WO2012107193A1 - Gehäuse für einen abgasturbolader mit berstschutz - knautschzone - Google Patents

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WO2012107193A1
WO2012107193A1 PCT/EP2012/000516 EP2012000516W WO2012107193A1 WO 2012107193 A1 WO2012107193 A1 WO 2012107193A1 EP 2012000516 W EP2012000516 W EP 2012000516W WO 2012107193 A1 WO2012107193 A1 WO 2012107193A1
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WO
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housing
impeller
gas turbocharger
exhaust gas
deformation
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Mario Sievert
Mathias Vogt
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Voith Patent GmbH
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Voith Patent GmbH
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    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
    • F04D29/40—Casings; Connections of working fluid
    • F04D29/42—Casings; Connections of working fluid for radial or helico-centrifugal pumps
    • F04D29/4206—Casings; Connections of working fluid for radial or helico-centrifugal pumps especially adapted for elastic fluid pumps
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
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    • F01D21/00—Shutting-down of machines or engines, e.g. in emergency; Regulating, controlling, or safety means not otherwise provided for
    • F01D21/04—Shutting-down of machines or engines, e.g. in emergency; Regulating, controlling, or safety means not otherwise provided for responsive to undesired position of rotor relative to stator or to breaking-off of a part of the rotor, e.g. indicating such position
    • F01D21/045—Shutting-down of machines or engines, e.g. in emergency; Regulating, controlling, or safety means not otherwise provided for responsive to undesired position of rotor relative to stator or to breaking-off of a part of the rotor, e.g. indicating such position special arrangements in stators or in rotors dealing with breaking-off of part of rotor
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    • F01D25/24—Casings; Casing parts, e.g. diaphragms, casing fastenings
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C6/00—Plural gas-turbine plants; Combinations of gas-turbine plants with other apparatus; Adaptations of gas-turbine plants for special use
    • F02C6/04—Gas-turbine plants providing heated or pressurised working fluid for other apparatus, e.g. without mechanical power output
    • F02C6/10—Gas-turbine plants providing heated or pressurised working fluid for other apparatus, e.g. without mechanical power output supplying working fluid to a user, e.g. a chemical process, which returns working fluid to a turbine of the plant
    • F02C6/12—Turbochargers, i.e. plants for augmenting mechanical power output of internal-combustion piston engines by increase of charge pressure
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2220/00—Application
    • F05D2220/40—Application in turbochargers

Definitions

  • the invention relates to a housing for an exhaust gas turbocharger or a
  • Turbocompound systems and exhaust gas turbochargers are known from the general state of the art. They are typically provided with a housing, which is generally designed in several parts. In each case, the housing comprises at least one impeller housing, which is an impeller of the
  • Exhaust gas turbocharger or the Turbocompound system circumferentially surrounds.
  • Such an impeller may be the turbine wheel of the exhaust gas turbocharger or the
  • Turbocompound system In the case of the exhaust gas turbocharger, it may also be the compressor wheel.
  • the housing may in addition to the at least one
  • Impeller housing typically an impeller housing in Turbocompound- system and two impeller housing in the turbocharger, also a
  • Bearing housing comprise, which surrounds the shaft of the at least one impeller and which has a connection with the impeller housing.
  • Connection will generally be releasable to facilitate assembly of the housing around the exhaust gas turbocharger or turbocompound system.
  • Bearing housing and impeller can then be frictionally, positively or optionally also cohesively connected by welding together.
  • Compressor wheel drives at the same speed. If damage occurs in such an exhaust gas turbocharger or turbocompound system, this can happen
  • CONFIRMATION COPY lead to bursting of the impeller and / or the wheels.
  • people should be ensured in any case that no parts penetrate the impeller housing and can get into the environment. Due to the high kinetic energy content of these parts, the housing must therefore be designed with suitable high-strength materials and / or with a correspondingly high wall thickness, so that a large part of the energy of these parts is absorbed, and that the residual energy of possibly exiting particles is so low that these a protective cover,
  • a 0.5 mm thick aluminum can no longer penetrate.
  • Packaging a motor with turbocompound system or exhaust gas turbocharger represents a major disadvantage.
  • larger material thicknesses cause a greater cost of materials and a greater weight. The bigger one
  • Cost of materials represents a cost disadvantage, the greater weight is also a decisive disadvantage in terms of fuel consumption in the field of motor vehicles.
  • a housing for an exhaust gas turbocharger which has a cast-in or Schemeschobene reinforcement.
  • Such cast-in or pushed-over reinforcement is correspondingly expensive and also increases the weight.
  • two different materials such as the encapsulation of a steel reinforcement with an aluminum material of the compressor housing creates a very complex process, which although moderate wall thicknesses of the housing ensures, however, in terms of manufacturing costs, manufacturing costs and weight disadvantages.
