EP4367370B1

EP4367370B1 - Turbinengehäuse-klemmverbund für eine turbine, turbine und verwendung eines turbinengehäuse-klemmverbunds

Info

Publication number: EP4367370B1
Application number: EP22735489.1A
Authority: EP
Inventors: Matthias Richner; Michael GANSNER
Original assignee: Accelleron Switzerland Ltd
Current assignee: Accelleron Switzerland Ltd
Priority date: 2021-07-06
Filing date: 2022-07-06
Publication date: 2026-04-22
Anticipated expiration: 2042-07-06
Also published as: EP4367370A1; US12140039B2; JP2024525551A; JP7644306B2; KR20240026236A; WO2023280935A1; US20240318580A1; CN117916453A

Description

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Turbinengehäuse-Klemmverbund für eine Turbine, eine Turbine mit einem solchen Turbinengehäuse-Klemmverbund, sowie eine Verwendung eines Turbinengehäuse-Klemmverbunds.

Hintergrund

Aus dem Stand der Technik sind Turbinen, insbesondere Radialturbinen bekannt, welche ein Lagergehäuse, ein Turbinengehäuse, ein Hitzeschild und einen Düsenring aufweisen. Hierbei ist typischerweise entweder der Hitzeschild axial zwischen dem Lagergehäuse und dem Düsenring, und radial durch das Turbinengehäuse eingespannt; oder der Düsenring ist axial durch das Lagergehäuse, und radial durch das Turbinengehäuse eingespannt. EP 1 428 983 A1 beschreibt beispielsweise ein Abgasturbinengehäuse.
Bei Anwendungen mit häufig ändernden Lastbedingungen, und insbesondere bei hohen Lastbedingungen, können bei der Turbine Verschleißerscheinungen entstehen. Dieser Ermüdungsverschleiß tritt insbesondere am Lagergehäuse auf, wodurch wiederum weitere Probleme entstehen können.
Angesichts des vorstehend Erwähnten besteht ein Bedarf an einem verbesserten Düsenring für eine Turbinenstufe, welche die oben genannten Probleme zu lindern vermag und sich insbesondere leicht an die jeweilige Anforderung eines Turboladers und/oder einer Motoranwendung anpassen lässt.
US 2020/173305 A1 beschreibt einen Turbolader, bestehend aus einem Turbinengehäuse, das ein Turbinenrad aufnimmt; und ein Lagergehäuse, das eine mit dem Turbinenrad verbundene Verbindungswelle drehbar lagert, wobei sich ein Flansch von einem Ende des Turbinengehäuses auf einer ersten Seite in Richtung der Drehachse der Verbindungswelle radial nach außen erstreckt, ein weiterer Flansch sich von einem Ende des Lagergehäuses auf einer zweiten Seite ebenfalls in Richtung der Drehachse der Verbindungswelle radial nach außen erstreckt, der Flansch des Turbinengehäuses und der Flansch des Lagergehäuses mittels eines Befestigungselements in Richtung der Drehachse der Verbindungswelle miteinander verbunden sind.

Zusammenfassung der Erfindung

Diese Aufgabe wird zumindest teilweise gelöst durch einen Turbinengehäuse-Klemmverbund für eine Turbine gemäß Anspruch 1. Ferner, wird die Aufgabe durch eine Turbine mit einem Turbinengehäuse-Klemmverbund gemäß Anspruch 14 und durch die Verwendung eines Turbinengehäuse-Klemmverbunds gemäß Anspruch 15 gelöst. Weitere Ausführungsformen, Modifikationen und Verbesserungen ergeben sich anhand der folgenden Beschreibung und der beigefügten Ansprüche.
Gemäß einer Ausführungsform wird ein Turbinengehäuse-Klemmverbund für eine Turbine, insbesondere eine radiale Abgasturbine, bereitgestellt. Der Turbinengehäuse-Klemmverbund weist ein Lagergehäuse und ein Turbinengehäuse auf, und ein Klemmbauteil mit einem zwischen einem Lagergehäuse-Klemmabschnitt des Lagergehäuses und einem Turbinengehäuse-Klemmabschnitt des Turbinengehäuses eingespannten Klemmflansch. Der Klemmflansch weist eine lagergehäuseseitige Klemmfläche mit einem konvex gekrümmten Klemmflächenbereich auf. Ferner definiert der konvex gekrümmte Klemmflächenbereich einen minimalen Krümmungsradius. Ein Verhältnis aus dem minimalen Krümmungsradius und einem Innenradius der Klemmfläche beträgt mindestens 0.1 und/oder höchstens 10, und bevorzugt mindestens 0.5 und/oder höchstens 2.0, und noch bevorzugter mindestens 1.0 und/oder höchstens 1.4.

Kurze Beschreibung der Figuren

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsformen näher erläutert, ohne dass diese den durch die Ansprüche definierten Schutzbereich einschränken sollen.
Die beiliegenden Zeichnungen veranschaulichen Ausführungsformen und dienen zusammen mit der Beschreibung der Erläuterung der Prinzipien der Erfindung. Die Elemente der Zeichnungen sind relativ zueinander und nicht notwendigerweise maßstabsgetreu. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen entsprechend ähnliche Teile.
Die Figuren zeigen:

Figur 1 zeigt einen Turbinengehäuse-Klemmverbund gemäß einer Ausführungsform.
Figur 2 zeigt einen Turbinengehäuse-Klemmverbund gemäß einer Ausführungsform.
Figur 3a zeigt ein Klemmbauteil gemäß einer Ausführungsform.
Figur 3b zeigt ein Klemmbauteil gemäß einer Ausführungsform.

