(19) |
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(11) |
EP 2 743 460 B1 |
(12) |
EUROPÄISCHE PATENTSCHRIFT |
(45) |
Hinweis auf die Patenterteilung: |
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05.04.2017 Patentblatt 2017/14 |
(22) |
Anmeldetag: 12.12.2013 |
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(51) |
Internationale Patentklassifikation (IPC):
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(54) |
Wellenabdichtung
Shaft seal
Système d'étanchéité d'arbre
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(84) |
Benannte Vertragsstaaten: |
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AL AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC MK MT NL
NO PL PT RO RS SE SI SK SM TR |
(30) |
Priorität: |
14.12.2012 EP 12197324
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(43) |
Veröffentlichungstag der Anmeldung: |
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18.06.2014 Patentblatt 2014/25 |
(73) |
Patentinhaber: ABB Turbo Systems AG |
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5400 Baden (CH) |
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(72) |
Erfinder: |
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- Vacca, Andrea
5242 Lupfig (CH)
- Rechin, Thomas
5400 Baden (CH)
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(74) |
Vertreter: ABB Patent Attorneys |
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c/o ABB Schweiz AG
Intellectual Property CH-IP
Brown Boveri Strasse 6 5400 Baden 5400 Baden (CH) |
(56) |
Entgegenhaltungen: :
EP-A1- 1 860 299 EP-A2- 2 375 000
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EP-A1- 1 947 373
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Anmerkung: Innerhalb von neun Monaten nach der Bekanntmachung des Hinweises auf die
Erteilung des europäischen Patents kann jedermann beim Europäischen Patentamt gegen
das erteilte europäischen Patent Einspruch einlegen. Der Einspruch ist schriftlich
einzureichen und zu begründen. Er gilt erst als eingelegt, wenn die Einspruchsgebühr
entrichtet worden ist. (Art. 99(1) Europäisches Patentübereinkommen). |
Technisches Gebiet
[0001] Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Strömungsmaschinen, insbesondere der
mit Abgasen von Brennkraftmaschinen beaufschlagten Abgasturboladern.
Sie betrifft eine Wellenabdichtung einer solchen Strömungsmaschine.
Stand der Technik
[0002] Für die Leistungssteigerung einer Verbrennungskraftmaschine werden heutzutage standardmässig
Abgasturbolader eingesetzt, mit einer Turbine im Abgastrakt der Verbrennungskraftmaschine
und mit einem der Verbrennungskraftmaschine vorgelagerten Verdichter, welcher mit
der Turbine über eine gemeinsame Welle verbunden ist. Mit der Aufladung eines Verbrennungsmotors
mittels Abgasturbolader wird die Füllmenge und somit das Kraftstoffgemisch in den
Zylindern erhöht und daraus ein merklicher Leistungsanstieg für den Motor gewonnen.
Optional kann die im Abgas eines Verbrennungsmotors gebundene Energie mittels einer
Nutzturbine in elektrische oder mechanische Energie gewandelt werden. Dabei ist anstelle
eines Verdichters wie beim Abgasturbolader ein Generator oder ein mechanischer Verbraucher
an der Turbinenwelle angeschlossen.
[0003] Ein Abgasturbolader setzt sich standardmässig aus einem Rotor, bestehend aus einer
Welle, einem Verdichterrad und einem Turbinenrad, aus einer Lagerung für die Welle,
aus strömungsführenden Gehäuseteilen (Verdichtergehäuse resp. Turbinengehäuse) und
aus dem Lagergehäuse zusammen.
[0004] Aufgrund des hohen Prozessdruckes im turbinen- wie auch verdichterseitigen Strömungsbereich
ist die Welle des Abgasturboladers gegenüber dem Hohlraum des Lagergehäuses mit einem
passenden Dichtkonzept abzudichten. Der Innendruck im Hohlraum des Lagergehäuses entspricht
üblicherweise dem atmosphärischen Druck. Der Gasdruck im Strömungskanal der Verdichter-
respektive Turbinenseite hängt dagegen vom aktuellen Betriebspunkt des Abgasturboladers
ab und liegt in den meisten Betriebspunkten über dem Druck im Hohlraum des Lagergehäuses.
In gewissen Fällen ist aber auch mit einem Unterdruck zu rechnen, z.B. im Teillastbetrieb
oder bei Stillstand.
[0005] Aus
DE 20 25 125 ist eine turbinenseitige Wellenabdichtung eines Abgasturboladers bekannt, welche
sich aus einer einfachen Ölfangkammer turbinenseitig vom Radiallager sowie einem Kolbenring
mit Dichtwirkung zwischen der Welle und dem Lagergehäuse zusammensetzt. Das axial
aus dem Radiallager austretende Lageröl spritzt auf die nach Aussen versetzte und
rotierende Wellenschulter und wird durch Zentrifugalkräfte in die Ölfangkammer geschleudert.
Das derart abgeschleuderte Lageröl fliesst anschliessend der Schwerkraft folgend innerhalb
der Ölfangkammer nach unten und wieder zurück in den Ölkreislauf der Lagerschmierung.
[0006] Zur Reduktion der Gasleckage aus dem Strömungskanal durch den Radrückraum der Turbine
in den Hohlraum des Lagergehäuses werden standardmässig Kolbenringe aus Metall, beispielsweise
Grauguss, eingesetzt. Der unter Spannung stehende Kolbenring wird in einer radialen
Nut mit axialer Anschlagschulter im Lagergehäuse verspannt. Als Gegenstück zum Kolbenring
wird die rotierende Welle mit einer radialen Nut versehen, wobei der Kolbenring innerhalb
dieser Nut axial gefangen ist und diese radial überdeckt. Aufgrund des Differenzdrucks
zwischen dem Abgasdruck und dem Druck im Inneren des Lagergehäuses wird der Kolbenring
in Richtung des vorhandenen Druckgradienten innerhalb der Nut axial auf Anschlag verschoben.