  • the object of the present invention is now to provide a housing for an exhaust gas turbocharger or a turbocompound system, which avoids the disadvantages mentioned above and yet in case of bursting of the impeller safe and reliable most of the kinetic energy of the parts of the burst Impeller degrades.
  • the first possibility for achieving the abovementioned object is to design a housing according to the invention for an exhaust-gas turbocharger or a turbocompound system in such a way that the impeller housing has a deformation region extending around its circumference.
  • Impeller housing is therefore taken to ensure that a special
  • Impeller housing safely and reliably contributes or forms a part of the same. In the event of bursting of the impeller surrounding the impeller housing, this deformation range can then deform accordingly and / or break, whereby a large part of the energy of the parts of the rupted impeller is degraded. This can be done with a single easy-to-use
  • Impeller housing provide a housing for an exhaust gas turbocharger or a Turbocompound system, which is both simple, lightweight, small and inexpensive and safe in the event of rupture of the impeller is formed.
  • a single material in particular a single homogeneous material, is to be understood, for example, by casting without inserts, inlays or the like.
  • the housing thus consists essentially of a material which is preferably constructed homogeneously, but does not have to be. Regardless, the housing may of course be provided with a surface coating or the like, without falling out of the definition of the single material according to the invention.
  • Deformation is designed as extending around the entire circumference area with reduced material thickness. Such, extending around the entire circumference area of lesser thickness allows a corresponding
  • Deformation as at least one groove extending around the entire circumference is designed as a predetermined breaking point.
  • a predetermined breaking point can be easily and efficiently, for example, when casting the impeller housing or subsequently introduced via a mechanical processing and ensures the inventive functionality as deformation range ideal.
  • one or more grooves, for example, parallel to each other, are attached.
  • the grooves are introduced from the inside and / or outside into the impeller housing. You can then ideally the task as deformation area or
  • Bearing housing which surrounds the shaft of the at least one impeller, facing side of the impeller housing is arranged.
  • Turbine wheel with Turbocompound system surrounds, via a
  • the deformation area can now be ideally arranged, as it ensures that the deformation area can act safely and reliably and also does not lie in the immediate deformation area, which is hit by the parts of a bursting impeller. As a result, a penetration of the impeller housing in the region of the deformation range is impossible and there is a very safe construction with the above-mentioned advantages.
  • Impeller housing in any case, the bearing housing includes.
  • Impeller housing and the bearing housing have a connection on each other.
  • the deformation region is not arranged in the embodiment of erfindunlicen solution in the region of the bearing housing itself, but in the region of this compound.
  • the connection is designed so that it ensures a secure connection in regular operation, and that it deforms and / or dissolves in case of rupture of the impeller.
  • connection can be designed as a positive and / or frictional connection according to a particularly advantageous embodiment of this variant of the housing according to the invention, for example via corresponding screws or in particular via clamping elements which the bearing housing and the
  • Impeller housing brace against each other in the axial direction.
  • Clamping elements can then be designed so that they ensure safe and reliable clamping of the bearing housing and impeller housing in normal operation. In case of bursting and with increased forces acting on the impeller housing, this compound can then selectively fail, either by a suitable design of the compound or one in the compound
  • FIG. 1 shows a detail of a compressor housing as the impeller housing of an exhaust gas turbocharger.
  • 2 shows a detail of a turbine housing of an exhaust-gas turbocharger or turbocompound system in a first embodiment
  • Fig. 3 shows a detail of a turbine housing of an exhaust gas turbocharger or turbocompound system in a second embodiment.
  • FIG. 1 is an example of a section of a
  • the section shows the upper half of an impeller 1, in this case a compressor wheel.
  • the impeller 1 is rotatably mounted together with the shaft 2, for example via a principle indicated
  • the impeller housing 6 is indicated in the illustration of FIG. 1 only in principle and not shown in its entire axial extent. It is in a realistic structure typically left of the structure shown a corresponding
  • the impeller housing 6 also comprises a substantially helical channel 7, through which the compressed air in the intake ports of an internal combustion engine, which is equipped with such an exhaust gas turbocharger passes.
  • Impeller housing 6 itself is not - or at most of strongly braked parts - penetrate. Without having to realize high-strength materials and / or higher wall thicknesses of the impeller housing, this ensures a very secure construction.
  • the deformation region 8 can, in particular, as shown here, on the bearing housing 4 side facing the
  • Impeller housing 6 may be formed. In particular, it is located in a region which, in the event of a rupture of the impeller 1, is not hit directly by the parts with high kinetic energy, so that penetration of the impeller shell 6 into this deformation region 8 is reliably and reliably precluded.
  • the deformation region 8 can do this on the
  • the bearing housing 4 and the impeller housing 6 is connected via the above-mentioned connecting element 10.
  • This connecting element 10 is It is designed so that it is stretched around the circumference and by two corresponding tabs 11 with the bearing housing 4 on the one hand and the
  • Impeller housing 6 on the other hand cooperates.