Detaillierte Beschreibung

In der folgenden detaillierten Beschreibung wird auf die beiliegenden Zeichnungen verwiesen, die einen Teil hiervon darstellen, und in denen durch Veranschaulichung spezifische Ausführungsformen gezeigt werden, in denen die Erfindung ausgeführt werden kann. Es soll verstanden werden, dass andere Ausführungsformen verwendet werden können und strukturelle oder logische Änderungen gemacht werden können, ohne vom Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Die folgende detaillierte Beschreibung soll daher nicht auf einschränkende Weise aufgefasst werden, und der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung wird durch die angehängten Ansprüche festgelegt. Die beschriebenen Ausführungsformen verwenden spezifische Sprache, die nicht so aufgefasst werden soll, den Schutzumfang der angehängten Ansprüche einzuschränken.
Figuren 1 und 2 zeigen jeweils einen Turbinengehäuse-Klemmverbund gemäß einer Ausführungsform, wobei eine lagergehäuseseitige Klemmfläche eines Klemmflanschs stark vereinfacht dargestellt ist. Der Klemmverbund ist zur Veranschaulichung in einem eingebauten Zustand in einer Turbine dargestellt. Beispielhafte Ausgestaltungsformen der lagergehäuseseitigen Klemmfläche sind in Figuren 3a und 3b illustriert.
Wie in den Ausführungsformen der Fig. 1 und 2 illustriert ist, wird gemäß einem allgemeinen Aspekt der Erfindung ein Turbinengehäuse-Klemmverbund 100 für eine Turbine 200, 300, insbesondere eine radiale Abgasturbine, bereitgestellt. Der Turbinengehäuse-Klemmverbund 100 weist ein Lagergehäuse 110 und ein Turbinengehäuse 120 auf. Ferner weist der Turbinengehäuse-Klemmverbund 100 (mindestens) ein Klemmbauteil 130, 140 mit einem zwischen einem Lagergehäuse-Klemmabschnitt des Lagergehäuses 110 und einem Turbinengehäuse-Klemmabschnitt des Turbinengehäuses 120 eingespannten Klemmflansch 137, 147 auf. Der Klemmflansch 137, 147 kann dabei jeweils direkt (d.h. unmittelbar ohne weitere dazwischen angeordnete Bauteile) durch das Lagergehäuse 110 und das Turbinengehäuse 120 oder auch indirekt (d.h. zwischen Klemmflansch und Lagergehäuse 110 bzw. Turbinengehäuse 120 sind weitere Bauteile angeordnet) eingespannt oder geklemmt sein.
Gemäß einer Ausführungsform ist das Klemmbauteil ein Hitzeschild 130. In Figur 1 ist ein Klemmverbund 100 mit einem Hitzeschild 130 als Klemmbauteil gezeigt. Der Hitzeschild 130 ist typischerweise eine im Wesentlichen scheibenförmige Zwischenwand zum Abschirmen des Lagergehäuses 110 von heißen Gasen oder Abgasen, welche durch einen Anströmkanal der Turbine strömen. Bevorzugterweise weist der Turbinengehäuse-Klemmverbund 100 ferner einen Düsenring 140 - hier als weiteres Klemmbauteil - auf. Der Hitzeschild 130 kann dabei mit seinem Klemmflansch 137 axial zwischen dem Lagergehäuse-Klemmabschnitt des Lagergehäuses 110 und dem Düsenring 140 eingespannt sein, und durch den Turbinengehäuse-Klemmabschnitt des Turbinengehäuses 120 eingespannt sein. Der Hitzeschild 130 kann ferner ein oder mehrere Auflagen oder Kanten 121, 144 umfassen zum Aufliegen an eine Auflage oder Kante 141 des Lagergehäuses 110 und/oder zum Auflegen an das Turbinengehäuse 120. Ferner kann der Klemmverbund 100 eine oder mehrere Laschen 145 am Lagergehäuse 110 aufweisen, welche mit Schrauben 142 am Turbinengehäuse festgelegt werden können. Durch das Festschrauben der Laschen 145 wird der Hitzeschild 130 sowie der Düsenring 140 zwischen Turbinengehäuse 120 und Lagergehäuse 110 eingeklemmt und entsprechend in axialer Richtung befestigt. In einem Ruhemodus der Turbine, wenn Turbinengehäuse 120 und Lagergehäuse 110 kalt sind, liegt eine z.B. umlaufende, zylindrische Innenfläche des Turbinengehäuses 120 bevorzugt auf einer z.B. umlaufenden, zylindrischen Außenfläche des Lagergehäuses 110 auf und ist dadurch entsprechend gegenüber einer Turbinenachse der Turbine und dem darauf angeordneten Turbinenrad 143 zentriert.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das Klemmbauteil 130, 140 ein Düsenring 140. In Figur 1 ist auch der Düsenring 140 als weiteres solches Klemmbauteil vorgesehen.