Durch die axiale Auflage des Kolbenrings an einer der Nutinnenfläche schleift sich
dieser ein und dichtet das Lagergehäuseplenum relativ zur Abgasströmung ab. Zur Verbesserung
der Dichtwirkung können auch zwei oder mehr Kolbenringe eingesetzt werden, wie dies
etwa in
CH 661 964 A5,
US 3 180 568,
US 4 196 910 oder
EP 1 860 299 offenbart ist. In diesen Dokumenten ist gezeigt, wie sich die Dichtwirkung gegenüber
den heissen Abgasen durch die zusätzliche Verwendung von Sperrluft respektive Entlüftung
der Raums zwischen den beiden Kolbenringen erhöhen lässt und dadurch ein Entweichen
der Abgase ins Lagergehäuse gänzlich unterbunden werden kann.
[0007] Aus
DE 37 37 932 A1 ist eine turbinenseitige Wellenabdichtung eines Abgasturboladers bekannt, bei welcher
der Ölablauf aus dem Radiallager zwischen der Lagerstelle und den beiden Kolbenringen
erfolgt. Dabei wird zur Verbesserung der Öldichtheit anstelle einer einfachen axialen
Wellenschulter eine zusätzliche Schleuderscheibe verwendet. Die Menge des im Bereich
der Kolbenringnut auftreffenden unerwünschten Lageröls kann damit erheblich reduziert
werden. Analog erfolgt in den Wellenabdichtungen gemäss
US 4 268 229 sowie
DE 30 21 349 der Ölablauf zwischen dem Radiallager und dem benachbarten Kolbenring, wobei der
Ölablauf immer aus einer Kammer besteht. Zusätzlich wird der Hohlraum zwischen den
beiden Kolbenringen mittels eines zusätzlichen Verbindungskanals mit dem Hohlraum
des Lagergehäuses verbunden und auf atmosphärischen Umgebungsdruck belüftet. Die resultierende
Druckdifferenz über dem linken Kolbenring wird dadurch unterbunden, sodass der Kolbenring
vorwiegend eine ölabdichtende jedoch nicht heissgasabdichtende Funktion übernimmt.
Somit übernimmt nur der rechte Kolbenring die Abdichtung zwischen dem unter Druck
stehenden Strömungskanal und dem Hohlraum des Lagergehäuses. Durch diese Konstruktionsvarianten
ergeben sich demnach zwei getrennte Abläufe für die Medien Öl (aus Radiallager) sowie
Abgas (aus Strömungskanal) wobei die Abläufe durch einen Kolbenring getrennt werden.
Das aus dem Radiallager austretende Schmieröl spritzt unter Umständen axial in den
Kolbenringbereich der Gasabdichtung und flutet im ungünstigsten Falle die gesamte
Kolbenringnut. Üblicherweise ist der Gasdruck im Strömungskanal eines Verdichters
oder Turbine grösser als der Innendruck im Lagergehäuse des Turboladers. So hat eine
positive Druckdifferenz (Druck im Strömungskanal ist höher als im Hohlraum des Lagergehäuses)
zur Folge, dass die sich einstellende Gasleckage die Kolbenringdichtung durchbläst
und das unbeabsichtigt in den Kolbenringbereich eingedrungene Lageröl zurück in die
Ölfangkammer des Lagergehäuses befördert.
[0008] Dem entgegenzuwirken versucht die in
DE 10 2004 055 429 B3 beschriebene Dichtungseinrichtung für eine geschmierte Lagerung einer Rotorwelle,
die ein Lagergehäuse eines Abgasturboladers gegen ein zugeführtes Schmiermittel in
axialer Richtung abdichtet. Auf der Rotorwelle ist eine erste Dichtung in Form eines
Spaltes, eines Labyrinths oder eines Kolbenrings und eine zweite Dichtung in Form
eines engen Spaltes oder eines Labyrinths vorgesehen, welche zwischen sich einen sich
ringförmig um den Umfang der Rotorwelle erstreckenden Ölablaufkanal einschließen,
der mittels einer gehäuseseitigen Ölablaufnut und einer in achsgleicher Position angeordneten
wellenseitigen Ölablaufnut aufgebaut ist. Im Ölablaufkanal ist ein in radialer Richtung
der Rotorwelle mit einem Ende frei in den ringförmigen Ölablaufkanal ragender ringförmiger
Dichtsteg vorgesehen, der eine in axialer Richtung wirkende Barriere für in den Ölablaufkanal
eindringendes Schmiermittel darstellt und den Spalt der zweiten Dichtung radial überdeckt.
[0009] Bei allen beschriebenen Wellenabdichtkonzepten besteht unter gewissen Umständen die
Gefahr, dass heisse Gase aus dem Radrückraum der Abgasturbine durch die Kolbenringabdichtung
entweichen, und das im Kolbenringbereich sowie der Ölablaufnuten verbleibende Lageröl
lokal verbrennt und dadurch eine starke Verkokung der Wellenabdichtung und damit verbundenem
Verschleiss verursacht. Die Verkokungsgefahr nimmt mit steigender Abgastemperatur
und erhöhter Gasleckage durch die Kolbenringe sowie schlechter Bauteilkühlung zu.
So ist eine aktive Kühlung dieser Dichtungspartie entscheidend für die Betriebssicherheit
der Wellenabdichtung.