  • the impeller housing 6 is pressed in the axial direction against the bearing housing 4 and the bearing housing 4 is so safe and reliable connected to the impeller housing 6. Since the circumferential groove 9 is required anyway for receiving the tabs 11, it can be used, as mentioned, to make it correspondingly deeper and thereby form a peripheral weakened region as deformation region 8. The production cost for the bearing housing 4 does not increase.
  • FIG. 2 a comparable structure with a turbine wheel as impeller 1 is shown.
  • the turbine wheel is located in one
  • the impeller housing 6 is also connected here to a bearing housing 4, which carries the shaft 2 for the impeller 1 via corresponding bearings 3 and seals 5.
  • the impeller housing 6 has in this case an exhaust duct as a spiral channel 7, which is constructed by way of example double-flow.
  • the impeller 1 may be part of an exhaust gas turbocharger, to which this could be combined, for example, with the compressor shown in Fig. 1.
  • the impeller 1 in the illustration of FIG. 2 can also be used as a turbine wheel of a turbocompound system.
  • the structure of the impeller housing 6 is substantially comparable to that in the illustration of FIG. 1. Again, a deformation region 8 is provided, which is arranged so that it is not directly from optionally
  • the deformation region 8 is substantially analogous to that in FIG. 1
  • Deformation 8 also by a from the inside into the impeller housing. 6 introduced groove, which is exemplified in the illustration of FIG. 2 and provided with the reference numeral 12, are formed.
  • This groove 12 can be introduced either alone so that the deformation region 8 is formed by them. It can also be used to record, for example, a seal for the seal between the bearing housing 4 and impeller housing 6 and so to ensure a seal of the impeller shell 6 relative to the bearing housing 4 and thus also to the environment.
  • FIG. 3 In the illustration of FIG. 3 is in a structure which is constructed largely analogous to that in Fig. 2, an alternative embodiment of the
  • Embodiments arises. Rather, the deformation region 8 is here laid in the connecting element 10 itself, which is weakened example by a groove 13 in which the tabs 11 connecting element, so that here the deformation region 8 is formed.
  • the connecting element 10 is thus able to ensure a secure connection between the bearing housing 4 and the impeller housing 6 during normal operation. If there is a rupture of the impeller 1, so increased forces occur and there is a deformation and / or breaking of the connecting element 10, in particular in the region of the groove 13. As a result, energy is correspondingly reduced and the impeller housing 6 may be from the bearing housing dissolve and absorb more kinetic energy. This creates the advantageous functionality already described above, so that here too the impeller housing 6 can be realized with minimal material expenditure, minimum wall thickness, minimum weight and minimum costs.

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Abstract

Ein Gehäuse ist für einen Abgasturbolader oder ein Turbocompound-System vorgesehen. Es umfasst wenigstens ein Laufradgehäuse, welches ein Laufrad des Abgasturboladers oder des Turbocompound-Systems umfangsseitig umgibt. Das Laufradgehäuse ist dadurch gekennzeichnet, dass das Lagergehäuse aus einem einzigen Material hergestellt ist, und dass das Laufradgehäuse einen um seinen Umfang verlaufenden Verformungsbereich aufweist.

Description

GEHÄUSE FÜR EINEN ABGASTURBOLADER MIT BERSTSCHUTZ - KNAUTSCHZONE
Die Erfindung betrifft ein Gehäuse für einen Abgasturbolader oder ein
Turbocompound-System nach der im Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. des Anspruchs 9 näher definierten Art.
