DE102008000776B4

DE102008000776B4 - Turbine mit varialber Turbinengeometrie, insbesondere für einen Abgasturbolader, sowie Abgasturbolader

Info

Publication number: DE102008000776B4
Application number: DE102008000776.5A
Authority: DE
Inventors: Matthias Stein; Claus Fleig; Timo Tries; Andreas Wengert
Original assignee: BMTS Technology GmbH and Co KG
Current assignee: BMTS Technology GmbH and Co KG
Priority date: 2008-01-21
Filing date: 2008-03-20
Publication date: 2022-04-14
Anticipated expiration: 2028-03-21
Also published as: US20100196146A1; US20110038742A1; DE102009004737A1; US8684678B2; US20140212306A1; US9695702B2; WO2009092678A1; DE102008000776A1; US8662833B2

Abstract

Turbine (1) mit einem in einem Gehäuse (2) drehbar gelagerten Turbinenrotor (4), dem mindestens ein einen radialen Einlasskanal (9) für ein den Turbinenrotor (4) antreibendes Medium bildender Leitapparat (7) zugeordnet ist, wobei der Leitapparat (7) einen mehrere den Turbinenrotor (4) radial umgebende, in dem Einlasskanal (9) liegende Leitschaufeln (8) aufweisenden Leitschaufellagerring (10) sowie einen Leitschaufeldeckring (12) aufweist, und wobei der Einlasskanal (9) durch den Leitschaufellagerring (10) und den Leitschaufeldeckring (12) axial begrenzt und der Leitapparat (7) in dem Gehäuse (2) zur Materialentspannung axial und/oder radial beweglich gelagert ist, dadurch gekennzeichnet,- dass der Leitapparat (7) mit einer Axialvorspannung beaufschlagt ist,- dass das Gehäuse (2) mehrteilig ausgebildet ist, wobei ein erstes Gehäuseteil ein Turbinengehäuse (5) und ein zweites Gehäuseteil ein Lagergehäuse (6) ist,- dass der Leitschaufellagerring (10) eine Stiftverbindung (22,23) zum Ausrichten und/oder Positionieren an dem Gehäuse (2) aufweist,- dass die Stiftverbindung (22,23) mindestens einen Stift (24) aufweist, der in jeweils eine Stiftaufnahme (26) des Leitschaufellagerrings (10) und des Lagergehäuses (6) eingebracht ist,- dass eine Stiftaufnahme (26) als Langloch (27) ausgebildet ist,- dass das Langloch (27) in seiner Längserstreckung radial ausgerichtet und in der von dem Einlasskanal (9) abgewandten Stirnseite des Leitschaufellagerrings (10) ausgebildet ist,- dass der Stift (24) axial ausgerichtet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Turbine, insbesondere für einen Abgasturbolader, mit einem in einem Gehäuse drehbar gelagerten Turbinenrotor, dem mindestens ein einen radialen Einlasskanal für ein den Turbinenrotor antreibendes Medium bildender Leitapparat zugeordnet ist.
Ferner betrifft die Erfindung einen Abgasturbolader, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, der eine Turbine und einen Verdichter aufweist, die mechanisch miteinander wirkverbunden sind.
Stand der Technik
Aus dem Stand der Technik sind Turbinen, insbesondere im Kraftfahrzeugbau im Zusammenhang mit Abgasturboladern bekannt, die einen in einem Gehäuse drehbar gelagerten Turbinenrotor aufweisen, dem mindestens ein einen radialen Einlasskanal für ein den Turbinenrotor antreibendes Medium bildender Leitapparat zugeordnet ist. Im Kraftfahrzeugbau werden Abgasturbolader dazu verwendet, die Leistung und das Drehmoment einer Brennkraftmaschine zu erhöhen. Die Turbine beziehungsweise der Turbinenrotor der Turbine eines derartigen Abgasturboladers wird dabei durch einen Abgasstrom der Brennkraftmaschine angetrieben und treibt selbst einen Verdichter an, welcher seinerseits angesaugte Frischluft verdichtet und in die Zylinder der Brennkraftmaschine treibt. Durch das Verdichten der Frischluft wird der in die Zylinder der Brennkraftmaschine eingebrachte Frischluftanteil erhöht und dadurch die Leistungs- beziehungsweise Drehmomentsteigerung erreicht. Da die Turbine von dem Abgas der Brennkraftmaschine angetrieben wird, sind keine weiteren Aggregate zum Erhöhen des Füllvolumens der Zylinder von Nöten. Mittlerweile werden auch Turbinen verwendet, die eine sogenannte variable Turbinengeometrie (VTG) aufweisen. Turbinen mit einer variablen Turbinengeometrie lehnen sich an die Wirkungsweise der Francis-Turbine an und dienen dazu, die Leistungsabgabe und das Ansprechverhalten der Turbine beziehungsweise des Abgasturboladers an unterschiedlichen Betriebspunkten besser beziehungsweise optimal einstellen/anpassen zu können. Um das zu erreichen, weist eine Turbine mit variabler Turbinengeometrie einen Leitapparat auf, der dem Turbinenrotor zugeordnet ist und der einen radialen Einlasskanal für das den Turbinenrotor antreibende Medium (hier das Abgas der Brennkraftmaschine) bildet. In dem von dem Leitapparat gebildeten Einlasskanal sind verstellbare Leitschaufeln angeordnet, die den Turbinenrotor radial umgeben. Diese Leitschaufeln können in ihrem Anstellwinkel verstellt werden, um den Durchströmungsquerschnitt des Einlasskanals zu verändern. Üblicherweise sind hierzu die Leitschaufeln gleichmäßig beziehungsweise gleichwinklig verteilt über den Umfang des Turbinenrotors und beabstandet dazu an einem Leitschaufellagerring des Leitapparats angeordnet. Der Anstellwinkel der Leitschaufeln wird beispielsweise derart eingestellt, dass bei einem geringen Durchsatz des den Turbinenrotor antreibenden Mediums und bei gleichzeitigem hohen Leistungsbedarf der Durchströmungsquerschnitt in dem Einlasskanal reduziert/verringert wird, sodass das Medium beschleunigt auf die Turbinenschaufeln geleitet wird, wodurch die Drehzahl der Turbine und somit die Leistung des Verdichters beziehungsweise des Abgasturboladers erhöht wird. Umgekehrt kann bei einem hohen Durchsatz des Mediums und einem geringen Leistungsbedarf durch einen großen Durchströmungsquerschnitt die Strömungsgeschwindigkeit des Mediums verringert werden, wodurch die Leistung der Turbine, und damit die des Abgasturboladers, verringert/vermindert wird.
Aus der europäischen Patentschrift EP 0160460 B1 ist eine Turbine wie sie oben beschrieben wurde bekannt, wobei der Schaufellagerring axial verschieblich gelagert ist und zusammen mit einem Gehäuseabschnitt des Gehäuses der Turbine den Einlasskanal axial begrenzt.
Aus der US 2006/0062663 A1 sowie der WO 2008/036862 A2 sind weitere Turbinen bekannt.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung sieht eine Turbine mit einem in einem Gehäuse drehbar gelagerten Turbinenrotor, dem mindestens ein einen radialen Einlasskanal für ein den Turbinenrotor antreibendes Medium bildender Leitapparat zugeordnet ist, vor, wobei der Leitapparat einen mehrere den Turbinenrotor radial umgebende, in dem Einlasskanal liegende Leitschaufeln aufweisenden Leitschaufellagerring sowie einen Leitschaufeldeckring aufweist, und wobei der Einlasskanal durch den Leitschaufellagerring und den Leitschaufeldeckring axial begrenzt und der Leitapparat in dem Gehäuse zur Materialentspannung axial und/oder radial beweglich gelagert ist. Die erfindungsgemäße Turbine weist also einen Leitapparat auf, der neben dem Leitschaufellagerring einen Leitschaufeldeckring aufweist, der zusammen mit dem Leitschaufellagerring den Einlasskanal für das den Turbinenrotor antreibenden Medium axial begrenzt. Der Leitschaufellagerring und der Leitschaufeldeckring sind also, wie der Name bereits sagt, jeweils als ein Ring ausgebildet. In der gesamten vorliegenden Anmeldung ist somit unter dem Leitschaufellagerring und dem Leitschaufeldeckring jeweils nicht eine Hülse oder ein hülsenartiges Element sondern ein Ring zu verstehen, der einen einfachen, bevorzugt im Wesentlichen rechteckförmigen, Querschnitt aufweist, dessen radiale Erstreckung im Wesentlichen gleich oder vorzugsweise größer als seine axiale Erstreckung ist. Dabei ist der Leitschaufeldeckring parallel zu dem Leitschaufellagerring angeordnet, wobei der Abstand zwischen dem Leitschaufellagerring und dem Leitschaufeldeckring im Wesentlichen der Breite beziehungsweise der Axialerstreckung der Leitschaufeln entspricht.
