13 aufgenommen ist. Den Leitschaufeln 11 zugewandt weist der Trägerring 13 eine erste Trägerringfläche 15 auf.
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Jeder Schaufelwelle 14 ist ein Verstellhebel 16 zugeordnet, welcher an einem Wellenende der Schaufelwelle 14, das sich über eine von der ersten Trägerringfläche 15 abgewandt ausgebildeten zweiten Trägerringfläche 17 hinaus erstreckt, angeordnet ist. Der Verstellhebel 16 ist mit einem Drehring 18 wirkverbunden, so dass eine Rotation des Drehringes 18 um die Rotationsachse 5 eine Änderung einer Position der Leitschaufel 11 erwirkt.
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Der Trägerring 13 ist sich um die Rotationsachse 5 ringförmig erstreckend ausgebildet. Seiner ersten Trägerringfläche 15 gegenüberliegend ist ein Haltering 19 des verstellbaren Leitapparates 12 angeordnet, welcher sich an dem Abgasführungsabschnitt 7 abstützt, wobei zwischen dem Trägerring 13 und dem Haltering 19 die Leitschaufeln 11 verdrehbar aufgenommen sind. Zur Vermeidung eines Druckverlustes im Strömungskanal 9 ist in einem zwischen dem Haltering 19 und dem Abgasführungsabschnitt 7 ausgebildeten Bewegungsspalt 20 ein Dichtelement 21 angeordnet.
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Der Trägerring 13 weist aufgrund seiner ringförmigen Ausführung eine zwischen der ersten Trägerringfläche 15 und der zweiten Trägerringfläche 17 aufgespannten Innenfläche 22 und eine zwischen der ersten Trägerringfläche 15 und der zweiten Trägerringfläche 17 aufgespannten Außenfläche 23 auf, wobei er sich mit Hilfe seiner Innenfläche 22 an einem ringförmigen Lagerabschnittsabsatz 24 des Lagerabschnitts 2 abstützt.
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Im Bereich seiner Außenfläche 23 ist der Trägerring 13 sich an einer seiner ersten Trägerringfläche 15 zugewandt ausgebildeten Abschnittsfläche 40 des Abgasführungsabschnitts 7 abstützend angeordnet.
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Zwischen dem Trägerring 13 und dem Turbinenrad 6 ist in radialer Richtung ein Hitzeschild 25 zur Reduzierung eines Wärmeeintrages in eine den Trägerring 13 aufnehmenden Kammer 26, welche zwischen dem Lagerabschnitt 2 und dem Abgasführungsabschnitt 7 ausgebildet ist, angeordnet, wobei der Hitzeschild 25 einer radialen Sicherung des Trägerrings 13 dient.
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Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist an der Innenfläche 22 ein ringförmiger erster Absatz 27 des Trägerrings 13 ausgeführt, welcher in axialer Richtung einem ringförmigen Hitzeschildabsatz 28 des Hitzeschildes 25 gegenüberliegt, wobei die beiden Absätze 27, 28 einander kontaktieren. Somit ist der Trägerring 13 an seiner Innenfläche 22 gegen eine axiale Verschiebung mit Hilfe des Hitzeschildes 25 gesichert.
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Zu Vermeidung einer Verkippung, somit zur axialen Positionssicherung des Trägerrings 13 ist dieser mit Hilfe eines an seiner Außenfläche 23 angreifenden Federelementes 29 zwischen dem Lagerabschnitt 2 und dem Abgasführungsabschnitt 7 verspannt, wobei das ringförmig ausgebildete Federelement 29 sich mit seiner dem Lagerabschnitt 2 zugewandt ausgebildeten Umfangsfläche 30 am Lagerabschnitt 2 abstützend angeordnet ist. Das heißt mit anderen Worten, dass das Federelement 29 zwischen dem Lagerabschnitt 2 und dem Trägerring 13 angeordnet ist, und sich mit seiner Umfangsfläche 30 gegen den Lagerabschnitt 2 und mit seiner von der Umfangsfläche 30 abgewandt ausgebildeten Elementinnenfläche 31 am Trägerring 13 abstützt, wobei der Trägerring 13 gegen den Abgasführungsabschnitt 7 gedrückt und somit mit Hilfe von diesem axial gesichert ist.
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Zur gesicherten Positionierung des Federelementes 29 zwischen dem Trägerring 13 und dem Lagerabschnitt 2 weist der Trägerring 13 an seinem Außenumfang eine Stufe 32 zur Aufnahme und somit zur Positioniersicherung des Federelementes 29 auf. Des Weiteren weist der Lagerabschnitt 2 zur gesicherten Anordnung des Federelementes 29 eine weitere Stufe 33 auf, welche zur gesicherten Aufnahme der Umfangsfläche 30 ausgebildet ist. Die Stufen 32, 33 sind vorteilhaft in Form einer Halbnut ausgeführt.
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Das Federelement 29 ist zur Erzielung einer wirksamen Anpressung des Trägerrings 13 gegen den Abgasführungsabschnitt 7, oder mit anderen Worten zur wirksamen und kippfreien Anpressung des Trägerrings 13 an eine dem Trägerring 13 gegenüberliegende Anlagefläche 34 des Abgasführungsabschnitts 7, bezogen auf die Rotationsachse 5 geneigt angeordnet, wie insbesondere in 2 der Detailansicht II erkennbar ist.