Turbocompound-Systeme und Abgasturbolader sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Sie sind typischerweise mit einem Gehäuse versehen, welches im Allgemeinen mehrteilig ausgebildet ist. Das Gehäuse umfasst dabei in jedem Fall wenigstens ein Laufradgehäuse, welches ein Laufrad des
Abgasturboladers oder des Turbocompound-Systems umfangsseitig umgibt. Ein solches Laufrad kann das Turbinenrad des Abgasturboladers oder des
Turbocompound-Systems sein. Im Falle des Abgasturboladers kann es außerdem das Verdichterrad sein. Das Gehäuse kann neben dem wenigstens einen
Laufradgehäuse, typischerweise einem Laufradgehäuse beim Turbocompound- System und zwei Laufradgehäuse beim Abgasturbolader, außerdem ein
Lagergehäuse umfassen, welches die Welle des wenigstens einen Laufrads umgibt und welches eine Verbindung mit dem Laufradgehäuse aufweist. Diese
Verbindung wird im Allgemeinen lösbar ausgebildet sein, um die Montage des Gehäuse um dem Abgasturbolader oder das Turbocompound-System zu erleichtern. Lagergehäuse und Laufrad können dann reibschlüssig, formschlüssig oder gegebenenfalls auch stoffschlüssig durch Verschweißen miteinander verbunden werden. Bei den Laufrädern von Abgasturboladern oder Turbocompound-Systemen treten im Betrieb typischerweise sehr hohe Drehzahlen auf, mit welchen das in jedem Fall vorhandene Turbinenrad als Laufrad durch den heißen Abgasstrom
angetrieben wird, und im Falle des Abgasturboladers über eine Welle das
Verdichterrad mit derselben Drehzahl antreibt. Kommt es nun zu einem Schaden in einem derartigen Abgasturbolader oder Turbocompound-System, so kann dies
BESTÄTIGUNGSKOPIE zu einem Bersten des Laufrads und/oder der Laufräder führen. Um einen sicheren Aufbau des Gehäuses zu gewährleisten und auch in einem solchen Fall die Beschädigung umliegender Bauteile und gegebenenfalls in diesem Bereich befindlichen Personen zu vermeiden, sollte in jedem Fall sichergestellt werden, dass keine Teile das Laufradgehäuse durchschlagen und in die Umgebung gelangen können. Aufgrund des hohen kinetischen Energieinhalts dieser Teile ist daher das Gehäuse mit geeigneten hochfesten Materialien auszuführen und/oder mit einer entsprechend hohen Wandstärke auszubilden, so dass ein Großteil der Energie dieser Teile aufgenommen wird, und dass die Restenergie eventuell austretender Teilchen so gering ist, dass diese eine Schutzabdeckung,
beispielsweise ein 0,5 mm starkes Aluminium nicht mehr durchschlagen können.
Der Einsatz hochfester Materialien führt typischerweise zu einem aufwendigeren Herstellungsprozess und erhöht dadurch die Kosten für das Gehäuse oder zumindest für das Laufradgehäuse, welches aus den derartigen Materialien ausgebildet werden muss.
Eine Erhöhung der Wandstärken des Laufradgehäuses führt zu einem insgesamt größeren Bauteil, welches bei den oft beengten Raumverhältnissen beim
Packaging eines Motors mit Turbocompound-System oder Abgasturbolader einen entscheidenden Nachteil darstellt. Außerdem verursachen größere Materialstärken einen größeren Materialaufwand und ein größeres Gewicht. Der größere
Materialaufwand stellt dabei einen Kostennachteil dar, das größere Gewicht ist im Hinblick auf Verbrauchssenkungen im Bereich von Kraftfahrzeugen ebenfalls ein entscheidender Nachteil.
Aus der DE 27 06 110 AI ist außerdem ein Gehäuse für einen Abgasturbolader bekannt, welches eine eingegossene oder überschobene Verstärkung aufweist. Eine solche eingegossene oder überschobene Verstärkung ist entsprechend aufwendig und erhöht ebenfalls das Gewicht. Durch die Verwendung von zwei unterschiedlichen Materialien, beispielsweise dem Umgießen einer Stahlverstärkung mit einem Aluminiumwerkstoff des Verdichtergehäuses entsteht ein sehr aufwendiger Prozess, welcher zwar moderate Wandstärken des Gehäuses gewährleistet, jedoch hinsichtlich Herstellungsaufwand, Herstellungskosten und Gewicht Nachteile mit sich bringt.
Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, ein Gehäuse für einen Abgasturbolader oder ein Turbocompound-System zu schaffen, welches die oben genannten Nachteile vermeidet und dennoch im Falle eines Berstens des Laufrads sicher und zuverlässig den größten Teil der kinetischen Energie der Teile des geborstenen Laufrads abbaut.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst. Eine alternative Lösung ist im
kennzeichnenden Teil des nebengeordneten Anspruchs 9 angegeben. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Lösungen ergeben sich aus den von den jeweiligen unabhängigen Ansprüchen abhängigen Unteransprüchen.
Die erste Möglichkeit zum Lösen der oben genannten Aufgabe besteht darin, ein erfindungemäßes Gehäuse für einen Abgasturbolader oder ein Turbocompound- System so auszubilden, dass das Laufradgehäuse einen um seinen Umfang verlaufenden Verformungsbereich aufweist. Bei der Konstruktion des
Laufradgehäuses wird also darauf geachtet, dass ein spezieller
Verformungsbereich vorgesehen ist, welcher im regulären Zustand das
Laufradgehäuse sicher und zuverlässig trägt bzw. einen Bestandteil desselben bildet. Im Berstfall des von dem Laufradgehäuse umgebenden Laufrads kann dieser Verformungsbereich sich dann entsprechend verformen und/oder brechen, wodurch ein großer Teil der Energie der Teile des geborstenen Laufrads abgebaut wird. Dadurch lässt sich mit einem einzigen einfach zu verarbeitenden
kostengünstigen Materialien und entsprechend geringer Wandstärke des Laufradgehäuses ein Gehäuse für einen Abgasturbolader oder ein Turbocompound-System schaffen, welches sowohl einfach, leicht, klein und kostengünstig als auch sicher im Falle eines Berstens des Laufrads ausgebildet ist. Unter einem einzigen Material, insbesondere einem einzigen homogenen Material, ist dabei im Sinne der Erfindung die Herstellung beispielsweise durch Gießen ohne Einlageteile, Inlays oder dergleichen zu verstehen. Das Gehäuse besteht also im Wesentlichen aus einem Material, welches vorzugsweise homogen aufgebaut ist, aber nicht sein muss. Ungeachtet dessen, kann das Gehäuse selbstverständlich mit einer Oberflächenbeschichtung oder dergleichen versehen sein, ohne aus der erfindungsgemäßen Definition des einzigen Materials herauszufallen.