EP2375000 offenbart eine Wellenabdichtung zwischen dem Lagergehäuse und der Welle einer Strömungsmaschine,
welche eine laufradseitige Dichtung sowie eine lagerseitige Dichtung umfasst, wobei
zwischen der laufradseitigen Dichtung und der lagerseitigen Dichtung eine Ölablaufkammer
vorgesehen ist, welche von einer dritten Dichtung zwischen dem Lagergehäuse und der
Welle begrenzt ist. Zwischen der dritten Dichtung und der laufradseitigen Dichtung
ist eine Gasaustrittskammer angeordnet, wobei die Konstruktion durch mindestens eine
Ölspritzbohrung im Bereich der Ölablaufrinne aktiv gekühlt wird, wodurch eine Verkokung
der Wellenabdichtung unterbunden werden kann. Die dritte Dichtung trennt dabei das
Öl aus der Ölablaufkammer vom Gas aus der Gasaustrittskammer ab. Optional wird der
wellenseitige Teil der Dichtung durch einen Aufsatz auf der Welle gebildet.
Kurze Darstellung der Erfindung
[0010] Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Wellenabdichtung
einer in einem Lagergehäuse gelagerten Welle einer Strömungsmaschine zu schaffen bei
welcher die Verkokungsgefahr der Kolbenringabdichtung durch verbesserte Wärmeabführung
aus der Dichtungspartie minimiert werden kann.
[0011] Bei einer gattungsgemässen Wellenabdichtung einer in einem Lagergehäuse gelagerten
Welle einer Strömungsmaschine zwischen einem Hohlraum im Lagergehäuse und einem Radrückraum
eines Laufrades der Strömungsmaschine mit einem auf der Welle sitzenden Aufsatz, umfassend
eine laufradseitige Dichtung in Form mindestens eines Kolbenrings zwischen dem Lagergehäuse
und dem Aufsatz sowie eine lagerseitige Dichtung in Form eines Dichtspaltes zwischen
dem Lagergehäuse und dem Aufsatz , wobei zwischen der laufradseitigen Dichtung und
der lagerseitigen Dichtung eine Ölablaufkammer vorgesehen ist, wobei die Ölablaufkammer
von einer dritten Dichtung in Form eines Dichtspaltes zwischen dem Lagergehäuse und
dem Aufsatz begrenzt ist, und dass zwischen der dritten Dichtung und der laufradseitigen
Dichtung eine Gasaustrittskammer angeordnet ist, und wobei der Aufsatz eine Kontur
aufweist, die zusammen mit dem Lagergehäuse die Ölablaufkammer sowie die Gasaustrittskammer
bildet und mindestens eine Nut zur Aufnahme des mindestens einen Kolbenrings umfasst,
ist erfindungsgemäss der Sitz des Aufsatzes auf der Welle in zwei axial beabstandete,
radial kraftübertragungsfähige Auflagebereiche zur Welle unterteilt, welche derart
ausgebildet sind, dass sie eine Kraftübertragung in radiale Richtung ermöglichen,
wobei der eine, laufradseitig angeordnete der beiden Auflagebereiche, axial im Bereich
eines des mindestens einen Kolbenrings der laufradseitigen Dichtung angeordnet ist.
Durch die beiden kurzen Sitze an den jeweiligen Enden des Aufsatzes (Wellendichtungsbüchse)
anstelle eines langen, durchgängigen Sitzes lässt sich die Kontaktfläche zwischen
Welle und Lageraufsatz und somit der Wärmeeintrag vom Laufrad durch die Welle reduzieren,
wobei vorteilhafterweise zwischen den beiden axial beabstandeten, radial kraftübertragunsfähigen
Auflagebereichen des Aufsatzes auf der Welle ein mit Luft gefüllter Hohlraum ausgebildet
ist.
[0012] Durch die Anordnung des laufradseitigen Sitzes direkt im Bereich des Kolbenrings
lassen sich fliehkraftbedingte Verformungen gering halten.
[0013] Optional ist in das Lagergehäuse radial ausserhalb der Ölablaufkammer eine Ölablaufrinne
eingelassen und im Lagergehäuse mindestens eine Ölspritzbohrung angeordnet, mit welcher
die Ölablaufrinne mit Öl beaufschlagt werden kann, wobei die Ölablaufrinne sich in
axialer Richtung bis über den mindestens einen Kolbenring der laufradseitigen Dichtung
erstreckt.
[0014] Dadurch lässt sich ein hoher Anteil der Wärme im Lagerbereich direkt radial ausserhalb
der Kolbenringe über das Schmieröl abführen.
[0015] Vorteilhafterweise ist dabei die Ölablaufrinne in axialer Richtung zur laufradseitigen
Dichtung hin zur Achse geneigt ausgebildet, so dass das lagerseitig in die Ölablaufrinne
geführte Öl aufgrund der Schwerkraft in axialer Richtung zur Laufradseite hin strömt.
Optional werden die Kolbenringe der laufradseitigen Dichtung direkt mit einem Kühlmedium
(Sperrluft) beaufschlagt. Dadurch wird ein Eindringen von heissen Gasen aus dem Rückraum
des Laufrades in den Lagerspalt verhindert.
[0016] Optional kann der Aufsatz (Wellendichtungsbüchse) um die Funktion eines Torsionsdämpfers
erweitert werden, dies kann durch eine leichte Pressung am lagerseitigen Sitz, sowie
einer starken Verpressung am laufradseitigen Sitz erreicht werden. Wobei die Pressung
am vorderen Sitz entsprechend der Dämpfungsanforderungen ausgelegt sein muss. Zusätzlich
oder alternativ dazu kann ein Reibelement im Sitz eingebracht werden, wie z.B ein
Teflonband, dadurch können bei Torsionsschwingungen Relativbewegungen an der Welle
ausgenützt werden um das Dämpfungsmass weiter zu erhöhen.