Der Leitschaufeldeckring hat den Vorteil, dass Spannungen und/oder Verformungen des Gehäuses der Turbine, die beispielsweise aufgrund von mechanischer Überanspruchung und/oder aufgrund von temperaturbedingten Spannungen und/oder Deformationen entstehen, nicht die Funktionsfähigkeit des Leitapparats beeinträchtigen. Die Ausbildung des Leitapparats mittels Ringen - Leitschaufellagerring und Leitschaufeldeckring - erlaubt eine besonders einfache und kostengünstige Herstellung der Turbine.
Im genannten Stand der Technik liegen die Leitschaufeln an dem Gehäuse der Turbine direkt an. Eine Verformung des Gehäuses aus den oben genannten Gründen führt dabei zu hohen Reibwerten zwischen den Leitschaufeln und dem Gehäuse bei einer Verstellung beziehungsweise bei einer Veränderung des Anstellwinkels der Leitschaufeln. Sind die Spannungen und Verformungen des Gehäuses ausreichend hoch, können die Leitschaufeln nicht mehr verstellt beziehungsweise betätigt werden. Die variable Turbinengeometrie ist somit nicht mehr funktionsfähig. Der Leitschaufeldeckring entkoppelt somit im Wesentlichen das Gehäuse der Turbine, sodass der Leitschaufeldeckring wie ein Puffer für die in dem Gehäuse auftretenden Spannungen und Deformationen wirkt. Darüber hinaus ist der Leitschaufeldeckring vorteilhafterweise aus einem hochwertigen Material gefertigt. Die im Betrieb an dem Leitschaufeldeckring anliegenden und sich gegebenenfalls bewegenden Leitschaufeln führen leicht zu einer schnellen Korrosion, Erosion, und/oder einem schnellen Verschleiß der Anlagestellen auf dem Leitschaufeldeckring. Diese Korrosionsstellen können dahingehend stark ausgeprägt sein, dass die Leitschaufeln an dem Leitschaufeldeckring „fressen“. Auch dadurch wird ein Einstellen des Durchströmungsquerschnitts des Einlasskanals mittels der Leitschaufeln verhindert. Der vorteilhafte Leitschaufeldeckring, der, wie bereits gesagt, aus dem hochwertigen Material gefertigt ist, verhindert eine derartige Korrosion aufgrund seiner Materialeigenschaften. Natürlich wäre es auch denkbar, das gesamte Turbinengehäuse aus dem hochwertigen Material zu fertigen, dies würde jedoch zu äußerst hohen Kosten und einem hohen Fertigungsaufwand führen, der durch die Verwendung des vorteilhaft ausgebildeten Leitschaufeldeckrings vermieden werden kann. Erfindungsgemäß ist nunmehr der gesamte Leitapparat, bestehend aus dem Leitschaufellagerring, den Leitschaufeln und dem Leitschaufeldeckring, zur Materialentspannung axial und/oder radial beweglich in dem Gehäuse gelagert. Der Leitapparat ist nicht, beispielsweise mittels einer Verschraubung, an dem Gehäuse festgelegt. Der axial und/oder radial beweglich gelagerte Leitapparat lässt eine Relativbewegung zwischen sich und dem Gehäuse zu, wodurch Spannungen sowohl im Leitapparat als auch in dem Gehäuse verringert werden und dadurch die Lebensdauer des Leitapparats beziehungsweise der Turbine erhöht wird. Insbesondere bei Beaufschlagen der Turbine mit heißen Abgasen einer Brennkraftmaschine erlaubt dies die temperaturbedingte Expansion/Ausdehnung der einzelnen Bauteile des Leitapparats, ohne dass Spannungen in dem Leitapparat entstehen. In radialer und/oder axialer Erstreckung des Leitapparats ist zweckmäßigerweise zu dem Gehäuse ein Spiel vorgesehen, welches derart groß ausgebildet ist, dass sich das Material des Leitapparats und/oder des Gehäuses auch unter hoher (Temperatur-)Belastung ausdehnen kann, ohne dass der Leitapparat in dem Gehäuse „verspannt“ wird. Die Lagerung des Leitapparats lässt somit eine Entspannung des Materials durch eine axiale und/oder radiale (Kompensations-) Bewegung zu.
Erfindungsgemäß ist der Leitapparat mit einer Axialvorspannung beaufschlagt, die den Leitapparat axial in dem Gehäuse derart festlegt, dass der Leitapparat gegen das Gehäuse gedrückt wird und somit ein Wackeln aufgrund von beispielsweise Erschütterungen oder Vibrationen verhindert wird. Zweckmäßigerweise ist die Vorspannung derart gewählt, dass sie deutlich kleiner als die in dem Leitapparat auftretenden, insbesondere temperaturbedingten, Spannungen ist. Der Leitapparat ist also schwimmend (vorspannungsfrei) oder mit mindestens einer (kleinen) Vorspannung in dem Gehäuse gelagert.
Vorteilhafterweise liegen der Leitschaufellagerring und der Leitschaufeldeckring in jeweils einer Axialvertiefung des Gehäuses ein. Die Axialvertiefung kann hierbei beispielsweise auf einfache Art und Weise in das Gehäuse gefräst, gedreht oder gebohrt werden. Zweckmäßigerweise entspricht die Kontur der Axialvertiefung im Wesentlichen der des Leitschaufellagerrings beziehungsweise der des Leitschaufeldeckrings, sodass diese das zur Materialentspannung notwendige Spiel zur Verfügung haben.
Erfindungsgemäß ist das Gehäuse mehrteilig ausgebildet. Dies ermöglicht eine besonders einfache und kostengünstige Montage des Leitapparats in dem Gehäuse beziehungsweise in den Axialvertiefungen des Gehäuses. Zweckmäßigerweise wird hierbei zunächst der Leitapparat axial in die Axialvertiefung eines Gehäuseteils eingelegt und anschließend das andere Gehäuseteil auf das (axiale) freie Ende des Leitapparats aufgeschoben.
Erfindungsgemäß ist das erste Gehäuseteil ein Turbinengehäuse. Das Turbinengehäuse umgibt im Wesentlichen den Turbinenrotor der Turbine und weist zweckmäßigerweise einen radialen, insbesondere ring-spiral-förmigen Einlasskanal auf, der das Medium auf den Einlasskanal des Leitapparats zuleitet, sowie einen zentralen beziehungsweise axialen Auslasskanal, der sich in der axialen Verlängerung des Turbinenrotors erstreckt.
Erfindungsgemäß ist das zweite Gehäuseteil ein Lagergehäuse. In dem Lagergehäuse ist eine Welle, auf der der Turbinenrotor drehfest gelagert ist, drehbar gelagert. Besonders bevorzugt ist die Welle mittels einem oder mehrerer Wälzlager, wie zum Beispiel Kugelrillenrollenlager, Kegelrollenlager usw., in dem Lagergehäuse gelagert. Wobei auch eine Gleitlagerung der Welle denkbar ist. Das Lagergehäuse schließt sich axial an das Turbinengehäuse an.
Weiterhin ist vorgesehen, dass die Axialvertiefung für den Leitschaufellagerring in dem Lagergehäuse und die Axialvertiefung für den Leitschaufeldeckring in dem Turbinengehäuse ausgebildet ist. Prinzipiell ist natürlich auch eine umgekehrte Anordnung möglich, bei der der Leitschaufellagerring in der Axialvertiefung in dem Turbinengehäuse und der Leitschaufeldeckring in der Axialvertiefung des Lagergehäuses einliegt. Bevorzugt wird jedoch die erste Variante, da hierbei die für die Verstellung der Leitschaufeln notwendige Mechanik aus Packagegründen (Bauraum) leichter in dem Lagergehäuse als in dem Turbinengehäuse, welches insbesondere strömungsgünstig für das den Turbinenrotor antreibende Medium ausgebildet sein muss, anordenbar ist.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Turbine mindestens ein Axialfederelement zum Erzeugen der Axialvorspannung aufweist. Die Federkraft wird, wie oben bereits erwähnt, im Vergleich zu den temperaturbedingten Spannungen des Leitapparats, klein gewählt. Dabei kann vorgesehen sein, dass lediglich ein Axialfederelement verwendet wird, welches den Leitapparat gegen eine der Axialvertiefungen drückt, oder es können zwei oder mehr Axialfederelemente vorgesehen sein, die beispielsweise an jeweils einem Axialende des Leitapparats angeordnet sind.
