Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der abgasbetriebenen Turbolader. Sie betrifft eine Abgasturbine, insbesondere ein Lagergehäuse, ein Turbinengehäuse sowie eine Hitzeschutzwand einer Abgasturbine wobei die Hitzeschutzwand in der Abgasturbine mit dem Turbinengehäuse einen Anströmkanal auf das Turbinenrad begrenzt, wobei das Turbinenrad auf einer im Lagergehäuse drehbar gelagerten Welle angeordnet ist.

Abgasturbolader werden zur Leistungssteigerung von Verbrennungsmotoren eingesetzt. Im unteren Leistungsbereich bis zu einigen Megawatt werden vorwiegend Turbolader mit radial angeströmtem Turbinenrad und Innenlagerung der Welle, auf der das Turbinenrad aufgebracht ist, eingesetzt.

Bei ungekühlten Abgasturboladern, bei denen die gasführenden Kanäle nicht gekühlt werden, liegt die Abgastemperatur am Turbineneintritt höher, wodurch der thermische Wirkungsgrad der Maschine und die an den Luftverdichter per Abgasmenge abgegebene Leistung steigt.

Das ungekühlte Gaseintritts- oder Turbinengehäuse, welches im Betrieb eine Temperatur von beispielsweise 650°C aufweist, ist meistens direkt auf dem mit beispielsweise 150°C wesentlich kühleren Lagergehäuse befestigt. In gewissen Anwendungsbereichen wird das Lagergehäuse, im Gegensatz zu den gasführenden Kanälen, auf die genannte Temperatur gekühlt. Zusätzlich kann, wie in der EP 0 856 639 dargestellt, im Bereich eines auf das Turbinenrad führenden Anströmkanals eine als Hitzeschutz dienende Zwischenwand angeordnet sein, welche das Lagergehäuse gegen das im Anströmkanal geführte heisse Abgas abschirmt. Die Zwischenwand kann dabei durch eine entsprechende Luft- oder Kühlflüssigkeitszone vom Lagergehäuse getrennt angeordnet sein und nur wenige, definierte Kontaktpunkte aufweisen, um entsprechende Wärmebrücken mit dem Lagergehäuse möglichst zu vermeiden.

Zur Befestigung des Turbinengehäuses auf dem Lagergehäuse werden bei herkömmlichen Abgasturbinen Laschen oder sogenannte Profilschellen- bzw. V-Band-Verbindungen eingesetzt. Um einen möglichst hohen Wirkungsgrad zu erzielen, ist der Luftspalt zwischen den Turbinenschaufeln dem Turbinengehäuse so klein wie möglich zu halten. Dies bedingt jedoch, dass diese Gehäusewand und das Turbinenrad jederzeit, insbesondere im Betrieb unter Volllast und bei entsprechender thermischer Belastung aller Teile, gegeneinander zentriert sind. Da sich infolge des hohen Temperaturunterschiedes zwischen dem Lagergehäuse und dem Turbinengehäuse der Zentriersitz des Turbinengehäuses zum Lagergehäuse mitunter radial aufweitet, kann sich das Turbinengehäuse gegenüber dem Lagergehäuse und insbesondere der darin gelagerten Turbinenwelle desaxieren, d.h. das Turbinengehäuse ist gegenüber der Welle und dem darauf angeordneten Turbinenrad in radialer Richtung nicht mehr zentriert. Eine solche Desaxierung, die durch äussere Krafteinwirkungen zusätzlich unterstützt werden kann, führt zu Berührungen der Turbinenschaufelspitzen mit der Gehäusewand des Turbinengehäuses, zu entsprechenden Abnutzungen oder Defekten und damit verbunden zu erheblichen Einbussen im Wirkungsgrad der Abgasturbine.

Das EP 0 118 051 zeigt, wie mittels sternförmig angeordneten, in radialer Richtung beweglichen Nut/Kamm-Verbindungen eine Desaxierung des heisseren Bauteils vermieden werden kann.

Dieser herkömmliche jedoch relativ kostenintensive Lösungsansatz, bei dem der Fertigungsprozess nebst reinen Drehoperationen auch Fräsoperationen beinhaltet, ermöglicht aufgrund der diskreten Anzahl Nut/Kamm-Verbindungen nur eine beschränkte Anzahl unterschiedlicher Gehäusepositionen. Wünschenswert ist jedoch eine Lösungsansatz bei der die Position des Turbinengehäuses gegenüber dem Lagergehäuse im wesentlichen stufenlos eingestellt werden kann.