[0017] Optional kann derjenige Bereich des Lagergehäuses, welcher Teil der erfindungsgemäss
ausgebildeten Wellenabdichtung ist, als ein Einsatzstück ausgebildet sein. Das Einsatzstück
kann bei betriebsbedingter Abnutzung leicht ersetzt oder aber etwa zu Reinigungszwecken
kurzzeitig aus dem Lagergehäuse ausgebaut werden. Zudem ist als Material für dieses
Einsatzstück ein Werkstoff mit möglichst hoher Wärmeleiteigenschaft zu wählen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
[0018] Nachfolgend wird die erfindungsgemässe Wellenabdichtung anhand von Zeichnungen detailliert
erläutert. Dabei zeigt
- Fig. 1
- eine teilweise aufgeschnittene Ansicht eines Abgasturboladers gemäss dem Stand der
Technik mit einem Radialverdichter und einer Axialturbine,
- Fig. 2
- einen entlang der Welle geführten Schnitt durch eine turbinenseitige Wellenabdichtung
eines Abgasturboladers gemäss dem Stand der Technik,
- Fig. 3
- einen entlang der Welle geführten Schnitt durch eine turbinenseitige Wellenabdichtung
eines Abgasturboladers gemäss dem Stand der Technik mit einem Aufsatz auf der Welle,
- Fig. 4
- einen entlang der Welle geführten Schnitt durch eine erfindungsgemässe, turbinenseitige
Wellenabdichtung eines Abgasturboladers.
Weg zur Ausführung der Erfindung
[0019] Fig. 1 zeigt einen Abgasturbolader gemäss dem Stand der Technik mit einem Radialverdichter
70 und einer Axialturbine 10. Das Gehäuse des abgebildeten Abgasturboladers ist teilweise
aufgeschnitten dargestellt, um den Rotor mit dem Verdichterrad 71, der Welle 20 und
dem Turbinenrad 11 sehen zu können. Die Luftführung vom Lufteintritt 72 zum Verdichterrad
71 ist mit einem dicken Pfeil angedeutet. Turbinenseitig wird das heisse Abgas durch
den Gaseintritt 12 über das Turbinenrad 11 bis zum Gasaustritt 13 geleitet. Die Welle
20 ist im Lagergehäuse 30 drehbar gelagert, in der Regel mittels zweier Radiallager
und mindestens eines Axiallagers.
[0020] Fig. 2 zeigt eine Wellenabdichtung nach dem Stand der Technik, welche den Hohlraum
50 im Lagergehäuse vom Radrückraum 15 eines Turbinenrades 11 trennt. Dabei umfasst
das Lagergehäuse im Bereich der Wellenabdichtung ein Einsatzstück 31 (Dichtbüchse),
welches als separates Bauteil realisiert ist. Das Einsatzstück 31 ist ringförmig ausgebildet
und umfasst eine radial äussere Ölablaufrinne 52 für das aus dem Radiallager 34 radial
nach Aussen geschleuderte sowie seitlich abgegebene Spritzöl. Das Einsatzstück wird
direkt oder indirekt mit Spritzöl bespritzt und dadurch aktiv gekühlt. Das Spritzöl
wird durch die Ölspritzbohrung 61 auf die zu kühlenden Bauteile geleitet. Die Versorgung
mit Spritzöl erfolgt durch den Ölkanal 60 im Lagergehäuse 30. Die Ölspritzbohrung
61 ist derart ausgeführt und ausgerichtet, dass das Spritzöl im Bereich des Lagergehäuses
30 auf die Innenkontur 63 trifft und das Einsatzstück im Bereich der Ölablaufrinne
52 benetzt. Durch das Spritzöl sowie dem Öl aus der Lagerung 34 und Ölablaufrinne
51 werden das Einsatzstück und die darin befindlichen Kolbenringe, Dichtungen und
Ablaufkammern umfassend gekühlt und eine Verkokung weitgehend unterbunden. Zur Erhöhung
der Kühlwirkung auf die Kolbenringe und Ablaufkammern ist das Einsatzstück 31 vorzugsweise
aus einem Material mit möglichst hoher Wärmeleiteigenschaft gefertigt. Die Ölablaufrinne
52 ist in axialer Richtung von einer radial ausgezogenen Dichtplatte 32 begrenzt die
wiederum selbst durch das Öl im Ablaufkanal 51 gekühlt wird. Das Einsatzstück umfasst
weiter Aussparungen zur Aufnahme zweier in Serie angeordneter Kolbenringe 41 und 42.
Das Einsatzstück umfasst weiter im radial innenliegenden Bereich eine Ölablaufkammer
53, eine separate Gasaustrittskammer 55 für die Gasleckage aus den beiden Kolbenringen
41 und 42 sowie einen Dichtsteg 33 welcher die Ölablaufkammer 53 und die Gasaustrittskammer
55 voneinander trennt.
[0021] Die Ölablaufrinne 51 zwischen dem Radiallager 34 und der Dichtplatte 32 bildet den
ersten Hauptablaufkanal des aus dem Radiallager austretenden Lageröls. Die Dichtplatte
32 bildet mit einem radial gegenüberliegenden ersten Steg 21 der Welle 20 einen ersten
radialen Dichtspalt 43, aufgrund dessen ein Eindringen des Lageröls aus der Ölablaufrinne
51 in die Ölablaufkammer 53 minimiert wird. Die rotierende Wellenkontur der Ölablaufkammer
53 ist mit einer radial nach Innen versetzten Ablaufnut versehen, wodurch sich innerhalb
der Ölablaufkammer 53 zwei Abspritzkanten links und rechts dieser Nut ergeben. Das
durch die Abspritzkanten in den durch die Nut im Einsatzstück 31 gebildeten, radial
äusseren Bereich der Ölablaufkammer 53 geschleuderte Öl fliesst aufgrund der Schwerkraft
innerhalb der Ölablaufkammer 53 entlang der Kontur des Einsatzstücks 31 nach unten.
Damit das Lageröl aus der Ölablaufkammer 53 in den Ölkreislauf der Lagerschmierung
zurückgeführt werden kann, weist die Ölablaufkammer 53 im unteren Bereich mindestens
einen Ölablaufkanal 54 auf.