Bevorzugt ist das Axialfederelement zwischen dem Leitschaufellagerring und dem Gehäuse, beziehungsweise dem Lagergehäuse, und/oder zwischen dem Leitschaufeldeckring und dem Gehäuse, beziehungsweise dem Turbinengehäuse, angeordnet. Ist das Axialfederelement zwischen dem Leitschaufellagerring und dem Lagergehäuse angeordnet, so hat dies den Vorteil, dass das Axialfederelement nicht stark erhitzt wird, da das Lagergehäuse verhältnismäßig kühl ist. Das kommt daher, dass es nicht oder nur äußerst geringfügig mit dem heißen Abgas in Kontakt kommt. Durch die Anordnung des Axialfederelements an dem Lagergehäuse wird somit die Lebensdauer der Feder erhöht beziehungsweise gewährleistet. Ist das Axialfederelement hingegen zwischen dem Leitschaufeldeckring und dem Turbinengehäuse (axial) angeordnet, so befindet es sich auf der heißen Seite der Turbine. Dadurch wird der Leitapparat in Richtung der kalten Seite, also gegen das Lagergehäuse gedrückt. Durch die direkte Anlage des Leitschaufellagerrings an dem Lagergehäuse wird der Leitapparat von dem Lagergehäuse „gekühlt“.
Vorteilhafterweise ist das Axialfederelement als Spiralfeder, Schraubenfeder oder Tellerfeder ausgebildet. Wobei neben den genannten Axialfederelement-Arten beispielsweise auch die Verwendung eines O-Rings, Kegelrings, Tonnenfederrings, V-Rings, C-Rings, eines Metalldichtrings oder eines schwammartigen Gewebes denkbar ist. Das Material des Axialfederelements kann unterschiedlichster Art, wie zum Beispiel metallisch oder ein Verbundwerkstoff oder eine Keramik sein. Besonders bevorzugt ist die Tellerfeder gleichzeitig als Hitzeschild und/oder als Abdichtung ausgebildet.
Weiterhin ist vorgesehen, dass die Turbine mindestens ein Radialfederelement zum Erzeugen der Radialvorspannung aufweist. Dieses ist bevorzugt zwischen dem Gehäuse und dem Außen- und/oder Innenumfang des Leitschaufellagerings und/oder des Leitschaufeldeckrings angeordnet. Wie auch das Axialfederelement, weist das Radialfederelement eine Federkraft auf, die im Verhältnis zu den in dem Leitapparat entstehenden Spannungen klein ist, sodass sich der Leitapparat radial frei ausdehnen kann, sodass sein Material spannungsarm beziehungsweise „entspannt“ bleibt.
Besonders bevorzugt ist das Radialfederelement als Wellring ausgebildet. Der Wellring, oder auch Lagerausgleichsring genannt, erstreckt sich dabei über den gesamten Innen- oder Außenumfang des Leitschaufeldeckrings beziehungsweise des Leitschaufellagerrings. Natürlich ist auch ein offener Leitschaufeldeckring beziehungsweise Leitschaufellagerring denkbar.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist die Turbine mindestens ein Radial-Axial-Federelement zum Erzeugen der Axial- und der Radialvorspannung auf. Anstelle eines Axialfederelements und eines Radialfederelements ist also vorgesehen, ein einziges Radial-Axial-Federelement zu verwenden, welches die Axial- und die Radialvorspannung gleichzeitig erzeugt und damit den Leitapparat beaufschlagt. Das Radial-Axial-Federelement kann beispielsweise aus einem Faltenring mit Radialfalten gebildet werden, der an dem Gehäuse und an dem Leitapparat sowohl axial als auch radial anliegt.
Ferner ist in einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass der Leitschaufellagerring und der Leitschaufeldeckring zueinander zur Materialentspannung axial und/oder radial verlagerbar sind. Es ist hierbei also nicht nur der gesamte Leitapparat axial und/oder radial in dem Gehäuse beweglich gelagert, vielmehr sind auch die einzelnen Bestandteile/Bauteile des Leitapparats zueinander beweglich gelagert. Wobei bei einer vorspannungsfreien Lagerung des Leitapparats auch der Leitschaufellagerring und der Leitschaufeldeckring zueinander vorspannungsfrei, also lose, beweglich sind. Ist der Leitapparat mit einer Axialvorspannung beaufschlagt, so wirkt sich diese natürlich auch auf die Bauteile des Leitapparats aus, sodass der Leitschaufellagerring gegen den Leitschaufeldeckring (oder umgekehrt) axial gedrückt wird. Die freie Beweglichkeit beziehungsweise die lose Anordnung des Leitapparats und die des Leitschaufellagerrings zu dem Leitschaufeldeckring führt dazu, dass das Spiel der Leitschaufeln zwischen den Leitschaufeln und dem Leitschaufeldeckring besonders klein ausgeführt werden kann, wodurch der (thermodynamische) Wirkungsgrad der Turbine verbessert wird. Die so ausgebildete Turbine mit „fliegender“ variabler Turbinengeometrie ermöglicht geringste Deformationen und Spannungen. Durch die freie Beweglichkeit des Leitschaufellagerings und des Leitschaufeldeckrings wird die Reibung zwischen den Leitschaufeln und dem Leitschaufeldeckring verringert, sodass hier auch eine Korrosionsbildung, Erosion und/oder Verschleiß verhindert wird.
Vorteilhafterweise sind zwischen dem Leitschaufellagerring und dem Leitschaufeldeckring mindestens einer, bevorzugt mehrere Axial-Distanzhalter vorgesehen. Diese Axial-Distanzhalter sichern einen Mindestabstand des Leitschaufellagerrings zu dem Leitschaufeldeckring, der durch die Axialerstreckung der Axial-Distanzhalter definiert ist. Die Größe der Axial-Distanzhalter wird zweckmäßigerweise derart gewählt, dass zwischen den Leitschaufeln und dem Leitschaufeldeckring und dem Leitschaufellagerring ein möglichst kleines Spiel vorhanden ist und eine möglichst geringe Reibung beim Verstellen der Leitschaufeln wirkt.
Vorteilhafterweise sind die Axial-Distanzhalter an dem Leitschaufellagerring und/oder an dem Leitschaufeldeckring angeordnet beziehungsweise festgelegt. Die Axial-Distanzhalter können somit alle an dem Leitschaufeldeckring oder an dem Leitschaufellagerring, oder beispielsweise abwechselnd an dem Leitschaufeldeckring und dem Leitschaufellagerring angeordnet sein. Darüber hinaus ist es denkbar, dass die Axial-Distanzhalter zweiteilig ausgebildet sind, wobei ein Teil an dem Leitschaufellagerring und der andere Teil gegenüberliegend an dem Leitschaufeldeckring angeordnet ist. Aufgrund der Geometrie der Bauteile und der unterschiedlichen Temperaturbeaufschlagung verformt sich der Leitschaufeldeckring im Vergleich zu dem Leitschaufellagerring nicht so stark. Daher werden die Axial-Distanzhalter bevorzugt an dem Leitschaufeldeckring angeordnet beziehungsweise festgelegt. Eine Schiefstellung des Leitschaufeldeckrings aufgrund von temperaturbedingten Spannungen fällt nur gering aus, sodass die Axial-Distanzhalter ihren Anlagekontakt an dem Leitschaufellagerring nur geringfügig ändern und somit die axiale Erstreckung beziehungsweise die Breite des Einlasskanals und damit auch das Spiel zwischen den Leitschaufeln und dem Leitschaufeldeckring und dem Leitschaufellagerring nur geringfügig geändert/beeinflusst wird.
Besonders bevorzugt sind die Axial-Distanzhalter einstückig mit dem Leitschaufellagerring oder mit dem Leitschaufeldeckring ausgebildet. Zweckmäßigerweise sind die Axial-Distanzhalter gleichmäßig beziehungsweise gleichwinklig oder ungleichmäßig beziehungsweise -winklig an der zum Einlasskanal weisenden Stirnfläche des Leitschaufellagerrings und/oder des Leitschaufeldeckrings verteilt angeordnet. Sind die Axial-Distanzhalter zweiteilig ausgebildet, so sind bevorzugt die beiden Teile jeweils einstückig mit dem Leitschaufellagerring beziehungsweise dem Leitschaufeldeckring ausgebildet.
Weiterhin ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Turbine mindestens eine Stiftverbindung zum Positionierung und/oder Ausrichten des Leitapparats, des Leitschaufellagerrings und/oder des Leitschaufeldeckrings an dem Gehäuse aufweist. Dabei weist die Stiftverbindung mindestens einen Stift auf, der in eine Stiftaufnahme des Leitapparats beziehungsweise eines seiner Bauteile und/oder des Gehäuses eingebracht ist. Durch die Verwendung einer oder mehrerer Stiftverbindungen bleibt die Montage der Turbine einfach und kostengünstig.
Erfindungsgemäß ist zumindest eine Stiftaufnahme als Langloch ausgebildet, sodass ein Verlagern beziehungsweise Bewegen des Leitapparats, des Leitschaufellagerrings oder des Leitschaufeldeckrings relativ zu dem in die Stiftaufnahme eingebrachten Stift möglich ist.
