TURBINE MIT DRUCKTEILER

Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Turbine mit einem Laufrad, wobei auf der Rückseite des Laufrads ein Druckteiler angeordnet ist. Die Turbine kann beispielsweise innerhalb eines Abwärmerückgewinnungssystems zur Abwärmenutzung einer Brennkraftmaschine verwendet werden.

Stand der Technik

Turbinen mit einem Gehäuse und einem in dem Gehäuse angeordneten Laufrad sind aus dem Stand der Technik bekannt, beispielsweise aus der Patentschrift EP 1 281 836 Bl. Die bekannte Turbine weist einen Einströmbereich und einen Ausströmbereich auf und wird im Betrieb mit einem Arbeitsmedium durchströmt. Das Arbeitsmedium strömt in den Einströmbereich, entlang einer an dem Laufrad ausgebildeten Vorderseite und anschließend aus dem Ausströmbereich, wobei ein Druckgefälle auf der Vorderseite zwischen dem Einströmbereich und dem Ausströmbereich besteht. Weiterhin weist die bekannte Turbine mindestens zwei Regelventile auf, die von einem Regler gesteuert sind und den Druck auf eine Rückseite des Laufrads regeln. Dadurch kann die auf das Laufrad wirkende resultierende aerodynamische Strömung so geregelt werden, dass die sich daraus ergebende Axialkraft, auch Axialschub genannt, minimiert wird.

Dementsprechend wird ein Axiallager der Welle weniger beansprucht bzw. das Axiallager kann kleiner dimensioniert werden. Weiterhin ist aus der Patentanmeldung DE 10 2014 226 951 eine Turbine mit einem Druckteiler bekannt. Der Druckteiler ist an der Rückseite des Laufrads angeordnet. Der Druckteiler umfasst einen Gleitring, der mit der Rückseite zusammenwirkt und so eine dampfgeschmierte Drossel ausbildet. Ein erster Strömungspfad verläuft durch die Drossel, wobei die Drossel die Rückseite hydraulisch in einen ersten Bereich und einen zweiten Bereich teilt. Der erste Bereich begrenzt den Einströmbereich, und der zweite Bereich begrenzt einen Druckraum. Die beiden Bereiche sind so gestaltet, also durch die Drossel getrennt, dass sie mit unterschiedlichen Drücken beaufschlagt werden können. Im Betrieb der Turbine ist der Einströmbereich mit einem höheren Druck als der Druckraum belastet. Der Gleitring ist axial beweglich bzw. schwimmend gelagert. Ein in einer Nut angeordneter Dichtring wirkt mit dem Gleitring zusammen.

Zwischen der Nut und dem Gleitring verläuft ein zweiter Strömungspfad von dem Einströmbereich zu dem Druckraum. Der zweite Strömungspfad ist von dem Dichtring verschließbar.

Aufgrund des Druckteilers kann die auf das Laufrad wirkende Axialkraft nahezu konstant gehlten werden. Durch die Axialbewegung des Gleitrings ist der Dichtring der bekannten Turbine im Betrieb jedoch sehr stark beansprucht und dadurch erhöhter Verschleißgefahr ausgesetzt. Weiterhin ist die Abdichtfunktion daher nicht über alle Betriebsdrücke robust.

Offenbarung der Erfindung

Die erfindungsgemäße Turbine weist demgegenüber den Vorteil auf, dass die auf den Dichtring wirkenden Beanspruchungen minimiert sind und gleichzeitig die Dichtungsfunktion über sämtliche Betriebsdrücke der Turbine gewährleistet ist. Die Zuverlässigkeit und Lebensdauer der Turbine wird dadurch erhöht. Hinzu kommt, dass der Dichtring als Dämpfungsoptimierungselement für die

Axialdynamik der Turbine wirkt.

Dazu umfasst die erfindungsgemäße Turbine ein Gehäuse, wobei in dem

Gehäuse ein Laufrad angeordnet ist. Die Turbine weist einen Einströmbereich und einen Ausströmbereich auf und wird im Betrieb mit einem Arbeitsmedium durchströmt. Das Arbeitsmedium strömt in den Einströmbereich, entlang einer an dem Laufrad ausgebildeten Vorderseite und anschließend aus dem

Ausströmbereich. Ein Druckgefälle besteht auf der Vorderseite zwischen dem Einströmbereich und dem Ausströmbereich. An der der Vorderseite

gegenüberliegenden Rückseite des Laufrads ist ein Druckteiler angeordnet. Der

Druckteiler umfasst einen Gleitring, der mit der Rückseite des Laufrads zusammenwirkt und so eine dampfgeschmierte Drossel ausbildet. Ein erster Strömungspfad verläuft durch die Drossel, wobei die Drossel die Rückseite in einen ersten Bereich und einen zweiten Bereich aufteilt. Der erste Bereich begrenzt den Einströmbereich, und der zweite Bereich begrenzt einen

Druckraum. Im Betrieb ist der Einströmbereich mit einem höheren Druck belastet als der Druckraum. Der Gleitring ist axial beweglich. Ein in einer Nut

angeordneter Dichtring wirkt mit dem Gleitring zusammen. Zwischen der Nut und dem Gleitring verläuft ein zweiter Strömungspfad von dem Einströmbereich zu dem Druckraum. Der zweite Strömungspfad ist von dem Dichtring verschließbar.

