DE102017103980A1

DE102017103980A1 - Turbolader

Info

Publication number: DE102017103980A1
Application number: DE102017103980.5A
Authority: DE
Inventors: Björn Hoßbach; Santiago UHLENBROCK; Stefan ROST
Original assignee: MAN Diesel and Turbo SE
Current assignee: MAN Energy Solutions SE
Priority date: 2017-02-27
Filing date: 2017-02-27
Publication date: 2018-08-30
Also published as: US10677096B2; JP2018141461A; KR20180099524A; CN108506055A; US20180245481A1; CH713506A2; CH713506B1

Abstract

Turbolader (1), mit einer Turbine (2) zur Entspannung eines ersten Mediums, mit einem Verdichter (3) zur Verdichtung eines zweiten Mediums unter Nutzung von in der Turbine (2) bei Entspannung des ersten Mediums gewonnener Energie, wobei die Turbine (2) ein Turbinengehäuse (4) und einen Turbinenrotor (5) aufweist, wobei der Verdichter (3) ein Verdichtergehäuse (6) und einen mit dem Turbinenrotor (5) über eine Welle (8) gekoppelten Verdichterrotor (7) aufweist, wobei das Turbinengehäuse (4) und das Verdichtergehäuse (6) jeweils mit einem zwischen denselben angeordneten Lagergehäuse (9), in welchem die Welle (8) gelagert ist, verbunden sind, und wobei ein Zuströmgehäuse (11) des Turbinengehäuses (4) doppelwandig ausgebildet ist, nämlich aus einem inneren, strömungsführenden Kern (15) und einer äußeren, kraftführenden Hülle (16).

Description

Die Erfindung betrifft einen Turbolader.
1 zeigt einen Querschnitt durch einen aus der Praxis bekannten Turbolader 1. Der in 1 gezeigte Turbolader 1 verfügt über eine Turbine 2 und einen Verdichter 3. In der Turbine 2 wird ein erstes Medium, insbesondere Abgas einer Brennkraftmaschine, entspannt. Hierbei gewonnene Energie wird im Verdichter 3 des Turboladers 1 genutzt, um ein zweites Medium, insbesondere der Brennkraftmaschine zuzuführende Ladeluft, zu verdichten.
Die Turbine 2 des Turboladers 1 verfügt über ein Turbinengehäuse 4 sowie einen Turbinenrotor 5.
Der Verdichter 3 des Turboladers 1 verfügt über ein Verdichtergehäuse 6 sowie einen Verdichterrotor 7. Turbinenrotor 5 und Verdichterrotor 7 sind über eine Welle 8 gekoppelt, die in einem Lagergehäuse 9 gelagert ist. Das Lagergehäuse 9 ist einerseits mit dem Turbinengehäuse 4 und andererseits mit dem Verdichtergehäuse 6 verbunden. Weiterhin zeigt 1 einen optionalen Schalldämpfer 10, der am Verdichtergehäuse 6 angreift und über den Ladeluft geführt wird.
Das Turbinengehäuse 4 der Turbine 2 des Turboladers 1 verfügt über ein Zuströmgehäuse 11 und ein Abströmgehäuse 12. Über das Zuströmgehäuse 11 wird dem Turbinenrotor 5 das zu entspannende erste Medium zugeführt, hier in Radialrichtung. Entspanntes Medium strömt über das Abströmgehäuse 12 vom Turbinenrotor 5 abgeführt, hier in Axialrichtung.
Bei aus der Praxis bekannten Turboladern besteht im Bereich der Turbine 2, insbesondere im Bereich des Zuströmgehäuses 11 des Turbinengehäuses 4 der Turbine 2, die Gefahr eines Berstens. Sollte zum Beispiel der Turbinenrotor 5 bersten, so können Bruchstücke desselben auf das Zuströmgehäuse 11 auftreffen und dasselbe zerstören, sodass es auch zu einem Bersten des Zuströmgehäuses 11 kommt. Dabei können dann Bruchstücke in die Umgebung gelangen und eine Gefährdung für sich in der Umgebung aufhaltende Personen oder Gegenstände darstellen. Dies reduziert die sogenannte Containment-Sicherheit.
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 ein Zuströmgehäuse des Turbinengehäuses doppelwandig ausgebildet, nämlich aus einem inneren, strömungsführenden Kern und einer äußeren, kraftführenden Hülle.
Beim erfindungsgemäßen Turbolader ist das Zuströmgehäuse des Turbinengehäuses doppelwandig ausgeführt. Der innere Kern übernimmt die Aufgabe der Strömungsführung. Die äußere Hülle übernimmt die Aufgabe der Kraftleitung. Hierdurch kann letztendlich die sogenannte Containment-Sicherheit im Bereich der Turbine 2 gegenüber aus dem Stand der Technik bekannten Turboladern deutlich verbessert werden.
Vorzugsweise ist die äußere, kraftführenden Hülle in Axialrichtung in Hälften geteilt, wohingegen der innere, strömungsführende Kern in Axialrichtung ungeteilt ist. Diese Ausgestaltung ist für eine einfache konstruktive Ausführung des Turboladers bei verbesserter Containment-Sicherheit bevorzugt.
Vorzugsweise sind ein radial innerer Abschnitt einer ersten Hälfte der äußeren, kraftführenden Hülle und ein erster radial innerer Abschnitt des inneren, strömungsführenden Kerns jeweils am Lagergehäuse befestigt sind und/oder grenzen an das Lagergehäuse an. Ein radial innerer Abschnitt einer zweiten Hälfte der äußeren, kraftführenden Hülle und ein zweiter radial innerer Abschnitt des inneren, strömungsführenden Kerns sind jeweils an einem Einsatzstück des Turbinengehäuses befestigt sind und/oder grenzen an das Einsatzstück an. Auch diese Merkmale dienen der einfachen konstruktiven Ausführung eines Turboladers mit einem doppelwandigen Zuströmgehäuse des Turbinengehäuses und verbesserter Containment-Sicherheit.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist in einem Hohlraum zwischen dem inneren, strömungsführenden Kern und der äußeren, kraftführenden Hülle ein hitzeisolierender Werkstoff angeordnet. Hiermit kann eine Hitzeisolierung im Bereich des Zuströmgehäuses des Turbinengehäuses bereitgestellt werden. Dies ist sowohl für die Betriebssicherheit von Vorteil, andererseits auch zur Steigerung des Wirkungsgrads.
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 Querschnitt durch einen aus der Praxis bekannten Turbolader;
2 einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Turbolader im Bereich einen Zuströmgehäuses der Turbine des Turboladers.