In Figur 2 ist ein weiteres Beispiel für einen Klemmverbund 100 illustriert, bei dem das Klemmbauteil ein Düsenring 140 ist. Der Turbinengehäuse-Klemmverbund 100 kann ferner ein Hitzeschild 160 aufweisen. Der Hitzeschild 160 kann radial weiter innen als der Düsenring 140 angeordnet sein, und axial durch einen zweiten Lagergehäuse-Klemmabschnitt verspannt sein. Ferner kann der Hitzeschild 160 axial und radial durch den Düsenring 140 verspannt sein, beispielsweise mittels einer Auflage des Düsenrings 140. Der Hitzeschild 160 kann typischerweise eine im Wesentlichen scheibenförmige Zwischenwand sein zum Abschirmen des Lagergehäuses von heißen Gasen oder Abgasen, welche durch einen Anströmkanal der Turbine strömen. Der Hitzeschild 160 kann ferner ein oder mehrere Auflagen umfassen zum Aufliegen an das Lagergehäuse 110 und/oder zum Aufliegen an den Düsenring 140.
Der Klemmflansch 137, 147 des Klemmbauteils - etwa zumindest eines der in Fig. 1 und 2 gezeigten Klemmbauteile 130, 140 - weist eine lagergehäuseseitige Klemmfläche 131 mit einem konvex gekrümmten Klemmflächenbereich 132 auf. In Figuren 3a und 3b sind Ausgestaltungsformen der lagergehäuseseitigen Klemmfläche 131 am Beispiel des Klemmflansches 137 eines Hitzeschilds 130 veranschaulicht. Die lagergehäuseseitige Klemmfläche kann für den Fall, dass das Klemmbauteil nicht ein Hitzeschild, und beispielsweise ein Düsenring 140 ist, entsprechend ausgestaltet sein, und die Beschreibung des Klemmflansches 137 ist analog auch für den Klemmflansch 147 anwendbar.
Gemäß einem allgemeinen Aspekt ist das Klemmbauteil 130, 140 (ebenso wie das Lagergehäuse und das Turbinengehäuse) eingerichtet eine Turbinenachse vollständig zu umgeben. Das Klemmbauteil 130,140 kann einen im Wesentlichen scheibenförmigen Querschnitt auf. Der Klemmflansch ist hierbei bevorzugt über einen gesamten Umfang des Klemmbauteils 130, 140 zwischen dem Lagergehäuse-Klemmabschnitt des Lagergehäuses 110 und dem Turbinengehäuse-Klemmabschnitt des Turbinengehäuses 120 eingespannt.
Der konvex gekrümmte Klemmflächenbereich 132 der lagergehäuseseitigen Klemmfläche ist bevorzugt radial außen an dem Klemmflansch 137 angeordnet. Figuren 3a und 3b zeigen jeweils Beispiele der lagergehäuseseitigen Klemmfläche 131 mit radial außen angeordnetem konvex gekrümmtem Klemmflächenbereich 132. Der konvex gekrümmte Klemmflächenbereich 132 weist dabei einen von radial innen nach radial außen gesehen weg von dem Lagergehäuse 110 gerichteten konvex gekrümmten Abschnitt auf. Die axiale Richtung wird hierbei durch die Turbinenachse definiert, während sich die radiale Richtung senkrecht der axialen Richtung erstreckt. In Figur 3a sind die radiale Richtung R (von radial innen nach radial außen) und die axiale Richtung A jeweils durch einen Pfeil symbolisiert. In anderen Worten Ist der radial äußere Klemmflächenbereich 132 in einer, eine Turbinenachse enthaltenden Querschnittsansicht, konvex gekrümmt.
Der konvex gekrümmte Klemmflächenbereich 132 definiert dabei einen minimalen Krümmungsradius R_K. Der Krümmungsradius R_K ist in Figur 3a durch einen Doppelpfeil symbolisiert. Der konvex gekrümmte Klemmflächenbereich 132 definiert ferner ein Krümmungskreissegment . Das Krümmungskreissegment ist dabei leicht oder sanft konvex gekrümmt oder abgerundet.
Hierbei kann ein radial inneres Ende 133 des konvex gekrümmten Klemmflächenbereichs 132 lagergehäuseseitig einem axial äußersten Punkt des konvex gekrümmten Klemmflächenbereichs 132 entsprechen, wie beispielsweise in Figur 3b dargestellt. In diesem Falle weist das radial innere Ende 133 einen (im Ruhezustand gesehen) geringsten Abstand zu dem Lagergehäuse-Klemmabschnitt auf, und/oder ist direkt an den Lagergehäuse-Klemmabschnitt geklemmt. Alternativ kann auch ein von dem radial inneren Ende 133 beabstandeter Punkt des konvex gekrümmten Klemmflächenbereichs 132 lagergehäuseseitig einem axial äußersten Punkt entsprechen, wie beispielsweise in Figur 3a dargestellt.