Erfindungsgemäß ist das Langloch in seiner Längserstreckung radial ausgerichtet. Dabei ist eine radiale Bewegung des in das Langloch eingreifenden Stiftes beziehungsweise eine Ausdehnung des den Stift aufweisenden Bauteils ohne Spannungserzeugung möglich. Das radial ausgerichtete Langloch ist in der von dem Einlasskanal abgewandten Stirnseite des Leitschaufellagerrings ausgebildet. Ist das Langloch in seiner Längserstreckung axial, also parallel zur Drehachse des Turbinenrotors ausgerichtet, so ist entsprechend eine Ausdehnung des Materials aufgrund von steigenden Temperaturen in axialer Richtung möglich, ohne dass Spannungen erzeugt werden.
Erfindungsgemäß ist der Stift axial ausgerichtet. In beiden Fällen wirkt er als Positioniereinrichtung beziehungsweise als Verdrehsicherung. Ist er axial ausgerichtet, lässt er eine axiale Bewegung des Leitapparats oder seiner Bauteile zur Materialentspannung zu. Ist er radial ausgerichtet, erlaubt er entsprechend eine radiale Bewegung/Ausdehnung zur Materialentspannung. In beiden Fällen wird natürlich vorausgesetzt, dass der Stift in seiner Längserstreckung mit ausreichend Spiel beweglich gelagert ist.
Weiterhin ist vorgesehen, dass mindestens ein Stift einer Stiftverbindung von einem der Axial-Distanzhalter gebildet ist. Hier ist es vorgesehen, dass der Axial-Distanzhalter durch den Leitschaufellagerring oder den Leitschaufeldeckring hindurch ragt und an der dem Einlasskanal gegenüberliegenden Stirnseite von dem entsprechenden Ring absteht und in eine Stiftaufnahme des Gehäuses eingreift. Alternativ dazu ist der Stift ebenfalls einstückig mit dem jeweiligen Ring oder mit dem Gehäuse ausgebildet.
Besonders bevorzugt ist die Turbine weiterhin derart ausgebildet, dass der Kraftfluss der Axialvorspannung durch den Leitapparat im Wesentlichen parallel zur Drehachse des Turbinenrotors verläuft. Es ist also vorgesehen, dass der Kraftfluss der Axialvorspannung im Wesentlichen axial oder axial durch den Leitapparat verläuft. Bei hohen Federkräften und unter ungünstigen transienten Bedingungen, bei denen beispielsweise einerseits das Axialfederelement noch kalt ist und eine hohe Axialkraft beziehungsweise -Vorspannung bewirkt und andererseits der Leitschaufeldeckring bereits erhitzt ist und keine hohen Spannungen mehr verkraftet, können durch die Kraft des Axialfederelements der Leitschaufellagerring und/oder der Leitschaufeldeckring, insbesondere tellerförmig, deformiert werden, wenn der Kraftfluss durch den Leitschaufellagerring und/oder durch den Leitschaufeldeckring im Wesentlichen radial beziehungsweise in radialer Richtung verläuft/erfolgt. Durch den im Wesentlichen axialen Verlauf des Kraftflusses wird das Auftreten von zu Deformationen führenden Momenten in dem Leitapparat verhindert. Als Folge davon können größere Axialfederkräfte ertragen werden, die Deformationen, insbesondere unter transienten Bedingungen, sind kleiner, so dass das Spiel der Leitschaufeln kleiner gewählt werden kann, wodurch der Wirkungsgrad der Turbine verbessert und die Lebensdauer erhöht wird. Auch können günstigere Materialien verwendet werden.
Zweckmäßigerweise liegt mindestens ein Axialfederanlagebereich des Leitapparats im Wesentlichen auf dem gleichen Radius wie der Axial-Distanzhalter, oder, zum Beispiel falls mehrere Axial-Distanzhalter und/oder Axialfederelemente beziehungsweise Axialfederanlagebereiche vorgesehen sind, wie die Axial-Distanzhalter. Dadurch wird ein im Wesentlichen axialer Kraftfluss der Axialvorspannung von dem Axialfederelement durch den Leitapparat über die Axial-Distanzhalter gewährleistet. Der Axialfederanlagebereich ist dabei natürlich auf der dem Axial-Distanzhalter abgewandten Seite des Leitschaufellagerrings beziehungsweise des Leitschaufelldeckrings angeordnet, je nachdem, auf welcher Seite des Leitapparates das oder die Axialfederelemente vorgesehen/angeordnet sind.
Vorteilhafterweise ist der Axialfederanlagebereich fluchtend mit dem Axial-Distanzhalter angeordnet. Sind mehrere Axialfederelemente und mehrere Distanzhalter vorgesehen, so sind die entsprechenden Axialfederanlagebereiche fluchtend mit jeweils einem Axial-Distanzhalter angeordnet beziehungsweise ausgerichtet. Der Axialfederanlagebereich beziehungsweise die Axialfederanlagebereiche sind also in der gedachten Verlängerung des beziehungsweise der Axial-Distanzhalter angeordnet. Dadurch wird verhindert, dass Momente in Umfangsrichtung auftreten, die ebenfalls zu einer Deformation des Leitschaufeldeckrings und/oder des Leitschaufellagerrings führen könnten. Befinden sich also die Axialkrafteinleitstelle von dem Axialfederelement und die Kraftweiterleitstelle zu dem Axial-Distanzhalter auf annähernd gleicher Höhe, so entstehen keine unerwünschten Spannungen und Deformationen.
Vorteilhafterweise liegt zumindest ein Axial-Anlagebereich des Gehäuses im Wesentlichen auf dem gleichen Radius wie der Axial-Distanzhalter und/oder wie der Axialfederanlagebereich des Leitapparats. Unter dem Axial-Anlagebereich ist hierbei selbstverständlich der Bereich des Gehäuses zu verstehen, an dem der Leitapparat mit dem Leitschaufeldeckring oder gegebenenfalls mit dem Leitschaufellagerring axial anliegt. So wird der Axial-Leitapparatanlagebereich beispielsweise durch eine der oben beschriebenen Axialvertiefungen, in denen der Leitapparat einliegt, gebildet. Wobei, wenn der Leitapparat mit dem Leitschaufeldeckring an dem Axial-Anlagebereich mit der gesamten Fläche des Leitschaufeldeckrings anliegt, der Kraftfluss durch den Leitapparat bereits aufgrund der Anordnung des Axial-Distanzhalters/der Axial-Distanzhalter und des Axialfederanlagebereichs/der Axialfederanlagebereiche im Wesentlichen axial verläuft. Sind jedoch in dem Gehäuse vorteilhafterweise einer oder mehrere zu dem Leitschaufeldeckring randoffene Aussparungen beziehungsweise Hinterschnitte vorgesehen, die von dem den Turbinenrotor antreibenden Medium zum Zwecke der beidseitigen Erwärmung des Leitschaufeldeckrings durchströmbar sind, so liegt der Leitschaufeldeckring nur teilweise an dem Gehäuse an, wobei der Axial-Anlagebereich des Gehäuses dann, wie oben beschrieben, zweckmäßigerweise im Wesentlichen auf dem gleichen Radius wie der oder die Axial-Distanzhalter angeordnet ist. Sind mehrere Aussparungen beziehungsweise Hinterschnitte gleichwinklig über den Umfang des Leitschaufeldeckrings beziehungsweise des Axial-Anlagebereichs des Gehäuses verteilt angeordnet, so sind die dazwischen befindlichen Axial-(Teil-) Anlagebereiche bevorzugt fluchtend zu den Distanzhaltern angeordnet, so dass auch hier zu Deformationen führende Momente in Umfangsrichtung verhindert werden. Der Axial-Anlagebereich und/oder der Axialfederanlagebereich können natürlich ebenso jeweils als Anlagepunkt oder -Linie ausgebildet sein.
Schließlich ist vorgesehen, dass der Kraftfluss der Axialvorspannung nicht mehr als 20 % von dem Radius, auf dem der oder die Distanzhalter liegen, abweicht. Hierdurch wird ein Kaftflussverlaufsbereich definiert, innerhalb dessen der Kraftfluss im Wesentlichen axial verläuft/erfolgt. Durch entsprechendes Anordnen des Axialfederelements beziehungsweise des Axialfederanlagebereichs, des Axial-Distanzkörpers und/oder des Axial-Anlagebereichs des Gehäuses, wie obenstehend beschrieben, kann dieser bevorzugte Kraftflussverlaufsbereich erreicht werden.
Der erfindungsgemäße Abgasturbolader zeichnet sich durch eine Turbine aus, wie sie obenstehend beschrieben wurde.