Der Dichtring ist in der Nut definiert bewegbar.

Bewegt sich nun das Laufrad aufgrund schwankender Betriebsdrücke, so kann der Gleitring der Laufrad bewegung folgen, da die Nut den Dichtring definiert führt und so die Bewegung des Gleitrings durch den Dichtring nicht blockiert wird. Bei vergleichsweise niedrigen Drücken im Einströmbereich, bzw. niedrigen

Betriebsdrücken soll die axiale Bewegung des Gleitrings ein Rollen des

Dichtringes zur Folge haben. Dazu müssen die Reibkraft und damit auch die Pressung auf den Dichtring groß genug sein, um ein Rutschen des Dichtrings in der Nut zu vermeiden. Demgegenüber soll bei hohen Betriebsdrücken die axiale

Bewegung des Gleitrings ein Rutschen bzw. Gleiten des Dichtringes zur Folge haben. Dazu müssen dann die Reibkraft und damit auch die Pressung auf den Dichtring vergleichsweise klein sein, um eben dieses Rutschen zu ermöglichen. Durch die definierte Führung des Dichtrings in der Nut werden ein Rutschen bei hohen Drücken und ein Rollen bei niedrigen Drücken gewährleistet, da die definierte Führung eine Reduzierung der Kontaktkraft zwischen Gleitring und Dichtring mit zunehmendem Einströmdruck zur Folge hat. Die Nut ist dazu vorzugsweise konkav ausgeführt. Die Dichtfunktionalität ist dabei jedoch immer gewährleistet, sofern gefordert. Der Verschleiß des Dichtrings ist minimiert, da eben nicht über die gesamte Lebensdauer der maximale Kontaktdruck am Dichtring anliegt.

In vorteilhaften Weiterbildungen ist der Druckraum hydraulisch mit dem

Ausströmbereich verbunden. Dadurch ist zumindest ein Teil der Rückseite des Laufrads, nämlich der zweite Bereich, mit dem Druckniveau des

Ausströmbereichs, mit dem Ausströmdruck, beaufschlagt bzw. mit einem

Druckniveau, welches vom Ausströmdruck gesteuert ist. Dadurch, dass auch die Druckbelastung auf der Vorderseite des Laufrads vom Ausströmdruck abhängt, werden die Druckbelastungen auf Vorder- und Rückseite des Laufrads in ähnlicher Weise verändert, wenn die Turbine in unterschiedlichen

Betriebspunkten betrieben wird. Die auf das Laufrad wirkende resultierende Axialkraft kann so auf einem konstant niedrigen Niveau gehalten werden.

Vorzugsweise wird das Niveau der Axialkraft jedoch so eingestellt, dass es bei den unterschiedlichen Betriebspunkten nicht zu einer Richtungsänderung der Axialkraft kommt, da die Axialkraft so nur in einer Richtung aufgenommen werden muss.

In vorteilhaften Ausgestaltungen ist die Nut J-förmig ausgestaltet. Vorzugsweise weist die Nut in dem runden Bereich der J-Form einen Verjüngungsbereich auf. Dadurch kann der Dichtring sehr gut innerhalb der J-Form geführt werden. Der Abstand des Mittelpunkts der Schnurstärke des Dichtrings zum Gleitring kann so variiert werden und dadurch der Kontaktdruck vom Dichtring zum Gleitring gesteuert werden.

In vorteilhaften Weiterbildungen ist dabei der Verjüngungsbereich so gestaltet, dass eine innere Dichtkraft F, zwischen dem Dichtring und dem Gleitring, also die Kontaktkraft bzw. der entsprechende Kontaktdruck, beim Einschieben des Dichtrings in den Verjüngungsbereich reduziert wird. Das Einschieben des Dichtrings in den Verjüngungsbereich erfolgt aufgrund einer Druckerhöhung im Einströmbereich. Laufrad und Gleitring bewegen sich also in die gleiche Richtung wie der Dichtring. Durch den höheren Einströmdruck wird der Dichtring auch gestaucht. Gleichzeitig wird der Kontakt zwischen Dichtring und Gleitring beim Einschieben jedoch entlastet, so dass die innere Dichtkraft F, reduziert wird. Damit wird auch die Reibkraft reduziert, und es erfolgt ein Rutschen des

Dichtrings gegenüber dem Gleitring.

Vorteilhafterweise weist der Verjüngungsbereich einen Rampenbereich zum Einschieben des Dichtrings in den Verjüngungsbereich auf. Dadurch wird das

Einschieben bzw. Hineinrutschen erleichtert und gleichzeitig der Kontakt zwischen Dichtring und Gleitring entlastet. Vorzugsweise ist der Rampenbereich an seinem Ende verrundet, um den Dichtring während des Einschiebens in den Verjüngungsbereich nicht zu beschädigen.