In einer besonders günstigen und vorteilhaften Ausgestaltung des
erfindungsgemäßen Gehäuses ist es dabei vorgesehen, dass der
Verformungsbereich als um den gesamten Umfang verlaufender Bereich mit verringerter Materialstärke ausgebildet ist. Ein solcher, um den gesamten Umfang verlaufender Bereich geringerer Materialstärke erlaubt eine entsprechende
Verformung und/oder ein Brechen des Materials bei übermäßig großer
Beanspruchung durch ein geborstenes Laufrad und kann so einen Großteil der Energie aufnehmen. Dadurch, dass er um den gesamten Umfang angelegt ist, ist die Funktionalität in jedem Fall sichergestellt, egal in welche Richtung die entsprechenden Teile des Laufrads beim Bersten tangential von dem Laufrad wegfliegen. In einer besonders günstigen und vorteilhaften Weiterbildung des
erfindungsgemäßen Gehäuses ist es dabei vorgesehen, dass der
Verformungsbereich als wenigstens eine um den gesamten Umfang verlaufende Nut als Sollbruchstelle ausgebildet ist. Eine solche Sollbruchstelle kann einfach und effizient, beispielsweise beim Gießen des Laufradgehäuses oder anschließend über eine mechanische Bearbeitung eingebracht werden und gewährleistet die erfindungsgemäße Funktionalität als Verformungsbereich ideal. Dabei können eine oder mehrere Nuten, beispielsweise parallel zueinander, angebracht werden.
In einer besonders günstigen Weiterbildung ist es auch denkbar, dass die Nuten von innen und/oder außen in das Laufradgehäuse eingebracht werden. Sie können dann in idealer Art und Weise die Aufgabe als Verformungsbereich bzw.
Sollbruchstelle erfüllen.
In einer sehr vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Gehäuses ist es außerdem vorgesehen, dass der Verformungsbereich auf einer einem
Lagergehäuse, welches die Welle des wenigstens einen Laufrads umgibt, zugewandten Seite des Laufradgehäuses angeordnet ist. Die Anbindung des Laufradgehäuses an das Lagergehäuse, welches die Welle des Läufers mit
Turbinenrad und Verdichterrad beim Abgasturbolader bzw. die Welle des
Turbinenrads mit Turbocompound-System umgibt, erfolgt über einen
Verbindungsbereich. In diesem Bereich überlappt das Laufradgehäuse
typischerweise das Lagergehäuse um ein gewisses Stück, so dass die
Befestigungsmöglichkeit zwischen den beiden Gehäusen in einem gewissen axialen Abstand zu dem Laufrad selbst ausgebildet ist. In diesem Bereich kann der Verformungsbereich nun ideal angeordnet werden, da so sichergestellt ist, dass der Verformungsbereich sicher und zuverlässig wirken kann und außerdem nicht im unmittelbaren Deformationsbereich liegt, der von den Teilen eines berstenden Laufrads getroffen wird. Dadurch wird ein Durchschlagen des Laufradgehäuses im Bereich des Verformungsbereichs unmöglich und es entsteht ein sehr sicherer Aufbau mit den oben genanten Vorteilen.
Eine alternative Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Aufbaus, welches die oben genannte Aufgabe löst, sieht es vor, dass das Gehäuse neben dem
Laufradgehäuse in jedem Fall auch das Lagergehäuse mit umfasst. Das
Laufradgehäuse und das Lagergehäuse weisen dabei eine Verbindung untereinander auf. Der Verformungsbereich wird bei dieser Ausgestaltung der erfindungemäßen Lösung nicht im Bereich des Lagergehäuses selbst angeordnet, sondern im Bereich dieser Verbindung. Die Verbindung wird dazu so ausgelegt, dass diese im regulären Betrieb eine sichere Verbindung gewährleistet, und dass diese sich im Falle eines Berstens des Laufrads verformt und/oder löst.