Der Erfindung liegt folglich die Aufgabe zugrunde, eine Abgasturbine der eingangs genannten Art zu schaffen, welche eine Verbesserung des Turbinenwirkungsgrads durch Zentrierung des Turbinengehäuses gegenüber der im Lagergehäuse gelagerten Welle ermöglicht.

Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe mit den kennzeichnenden Merkmale der Patentansprüche 1, 7 und 12 sowie mit dem Patentanspruch 16 gelöst.

Die durch die Erfindung erreichten Vorteile sind darin zu sehen, dass die Zentrierung des Turbinengehäuses gegenüber der im Lagergehäuse gelagerten Welle ohne zusätzliche Bauteile gewährleistet werden kann. Lagergehäuse, Turbinengehäuse und Hitzeschutzwand müssen lediglich geringfügig zusätzlich bearbeitet werden. Dadurch ergeben sich für die Abgasturbine keine wesentlichen zusätzlichen Kosten.

Die Position des Turbinengehäuses gegenüber dem Lagergehäuse lässt sich stufenlos einstellen, da erfindungsgemäss zwischen dem Lagergehäuse und dem Turbinengehäuse keine formschlüssige Verbindung besteht.

Diese Art von Zentrierung eignet sich für alle gängigen Verbindungsarten zwischen Lagergehäuse und Turbinengehäuse, da erfindungsgemäss die Zentrierung durch Bauteile im Innern des Turbinengehäuses erfolgt.

Weitere Vorteile ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Im folgenden sind anhand der Figuren Ausführungsbeispiele der erfindungsgemässen Abgasturbine schematisch dargestellt und näher erläutert. In allen Figuren sind gleichwirkende Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen. Es zeigt:

1 eine schematische Ansicht eines ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemässen Abgasturboladers,

2 eine vergrössert dargestellte Ansicht des Abgasturboladers nach 1,

3 eine schematische Ansicht auf ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemässen Abgasturboladers,

4 eine schematische Ansicht IV-IV aus 3,

5 eine schematische Ansicht auf ein drittes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemässen Abgasturboladers, und

6 eine schematische Ansicht VI-VI aus 5.

Der Abgasturbolader besteht hauptsächlich aus einem nicht dargestellten Verdichter und einer in 1 als Radialturbine schematisch dargestellten Abgasturbine. Die Abgasturbine umfasst hauptsächlich ein Turbinengehäuse 1, mit einem radial aussenliegenden, spiralförmigen Gaseintrittsgehäuse und einer gasaustrittsseitigen Gehäusewand 12, ein Lagergehäuse 4 mit einer mittels Lagern 31 drehbar gelagerten Welle 3 sowie ein auf der Welle angeordnetes Turbinenrad 5 mit Laufschaufeln 51. Verdichterseitig ist auf der Welle ein ebenfalls nicht dargestelltes Verdichterrad angeordnet.

Das Gaseintrittsgehäuse geht in Pfeilrichtung stromab in einen Anströmkanal 6 für die Abgase einer mit dem Abgasturbolader verbundenen, ebenfalls nicht dargestellten Verbrennungsmaschine über. Der Anströmkanal ist auf der einen Seite durch die gasaustrittsseitige Gehäusewand 12 begrenzt, während auf der anderen Seite eine als Hitzeschutz dienende scheibenförmige Zwischenwand 2 angeordnet ist. Die Hitzeschutzwand, welche den Anströmkanal auf der Seite des Lagergehäuses zumindest teilweise begrenzt und/oder zumindest teilweise in axialer Richtung zwischen Turbinenrad und Lagergehäuse angeordnet ist, schirmt das dahinterliegende Lagergehäuse von den heissen Abgasen ab.

Im Anströmkanal ist ferner zwischen der Hitzeschutzwand und der gasaustrittsseitigen Gehäusewand 12 ein Düsenring 7 angeordnet.

Das Turbinengehäuse 1 ist in der dargestellten Ausführungsform mit Laschen 43 am Lagergehäuse 4 befestigt, wobei die mit Schrauben 42 am Turbinengehäuse festgemachten Laschen gewisse Bewegungen des Turbinengehäuses bezüglich des Lagergehäuses 4 in radialer Richtung erlauben. Wie aus der Figur ersichtlich ist, wird durch das Festschrauben der Laschen 43 die Hitzeschutzwand 2 sowie der Düsenring 7 zwischen Turbinengehäuse 1 und Lagergehäuse 4 eingeklemmt und entsprechend in axialer Richtung befestigt. Im stehenden Zustand der Abgasturbine, wenn Turbinengehäuse und Lagergehäuse kalt sind, liegt das Turbinengehäuse auf dem Lagergehäuse auf und ist dadurch entsprechend gegenüber der Welle und dem darauf angeordneten Turbinenrad zentriert.