In anderen Worten kann ein (lagergehäuseseitig gesehen) axial äußerster Punkt des Krümmungskreissegments einem radial inneren Ende 133 entsprechen, wobei der Klemmflächenbereich vom radial inneren Ende 133 zu einem radial äußeren Ende 135 gesehen weg von dem Lagergehäuse 110 verläuft. Alternativ kann ein axial äußerster Punkt des Krümmungskreissegments auch an einem beliebigen Ort entlang des Krümmungskreissegments angeordnet sein.
Die lagergehäuseseitige Klemmfläche 131 kann ein oder mehrere Klemmflächenbereiche aufweisen welche durch den Lagergehäuse-Klemmabschnitt eingespannt sind. Typischerweise definiert die lagergehäuseseitige Klemmfläche mindestes einen weiteren Klemmflächenbereich. Der weitere Klemmflächenbereich ist bevorzugt ein radial innerer Klemmflächenbereich, und/oder ein radial äußerster Klemmflächenbereich. Beispielsweise zeigt Figur 3b eine lagergehäuseseitige Klemmfläche 131 mit dem konvex gekrümmten Klemmflächenbereich 132, einem radial inneren Klemmflächenbereich und einem radial äußersten Klemmflächenbereich.
Der radial innere Klemmflächenbereich, und/oder der radial äußerste Klemmflächenbereich sind bevorzugt nicht konvex gekrümmt, sondern im Wesentlichen flach ausgebildet. Beispielsweise kann der radial innere Klemmflächenbereich und/oder der radial äußerste Klemmflächenbereich jedoch auch einen konvex geformten Abschnitt aufweisen mit einem Krümmungsradius, welcher kleiner ist als der minimale Krümmungsradius des konvex gekrümmten Klemmflächenbereichs 132.
In alternativen Ausgestaltungsformen weist die lagergehäuseseitige Klemmfläche keinen radial äußersten Klemmflächenbereich auf. In diesem Falle erstreckt sich der konvex gekrümmte (radial äußere) Klemmflächenbereich bis zum radialen Ende 134 der lagergehäuseseitigen Klemmfläche. Figur 3a illustriert eine lagergehäuseseitige Klemmfläche 131 bei dem das radial äußere Ende 135 des konvex gekrümmten Klemmflächenbereichs 132 dem radialen Ende 134 der lagergehäuseseitigen Klemmfläche entspricht.
Der konvex gekrümmte Klemmflächenbereich ist bevorzugt ein radial äußerer Klemmflächenbereich der lagergehäuseseitigen Klemmfläche. Die lagergehäuseseitige Klemmfläche kann ferner den radial inneren Klemmflächenbereich aufweisen. Der konvex gekrümmte (radial äußere) Klemmflächenbereich 132 schließt stetig, bevorzugt tangentenstetig, an den radial inneren Klemmflächenbereich an. Beispielsweise zeigt Figur 3b einen tangentenstetigen Übergang vom radial inneren Ende 133 zu dem flach ausgebildeten radial inneren Klemmflächenbereich. Bevorzugt verläuft in einer, eine Turbinenachse enthaltenden, Querschnittsansicht der radial innere Klemmflächenbereich geradlinig in radialer Richtung. Somit kann ein sanfter, kontinuierlicher Übergang zwischen konvex gekrümmtem Klemmflächenbereich und radial inneren Klemmflächenbereich vorliegen. Hiermit kann zusätzlich einer hohen lokalen Flächenpressung entgegengewirkt werden, sowohl im stationären, wie auch im transienten Betriebszustand. Der radial innere Klemmflächenbereich kann im Wesentlichen flach ausgebildet sein (in radialer Richtung gesehen).
Zusätzlich oder alternativ kann die lagergehäuseseitige Klemmfläche den radial äußersten Klemmflächenbereich aufweisen. Der radial äußerste Klemmflächenbereich kann sich stetig, bevorzugt tangentenstetig, an den konvex gekrümmten (radial äußeren) Klemmflächenbereich anschließen. Somit liegt bevorzugt ein sanfter, kontinuierlicher Übergang zwischen konvex gekrümmtem (radial äußeren) Klemmflächenbereich und radial äußerstem Klemmflächenbereich vor. Der radial äußerste Klemmflächenbereich kann im Wesentlichen flach ausgebildet sein (in axialer Richtung gesehen), und im Bereich eines Übergangs zum konvex gekrümmten Klemmflächenbereich leicht oder sanft von einem flachen Verlauf abweichen.