[0022] Das Einsatzstück 31 der erfindungsgemäss ausgebildeten Wellenabdichtung zeichnet
sich durch eine neben der Ölablaufkammer 53 angeordnete Gasaustrittskammer 55 aus,
die von der Ölablaufkammer 53 durch einen umlaufenden Dichtsteg 33 abgetrennt ist.
Die ringförmig ausgebildete Gasaustrittskammer 55 wird für das Sammeln des durch die
Kolbenringe 41 und 42 durchströmenden heissen Gases verwendet. Der Dichtsteg 33 bildet
mit einem radial gegenüberliegenden zweiten Steg 22 der Welle 20 einen zweiten radialen
Dichtspalt 44. Der Dichtspalt 44 trennt erfindungsgemäss die beiden Medien Öl aus
der Ölablaufkammer 53 vom Gas aus der Gasaustrittskammer 55 sauber ab. Das in der
Gasaustrittskammer 55 aufgefangene Gas wird wiederum durch mindestens einen separaten
Gasablaufkanal 56 innerhalb des Einsatzstücks 31 und getrennt vom Ölablaufkanal 54
ins gemeinsame Volumen des Hohlraums 50 im Lagergehäuse überführt. Durch die gezielte
Trennung der beiden Abläufe soll eine Vermischung der beiden Medien im Bereich der
Ölablaufkammer 53 unterbunden und dadurch die Verkokungsgefahr im Dichtverbund reduziert
werden. Zudem wird durch die grosse Ölablaufrinne 51 sowie der ersten Dichtstelle
43 der Hauptanteil des aus dem Radiallager 34 austretenden Lageröls nach Aussen hin
abgeführt und über die Ölablaufrinne 52 von der Kolbenringpartie ferngehalten.
[0023] Fig. 3 zeigt die Wellenabdichtung nach Fig. 2 (der besseren Übersicht halber sind
nur die gegenüber Fig. 2 zusätzlichen Merkmale mit Bezugszeichen versehen), bei welcher
die rotierende Wellenkontur der Turbine im Bereich der Wellenabdichtung durch einen
hülsenförmigen Aufsatz 81 ausgeführt ist. Der Aufsatz 81 ist dabei auf einen langen
Sitz 82 auf der Welle aufgeschrumpft und eine auf der Welle ausgebildete Kante dient
dem Aufsatz 81 als Axialanschlag 83.
[0024] Fig. 4 illustriert die erfindungsgemässe Weiterentwicklung der Wellenabdichtung nach
Fig. 3. Dabei sind das Lagergehäuse, der Aufsatz sowie der Wellensitz derart ausgebildet,
dass der Wärmeaustrag über die Ölkühlung maximiert und der Wärmeeintrag über den Auflagebereich
zur Welle minimiert wird. Der Aufsatz ist vorteilhafterweise aus einem gut wärmeleitenden
Material zu fertigen.
[0025] Erfindungsgemäss liegt der Aufsatz 81 mit zwei kurzen Sitzen auf der Welle 20 auf.
Zwischen dem lagerseitigen Sitz 821 und dem Laufradseitigen Sitz 822 erstreckt sich
ein luftgefüllter Hohlraum 85, welcher als Isolationsschicht zwischen dem Aufsatz
und der Welle dient. In axiale Richtung liegt der Aufsatz mit einem Axialanschlag
83 an der Welle an. In der dargestellten Ausführungsform weist der ringförmige Aufsatz
81 vier aussenliegende Nuten auf. Die beiden lagerseitigen Nuten bilden zusammen mit
entsprechenden Nuten in dem Einsatzstück 31 des Lagergehäuses die oben beschriebenen,
aus dem Stand der Technik bekannten Ölablaufkammer 53 und Gasaustrittskammer 55. Die
beiden laufradseitigen Nuten des Aufsatzes dienen der Aufnahme zweier Kolbenringe
41 und 42, welche die laufradseitige Dichtung der Wellenabdichtung bilden. Die beiden
Kolbenringe liegen an dem Einsatzstück 31 des Lagergehäuses an. Das Einsatzstück 31
des Lagergehäuses weist eine Ölablaufrinne 52 auf, welche die Zufuhr von Schmieröl
in einen Bereich radial ausserhalb des Aufsatzes ermöglicht. Erfindungsgemäss erstreckt
sich die Ölablaufrinne in axialer Richtung bis über mindestens einen der Kolbenringe
41 und 42, so dass die Kühlung der laufradseitigen Dichtung mittels Schmieröl gewährleistet
werden kann. Die Ölablaufrinne 52 weist eine Neigung zur Achse auf, so dass das in
die Ölablaufrinne eingebrachte Schmieröl aufgrund der Schwerkraft zur Laufradseite
der Ölablaufrinne entlang fliessen kann. Das Lagergehäuse 30 und das Einsatzstück
31 sind dabei derart ausgebildet, dass im bezüglich der Schwerkraft unteren Bereich
eine Abflussmöglichkeit für das Schmieröl vorgesehen ist. In der Figur ist der Ölfluss
mit dünnen, dunklen Pfeilen dargestellt. Vorteilhafterweise wird zur Kühlung der Wellenabdichtung
Schmieröl aus dem Lagerbereich, im konkreten Beispiel aus der Zuführleitung zum Radiallager,
verwendet.
[0026] In der dargestellten Ausführungsform weist die Wellenabdichtung eine Sperrluftversorgung
auf. Dabei wird, mit kleinen, weissen Pfeilen dargestellt, verdichtete Luft von der
Verdichterseite (oder extern zugeführt) über einen Sperrluftkanal im Lagergehäuse
30 in den Lagerspalt laufradseitig der laufradseitigen Kolbenringdichtung geführt.
Die Sperrluft dient dabei der direkten Kühlung der Dichtung einerseits, andererseits
verhindert sie, dass heisses Gas aus dem Radrückraum 15 des Laufrades in den Dichtungsspalt
eindringen kann.