Figurenliste
Im Folgenden soll die Erfindung anhand einiger Figuren näher erläutert werden. Dazu zeigen

1 ein Ausführungsbeispiel einer Turbine mit einem vorspannungsfrei axial und radial beweglichen Leitapparat,
2 die Turbine mit einem Axialfederelement zwischen dem Leitapparat und einem Turbinengehäuse,
3 die Turbine mit dem Axialfederelement zwischen dem Leitapparat und einem Lagergehäuse,
4 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Turbine mit Stiftverbindungen,
5 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Turbine mit Axial-Distanzhaltern,
6 die Turbine aus der 5 mit einer Stiftverbindung,
7 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Turbine mit einem Radialfederelement,
8 einen vergrößerten Ausschnitt der Turbine aus der 7,
9 die Turbine der 7 mit einem alternativen Radialfederelement,
10 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Turbine mit einer Stiftverbindung,
11 ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel der Turbine mit Stiftverbindungen,
12 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Turbine mit Stiftverbindungen,
13 ein Ausführungsbeispiel der Turbine mit einem Radial-Axial-Federelement,
14 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Turbine mit einem Axialfederelement und einem Radialfederelement,
15 die Turbine mit einem alternativen Radial-Axial-Federelement,
16 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Turbine mit zwei Axialfederelementen auf einer Seite des Leitapparats,
17 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Turbine mit einer Schraubenfeder als Axialfederelement,
18 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Turbine mit Hinterschnitten und
19 einen bevorzugten Kraftflussverlauf durch den Leitapparat.

Ausführungsformen der Erfindung
Die 1 zeigt in einer schematischen Schnittdarstellung eine Turbine 1 eines hier nicht näher dargestellten Abgasturboladers für ein Kraftfahrzeug. Die Turbine 1 weist einen in einem Gehäuse 2 um eine Drehachse 3 drehbar gelagerten Turbinenrotor 4 auf, wobei nur der Teil oberhalb der Drehachse 3 dargestellt ist. Das Gehäuse 2 der Turbine 1 ist zweiteilig ausgebildet, wobei ein Teil ein Turbinengehäuse 5 und der andere Teil ein Lagergehäuse 6 bildet, wobei sich das Lagergehäuse 6 axial an das Turbinengehäuse 5 - in Bezug auf die Drehachse 3 - anschließt, und zwischen dem Turbinengehäuse 5 und dem Lagergehäuse 6 ein Durchströmungsquerschnitt für ein den Turbinenrotor 4 antreibendes Medium gebildet ist. Das Medium, in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel das Abgas der Brennkraftmaschine, kann radial zu dem Turbinenrotor 4 in das Gehäuse 2 einströmen, und tritt, nachdem es Arbeit an dem Turbinenrotor 4 verrichtet hat, wieder axial aus dem Turbinengehäuse 5 aus, wie durch Pfeile 42 angedeutet.
In dem Gehäuse 2 der Turbine 1 ist weiterhin ein Leitapparat 7, der eine variable Turbinengeometrie aufweist und einen radialen Einlasskanal 9 für das Medium in dem Durchströmungsquerschnitt zwischen dem Turbinengehäuse 5 und dem Lagergehäuse 6 bildet, gelagert. Der Leitapparat 7 weist einen Leitschaufellagerring 10 auf, der koaxial zu der Drehachse 3 in einer Axialvertiefung 11 des Lagergehäuses 6 einliegt. An dem Leitschaufellagerring 10 sind mehrere Leitschaufeln 8 - von denen hier nur eine dargestellt ist - gleichwinklig über den Leitschaufellagerring 10 verteilt angeordnet, sodass sie den Turbinenrotor 4 umgeben beziehungsweise umrahmen. Der Leitapparat 7 weist weiterhin einen Leitschaufeldeckring 12 auf, der koaxial zur Drehachse 3 ausgerichtet und in einer Axialvertiefung 13 des Turbinengehäuses 5 einliegt. Der Leitschaufellagerring 10 und der Leitschaufeldeckring 12 begrenzen hierbei axial den Einlasskanal 9 für das den Turbinenrotor 4 antreibenden Medium. Der axiale Abstand des Leitschaufellagerrings 10 zu dem Leitschaufeldeckring entspricht hierbei im Wesentlichen der Breite der Leitschaufeln 8. Durch Verstellen des Anstellwinkels der Leitschaufeln kann somit im Betrieb der Durchströmungsquerschnitt im Einlasskanal eingestellt beziehungsweise beeinflusst werden. Hierdurch kann beispielsweise die Leistung der Turbine 1 an unterschiedliche Betriebsbedingungen/Betriebspunkte angepasst werden. Zum Verstellen weisen die Leitschaufeln 8 jeweils einen Hebelarm 14 auf. Vorteilhafterweise ist zum Betätigen beziehungsweise zum Einstellen des Anstellwinkels der Leitschaufeln 8 ein hier nicht näher dargestellter Verstellring vorgesehen, der auf der dem Einlasskanal 9 gegenüberliegenden Seite des Leitschaufellagerrings 10 angeordnet ist und mit den Hebelarmen 14 so wirkverbunden ist, dass durch Verdrehen des Verstellrings alle Leitschaufeln 8 gleichzeitig in ihrem Anstellwinkel eingestellt werden können.
In dem Ausführungsbeispiel der 1 ist der Leitapparat 7 zur Materialentspannung vorspannungsfrei axial und radial beweglich gelagert. Dazu ist zwischen dem Leitschaufellagerring 10 und dem Lagergehäuse 6 und/oder zwischen dem Leitschaufeldeckring 12 und dem Turbinengehäuse 5 ein Axialspiel vorgesehen, das ein Ausdehnen der Bauteile des Leitapparats 7 aufgrund der hohen Temperatur des Abgases erlaubt, ohne dass der Leitapparat 7 beziehungsweise seine Bauteile (Leitschaufellagerring, Leitschaufeln, Leitschaufeldeckring) derart in dem Gehäuse 2 verspannt werden, dass Spannungen in den Bauteilen entstehen und/oder sich die einzelnen Bauteile verformen. Im Betrieb kann sich der Leitapparat 7 also beispielsweise axial ausdehnen, wodurch eine Materialspannung vermindert/verhindert beziehungsweise eine Materialentspannung gewährleistet wird. Unter der Materialentspannung ist dabei also im Wesentlichen das Verhindern des Auftretens von Spannungen in dem Material der Bauteile des Leitapparats 7, wie zum Beispiel dem Material des Leitschaufellagerings 10 oder des Leitschaufeldeckrings 12, zu verstehen. Die radiale Beweglichkeit des Leitapparats 7 oder seiner Komponenten beziehungsweise Bauteile wird durch eine entsprechend breite Ausbildung der Axialvertiefungen 11 und 13 gewährleistet, sodass der Leitschaufellagerring 10 in dem Lagergehäuse 6 radial beabstandet zu dem Lagergehäuse 6 angeordnet ist und der Leitschaufeldeckring 12 radial beabstandet zu dem Turbinengehäuse 5 angeordnet ist. Somit kann der Leitapparat 7 beziehungsweise können seine Bauteile ungehindert radial wachsen, sodass keine Spannungen erzeugt werden. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel liegen die Bauteile des Leitapparats 7 lose in dem Gehäuse 2 beziehungsweise aneinander an. Der Leitapparat 7 ist mit anderen Worten schwimmend oder fliegend in dem Gehäuse 2 der Turbine 1 gelagert. Diese Lagerung des Leitapparats 7 lässt Relativbewegungen zwischen dem Leitapparat 7 und dem Gehäuse 2 beziehungsweise zwischen den Bauteilen des Leitapparats 7 untereinander zu, wodurch Spannungen in den Bauteilen vermindert und die Lebensdauer der Turbine 1 erhöht wird. Hierdurch wird ermöglicht, dass ein besonders kleines Spiel zwischen den Leitschaufeln 8 und dem Leitschaufeldeckring 12 gewählt werden kann. Dadurch, dass der Leitapparat 7 beziehungsweise seine Bauteile axial beweglich gelagert sind, wird verhindert, dass auch unter hoher Temperaturbelastung die Leitschaufeln 8 zwischen dem Leitschaufellagerring 10 und dem Leitschaufeldeckring 12 „verklemmen“. Die Reibung zwischen den Leitschaufeln 8 und dem Leitschaufeldeckring 12 ist beim Einstellen des Anstellwinkels der Leitschaufeln 8 ebenfalls verringert. Hierdurch wird weiterhin verhindert, dass eine schnelle Korrosion/ein schneller Verschleiß des Leitschaufeldeckrings 12 oder der Leitschaufeln 8 erfolgt. Aufgrund der schwimmenden Lagerung beziehungsweise aufgrund des Fehlens von Schrauben und/oder von Gewindebohrungen ist dieses Konzept besonders günstig in der Fertigung und leicht montierbar. Der Leitapparat 7 kann dabei als eine vormontierte Baugruppe vorgesehen und in die Turbine 1 eingebaut werden. Alternativ können die Bauteile des Leitapparats 7 einzeln eingesetzt werden.