Die Erfindung betrifft einen Turbolader.
Ein Turbolader 1 verfügt über eine Turbine 2 zur Entspannung eines ersten Mediums, insbesondere zur Entspannung von Abgas einer Brennkraftmaschine. Ferner verfügt ein Turbolader 1 über einen Verdichter 3 zur Verdichtung eines zweiten Mediums, insbesondere von Ladeluft, und zwar unter Nutzung von in der Turbine 2 bei der Entspannung des ersten Mediums gewonnener Energie.
Die Turbine 2 verfügt dabei über ein Turbinengehäuse 4 und einen Turbinenrotor 5. Der Verdichter 3 verfügt über ein Verdichtergehäuse 6 und einen Verdichterrotor 7. Der Verdichterrotor 7 ist mit dem Turbinenrotor 5 über eine Welle 8 gekoppelt, die in einem Lagergehäuse 9 gelagert ist, wobei das Lagergehäuse 9 zwischen dem Turbinengehäuse 4 und dem Verdichtergehäuse 5 positioniert und sowohl mit dem Turbinengehäuse 4 und dem Verdichtergehäuse 5 verbunden ist.
Das Turbinengehäuse 4 der Turbine 2 umfasst ein Zuströmgehäuse 11 und ein Abströmgehäuse 12. Über das Zuströmgehäuse 11 kann das im Bereich der Turbine 2 zu entspannende erste Medium dem Turbinenrotor 5 zugeführt werden. Über das Abströmgehäuse 12 strömt im Bereich des Turbinenrotors 5 entspanntes erstes Medium von der Turbine 2 weg.
Das Turbinengehäuse 4 umfasst neben dem Zuströmgehäuse 11 und dem Abströmgehäuse 12 ein Einsatzstück 13, wobei das Einsatzstück 13 insbesondere im Bereich des Zuströmgehäuses 11 verläuft, und zwar benachbart zum Turbinenrotor 5 radial außen angrenzend an Laufschaufeln 14 des Turbinenrotors 5.
Im Sinne der hier vorliegenden Erfindung ist das Zuströmgehäuse 11 des Turbinengehäuses 4 doppelwandig ausgebildet und von einem inneren, strömungsführenden Kern 15 und einer äußeren, kraftführenden Hülle 16 gebildet.
Der innere Kern 15 übernimmt die Strömungsführungsfunktion zur Führung des zu entspannenden ersten Mediums in Richtung auf den Turbinenrotor 5, die äußere Hülle 16 übernimmt eine Kraftleitungsfunktion.
Die äußere, kraftführende Hülle 16 ist in Axialrichtung der Turbine 2 bzw. des Turboladers 1 gesehen in Hälften 16a, 16b geteilt. An radial äußeren Enden sind diese beiden Hälften 16a, 16b der äußeren, kraftführenden Hülle 16 an Flanschen 17, 18 miteinander verbunden. An radial inneren Enden bzw. Abschnitten 19, 22 sind die beiden Hälften 16a, 16b am Lagergehäuse 9 bzw. am Einsatzstück 13 befestigt und/oder grenzen an diese Baugruppen an. So steht die Hälfte 16a mit dem radial inneren Abschnitt 19 mit dem Lagergehäuse 9 in Eingriff, am radial inneren Abschnitt 22 der Hälfte 16b grenzt das Einsatzstück 13 an.
Der von der Hülle 16 umgebene, innere, strömungsführende Kern 15 ist in Axialrichtung ungeteilt. Radial innere Abschnitte 20, 21 desselben grenzen einerseits an das Lagergehäuse 9 und andererseits wiederum an das Einsatzstück 13 an, nämlich der radial innere Abschnitt 20 an das Lagergehäuse 9 und der radial innere Abschnitt 21 an das Einsatzstück 13.
Zwischen dem inneren, strömungsführenden Kern 15 und der äußeren, kraftführenden Hülle 16 ist ein Hohlraum 23 ausgebildet. Nach einer vorteilhaften Weiterbildung ist in dem Hohlraum 23 zwischen dem inneren Kern 15 und der äußeren Hülle 16 ein hitzeisolierender Werkstoff angeordnet.
Beim erfindungsgemäßen Turbolader 1 ist demnach das Zuströmgehäuse 2 doppelwandig ausgeführt. Kraftleitungsfunktion und Strömungsführungsfunktion werden von zwei getrennten Bauteilen übernommen und so voneinander getrennt. Insbesondere kann hierdurch die Containment-Sicherheit erhöht werden. Durch die Anordnung eines hitzeisolierenden Werkstoffs im Hohlraum 23 zwischen Kern 15 und Hülle 16 kann ferner der Wirkungsgrad gesteigert werden.
Beispielsweise kann als hitzeisolierenden Werkstoff ein Keramikschaum oder Mineralwolle zum Einsatz kommen. Um die Containment-Sicherheit zu verbessern kann der hitzeisolierenden Werkstoffs in eine mehrlagige Matrixstruktur eingebettet sein. Alternativ oder ergänzend kann im Hohlraum ein Heatpipe angeordnet werden, um eine Temperaturleitung in eine bestimmte Richtung im Turbolader zu lenken. Als Materialen für das Heatpipe kommen in den unteren Temperaturbereichen meist Kupfer, beispielsweise ein Kupferdrahtgeflecht, zum Einsatz, da es leicht formbar ist und eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist. Bei Hochtemperatur-Heatpipes kommen hauptsächlich warmfeste Stähle oder Nickelbasislegierungen zum Einsatz.
Bezugszeichenliste