[0027] Optional kann der Aufsatz (Wellendichtungsbüchse) um die Funktion eines Torsionsdämpfers
erweitert werden, dies kann durch eine leichte Pressung am lagerseitigen Sitz 821,
sowie einer starken Verpressung am laufradseitigen Sitz 822 erreicht werden. Wobei
die Pressung am lagerseitigen Sitz entsprechend der Dämpfungsanforderungen ausgelegt
sein muss. Zusätzlich oder alternativ dazu kann ein schwingungsdämpfendes Reibelement
86 im Sitz eingebracht werden, wie z.B ein Teflonband, Dadurch können bei Torsionsschwingungen
Relativbewegungen an der Welle ausgenützt werden um das Dämpfungsmass weiter zu erhöhen.
[0028] Optional kann das Lagergehäuse im Bereich der erfindungsgemäss ausgebildeten Wellenabdichtung
ohne separates Einsatzstück ausgebildet sein. In diesem Fall sind die entsprechenden
Nuten, Dichtplatten und Dichtstege direkt ins Lagergehäuse eingelassen. Gegenüber
der einteilig ausgebildeten Variante ohne separates Einsatzstück weist die ausführlich
beschriebene Ausführungsform mit separatem Einsatzstück 31 den Vorteil auf, dass das
Einsatzstück 31 zwecks Kühlung der Dichtungspartie aus einem Material mit guter Wärmeleitfähigkeit
(z.B. Ck45) gefertigt werden kann und somit unabhängig ist vom verwendeten Lagergehäusematerial
(z.B. GGG-40). Weiter ist ein Einsatzstück bei betriebsbedingter Abnutzung leicht
zu ersetzen oder aber etwa zu Reinigungszwecken kurzzeitig aus dem Lagergehäuse auszubauen.
[0029] In der dargestellten Ausführungsform umfasst die Wellenabdichtung zwei Kolbenringe
41 und 42. Alternativ kann auch nur ein Kolbenring vorgesehen sein oder es können
in dem Bereich oder an anderen Stellen der Wellenabdichtung weitere Kolbenringe vorgesehen
sein.
[0030] Die dargestellte und detailliert beschriebene Ausführungsform zeigt die erfindungsgemäss
ausgebildete Wellenabdichtung auf der Turbinenseite eines Abgasturboladers oder einer
Nutzturbine. Natürlich kann die erfindungsgemäss ausgebildete Wellenabdichtung auch
bei einer beliebigen anderen Strömungsmaschine eingesetzt werden.
Bezugszeichenliste
[0031]
- 10
- Turbine
- 11
- Turbinenrad
- 12
- Gaseinlass
- 13
- Gasaustritt
- 15
- Radrückraum des Laufrades
- 20
- Welle
- 21, 22
- Dichtsteg
- 30
- Lagergehäuse
- 31
- Einsatzstück des Lagergehäuses
- 32
- Dichtplatte
- 33
- Dichtsteg
- 34
- Radiallager
- 35
- Zuführleitung für Kühlmedium (Sperrluft)
- 39
- Haubenabdeckung
- 41, 42
- Kolbenring
- 43, 44
- radialer Dichtspalt
- 50
- Hohlraum im Lagergehäuse
- 51, 52
- Ölablaufrinne
- 53
- Ölablaufkammer
- 54
- Ölablaufkanal
- 55
- Gasaustrittskammer
- 56
- Gasablaufkanal
- 60
- Ölkanal
- 61
- Ölspritzbohrung
- 62
- Lagerflansch
- 63
- Innenkontur
- 70
- Verdichter
- 71
- Verdichterrad
- 72
- Lufteintritt
- 81
- Mit der Welle mitrotierender Aufsatz
- 821, 822
- Wellensitz
- 83
- Axialanschlag
- 85
- Hohlraum
- 86
- schwingungsdämpfendes Element
1. Wellenabdichtung einer in einem Lagergehäuse (30) gelagerten Welle (20) einer Strömungsmaschine
zwischen einem Hohlraum (50) im Lagergehäuse (30) und einem Radrückraum (15) eines
Laufrades (11) der Strömungsmaschine, mit einem auf der Welle sitzendem Aufsatz (81),
umfassend eine laufradseitige Dichtung in Form mindestens eines Kolbenrings (41, 42)
zwischen dem Lagergehäuse (30, 31) und dem Aufsatz (81) sowie eine lagerseitige Dichtung
in Form eines Dichtspaltes (43) zwischen dem Lagergehäuse (30, 31) und dem Aufsatz
(81), wobei zwischen der laufradseitigen Dichtung und der lagerseitigen Dichtung eine
Ölablaufkammer (53) vorgesehen ist, wobei die Ölablaufkammer (53) von einer dritten
Dichtung in Form eines Dichtspaltes (44) zwischen dem Lagergehäuse (30, 31) und dem
Aufsatz (81) begrenzt ist, wobei zwischen der dritten Dichtung und der laufradseitigen
Dichtung eine Gasaustrittskammer (55) angeordnet ist, und wobei der Aufsatz (81) eine
Kontur aufweist, die zusammen mit dem Lagergehäuse die Ölablaufkammer (53) sowie die
Gasaustrittskammer (55) bildet und mindestens eine Nut zur Aufnahme des mindestens
einen Kolbenrings (41, 42) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass der Sitz des Aufsatzes (81) auf der Welle in zwei axial beabstandete, radial kraftübertragungsfähige
Auflagebereiche (821, 822) unterteilt ist, wobei der eine, laufradseitig angeordnete
der beiden Auflagebereiche (822), axial im Bereich eines des mindestens einen Kolbenrings
(41, 42), der laufradseitigen Dichtung angeordnet ist.
2. Wellenabdichtung nach Anspruch 1, wobei axial zwischen den beiden Auflagebereichen
(821, 822) ein von der Welle (20) und dem Aufsatz (81) begrenzter Hohlraum (85) ausgebildet
ist.
3. Wellenabdichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei in das Lagergehäuse (30, 31) radial
ausserhalb der Ölablaufkammer (53) eine Ölablaufrinne (52) eingelassen ist und im
Lagergehäuse (30) mindestens eine Ölspritzbohrung (61) angeordnet ist, mit welcher
die Ölablaufrinne mit Öl beaufschlagt werden kann, wobei die Ölablaufrinne sich in
axialer Richtung bis über den mindestens einen Kolbenring (41, 42) der laufradseitigen
Dichtung erstreckt.
4. Wellenabdichtung nach Anspruch 3, wobei die Ölablaufrinne (52) in axialer Richtung
zur laufradseitigen Dichtung hin zur Achse geneigt ausgebildet ist, so dass das lagerseitig
in die Ölablaufrinne geführte Öl aufgrund der Schwerkraft in axialer Richtung zur
Laufradseite hin strömt.
5. Wellenabdichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei beim lagerseitigen der beiden
Auflagebereiche (822) zwischen der Welle (20) und dem Aufsatz (81) ein schwingungsdämpfendes
Element (86) angerordnet ist.
6. Wellenabdichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Lagergehäuse im Bereich
der Wellenabdichtung ein Einsatzstück (31) umfasst, in welches Ausnehmungen eingelassen
sind, welche die Ölablaufkammer (53) sowie die Gasaustrittskammer (55) bilden.
7. Wellenabdichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Aufsatz (81) aus einem
Material gefertigt ist, welches gegenüber dem Material der Welle eine höhere Wärmeleitfähigkeit
aufweist.
8. Wellenabdichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei im Lagergehäuse (30, 31)
eine Zuführleitung zum Einbringen eines gasförmigen Kühlmediums in den Spaltbereich
zwischen dem Lagergehäuse (30, 31) und dem Aufsatz (81) angeordnet ist, wobei die
Zuführleitung laufradseitig der laufradseitigen Dichtung in den Spalt zwischen dem
Lagergehäuse (30, 31) und dem Aufsatz (81) mündet.
9. Strömungsmaschine, umfassend mindestens ein auf einer Welle (20) angeordnetes Laufrad
(11) sowie ein Lagergehäuse (30), in welchem die Welle (20) drehbar gelagert ist,
wobei zwischen dem Lagergehäuse (30) und der Welle (20) eine Wellenabdichtung nach
einem der Ansprüche 1 bis 8 angeordnet ist.
10. Abgasturbolader oder Nutzturbine, umfassend mindestens ein auf einer Welle (20) angeordnetes
Turbinen-Laufrad (11), sowie ein Lagergehäuse (30), in welchem die Welle (20) drehbar
gelagert ist, wobei zwischen dem Lagergehäuse (30) und der Welle (20) eine Wellenabdichtung
nach einem der Ansprüche 1 bis 8 angeordnet ist.
1. Shaft seal of a shaft (20), mounted in a bearing housing (30), of a turbomachine,
between a cavity (50) in the bearing housing (30) and an impeller backspace (15) of
an impeller (11) of the turbomachine, having a crown (81) seated on the shaft, comprising
an impeller-side seal in the form of at least one piston ring (41, 42) between the
bearing housing (30, 31) and the crown (81), and a bearing-side seal in the form of
a sealing gap (43) between the bearing housing (30, 31) and the crown (81), wherein
an oil discharge chamber (53) is provided between the impeller-side seal and the bearing-side
seal, wherein the oil discharge chamber (53) is bounded by a third seal in the form
of a sealing gap (44) between the bearing housing (30, 31) and the crown (81), wherein
a gas outlet chamber (55) is arranged between the third seal and the impeller-side
seal, and wherein the crown (81) has a contour which, together with the bearing housing,
forms the oil discharge chamber (53) and the gas outlet chamber (55), and at least
one groove for receiving the at least one piston ring (41, 42), characterized in that the seat of the crown (81) on the shaft is divided into two axially separate, radially
force-transmitting contact regions (821, 822), wherein that one (822) of the two contact
regions which is arranged on the impeller side is arranged axially in the region of
one of the at least one piston rings (41, 42) of the impeller-side seal.
2. Shaft seal according to Claim 1, wherein a cavity (85) bounded by the shaft (20) and
the crown (81) is formed axially between the two contact regions (821, 822).
3. Shaft seal according to Claim 1 or 2, wherein an oil discharge channel (52) is introduced
into the bearing housing (30, 31) radially outside the oil discharge chamber (53),
and at least one oil injection bore (61) is arranged in the bearing housing (30) and
serves to charge the oil discharge channel with oil, wherein the oil discharge channel
extends in the axial direction past the at least one piston ring (41, 42) of the impeller-side
seal.
4. Shaft seal according to Claim 3, wherein the oil discharge channel (52) is inclined
with respect to the axis, in the axial direction towards the impeller-side seal, such
that gravity causes the oil guided into the oil discharge channel on the bearing side
to flow in the axial direction towards the impeller side.
5. Shaft seal according to one of Claims 1 to 5, wherein, in the case of the bearing-side
one of the two contact regions (822), a vibration-damping element (86) is arranged
between the shaft (20) and the crown (81).
6. Shaft seal according to one of Claims 1 to 5, wherein the bearing housing comprises,
in the region of the shaft seal, an insert (31) into which are introduced cutouts
which form the oil discharge chamber (53) and the gas outlet chamber (55).
7. Shaft seal according to one of Claims 1 to 6, wherein the crown (81) is made of a
material having greater thermal conductivity than the material of the shaft.
8. Shaft seal according to one of Claims 1 to 7, wherein in the bearing housing (30,
31) there is arranged a supply line for introducing a gaseous coolant into the gap
region between the bearing housing (30, 31) and the crown (81), wherein the supply
line opens on the impeller side of the impeller-side seal into the gap between the
bearing housing (30, 31) and the crown (81).