Um einen Mindestaxialabstand zwischen dem Leitschaufellagerring 10 und dem Leitschaufeldeckring 12 zu sichern, sind Axial-Distanzhalter 15 zwischen dem Leitschaufellagerring 10 und dem Leitschaufeldeckring 12 vorgesehen. Diese sind vorteilhafterweise gleichwinklig verteilt angeordnet. Wobei natürlich auch eine ungleichmäßige Verteilung denkbar ist. Die Axial-Distanzhalter 15 können wahlweise an dem Leitschaufellagerring 10, an dem Leitschaufeldeckring 12 oder abwechselnd an dem Leitschaufellagerring 10 und dem Leitschaufeldeckring 12 angeordnet beziehungsweise festgelegt sein. Besonders bevorzugt sind die Axial-Distanzhalter 15 einstückig mit dem Leitschaufellagerring 10 oder dem Leitschaufeldeckring 12 ausgebildet.
Der Turbinenrotor 4 ist auf einer Welle 16 angeordnet, die in das Lagergehäuse 6 führt und dort entsprechend, beispielsweise mittels Wälzlagern und/oder Gleitlagern, drehbar gelagert ist. An dem dem Turbinenrotor 4 gegenüberliegenden Ende der Welle 16 ist zweckmäßigerweise ein Verdichterrotor eines Verdichters des Abgasturboladers drehfest auf der Welle 16 angeordnet. Um zu verhindern, dass heißes Abgas in das Lagergehäuse 6 einströmt, ist zwischen der Welle 16 und dem Lagergehäuse 6 weiterhin ein Dichtelement 17 angeordnet.
Die 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der aus der 1 bekannten Turbine 1, wobei aus der 1 bekannte Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind und nicht nochmals erläutert werden. Dies gilt auch für die darauffolgenden 3 bis 17, in denen bereits bekannte Elemente mit bereits verwendeten Bezugszeichen versehen sind. Die 2 zeigt die Turbine 1 in einer weiter vereinfachten Darstellung, wobei der Leitapparat 7 vereinfacht lediglich als ein Kasten 17 dargestellt ist. Im Unterschied zu dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel ist der Leitapparat 7 in der 2 mit einer Axialvorspannung beaufschlagt. Diese wird durch ein Axialfederelement 18 erzeugt, welches zwischen dem Leitapparat 7 beziehungsweise dem hier nicht dargestellten Leitschaufeldeckring 12 und dem Turbinengehäuse 5 angeordnet ist. Das Axialfederelement 18 drückt somit den Leitapparat 7 gegen das Lagergehäuse 6. Somit liegt der Leitapparat 7 an dem Lagergehäuse 6 an, wodurch Wärme an das Lagergehäuse 6 wirkungsvoll und effizient abgeführt werden kann, sodass der Leitapparat 7 durch das Lagergehäuse 6 gekühlt wird. Durch die Axialvorspannung werden auch die einzelnen Bauteile des Leitapparats 7 gegeneinander gedrückt. So beaufschlagt das Axialfederelement 18 den Leitschaufeldeckring 12, der wiederum auf die Leitschaufeln 8, oder, wenn vorhanden, auf die Axial-Distanzhalter 15, die das Leitschaufelspiel bestimmen, und somit auf den Leitschaufellagerring 10 drückt. Die Federkraft des Axialfederelements 18 ist vorteilhafterweise derart klein gewählt, dass temperaturbedingte Verformungen des Leitapparats 7 oder seiner Bauteile nicht zu (Ver-)Spannungen in den Bauteilen oder in dem Leitapparat 7 führen. Der Leitapparat 7 und insbesondere seine Bauteile sind somit ausreichend axial zur Materialentspannung beweglich gelagert.
Die 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Turbine 1, das sich nur geringfügig von dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel aus der 2 unterscheidet. Der wesentliche Unterschied liegt darin, dass das Axialfederelement 18 zwischen dem Leitapparat 7 und dem Lagergehäuse 6 angeordnet ist, wobei in dem folgenden Ausführungsbeispiel das Axialfederelement 18 als Schraubenfeder 19 ausgebildet ist. Die Schraubenfeder 19 liegt in einer Federaufnahme 20 des Lagergehäuses 6 ein, die beispielsweise als Bohrung oder als umlaufende Nut ausgebildet ist. Ebenso konnte die Schraubenfeder mittels eines Bolzens/Zapfens geführt beziehungsweise ausgerichtet und positioniert werden. Alternativ kann das Axialfederelement 18 auch als Spiralfeder, schwammartiges Gewebe, Elastomerelement oder Ähnliches ausgebildet sein. Die Anordnung des Axialfederelements 18 zwischen dem Lagergehäuse 6 und dem Leitapparat 7 hat den Vorteil, dass sich die Feder auf der kühlen Seite der Turbine 1 befindet. Dadurch wird das Axialfederelement 18 nicht so stark erhitzt, sondern durch die Anlage an das kühle Lagergehäuse 6 gekühlt.
Die 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Turbine 1 in einer detaillierteren Schnittdarstellung, wobei der Turbinenrotor 4 sowie die Welle 16 nicht dargestellt sind. Die Turbine 1 der 4 entspricht im Wesentlichen der Turbine 1 aus der 3, wobei das Axialfederelement 18 als eine Tellerfeder 21 ausgebildet ist. Darüber hinaus weist die Turbine 1 zwei Stiftverbindungen 22 und 23 auf. Die Stiftverbindung 22 besteht aus einem Stift 24, der axial - also parallel zur Drehachse 3 - ausgerichtet ist, und in einer Stiftaufnahme 25 in dem Turbinengehäuse 5 einliegt und in eine Stiftaufnahme 26 des Leitschaufeldeckrings 12 eingreift. Die Stiftaufnahme 26 in dem Leitschaufeldeckring 12 ist hierbei als Langloch 27 ausgebildet, welches in seiner Längserstreckung radial ausgerichtet ist. Die Stiftverbindung 23 weist ebenfalls einen Stift 24 auf, der in einer Stiftaufnahme 25 des Turbinengehäuses 5 einliegt und in eine Stiftaufnahme 26 des Leitschaufeldeckrings 12 eingreift. Durch die Ausbildung der Stiftaufnahme 26 der Stiftverbindung 22 als Langloch 27 kann der Leitschaufeldeckring 12 ungehindert radial wachsen, sodass keine (Ver-)Spannungen in dem Leitschaufeldeckring 12 aufgrund hoher Temperaturen entstehen können.
Die 5 zeigt die Turbine 1 der 4 mit dem Unterschied, dass der Stift 24 der Stiftverbindung 23 von einem Axial-Distanzhalter 15 gebildet wird. Hierzu ist der Axial-Distanzhalter 15 derart ausgebildet, dass er durch den Leitschaufeldeckring 12 hindurchgreift und in die Stiftaufnahme 25 des Turbinengehäuses 5 eingreift.
Die 6 zeigt einen vergrößerten Bereich der Turbine 1. Hierbei ist eine Stiftverbindung 29 mit einem Stift 24 zwischen dem Turbinengehäuse 5 und dem Leitschaufeldeckring 12 vorgesehen, wobei im Unterschied zu dem vorhergehenden Ausführungsbeispielen der Stift 24 radial beziehungsweise senkrecht zur Drehachse 3 des Turbinenrotors 4 ausgerichtet ist. Insgesamt dienen die Stiftverbindungen im Wesentlichen zur Verdrehsicherung des Leitapparats 7 und erlauben ein radiales und ein axiales Bewegen des Leitapparats 7. Hierzu ist die Stiftaufnahme 25 im Turbinengehäuse 5 randoffen als Langloch 30 ausgebildet, welches in seiner Längserstreckung axial beziehungsweise parallel zur Drehachse 3 des Turbinenrotors 4 ausgerichtet ist. Hier sei angemerkt, dass bei sämtlichen in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen eine radiale und eine axiale Beweglichkeit des Leitapparats und seiner Komponenten gegeben ist.
Die 7 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Turbine 1 in einer Schnittdarstellung, bei dem die Axial-Distanzhalter 15 an dem Leitschaufellagerring 10 angeordnet beziehungsweise festgelegt sind. Dazu sind die Axial-Distanzhalter 15 in jeweils eine entsprechende in dem Leitschaufellagerring 10 ausgebildete Öffnung eingesteckt. Während in den vorhergehenden Ausführungsbeispielen der 2 bis 6 der Leitapparat 7 mit einer Axialvorspannung beaufschlagt ist, ist in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel der Leitschaufeldeckring 12 zusätzlich mit einer Radialvorspannung beaufschlagt. Diese wird mittels eines Radialfederelements 31 gewährleistet, das als Wellring 32 ausgebildet ist und zwischen dem Innenradius des Leitschaufeldeckrings 12 und dem Turbinengehäuse 5 eingespannt ist. Der Wellring 32 positioniert den Leitschaufeldeckring 12 radial in dem Turbinengehäuse 5 und lässt dabei eine radiale Ausdehnung des Leitschaufeldeckrings 12 zu, sodass in dem Leitschaufeldeckring keine temperaturbedingten Spannungen entstehen.