Ein Innenradius der Klemmfläche ist hierbei der Radius gemessen ausgehend von dem Schwerpunkt der Turbinenachse oder des Schwerpunkts einer Querschnittsansicht des Klemmbauteils. Bei dem Innenradius handelt es sich gemäß der vorliegenden Offenbarung um den Radius gemessen im Ruhezustand des Turbinengehäuse-Klemmverbunds bzw. der Turbine. Beispielsweise kann bei hohen Lastbedingungen durch Erwärmung eine geringfügige Ausdehnung und damit eine Änderung des Innenradius auftreten. Bei allen hierin offenbarten Kenngrößen oder Parametern handelt es sich um im Ruhezustand gemessenen Werten, wenn nicht ausdrücklich anderweitig beschrieben.
Bei dem Innenradius handelt es sich um den Radius des konvex gekrümmten Klemmflächenbereichs, bevorzugt um den Radius am lagergehäuseseitig gesehen axial äußersten Punkt des gekrümmten Klemmflächenbereichs. In manchen Ausgestaltungsformen handelt es sich bei dem Innenradius um den Radius des radial inneren Endes 133. In anderen Worten handelt es sich bei dem Innenradius bevorzugt um den radialen Abstand zwischen Schwerpunkt der Turbinenachse und dem lagergehäuseseitig gesehen axial äußersten Punkt des gekrümmten Klemmflächenbereichs.
Die Erfinder haben erkannt, dass bei aus dem Stand der Technik bekannten Turbinengehäuse-Klemmverbunden: aufgrund eines asymmetrischen Erwärmens zwischen Lagergehäuse 110 und Klemmbauteil 130, 140, beispielsweise einem Hitzeschild, ein Verkippen oder Abkippen der Kontaktfläche zwischen Lagergehäuse und Klemmbauteil auftreten kann. Beispielsweise kann das Lagergehäuse aus der Legierung GGG40 bestehen, und das Klemmbauteil aus einem höher legierten, zumeist hitzebeständigen Werkstoff. Das Klemmbauteil ist typischerweise in einem Fluidkanal angeordnet und wird daher heißer als die Kontaktstelle zwischen Lagergehäuse und Klemmbauteil. Das Klemmbauteil erwärmt sich im Betrieb schneller und weist typischerweise einen größeren Wärmeausdehnungskoeffizienten als das Lagergehäuse auf. Aufgrund dieses asymmetrischen Wärmeeintrags kommt es zu einer Relativbewegung des Klemmbauteils gegenüber dem Lagergehäuse während des Aufwärmvorgangs und bei sich ändernden Lastbedingungen.
Durch das Abkippen der Kontaktfläche zwischen Lagergehäuse und Klemmbauteil bei aus dem Stand der Technik bekannten Turbinengehäuse-Klemmverbunden entsteht jeweils eine hohe lokale Flächenpressung. Durch die Relativbewegung wandert diese hoch belastete Stelle über die Kontaktfläche des Lagergehäuses 110 (des Lagergehäuse-Klemmabschnitts) hinweg und verursacht einen Ermüdungsverschleiß, was wiederum zu weiteren Problemen führen kann wie beispielsweise Schraubenvorspannungsverlust oder Gasundichtheit.
Der Turbinengehäuse-Klemmverbund gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung weist ein Klemmbauteil 130 mit dem konvex gekrümmten Klemmflächenbereich 132 auf, durch welchen ein Verschleißen der Komponenten, und insbesondere des Lagergehäuses, erheblich vermindert wird. Durch Bereitstellung des Klemmflächenbereichs mit einer leicht oder sanft konvex gekrümmten Form kann sowohl hinsichtlich eines "heissen" Zustandes (d.h. bei hohen Lastbedingungen bzw. bei hohen Temperaturen eines Fluids in der Radialturbine), sowie auch der Zustände während eines gesamten Aufwärmvorgangs, als auch in einem Ruhezustand, eine breitflächige Auflage der Klemmfläche sichergestellt und somit eine hohe lokale Flächenpressung verhindert werden. Aufgrund der leicht konvex gekrümmten Form liegt nämlich sowohl im stationären, wie auch im transienten Betriebszustand zwischen dem Lagergehäuse-Klemmabschnitt und der lagergehäuseseitigen Klemmfläche eine ausgedehnte Kontaktfläche vor, wodurch Verschleiß substantiell vermindert wird. Aufgrund des erfindungsgemäß ausgestalteten konvex gekrümmten Klemmflächenbereichs wird beim Aufwärmvorgang ein leichtes Verkippen des Klemmbauteils ermöglicht, ohne dass in einem Kontaktbereich zwischen dem Lagergehäuse-Klemmabschnitt und der lagergehäuseseitigen Klemmfläche eine gegenüber einem Kaltzustand überhöhte lokale Kontaktpressung entsteht.
Die Erfinder haben ferner erkannt, dass einer hohen lokalen Flächenpressung und einem damit verbundenem Ermüdungsverschleiß am wirkungsvollsten entgegengewirkt werden kann, wenn das Verhältnis aus dem minimalen Krümmungsradius und einem Innenradius der Klemmfläche mindestens 0.1 und/oder höchstens 10, bevorzugt mindestens 0.5 und/oder höchstens 2.0, und noch bevorzugter mindestens 1.0 und/oder höchstens 1.4, beträgt.
Gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung ist der gekrümmte Klemmflächenbereich dazu eingerichtet um bei Verkippen des Klemmflansches einen im Wesentlichen flächigen Kontakt zum Lagergehäuse-Klemmabschnitt zu gewährleisten. Verkippen bedeutet hierbei, dass ein radial innenliegender Teil des Klemmflansches relativ zu einem radial außenliegenden Teil des Klemmflansches axial vom Lagergehäuse wegbewegt wird und/oder in Richtung des Turbinengehäuses hinbewegt wird (kippt). Das Kippen kann eine Abrollbewegung und/oder eine Verschiebungsbewegung der Klemmfläche beinhalten. Somit kann ein Verkippen auch erfolgen, ohne dass ein fester Kipp-Punkt der Klemmfläche notwendig ist. Unter einem flächigen Kontakt ist hierbei nicht notwendigerweise ein vollflächiger Kontakt zwischen Lagergehäuse-Klemmabschnitt und konvex gekrümmtem Klemmflächenbereich zu verstehen. In dem der gekrümmte Klemmflächenbereich eingerichtet ist einen flächigen Kontakt zum Lagergehäuse-Klemmabschnitt zu gewährleisten, wird jedoch die Ausbildung einer hohen lokalen Flächenpressung verhindert. Der konvex gekrümmtem Klemmflächenbereich ist somit eingerichtet zum Entgegenwirken eines Verschleißes an dem Lagergehäuse.
Gemäß einem Aspekt beträgt ein axialer Versatz t zwischen einem lagergehäuseseitig axial äußersten Punkt des gekrümmten Klemmflächenbereichs 132 und dem radial äußeren Ende 135 des gekrümmten Klemmflächenbereichs 132 mindestens 0.01 mm und/oder höchstens 0.5 mm, bevorzugt 0.02 mm und/oder höchstens 0.2 mm, und noch bevorzugter mindestens 0.03 mm und/oder höchstens 0.1 mm. In Figur 3a ist der axiale Versatz t durch einen Doppelpfeil illustriert. Der axiale Versatz kann sich hierbei auf den im Betrieb maximal erreichbaren Krümmungsradius R_K, und insbesondere auf den Ruhezustand, beziehen. Bei höheren Lastbedingungen kann ein Verkippen des Klemmflansches auftreten, wodurch der axiale Versatz t abnehmen kann.
Zusätzlich oder alternativ kann ein axialer Versatz t zwischen dem radial inneren Ende 133 des gekrümmten Klemmflächenbereichs 132 und dem radial äußeren Ende 135 des gekrümmten Klemmflächenbereichs 132 mindestens 0.01 mm und/oder höchstens 0.5 mm, bevorzugt 0.02 mm und/oder höchstens 0.2 mm, und noch bevorzugter mindestens 0.03 mm und/oder höchstens 0.1 mm, betragen. Das radial äußere Ende 135 ist aufgrund der konvexen Krümmung axial zum Turbinengehäuse hin versetzt. Das radial innere Ende 133 ist in manchen Ausgestaltungsformen aufgrund der konvexen Krümmung axial zum Lagergehäuse hin versetzt (wie beispielsweise in Figur 3b gezeigt), und in anderen Ausgestaltungsformen aufgrund der konvexen Krümmung ebenfalls axial zum Turbinengehäuse hin versetzt (wie beispielsweise in Figur 3a gezeigt). Das radial äußere Ende 135 kann der radial äußerste im Betrieb erreichbare Punkt sein mit dem eine Klemmung mit dem Lagergehäuse-Klemmabschnitt des Lagergehäuses 110 erfolgt.
In einem Aspekt beträgt der minimale Krümmungsradius R_K des konvex gekrümmten Klemmflächenbereichs 132 mindestens 20 mm und/oder höchstens 1000 mm, und bevorzugt mindestens 50 mm und/oder höchstens 500 mm, noch bevorzugter 100 mm und/oder höchstens 200 mm, und am bevorzugtesten mindestens 140 mm und/oder höchstens 160 mm. In einer beispielhaften Ausgestaltungsform beträgt der minimale Krümmungsradius R_K 150 mm. Ein Krümmungsradius R_K in dem vorgenannten Bereich stellt eine Krümmung sicher, welcher ausreichend abweicht von einem flachen Klemmflächenbereich und gleichzeitig keine zu starke Krümmung aufweist. Zusätzlich oder alternativ kann der Innenradius D_R der Klemmfläche oder des konvex gekrümmten Klemmflächenbereichs 132 mindestens 20 mm und/oder höchstens 300 mm, bevorzugt mindestens 100 und/oder höchstens 140 mm betragen.