1: Turbolader
2: Turbine
3: Verdichter
4: Turbinengehäuse
5: Turbinenrotor
6: Verdichtergehäuse
7: Verdichterrotor
8: Welle
9: Lagergehäuse
10: Schalldämpfer
11: Zuströmgehäuse
12: Abströmgehäuse
13: Einsatzstück
14: Laufschaufel
15: Kern
16: Hülle
16a: Hälfte
16b: Hälfte
17: Flansch
18: Flansch
19: Abschnitt
20: Abschnitt
21: Abschnitt
22: Abschnitt
23: Hohlraum

Claims

Turbolader (1), mit einer Turbine (2) zur Entspannung eines ersten Mediums, mit einem Verdichter (3) zur Verdichtung eines zweiten Mediums unter Nutzung von in der Turbine (2) bei Entspannung des ersten Mediums gewonnener Energie, wobei die Turbine (2) ein Turbinengehäuse (4) und einen Turbinenrotor (5) aufweist, wobei der Verdichter (3) ein Verdichtergehäuse (6) und einen mit dem Turbinenrotor (5) über eine Welle (8) gekoppelten Verdichterrotor (7) aufweist, wobei das Turbinengehäuse (4) und das Verdichtergehäuse (6) jeweils mit einem zwischen denselben angeordneten Lagergehäuse (9), in welchem die Welle (8) gelagert ist, verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zuströmgehäuse (11) des Turbinengehäuses (4) doppelwandig ausgebildet ist, nämlich aus einem inneren, strömungsführenden Kern (15) und einer äußeren, kraftführenden Hülle (16).
Turbolader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die äußere, kraftführenden Hülle (16) in Axialrichtung in Hälften (16a, 16b) geteilt ist.
Turbolader nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der innere, strömungsführende Kern (15) in Axialrichtung ungeteilt ist.
Turbolader nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abschnitt (19) einer ersten Hälfte (16a) der äußeren, kraftführenden Hülle (16) und ein erster Abschnitt (20) des inneren, strömungsführenden Kerns (15) jeweils am Lagergehäuse (9) befestigt sind und/oder angrenzen.
Turbolader nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abschnitt (22) einer zweiten Hälfte (16b) der äußeren, kraftführenden Hülle (16) und ein zweiter Abschnitt (21) des inneren, strömungsführenden Kerns (15) jeweils an einem Einsatzstück (13) des Turbinengehäuses (4) befestigt sind und/oder angrenzen.
Turbolader nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Hälften (16a, 16b) der äußeren, kraftführenden Hülle (16) an Flanschen (17, 18) aneinander befestigt sind.
Turbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Hohlraum (23) zwischen dem inneren, strömungsführenden Kern (15) und der äußeren, kraftführenden Hülle (16) ein hitzeisolierender Werkstoff angeordnet ist.