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In 3 ist der erfindungsgemäße Abgasturbolader 1 in einem zweiten Ausführungsbeispiel abgebildet. Das Federelement 29 des Abgasturboladers 1 im zweiten Ausführungsbeispiel, welches in einer Draufsicht in 4 und ein Querschnittsprofil des Federelementes 29 in 5 illustriert ist, weist einen Z-förmigen Querschnitt auf mit einem ersten Halteabschnitt 35 und einem zweiten Halteabschnitt 36 sowie einen zwischen dem ersten Halteabschnitt 35 und zweiten Halteabschnitt 36 aufgenommenen Wirkabschnitt 37.
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Das Federelement 29 wird an seinem ersten Halteabschnitt 35, welcher die Umfangsfläche 30 umfasst, gesichert in einer zwischen dem Lagerabschnitt 2 und dem Abgasführungsabschnitt 7 ausgebildeten Spalt 41 aufgenommen. Bevorzugt ist das Federelement 29 mit Hilfe seines ersten Halteabschnitts 35 zwischen dem Abgasführungsabschnitt 7 und dem Lagerabschnitt 2 verklemmt aufgenommen. Der dem Trägerring 13 zugewandt ausgebildete zweite Halteabschnitt 36 stützt sich an der Außenfläche 23, insbesondere an der Stufe 32 ab.
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Am zweiten Halteabschnitt 36 sind dem Trägerring 13 zugewandt ausgebildete Haltenasen 38 angeordnet, die einer Rotationssicherung dienen. Das heißt mit anderen Worten, dass mit Hilfe der Haltenasen 38 der Trägerring 13 zur Vermeidung einer Rotation um die Rotationsachse 5 gesichert ist. Im vorliegenden zweiten Ausführungsbeispiel weist das Federelement 29 vier Haltenasen 38 auf, wobei eine Rotationssicherung mit zumindest zwei Haltenasen 38 realisiert werden kann. Die Haltenasen 38 sind nicht zwingend symmetrisch am Federelement 29 anzubringen.
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In den 6 bis 8 ist der erfindungsgemäße Abgasturbolader 1 und sein Federelement 29 in einem dritten Ausführungsbeispiel abgebildet, wobei das Federelement 29 zusätzlich zur axialen Sicherung und Rotationssicherung eine Zentrierfunktion besitzt. Das Federelement 29 des dritten Ausführungsbeispiels ist prinzipiell gemäß dem Federelement 29 des zweiten Ausführungsbeispiel ausgeführt, jedoch sind die Haltenasen 38 zumindest teilweise gekrümmt ausgeführt, wie insbesondere in 8 gut erkennbar ist, wobei ausgehend von der Elementinnenfläche 31 die Krümmung vom Abgasführungsabschnitt 7 abgewandt ausgebildet ist. Oder mit anderen Worten gesagt, erstreckt sich die Haltenase 38 ausgehend von der Elementinnenfläche 31 mit Hilfe der Krümmung in die Richtung des Lagerabschnitts 2.
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Bevorzugt weist zur gesicherten Aufnahme der Haltenasen 38 der Haltering 19 eine Nut 39 zur Aufnahme der Haltenasen 38 auf. Diese Nut 39 kann über den gesamten Umfang des Halterings 19 ausgebildet sind. Ebenso könnte sie abschnittsweise über dem Umfang, somit in Form von Ringabschnitten ausgeführt sein, wobei eine Anzahl der Ringabschnitte einer Anzahl der Haltenasen 38 entspricht.
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Kostengünstig ist das Federelement 29, welches in Form einer Tellerfeder ausgebildet ist, in einem Tiefziehverfahren hergestellt. Auch könnte das Federelement 29 durch Feinschneiden oder Stanzen, durch Laser-oder Wasserstrahlschneiden sowie Biegen hergestellt werden.
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Ein weiteres Federelement 42, welches zur Sicherung der axialen Positionierung des Trägerrings 13 üblicherweise gemäß dem Stand der Technik vorgesehen war, kann bauraumreduziert ausgeführt werden, da es seine aus dem Stand der Technik bekannte Funktion nicht oder nur in eingeschränktem Maße aufweisen muss. Somit kann ein bauraumreduzierter und betriebssicherer Abgasturbolader 1 realisiert werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Abgasturbolader
- 2
- Lagerabschnitt
- 3
- Welle
- 4
- Laufzeug
- 5
- Rotationsachse
- 6
- Turbinenrad
- 7
- Abgasführungsabschnitt
- 8
- Radkammer
- 9
- Strömungskanal
- 10
- Spiralkanal
- 11
- Leitschaufel
- 12
- Verstellbarer Leitapparat
- 13
- Trägerring
- 14
- Schaufelwelle
- 15
- Erste Trägerringfläche
- 16
- Verstellhebel
- 17
- Zweite Trägerringfläche
- 18
- Drehring
- 19
- Haltering
- 20
- Bewegungsspalt
- 21
- Dichtelement
- 22
- Innenfläche
- 23
- Außenfläche
- 24
- Lagerabschnittsabsatz
- 25
- Hitzeschild
- 26
- Kammer
- 27
- Erster Absatz
- 28
- Hitzeschildabsatz
- 29
- Federelement
- 30
- Umfangsfläche
- 31
- Elementinnenfläche
- 32
- Stufe
- 33
- Weitere Stufe
- 34
- Anlagefläche
- 35
- Erster Halteabschnitt
- 36
- Zweiter Halteabschnitt
- 37
- Wirkabschnitt
- 38
- Haltenase
- 39
- Nut
- 40
- Abschnittsfläche
- 41
- Spalt
- 42
- Weiteres Federelement
- S
- Strömungsquerschnitt
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2016/095940 A1 [0005]
- DE 102008005404 A1 [0006]