Der gekrümmte Klemmflächenbereich 132 kann eine radiale Ausdehnung von mindestens 0.5 mm und/oder höchstens 10 mm aufweisen. Bevorzugt weist der gekrümmte Klemmflächenbereich 132 eine radiale Ausdehnung von mindestens 3 mm und/oder höchstens 6 mm auf. In Ausführungsformen in denen die Klemmfläche den radial äußersten Klemmflächenbereich aufweist, kann ein radialer Abstand zwischen dem radial inneren Ende 133 des gekrümmten Klemmflächenbereichs 132 und dem radialen Ende 134 der lagergehäuseseitigen Klemmfläche mindestens 2 mm und/oder höchstens 20 mm, bevorzugt mindestens 6 mm und/oder höchstens 10 mm, betragen.
Ein Verhältnis aus der radialen Ausdehnung des gekrümmten Klemmflächenbereichs 132 und dem Innenradius der Klemmfläche oder des konvex gekrümmten Klemmflächenbereichs 132 kann mindestens 0.005 und/oder höchstens 0.1, bevorzugt mindestens 0.02 und/oder höchstens 0.05, betragen.
In einer bevorzugten Ausführungsform beträgt ein Verhältnis aus dem axialen Versatz t und der radialen Ausdehnung des gekrümmten Klemmflächenbereichs 132 mindestens 5*10^-3 und/oder höchstens 0.02, und bevorzugt mindestens 8*10^-3 und/oder höchstens 0.015. Ein Verhältnis in dem vorgenannten Bereich stellt eine Krümmung sicher, welche ausreichend abweicht von einem flachen Klemmflächenbereich und gleichzeitig nicht zu einer zu starken Krümmung führt.
Der gekrümmte Klemmflächenbereich 132, und insbesondere das radial innere Ende 133 und das radial äußere Ende 135 des konvex gekrümmten Klemmflächenbereichs 132, definieren das Krümmungskreissegment . Ein Mittelpunktswinkel Alpha α des Krümmungskreissegments kann mindestens 0.5° und/oder höchstens 4°, bevorzugt mindestens 1.2° und/oder höchstens 2.0°, betragen. In Figur 3a ist der Mittelpunktswinkel Alpha α illustriert.
Zusätzlich oder alternativ kann ein Verhältnis aus dem axialen Versatz t und dem Krümmungsradius R_K mindestens 2*10^-4 und/oder höchstens 2*10^-3, und bevorzugt mindestens 3*10^-4 und/oder höchstens 8*10^-4, betragen.
Ein Tangentenwinkel des gekrümmten Klemmflächenbereichs 132 kann gegenüber der radialen Richtung mindestens 0.5° und/oder höchstens 4°, bevorzugt mindestens 1.2° und/oder höchstens 2.0°, betragen. Ferner kann in einer die Turbinenachse enthaltenden Querschnittsansicht mindestens ein Tangentenwinkel des gekrümmten Klemmflächenbereichs 132 gegenüber der radialen Richtung mindestens 0.5°, bevorzugt mindestens 1.2°, betragen, und/oder alle Tangentenwinkel des gekrümmten Klemmflächenbereichs 132 können gegenüber der radialen Richtung höchstens 4°, bevorzugt höchstens 2.0°, betragen.
Die weiteren Seiten des Klemmflanschs, wie beispielsweise eine turbinengehäuseseitige Klemmfläche, sind gemäß der vorliegenden Offenbarung nicht besonders beschränkt, und können gemäß den im Stand der Technik bekannten Klemmflanschen ausgebildet sein.
Gemäß einem Aspekt wird eine Turbine, bevorzugt eine Radialturbine 200, 300, bereitgestellt. Die Turbine weist den Turbinengehäuse-Klemmverbund nach einem der hierin beschriebenen Ausführungsformen auf. In einer Ausgestaltungsform ist die Turbine eine Nutzturbine und/oder eine Abgasturbine. Beispielsweise kann die Abgasturbine ein Abgasturbolader-Turbine sein. Gemäß einer Ausführungsform wird ein Turbolader bereitgestellt, aufweisen die Turbine nach einem der hierin beschriebenen Ausführungsformen. Die Turbine kann ferner ein Turbinenrad 143 aufweisen.
Ein Aspekt betrifft die Verwendung eines Turbinengehäuse-Klemmverbunds für eine Radialturbine zum Entgegenwirken eines Verschleißes an einem Lagergehäuse der Radialturbine. Der Turbinengehäuse-Klemmverbund und/oder die Radialturbine kann gemäß jeder der hierin offenbarten Ausführungsformen ausgestaltet sein. Der Turbinengehäuse-Klemmverbunds weist einen konvex gekrümmten Klemmflächenbereich auf, insbesondere gemäß einem der vorstehend offenbarten Ausführungsformen.
Wenngleich hierin spezifische Ausführungsformen dargestellt und beschrieben worden sind, liegt es im Rahmen der vorliegenden Erfindung, die gezeigten Ausführungsformen geeignet zu kombinieren oder zu modifizieren, ohne vom Schutzbereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen.