Die Verbindung kann gemäß einer besonders günstigen Ausgestaltung dieser Variante des erfindungsgemäßen Gehäuses als form- und/oder reibschlüssige Verbindung ausgeführt sein, beispielsweise über entsprechende Schrauben oder insbesondere über Spannelemente, welche das Lagergehäuse und das
Laufradgehäuse in axialer Richtung gegeneinander verspannen. Die
Spannelemente können dann so ausgelegt sein, dass diese im regulären Betrieb die Verspannung von Lagergehäuse und Laufradgehäuse sicher und zuverlässig gewährleisten. Im Berstfall und bei erhöhten einwirkenden Kräften auf das Laufradgehäuse kann diese Verbindung dann gezielt versagen, entweder durch eine geeignete Auslegung der Verbindung oder eine in der Verbindung
eingebrachte Sollbruchstelle. Dadurch lässt sich ebenfalls ein Abbau von kinetischer Energie, in diesem Fall nicht über eine Verformung oder ein Brechen des Lagergehäuses selbst, sondern über eine Verformung und/oder ein Brechen der zur Verbindung genutzten Elemente realisieren.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Aufbaus ergeben sich dabei aus den nachfolgend dargestellten Ausführungsbeispielen, welche anhand von beispielhaften Figuren prinzipmäßig dargestellt werden.
Dabei zeigen:
Fig. 1 einen Ausschnitt aus einem Verdichtergehäuse als Laufradgehäuse eines Abgasturboladers; Fig. 2 einen Ausschnitt aus einem Turbinengehäuse eines Abgasturboladers oder Turbocompound-Systems in einer ersten Ausführungsform; und
Fig. 3 einen Ausschnitt aus einem Turbinengehäuse eines Abgasturboladers oder Turbocompound-Systems in einer zweiten Ausführungsform.
In der Darstellung der Fig. 1 ist beispielhaft ein Ausschnitt aus einem
Abgasturbolader zu erkennen. Der Ausschnitt zeigt die obere Hälfte eines Laufrads 1, in diesem Fall eines Verdichterrads. Das Laufrad 1 ist zusammen mit der Welle 2 drehbeweglich gelagert, beispielsweise über ein prinzipmäßig angedeutetes
Lager 3 in einem Lagergehäuse 4. Zwischen dem Lagergehäuse 4 und der Welle 2 kann außerdem eine Abdichtung angeordnet sein, welche hier ebenfalls nur prinzipmäßig angedeutet und mit dem Bezugszeichen 5 versehen ist. Das Laufrad 1 wird im Umfang von einem Laufradgehäuse 6, in diesem Fall also dem
Verdichtergehäuse des Abgasturboladers, umgeben. Das Laufradgehäuse 6 ist in der Darstellung der Fig. 1 nur prinzipmäßig angedeutet und nicht in seiner gesamten axialen Ausdehnung dargestellt. Es wird bei einem realistischen Aufbau typischerweise links des dargestellten Aufbaus noch einen entsprechenden
Fortsatz als Ansaugbereich für die von dem Laufrad 1 zum Verdichten angesaugte Luft aufweisen. Das Laufradgehäuse 6 umfasst außerdem einen im Wesentlichen spiralförmigen Kanal 7, durch welchen die verdichtete Luft in die Ansaugkanäle eines Verbrennungsmotors, welcher mit einem derartigen Abgasturbolader ausgestattet ist, gelangt. Dieser Aufbau entspricht dabei im bisher beschriebenen Umfang dem Stand der Technik und kann weitere konstruktive Details aufweisen, welche für die hier beschriebene Erfindung jedoch nicht relevant und daher nicht dargestellt und beschrieben sind.