Die 8 zeigt den Wellring 32 in einer vergrößerten Darstellung eines Ausschnitts der 7. Durch die Wellenform des Wellrings 32 wird die Federkraft des Radialfederelements 31 gewährleistet. Der Wellring 32 weist dabei zusätzlich einen bogenförmigen Querschnitt auf.
Die 9 zeigt eine alternative Ausbildung des Wellrings 32, der im Gegensatz zu dem vorhergehenden Wellring 32 aus der 8 einen geraden Querschnitt aufweist.
Die 10 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Turbine 1, wobei hierbei die Stiftverbindung 29 aus der 6 nicht zwischen dem Turbinengehäuse 5 und dem Leitschaufeldeckring 12, sondern zwischen dem Turbinengehäuse 5 und dem Leitschaufellagerring 10 angeordnet ist.
Die 11 zeigt ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel der Turbine 1, dass im Wesentlichen dem Ausführungsbeispiel der 4 entspricht, wobei hier die Stiftverbindungen 22 und 23 zwischen dem Lagergehäuse 6 und dem Leitschaufellagerring 10 vorgesehen sind, wobei das radial ausgerichtete Langloch 27 in der von dem Einlasskanal abgewandten Stirnseite des Leitschaufellagerrings 10 ausgebildet ist. Die Stifte 24 der Stiftverbindungen 22 und 23 sind hierbei axial beziehungsweise parallel zur Drehachse 3 ausgerichtet.
In der 12 ist eine Kombination der Stiftverbindungen 29 und 23 dargestellt, wobei die Stiftverbindung 29 zwischen dem Turbinengehäuse 5 und dem Leitschaufeldeckring 12 und die Stiftverbindung 23 zwischen dem Lagergehäuse 6 und dem Leitschaufellagerring 10 ausgebildet beziehungsweise vorgesehen ist.
Die 13 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Turbine 1 mit einem Radial-Axial-Federelement 33, das zwischen dem Leitschaufellagerring 10 und dem Lagergehäuse 6 angeordnet ist. Das Radial-Axial-Federelement 33 ist als Faltenfederring 34 mit Radialfalten ausgebildet, der sowohl axial als auch radial an dem Lagergehäuse 6 und an dem Leitschaufellagerring 10 anliegt. Hierdurch wird der Leitapparat 7 beziehungsweise der Leitschaufellagerring 10 sowohl axial als auch radial mit einer Vorspannung beaufschlagt.
Die 14 zeigt ebenfalls ein Ausführungsbeispiel für eine gleichzeitige radiale und axiale Vorspannung des Leitapparats 7, wobei hierbei für die Axialvorspannung das bereits bekannte Axialfederelement 18 und für die Radialvorspannung das Radialfederelement 31 vorgesehen ist, das hierbei als ein L-förmiges Ringfederelement 35 ausgebildet ist, das mit einem Schenkel flächig den Leitschaufellagerring 10 radial beaufschlagt/fixiert.
Die 15 zeigt eine alternative Ausführungsform des Radial-AxialFederelements 33 aus der 13, das im Wesentlichen L-förmig ausgebildet ist und in seinem dem Leitschaufellagerring 10 radial beaufschlagenden Schenkel eine Axialfederfalte 36 aufweist, die zur Erzeugung der Axialvorspannung dient. Axial ist dem Radial-Axial-Federelement 33 und dem Leitschaufellagerring 10 ein Hitzeschild 37 zwischengeschaltet, der optional auch entfallen kann.
Die 16 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel zur Erzeugung einer Axialvorspannung, wobei hier zwei Tellerfedern 21 vorgesehen sind, die beide zwischen dem Lagergehäuse 6 und dem Leitschaufellagerring 10 anliegen. Weiterhin ist in der 16 auch ein Verstellring 38 zum Verstellen des Anstellwinkels der Leitschaufeln 8 dargestellt, der an der dem Einlasskanal 9 abgewandten Seite des Leitschaufellagerrings 10 angeordnet ist.
Die 17 zeigt eine alternative Ausführungsform des Axialfederelements 18. Hierbei ist das Axialfederelement 18 als eine Schraubenfeder 39 ausgebildet, die in Axialfederaufnahmen 40, die in dem Lagergehäuse 6 und in dem Leitschaufellagerring 10 ausgebildet sind, einliegt. Es ist auch denkbar, eine Schraubenfeder 39 vorzusehen, die einen konischen Längsverlauf beziehungsweise Längsschnitt aufweist, zum Beispiel mit breiter Auflagefläche in dem Lagergehäuse 6 und mit kleiner Auflagefläche in dem Leitschaufellagerring 10. Natürlich ist die Verwendung von anderen bekannten Federarten, wie zum Beispiel Elastomerelementen, schwammartigen Geweben und ähnlichen federnden Elementen ebenfalls möglich. Ein Hinterschnitt 41, der in dem Turbinengehäuse 5 randoffen zu dem Leitschaufeldeckring 12 ausgebildet ist, steht strömungstechnisch mit dem Einlasskanal 9 in Verbindung, sodass ein Teil des heißen Abgases in den Hinterschnitt 41 gelangen kann und somit den Leitschaufeldeckring 12 auch von „hinten“ erhitzt. Der Wellring 32 sichert hierbei durch seine Wellenform die strömungstechnische Verbindung, in dem er den Leitschaufeldeckring 12 radial beabstandet zu dem Turbinengehäuse 5 positioniert. Der Leitschaufeldeckring 12 wird also zweiseitig mit der Temperatur des Mediums beziehungsweise des Abgases beaufschlagt, wodurch eine ungleichförmige Verformung des Leitschaufeldeckrings 12 verhindert wird und somit das Spiel zwischen den Leitschaufeln 8 und dem Leitschaufeldeckring 12 kleiner gewählt werden kann. Alle genannten Federelemente können geschlossen oder segmentiert ausgebildet sein.
Die 18 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Turbine 1 in einer vereinfachten Darstellung. In diesem Ausführungsbeispiel wird eine Axialvorspannung mittels des Axialfederelements 18, wie zum Beispiel auch in der 4 dargestellt, erzeugt. Ebenfalls dargestellt ist der Hinterschnitt 41, der stromabwärts der Leitschaufeln 8, wie durch einen Pfeil 43 angedeutet, einströmbar ist. Weiterhin ist ein zweiter Hinterschnitt 44 vorgesehen, der radial beabstandet zu dem Hinterschnitt 41 ausgebildet/angeordnet ist, und stromabwärts der Leitschaufeln 8, wie durch einen Pfeil 45 angedeutet, einströmbar ist. Zwischen den Hinterschnitten 41 und 44 bleibt ein Stützbereich 46 bestehen, in dem der Leitschaufeldeckring 12 anliegt. Zwischen dem Leitschaufeldeckring 12 und dem Stützbereich 46 ist vorteilhafterweise eine Dichtung 47 angeordnet, die ein Strömen des Mediums an dem Leitapparat 7 vorbei verhindert.
Grundsätzlich können die oben beschriebenen Ausführungsformen beliebig miteinander kombiniert werden, zum Beispiel werden sowohl der Leitschaufeldeckring als auch der Leitschaufellagering abgesteckt, beziehungsweise mittels Stiftverbindungen positioniert/gehalten.
Des Weiteren ist es möglich, mindestens einen Axial-Distanzhalter mit Stiften beziehungsweise stiftartigen Ausbildungen des Axial-Distanzhalters im Leitschaufellagerring und/oder im Leitschaufeldeckring anzuordnen/festzulegen.