Bezugszeichenliste:

100: Turbinengehäuse-Klemmverbund
110: Lagergehäuse
120: Turbinengehäuse
121: Auflage, Kante
130, 160: Hitzeschild
131: lagergehäuseseitige Klemmfläche
132: konvex gekrümmter Klemmflächenbereich
133: radial inneres Ende des konvex gekrümmten Klemmflächenbereichs
134: radiales Ende der lagergehäuseseitigen Klemmfläche
135: radial äußeres Ende des konvex gekrümmten Klemmflächenbereichs
140: Düsenring
141: Auflage, Kante
142: Befestigung, Schraube
143: Turbinenrad
144: Auflage
145: Lasche
150: Turbinenachse
200, 300: Radialturbine

Claims

Turbinengehäuse-Klemmverbund (100) für eine Turbine (200, 300), insbesondere eine radiale Abgasturbine, aufweisend:
- ein Lagergehäuse (110) und ein Turbinengehäuse (120); und

- ein Klemmbauteil (130, 140) mit einem zwischen einem Lagergehäuse-Klemmabschnitt des Lagergehäuses (110) und einem Turbinengehäuse-Klemmabschnitt des Turbinengehäuses (120) eingespannten Klemmflansch;

wobei der Klemmflansch eine lagergehäuseseitige Klemmfläche (131) mit einem konvex gekrümmten Klemmflächenbereich (132) aufweist,

wobei der konvex gekrümmte Klemmflächenbereich einen minimalen Krümmungsradius (R_K) definiert, und

wobei ein Verhältnis aus dem minimalen Krümmungsradius (R_K) und einem Innenradius der Klemmfläche (131) mindestens 0.1 und/oder höchstens 10, und bevorzugt mindestens 0.5 und/oder höchstens 2.0, und noch bevorzugter mindestens 1.0 und/oder höchstens 1.4, beträgt, wobei der Innenradius der Radius am lagergehäuseseitig gesehen axial äußersten Punkt des konvex gekrümmten Klemmflächenbereichs ist.
Turbinengehäuse-Klemmverbund (100) nach Anspruch 1, wobei der konvex gekrümmte Klemmflächenbereich ein radial äußerer Klemmflächenbereich der lagergehäuseseitigen Klemmfläche (131) ist, wobei die lagergehäuseseitige Klemmfläche (131) ferner einen radial inneren Klemmflächenbereich aufweist, und wobei der radial äußere Klemmflächenbereich stetig, bevorzugt tangentenstetig, an den radial inneren Klemmflächenbereich anschließt, insbesondere wobei in einer eine Turbinenachse enthaltenden Querschnittsansicht der radial innere Klemmflächenbereich geradlinig in radialer Richtung verläuft.
Turbinengehäuse-Klemmverbund (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der gekrümmte Klemmflächenbereich dazu eingerichtet ist um bei Verkippen des Klemmflansches einen im Wesentlichen flächigen Kontakt zum Lagergehäuse-Klemmabschnitt zu gewährleisten.
Turbinengehäuse-Klemmverbund (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein axialer Versatz (t) zwischen dem radial inneren Ende (133) des gekrümmten Klemmflächenbereichs (132) und einem radial äußeren Ende (135) des gekrümmten Klemmflächenbereichs (132) mindestens 0.02 mm und/oder höchstens 0.2 mm, bevorzugt mindestens 0.03 mm und/oder höchstens 0.1 mm, beträgt.
Turbinengehäuse-Klemmverbund (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Krümmungsradius (R_K) mindestens 20 mm und/oder höchstens 1000 mm, und bevorzugt mindestens 100 mm und/oder höchstens 200 mm, und noch bevorzugter mindestens 140 mm und/oder höchstens 160 mm beträgt.
Turbinengehäuse-Klemmverbund (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Innenradius der Klemmfläche (131) mindestens 20 mm und/oder höchstens 300 mm, bevorzugt mindestens 100 und/oder höchstens 140 mm beträgt.
Turbinengehäuse-Klemmverbund (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der gekrümmte Klemmflächenbereich (132) ein Krümmungskreissegment definiert, und wobei ein Mittelpunktswinkel Alpha (α) des Krümmungskreissegments mindestens 0.5° und/oder höchstens 4°, bevorzugt mindestens 1.2° und/oder höchstens 2.0°, beträgt.
Turbinengehäuse-Klemmverbund (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in einer die Turbinenachse enthaltenden Querschnittsansicht mindestens ein Tangentenwinkel des gekrümmten Klemmflächenbereichs (132) gegenüber der radialen Richtung mindestens 0.5°, bevorzugt mindestens 1.2°, beträgt, und/oder alle Tangentenwinkel des gekrümmten Klemmflächenbereichs (132) gegenüber der radialen Richtung höchstens 4°, bevorzugt höchstens 2.0°, betragen.
Turbinengehäuse-Klemmverbund (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der gekrümmte Klemmflächenbereich eine radiale Ausdehnung von mindestens 0.5 mm und/oder höchstens 10 mm, bevorzugt mindestens 3 mm und/oder höchstens 6 mm aufweist und/oder wobei ein Verhältnis aus der radialen Ausdehnung des gekrümmte Klemmflächenbereich und dem Innenradius der Klemmfläche (131) mindestens 0.005 und/oder höchstens 0.1, bevorzugt mindestens 0.02 und/oder höchstens 0.05, beträgt.
Turbinengehäuse-Klemmverbund (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Verhältnis aus dem axialen Versatz (t) und der radialen Ausdehnung des gekrümmten Klemmflächenbereichs mindestens 5*10^-3 und/oder höchstens 0.02, und bevorzugt mindestens 8*10^-3 und/oder höchstens 0.015, beträgt.
Turbinengehäuse-Klemmverbund (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Klemmbauteil (130, 140) ein Hitzeschild (130) ist.
Turbinengehäuse-Klemmverbund (100) nach Anspruch 11, ferner aufweisend einen Düsenring (140), wobei der Hitzeschild (130) axial zwischen dem Lagergehäuse-Klemmabschnitt des Lagergehäuses (110) und dem Düsenring (140) eingespannt ist.
Turbinengehäuse-Klemmverbund (100) nach einem Ansprüche 1 bis 10, wobei das Klemmbauteil (130, 140) ein Düsenring (140) ist.
Turbine, insbesondere Radialturbine (200, 300), aufweisend den Turbinengehäuse-Klemmverbund (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere wobei die Turbine (200, 300) eine Nutzturbine und/oder eine Abgasturbine, insbesondere eine Abgasturbolader-Turbine ist.
Verwendung eines Turbinengehäuse-Klemmverbunds (130, 140), insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 13, für eine Radialturbine (200, 300), mit einem konvex gekrümmten Klemmflächenbereich zum Entgegenwirken eines Verschleißes an einem Lagergehäuse (110) der Radialturbine (200, 300).