Falls es zu einem Bersten des Laufrads 1 kommt, werden Einzelteile mit hoher kinetischer Energie, da das Laufrad 1 typischerweise mit sehr hohen Drehzahlen betrieben wird, in tangentialer Richtung wegfliegen. Um ein Austreten dieser Teile aus dem Laufradgehäuse 6 zu vermeiden, muss ein großer Teil der Energie der im Berstfall auftretenden Teile im Bereich des Laufradgehäuses 6 aufgenommen werden. In dem hier dargestellten Fall erfolgt diese Aufnahme der kinetischen Energie in einem Verformungsbereich 8. Dieser Verformungsbereich 8 ist dabei so ausgestaltet, dass in seinem Bereich die Materialstärke des Laufradgehäuses 6 entsprechend reduziert ausgebildet ist. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass eine Nut 9, welche zur Aufnahme eines später noch näher beschriebenen Verbindungselements 10 ausgestaltet ist, entsprechend tiefer ausgeführt wird, als zur Aufnahme des Verbindungselements 10 notwendig. Dadurch kommt es bei einer entsprechenden Krafteinwirkung auf das Laufradgehäuse 6 im Falle eines Berstens des Laufrads 1 in dem Verformungsbereich 8 entweder zu einer
Verformung des Materials des Laufradgehäuses 6 und/oder zu einem Bruch des Verformungsbereichs 8. Sowohl die Verformung als auch der Bruch absorbieren dabei einen großen Teil der kinetischen Energie, so dass im Falle eines Berstens des Laufrads 1 die kinetische Energie so weit abgebaut wird, dass das
Laufradgehäuse 6 selbst nicht - oder allenfalls von stark abgebremsten Teilen - durchschlagen wird. Ohne hochfeste Materialien und/oder höheren Wandstärken des Laufradgehäuses realisieren zu müssen, lässt sich damit ein sehr sicherer Aufbau gewährleisten. Der Verformungsbereich 8, kann dabei insbesondere, wie hier dargestellt, auf der dem Lagergehäuse 4 zugewandten Seite des
Laufradgehäuses 6 ausgebildet sein. Insbesondere befindet er sich in einem Bereich, welcher im Falle eines Berstens des Laufrads 1 nicht unmittelbar von den Teilen mit hoher kinetischer Energie getroffen wird, so dass ein Durchschlagen des Laufradgehäuses 6 in diesem Verformungsbereich 8 sicher und zuverlässig ausgeschlossen wird. Der Verformungsbereich 8 kann dazu auf der dem
Lagergehäuse 4 zugewandeten Seite, insbesondere in einem Bereich, wo sich Material des Lagergehäuses 4 zwischen dem Verformungsbereich 8 und dem Laufrad 1 befindet, angeordnet sein. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Lagergehäuse 4 und das Laufradgehäuse 6 dabei über das oben schon erwähnte Verbindungselement 10 verbunden. Dieses Verbindungselement 10 ist dabei so ausgestaltet, dass es um den Umfang gespannt wird und durch zwei entsprechende Laschen 11 mit dem Lagergehäuse 4 einerseits und dem
Laufradgehäuse 6 andererseits zusammenwirkt. Das Laufradgehäuse 6 wird dabei in axialer Richtung gegen das Lagergehäuse 4 gepresst und das Lagergehäuse 4 wird so sicher und zuverlässig mit dem Laufradgehäuse 6 verbunden. Da zur Aufnahme der Laschen 11 die umlaufende Nut 9 ohnehin notwendig ist, kann diese - wie erwähnt - genutzt werden, um sie entsprechend tiefer auszugestalten und dadurch einen umlaufenden geschwächten Bereich als Verformungsbereich 8 auszubilden. Der Fertigungsaufwand für das Lagergehäuse 4 erhöht sich dadurch nicht.
In der Darstellung der Fig. 2 ist ein vergleichbarer Aufbau mit einem Turbinenrad als Laufrad 1 dargestellt. Das Turbinenrad befindet sich dabei in einem
Turbinengehäuse als Laufradgehäuse 6, für welches im Wesentlichen die oben genannten Erläuterungen ebenso gelten. Das Laufradgehäuse 6 ist auch hier mit einem Lagergehäuse 4 verbunden, welches über entsprechende Lager 3 und Dichtungen 5 die Welle 2 für das Laufrad 1 trägt. Das Laufradgehäuse 6 weist in diesem Fall einen Abgaskanal als Spiralkanal 7 auf, welcher beispielhaft zweiflutig aufgebaut ist. Das Laufrad 1 kann dabei Teil eines Abgasturboladers sein, wozu dieses beispielsweise mit dem in Fig. 1 gezeigten Verdichterrad kombiniert werden könnte. Außerdem kann das Laufrad 1 in der Darstellung der Fig. 2 auch als Turbinenrad eines Turbocompound-Systems eingesetzt werden.
Der Aufbau des Laufradgehäuses 6 ist dabei im Wesentlichen vergleichbar zu dem in der Darstellung der Fig. 1. Auch hier ist ein Verformungsbereich 8 vorgesehen, welcher so angeordnet ist, dass er nicht unmittelbar von gegebenenfalls
umherfliegenden Teilen des geborstenen Laufrads 1 getroffen werden kann. Der Verformungsbereich 8 ist dabei im Wesentlichen analog zu den in Fig. 1
dargestellten Erläuterungen ausgeführt. Ergänzend dazu kann der
Verformungsbereich 8 außerdem durch eine von innen in das Laufradgehäuse 6 eingebrachte Nut, welche in der Darstellung der Fig. 2 beispielhaft dargestellt und mit dem Bezugszeichen 12 versehen ist, ausgeformt werden. Selbstverständlich wäre es auch denkbar, den Verformungsbereich 8 lediglich durch die von innen eingebrachte Nut 12 auszubilden. Diese Nut 12 kann dabei entweder alleine deshalb eingebracht sein, dass der Verformungsbereich 8 durch sie ausgebildet wird. Sie kann zusätzlich auch genutzt werden, um beispielsweise eine Dichtung für die Abdichtung zwischen dem Lagergehäuse 4 und Laufradgehäuse 6 aufzunehmen und so eine Abdichtung des Laufradgehäuses 6 gegenüber dem Lagergehäuse 4 und damit auch gegenüber der Umgebung zu gewährleisten.