9. Turbomachine, comprising at least one impeller (11) arranged on a shaft (20), and
a bearing housing (30) in which the shaft (20) is rotatably mounted, wherein a shaft
seal according to one of Claims 1 to 8 is arranged between the bearing housing (30)
and the shaft (20).
10. Exhaust-gas turbocharger or power turbine, comprising at least one turbine impeller
(11) arranged on a shaft (20), and a bearing housing (30) in which the shaft (20)
is rotatably mounted, wherein a shaft seal according to one of Claims 1 to 8 is arranged
between the bearing housing (30) and the shaft (20).
1. Système d'étanchéité d'arbre d'un arbre (20) de turbomachine supporté dans un logement
de palier (30) entre une cavité (50) dans le logement de palier (30) et un espace
arrière de roue (15) d'une roue mobile (11) de la turbomachine, comprenant un chapeau
(81) reposant sur l'arbre, comprenant un joint d'étanchéité du côté de la roue mobile
sous la forme d'au moins un segment de piston (41, 42) entre le logement de palier
(30, 31) et le chapeau (81) ainsi qu'un joint d'étanchéité du côté du palier sous
la forme d'une fente d'étanchéité (43) entre le logement de palier (30, 31) et le
chapeau (81), une chambre d'écoulement d'huile (53) étant prévue entre le joint d'étanchéité
du côté de la roue mobile et le joint d'étanchéité du côté du palier, la chambre d'écoulement
d'huile (53) étant limitée par un troisième joint d'étanchéité sous la forme d'une
fente d'étanchéité (44) entre le logement de palier (30, 31) et le chapeau (81), une
chambre de sortie de gaz (55) étant disposée entre le troisième joint d'étanchéité
et le joint d'étanchéité du côté de la roue mobile, et le chapeau (81) présentant
un contour qui forme conjointement avec le logement de palier la chambre d'écoulement
d'huile (53) ainsi que la chambre de sortie de gaz (55) et qui comprend au moins une
rainure pour recevoir l'au moins un segment de piston (41, 42), caractérisé en ce que le siège du chapeau (81) est divisé sur l'arbre en deux régions d'appui espacées
axialement (821, 822), aptes à transférer la force radialement, l'une des deux régions
d'appui (822), disposée du côté de la roue mobile, étant disposée axialement dans
la région de l'au moins un segment de piston (41, 42) du joint d'étanchéité du côté
de la roue mobile.
2. Système d'étanchéité d'arbre selon la revendication 1, dans lequel une cavité (85)
limitée par l'arbre (20) et le chapeau (81) est réalisée axialement entre les deux
régions d'appui (821, 822).
3. Système d'étanchéité d'arbre selon la revendication 1 ou 2, dans lequel, dans le logement
de palier (30, 31), radialement à l'extérieur de la chambre d'écoulement d'huile (53),
est réalisée une rigole d'écoulement d'huile (52), et au moins un alésage de pulvérisation
d'huile (61) est disposé dans le logement de palier (30), avec lequel la rigole d'écoulement
d'huile peut être sollicitée avec de l'huile, la rigole d'écoulement d'huile s'étendant
dans la direction axiale jusqu'au-delà de l'au moins un segment de piston (41, 42)
du joint d'étanchéité du côté de la roue mobile.
4. Système d'étanchéité d'arbre selon la revendication 3, dans lequel la rigole d'écoulement
d'huile (52) est réalisée sous forme inclinée vers l'axe dans la direction axiale
vers le joint d'étanchéité du côté de la roue mobile, de telle sorte que l'huile guidée
du côté du palier dans la rigole d'écoulement d'huile s'écoule vers le côté de la
roue mobile dans la direction axiale sous l'effet de la force de pesanteur.
5. Système d'étanchéité d'arbre selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans
lequel un élément amortissant les vibrations (86) est disposé au niveau de la région
d'appui située du côté du palier parmi les deux régions d'appui (822) entre l'arbre
(20) et le chapeau (81).
6. Système d'étanchéité d'arbre selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans
lequel le logement de palier comprend dans la région du système d'étanchéité d'arbre
une pièce d'insertion (31) dans laquelle sont pratiqués des évidements qui forment
la chambre d'écoulement d'huile (53) ainsi que la chambre de sortie de gaz (55).
7. Système d'étanchéité d'arbre selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans
lequel le chapeau (81) est fabriqué à partir d'un matériau qui présente par rapport
au matériau de l'arbre une plus grande conductibilité thermique.
8. Système d'étanchéité d'arbre selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans
lequel une conduite d'alimentation est disposée dans le logement de palier (30, 31)
pour introduire un fluide de refroidissement gazeux dans la région de la fente entre
le logement de palier (30, 31) et le chapeau (81), la conduite d'alimentation débouchant
du côté de la roue mobile du joint d'étanchéité du côté de la roue mobile dans la
fente entre le logement de palier (30, 31) et le chapeau (81).
9. Turbomachine comprenant au moins une roue mobile (11) disposée sur un arbre (20) ainsi
qu'un logement de palier (30) dans lequel l'arbre (20) est supporté à rotation, un
système d'étanchéité d'arbre selon l'une quelconque des revendications 1 à 8 étant
disposé entre le logement de palier (30) et l'arbre (20).
10. Turbocompresseur à gaz d'échappement ou turbine utile, comprenant au moins une roue
mobile de turbine (11) disposée sur un arbre (20) ainsi qu'un logement de palier (30)
dans lequel l'arbre (20) est supporté à rotation, un système d'étanchéité d'arbre
selon l'une quelconque des revendications 1 à 8 étant disposé entre le logement de
palier (30) et l'arbre (20).
IN DER BESCHREIBUNG AUFGEFÜHRTE DOKUMENTE
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde ausschließlich zur Information
des Lesers aufgenommen und ist nicht Bestandteil des europäischen Patentdokumentes.
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Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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