In der in 2 vergrössert dargestellten ersten Ausführungsform der erfindungsgemässen Abgasturbine ist an der Hitzeschutzwand 2 im radial inneren Bereich eine als umlaufende Kante ausgebildete Auflage 21 angeordnet, welche auf einer ebenfalls als umlaufenden Kante ausgebildeten Auflage 41 des Lagergehäuses aufliegt. Im stehenden Zustand der Abgasturbine, wenn neben dem Lagergehäuse auch die Hitzeschutzwand kalt ist, kann zwischen den beiden Auflagen jeweils ein geringer Luftspalt von einigen wenigen bis zu einigen hundert Mikrometern vorhanden sein, was insbesondere die einfache Montage, d.h. das Aufschieben der Hitzeschutzwand in axialer Richtung auf das Lagergehäuse ermöglicht. Im radial aussenliegenden Bereich steht die Hitzeschutzwand mit einer radial aussenliegenden Auflage 22 an einer radial nach innen gerichteten Auflage 11 des Turbinengehäuses an, wobei im stehenden Zustand der Abgasturbine ebenfalls ein entsprechender, geringer Luftspalt zwischen den beiden Auflagen vorhanden ist.

Im Betriebszustand der Abgasturbine, wenn die Hitzeschutzwand gegenüber dem Lagergehäuse eine erheblich höhere Temperatur aufweist, dehnt sich die Hitzeschutzwand thermisch bedingt insbesondere in radialer Richtung. Die beiden Luftspalte werden verringert, wobei insbesondere die innere Auflage 21 der Hitzeschutzwand mit grosser Kraft gegen die entsprechenden Auflagen 41 des kühlen Lagergehäuses gepresst wird. Der Luftspalt zwischen der äusseren Auflage 22 der Hitzeschutzwand und der Auflage 11 des Turbinengehäuses kann in der Regel nur verringert, jedoch nicht ganz geschlossen werden, da sich das Turbinengehäuse der grossen Hitze wegen ebenfalls dehnt. Durch die radial innere Auflage 21 der Hitzeschutzwand, welche an der Auflage 41 des Lagergehäuses anliegt ist eine genaue Zentrierung der Hitzeschutzwand 2 und, dank dem verringerten äusseren Luftspalt, auch des Turbinengehäuses 1 sichergestellt.

Wird für die Hitzeschutzwand ein Material mit einem grösseren Wärmeausdehnungskoeffizienten als dem des Materials des Turbinengehäuses gewählt, dehnt sich die Hitzeschutzwand stärker als das Turbinengehäuse und drückt dieses in radialer Richtung nach aussen. Dadurch verbessert sich die Zentrierung des Turbinengehäuses bezüglich der Hitzeschutzwand zusätzlich.

3 und 4 zeigen eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemässen Abgasturbine. Im radial inneren Bereich ist wiederum eine als umlaufende Kante ausgebildete Auflage 21 angeordnet, welche wiederum auf einer ebenfalls als umlaufenden Kante ausgebildeten Auflage 41 des Lagergehäuses aufliegt. Zusätzlich oder alternativ zur einfachen Auflage 22 im radial aussenliegenden Bereich der Hitzeschutzwand 2, sind Zentrierungsnocken 23 vorgesehen, welche entlang des Umfangs der Hitzeschutzwand verteilt angeordnet sind. Diese greifen in entsprechende Nuten 15 in dem Turbinengehäuse ein, wodurch sich eine radiale Führung des Turbinengehäuses 1 bezüglich der Hitzeschutzwand 2 ergibt. Im stehenden Zustand der Abgasturbine sind insbesondere im Bereich der inneren Auflagen entsprechende Luftspalte vorhanden, was wiederum die einfache Montage der Hitzeschutzwand ermöglicht. Dabei wird die aufgrund der Zentriernocken 23 entsprechend ausgerichtete Hitzeschutzwand 2 in axialer Richtung in das Turbinengehäuse 1 geschoben. Im Betriebszustand dehnt sich wiederum die Hitzeschutzwand in radialer Richtung. Der Luftspalt wird geschlossen und die Auflage 21 der Hitzeschutzwand wird gegen die entsprechende Auflage 41 des Lagergehäuses gepresst und entsprechend zentriert. Im radial äusseren Bereich wird die Zentrierung des Turbinengehäuses 1 durch die in den Nuten 15 geführten Zentrierungsnocken 23 gewährleistet.