In der Darstellung der Fig. 3 ist bei einem Aufbau, welcher weitgehend analog zu dem in Fig. 2 aufgebaut ist, eine alternative Ausführungsvariante des
erfindungsgemäßen Verformungsbereichs gezeigt. Es ist zu erkennen, dass hier die Nuten, welche zur Aufnahme der Laschen 11 des Verbindungselements 10 dienen, nicht tiefer ausgeführt sind als unbedingt notwendig, so dass hierdurch der Verformungsbereich 8 nicht wie in den oben dargestellten
Ausführungsbeispielen entsteht. Vielmehr ist der Verformungsbereich 8 hier in das Verbindungselement 10 selbst verlegt, welches beispielhaft durch eine Nut 13 in dem die Laschen 11 verbindenden Element entsprechend geschwächt ist, so dass hier der Verformungsbereich 8 entsteht. Das Verbindungselement 10 ist so in der Lage, im regulären Betrieb eine sichere Verbindung zwischen dem Lagergehäuse 4 und dem Laufradgehäuse 6 zu gewährleisten. Kommt es zu einem Bersten des Laufrads 1, so treten erhöhte Kräfte auf und es kommt zu einem Verformen und/oder Brechen des Verbindungselements 10, insbesondere im Bereich der Nut 13. Dadurch wird entsprechend Energie abgebaut und das Laufradgehäuse 6 kann sich von dem Lagergehäuse 4 lösen und weitere kinetische Energie aufnehmen. Dadurch entsteht die oben bereits beschriebene vorteilhafte Funktionalität, so dass auch hier das Laufradgehäuse 6 mit minimalem Materialaufwand, minimaler Wandstärke, minimalem Gewicht und minimalen Kosten realisiert werden kann.

Claims

Patentansprüche
1. Gehäuse für einen Abgasturbolader oder ein Turbocompound-System, mit:
1.1 wenigstens einem Laufradgehäuse (6), welches ein Laufrad (1) des
Abgasturboladers oder des Turbocompound-Systems umfangsseitig umgibt, dadurch gekennzeichnet, dass
1.2 das Lagergehäuse (6) aus einem einzigen Material hergestellt ist, und dass
1.3 das Laufradgehäuse (6) einen um seinen Umfang verlaufenden
Verformungsbereich (8) aufweist.
2. Gehäuse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der
Verformungsbereich (8) als um den gesamten Umfang verlaufenden Bereich mit verringerter Materialstärke ausgebildet ist.
3. Gehäuse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der
Verformungsbereich (8) als wenigstens eine um den gesamten Umfang verlaufende Nut (9, 12) als Sollbruchstelle ausgebildet ist.
4. Gehäuse nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Nut (9, 12) von innen und/oder außen in das Laufradgehäuse (6) eingebracht ist.
5. Gehäuse nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Laufradgehäuse (6) das Laufrad (1) zumindest in dessen gesamter axialer Ausdehnung umgibt.
6. Gehäuse nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Verformungsbereich (8) auf einer einem Lagergehäuse (4), welches eine Welle (3) des wenigstens einen Laufrads (1) umgibt, zugewandten Seite des Laufradgehäuses (6) angeordnet ist.
7. Gehäuse nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Laufradgehäuse (6) mit dem Lagergehäuse (4) über
Verbindungselemente (10) verbunden ist, wobei der Verformungsbereich (8) in dem wenigstens einen Laufradgehäuse (6) im Bereich der
Verbindungselemente (10) angeordnet ist.
8. Gehäuse nach einem der Ansprüche 1 bis 7 für einen Abgasturbolader mit zwei Laufradgehäusen (6), dadurch gekennzeichnet, dass jedes der
Laufradgehäuse (6) einen Verformungsbereich (8) aufweist.
9. Gehäuse für einen Abgasturbolader oder ein Turbocompound-System, mit
9.1 wenigstens einem Laufradgehäuse (6), welches ein Laufrad (1) des
Abgasturboladers oder des Turbocompound-Systems umfangsseitig umgibt, und
9.2 einem Lagergehäuse (4), welches eine Welle (3) des wenigstens einen
Laufrads (1) umgibt, und welches eine Verbindung mit dem Laufradgehäuse (6) aufweist,
dadurch gekennzeichnet, dass
9.3 die Verbindung so ausgestaltet ist, dass diese im regulären Betrieb eine sichere Verbindung gewährleistet, und dass diese sich im Falle eines Berstens des Laufrads (1) verformt und/oder löst.
10. Gehäuse nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung als form- und/oder reibschlüssige Verbindung mit Verbindungselementen (10) ausgeführt ist, wobei die Verbindungselemente (10) so ausgestaltet sind, dass diese sich im Falle eines Berstens des Laufrads (1) verformen und/oder brechen.
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