Die 19 entspricht im Wesentlichen der 18, so dass im Folgenden lediglich auf die Unterschiede eingegangen werden soll. In der 19 ist eine bevorzugte Ausführungsform der Turbine 1 dargestellt, bei der der Kraftfluss der Axialvorspanung, in der 19 als eine Linie 48 dargestellt, im Wesentlichen parallel zur Drehachse 3 des Turbinenrotors 4 verläuft. Hierzu ist das Axialfederelement derart angeordnet, das es an dem Leitapparat 7 beziehungsweise an dem Leitschaufellagerring 10 an einem Axialfederanlagebereich 52 anliegt, der im Wesentlichen auf dem gleichen Radius wie der Axial-Distanzhalter 15 liegt. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel liegt der im Wesentlichen kreiszylinderförmige Axial-Distanzhalter 15 mit seiner Längsachse beziehungsweise Rotationsachse auf dem Radius r_m (Teilkreisradius) zu der Drehachse 3, wie durch eine gestrichelte Linie 49 dargestellt. Entsprechendes gilt für die weiteren, über den Umfang verteilt angeordneten Axial-Distanzhalter, die hier nicht dargestellt sind. Dadurch wird der Kraftfluss (Linie 48) von dem Axialfederelement 18 im Wesentlichen axial beziehungsweise parallel zur Drehachse 3 des Turbinenrotors 4 durch den Leitschaufellagerring 10 auf den Axial-Distanzhalter 15 geleitet. Der Stützbereich 46, der einen Axial-Anlagebereich 53 des Gehäuses 2 für den Leitapparat 7 bildet, ist ebenfalls im Wesentlichen auf der gleichen Höhe beziehungsweise auf dem gleichen Radius wie der Axial-Distanzhalter 15 angeordnet, so dass der Kraftfluss (Linie 48) weiterhin von dem Axial-Distanzhalter 15 über den Leitschaufeldeckring 12 im Wesentlichen axial beziehungsweise parallel zur Drehachse 3 des Turbinenrotors 4 in das Gehäuse 2 verläuft/erfolgt.
Insgesamt verläuft der Kraftfluss (Linie 48) also im Wesentlichen axial beziehungsweise parallel zur Drehachse 3 durch den Leitapparat 7. Dies hat den Vorteil, dass die Elemente des Leitapparats 7, insbesondere der Leitschaufeldeckring 12 und der Leitschaufellagerring 10, insbesondere bei ungünstigen transienten Bedingungen, nicht deformiert werden.
Sind vorteilhafterweise anstelle der Tellerfeder 21 eine oder mehrere Axialfederelemente 18, wie zum Beispiel die Schraubenfeder 39, vorgesehen, so sind diese fluchtend mit den Distanzhaltern 15, also in der gedachten Verlängerung der Distanzhalter 15, angeordnet und ausgerichtet. Hierdurch werden Spannungen und Deformationen in Umfangsrichtung des Leitschaufellagerrings vermieden.
Weiterhin sind in der 19 zwei Radien r_i und r_a mittels gestrichelter Linien 50 beziehungsweise 51 dargestellt, wobei der Radius r_a größer und der Radius r_i kleiner als der Radius r_m der Distanzhalter 15 sind. Die Radien r_i und r_a definieren einen Kraftflussverlaufsbereich, gekennzeichnet durch einen Doppelpfeil 54, innerhalb dessen der Kraftfluss (Linie 48) verlaufen soll. Zweckmäßigerweise dürfen der Kraftfluss und die (Teilkreis-) Radien (zu der Drehachse 3), auf denen die unterschiedlichen Elemente (Axial-Distanzhalter 15, Axialfederelement 18 beziehungsweise Axialfederanlagebereich 52 und Stützbereich 46 beziehungsweise Axial-Anlagebereich 53) beziehungsweise die jeweiligen Anlage-/Kontaktbereiche zwischen den Elementen jeweils angeordnet sind, nur um jeweils 20 % von dem Radius r_m in beide Richtungen abweichen.
Anstelle der Tellerfeder 21, wie in der 18 dargestellt, ist in der 19 der aus der 15 bekannte Hitzeschild 37 vorgesehen, der tellerfederartig ausgebildet ist, wobei seine Federkraft wesentlich kleiner als die der Tellerfeder 21 ausfällt und lediglich zum Abdichten dient.

Claims

Turbine (1) mit einem in einem Gehäuse (2) drehbar gelagerten Turbinenrotor (4), dem mindestens ein einen radialen Einlasskanal (9) für ein den Turbinenrotor (4) antreibendes Medium bildender Leitapparat (7) zugeordnet ist, wobei der Leitapparat (7) einen mehrere den Turbinenrotor (4) radial umgebende, in dem Einlasskanal (9) liegende Leitschaufeln (8) aufweisenden Leitschaufellagerring (10) sowie einen Leitschaufeldeckring (12) aufweist, und wobei der Einlasskanal (9) durch den Leitschaufellagerring (10) und den Leitschaufeldeckring (12) axial begrenzt und der Leitapparat (7) in dem Gehäuse (2) zur Materialentspannung axial und/oder radial beweglich gelagert ist, dadurch gekennzeichnet, - dass der Leitapparat (7) mit einer Axialvorspannung beaufschlagt ist, - dass das Gehäuse (2) mehrteilig ausgebildet ist, wobei ein erstes Gehäuseteil ein Turbinengehäuse (5) und ein zweites Gehäuseteil ein Lagergehäuse (6) ist, - dass der Leitschaufellagerring (10) eine Stiftverbindung (22,23) zum Ausrichten und/oder Positionieren an dem Gehäuse (2) aufweist, - dass die Stiftverbindung (22,23) mindestens einen Stift (24) aufweist, der in jeweils eine Stiftaufnahme (26) des Leitschaufellagerrings (10) und des Lagergehäuses (6) eingebracht ist, - dass eine Stiftaufnahme (26) als Langloch (27) ausgebildet ist, - dass das Langloch (27) in seiner Längserstreckung radial ausgerichtet und in der von dem Einlasskanal (9) abgewandten Stirnseite des Leitschaufellagerrings (10) ausgebildet ist, - dass der Stift (24) axial ausgerichtet ist.
Turbine (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Leitapparat (7) mit einer Radialvorspannung beaufschlagt ist.
Turbine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Leitschaufellagerring (10) und der Leitschaufeldeckring (12) jeweils in einer Axialvertiefung (11,13) des Gehäuses (2) einliegen.
Turbine (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Axialvertiefung (11) für den Leitschaufellagerring (10) in dem Lagergehäuse (6) und die Axialvertiefung (13) für den Leitschaufeldeckring (12) in dem Turbinengehäuse (5) ausgebildet ist.
Turbine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbine (1) mindestens ein Axialfederelement (18) zum Erzeugen der Axialvorspannung aufweist.
Turbine (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Axialfederelement (18) zwischen dem Leitschaufellagerring (10) und dem Gehäuse (2) und/oder zwischen dem Leitschaufeldeckring (12) und dem Gehäuse (2) axial angeordnet ist.
Turbine (1) nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Axialfederelement (18) als Spiralfeder, Schraubenfeder (39), Tellerfeder (21), O-Ring oder C-Ring ausgebildet ist.
Turbine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbine (1) mindestens ein Radialfederelement (31) zum Erzeugen der Radialvorspannung aufweist.
Turbine (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Radialfederelement (31) als Wellring (32) ausgebildet ist.
Turbine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch mindestens ein Radial-Axial-Federelement (33) zum Erzeugen der Axial- und der Radialvorspannung.
Turbine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Leitschaufellagerring (10) und der Leitschaufeldeckring (12) axial und/oder radial zueinander verlagerbar sind.
Turbine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Leitschaufellagerring (10) und dem Leitschaufeldeckring (12) mindestens ein Axial-Distanzhalter (15) vorgesehen ist.
Turbine (1) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Axial-Distanzhalter (15) an dem Leitschaufellagerring (10) und/oder an dem Leitschaufeldeckring (12) angeordnet ist.
Turbine (1) nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Axial-Distanzhalter (15) einstückig mit dem Leitschaufellagerring (10) oder mit dem Leitschaufeldeckring (12) ausgebildet ist.
Turbine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Stift (24) von einem der Axial-Distanzhalter (15) gebildet ist.
Turbine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftfluss der Axialvorspannung durch den Leitapparat (7) im Wesentlichen parallel zu einer Drehachse (3) des Turbinenrotors (4) verläuft.
Turbine (1) nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Axialfederanlagebereich (52) des Leitapparats (7) im Wesentlichen auf dem gleichen Radius wie der Axial-Distanzhalter (15) liegt.
Turbine (1) nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Axialfederanlagebereich (52) fluchtend mit dem Axial-Distanzhalter (15) angeordnet ist.
Turbine (1) nach einem der Ansprüche 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Axial-Anlagebereich (53) des Gehäuses (2) für den Leitapparat (7) im Wesentlichen auf dem gleichen Radius wie der Axial-Distanzhalter (15) und/oder der Axialfederanlagebereich (52) des Leitapparats (7) liegt und fluchtend dazu angeordnet ist.
Turbine (1) nach einem der Ansprüche 12 bis 15 und/oder 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftfluss der Axialvorspannung nicht mehr als jeweils 20 % von dem Radius (r_m), auf dem der Axial-Distanzhalter (15) liegt, in beide Richtungen abweicht.
Abgasturbolader für ein Kraftfahrzeug mit mindestens einem Verdichter und mindestens einer Turbine (1), die mechanisch miteinander wirkverbunden sind, gekennzeichnet durch die Ausbildung der Turbine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.