Alternativ können die Zentrierungsnocken auf der Seite des Turbinengehäuses angeordnet und die entsprechenden Nuten in die Hitzeschutzwand eingelassen sein. Oder es können sowohl in das Turbinengehäuse wie in die Hitzeschutzwand Nuten eingelassen sein, in die in axialer Richtung Verbindungskeile oder -pfropfen eingeschoben werden.

Diese zweite Ausführungsform eignet sich insbesondere bei sehr hohen Temperaturen des Turbinengehäuses, da dank den radialen gerichteten Nuten und den darin geführten Zentrierungsnocken eine Zentrierung des Turbinengehäuses bezüglich der Hitzeschutzwand unabhängig von der thermisch bedingten Ausdehnung des Turbinengehäuses gewährleistet ist.

Trotz dieser formschlüssigen Verbindung zwischen Turbinengehäuse und Hitzeschutzwand lässt sich die Position des Turbinengehäuses gegenüber dem Lagergehäuse stufenlos einstellen, da zwischen der Hitzeschutzwand und dem Lagergehäuse und somit auch zwischen dem Turbinengehäuse und dem Lagergehäuse keine formschlüssige Verbindung vorhanden ist.

5 und 6 zeigen eine gegenüber der zweiten Ausführungsform leicht abgeänderten dritte Ausführungsform der erfindungsgemässen Abgasturbine. Die Zentrierungsnocken 23 sind im radial inneren Bereich der Hitzeschutzwand vorgesehen. Dabei können die Nocken 23 auf der Hitzeschutzwand angeordnet sein und in entsprechende Nuten 45 im Lagergehäuse eingreifen, oder es können Nocken auf dem Lagergehäuse angeordnet sein, welche in entsprechende Nuten in der Hitzeschutzwand eingreifen. In letzterem Fall können die Nuten als durchgehende Löcher oder nur als oberflächliche Vertiefungen in der Hitzeschutzwand ausgebildet sein. Es ergibt sich eine radiale Führung der Hitzeschutzwand 2 bezüglich des Lagergehäuses 4. Im radial aussenliegenden Bereich steht die Hitzeschutzwand entsprechend der ersten Ausführungsform mit der radial aussenliegenden Auflage 22 an der radial nach innen gerichteten Auflage 11 des Turbinengehäuses an, wobei im stehenden Zustand der Abgasturbine wiederum ein entsprechender Luftspalt vorhanden ist, was die Montage der Hitzeschutzwand ermöglicht. Dabei wird die aufgrund der Zentriernocken entsprechend ausgerichtete Hitzeschutzwand 2 in axialer Richtung auf das Lagergehäuse 4 geschoben. Im Betriebszustand dehnt sich wiederum die Hitzeschutzwand in radialer Richtung. Wie oben beschrieben, verringert sich der Luftspalt im aussenliegenden Bereich und führt somit zur entsprechenden Zentrierung des Turbinengehäuses bezüglich der Hitzeschutzwand. Wiederum kann durch die Wahl eines Materials mit entsprechend grösserem Wärmeausdehnungskoeffizienten die Ausdehnung der Hitzeschutzwand verstärkt werden, um die Zentrierung des Turbinengehäuses bezüglich der Hitzeschutzwand zusätzlich zu verbessern. Dank der temperaturunabhängigen Zentrierung der Hitzeschutzwand bezüglich des Lagergehäuses durch die im inneren Bereich angeordneten Zentrierungsnocken eignet sich diese Ausführungsform insbesondere für den transienten Betrieb oder bei tiefen Gaseintritts-Temperaturen.

Trotz der formschlüssigen Verbindung zwischen Hitzeschutzwand und Lagergehäuse lässt sich die Position des Turbinengehäuses gegenüber dem Lagergehäuse wie schon bei den ersten beiden Ausführungsformen in jedem beliebigen Winkel einstellen, da zwischen der Hitzeschutzwand und dem Turbinengehäuse und somit auch zwischen dem Lagergehäuse und dem Turbinengehäuse keine formschlüssige Verbindung vorhanden ist.

Ein geeignetes Material für die Hitzeschutzwand aller drei Ausführungsformen wäre beispielsweise Ni-Resist, mit einem gegenüber Gusseisen rund 30 Prozent grösseren Wärmeausdehnungskoeffizienten.

Im radial aussenliegenden Bereich der Hitzeschutzwand kann die Auflage zum Turbinengehäuse auch über ein zwischen Hitzeschutzwand und Turbinengehäuse angeordnetes Zwischenstück, insbesondere über Teile des im Anströmkanal angeordneten Düsenrings, erfolgen. Dabei können der Düsenring und die Hitzeschutzwand, oder Teile des Düsenrings und die Hitzeschutzwand einteilig gefertigt sein.