In vorteilhaften Weiterbildungen ist an dem Rampenbereich eine Linearrampe zum Führen des Dichtrings ausgebildet. Die Linearrampe ist dabei vorzugsweise gegenüber dem Gleitring um 30° bis 40° geneigt. Dies ist eine optimierte

Ausgestaltung, um die Kontaktpressung zwischen Dichtring und Gleitring mit zunehmendem Einströmdruck zu verringern. In vorteilhaften Weiterbildungen wird der Dichtring dabei soweit vom Gleitring abgehoben, dass die

Dichtfunktionalität aufgehoben und der zweite Strömungspfad geöffnet wird. Dann kann der Druck des Einströmbereichs abgesenkt werden; der Dichtring erfüllt in dieser Ausführung dann auch die Funktion eines Überdruckventils.

In einer vorteilhaften Ausführung ist die Nut in dem Gehäuse ausgebildet.

Dadurch werden Bauteile eingespart, und die Turbine ist somit kostengünstiger ausgeführt. In einer alternativen vorteilhaften Ausführung ist die Nut in einem Spannring ausgebildet, wobei der Spannring fest mit dem Gehäuse verbunden ist, beispielsweise in dieses eingepresst ist. Dadurch können die Maße und

Toleranzen der Nut enger gehalten werden. Die Funktionalität der Nut zum Führen des Dichtrings kann so robuster gehalten werden.

In vorteilhaften Ausgestaltungen ist der Gleitring von einer Gleitringfeder gegen die Rückseite des Laufrads gespannt. Dadurch ergibt sich im Betrieb der Turbine aufgrund der Fliehkräfte und der hydrodynamischen Ausbildung des Dampfspalts im Druckteiler ein sehr enger Drosselspalt zwischen Rückseite und Gleitring. Der Druckteiler ist damit sehr wirkungsvoll, so dass auch hohe Druckunterschiede zwischen dem Einströmbereich und dem Druckraum realisiert bzw. gehalten werden können.

In vorteilhaften Ausführungen ist die Turbine als Radialturbine ausgeführt.

Dadurch kann die Rückseite des Laufrads durch vergleichsweise einfache konstruktive Ausführungen mit den durch den Druckteiler eingestellten Drücken belastet werden, während die Hauptströmungsrichtung des Arbeitsmediums auf der Vorderseite des Laufrads verläuft.

In bevorzugten Ausführungen ist die erfindungsgemäße als Expansionsmaschine ausgeführte Turbine in einem Abwärmerückgewinnungssystem insbesondere einer Brennkraftmaschine angeordnet. Das Abwärmerückgewinnungssystem umfasst in Flussrichtung des Arbeitsmediums eine Speisefluidpumpe, einen Verdampfer, die Turbine und einen Kondensator. Das

Abwärmerückgewinnungssystem wird vorzugsweise nicht bei einem einzigen Betriebspunkt, sondern bei sehr unterschiedlichen Betriebspunkten betrieben, da auch die Brennkraftmaschine bei unterschiedlichen Betriebspunkten betrieben wird. Somit treten auch unterschiedliche Drücke im Einströmbereich der Turbine auf, woraufhin das Laufrad axiale Bewegungen ausführt. Demzufolge muss auch der Gleitring die axialen Bewegungen mitgehen können, um die Funktionalität des Druckteilers über alle Betriebspunkte robust zu halten. Die

erfindungsgemäße Ausgestaltung des Dichtrings erlaubt dem Gleitring der Laufradbewegung möglichst reibungs- und verschleißfrei dynamisch zu folgen, ohne dabei seine Dichtwirkung zu verlieren. Dadurch ist es für den

Gesamtwirkungsgrad und die Lebensdauer des

Abwärmerückgewinnungssystems sehr günstig, wenn auch die Turbine bei den unterschiedlichen Betriebsbedingungen dynamisch stabil laufen kann. Die erfindungsgemäße Turbine ist demzufolge hierfür besonders gut geeignet.

Zeichnungen

Fig.l zeigt schematisch eine Turbine im Längsschnitt, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt ist, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind. Fig.2 zeigt einen Ausschnitt der Turbine im Bereich eines Dichtrings im Schnitt. Fig.3 zeigt den Ausschnitt III der Fig.2.

Fig.4 zeigt eine erfindungsgemäße Ausgestaltung der Turbine im Bereich des Dichtrings im Schnitt.

Fig.5 zeigt eine detaillierte Ausgestaltung einer Nut zur Aufnahme des Dichtrings im Schnitt.

Beschreibung

Fig.l zeigt schematisch die Einbaukonstruktion einer Turbine 20 im Längsschnitt, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt ist, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind. Die Turbine 20 ist als Radialturbine ausgebildet, mit einer radialen Einströmrichtung 21a des Arbeitsmediums in einem

Einströmbereich 21 und mit einer axialen Ausströmrichtung 22a des

Arbeitsmediums in einem Ausströmbereich 22. Die Turbine 20 dieses

Ausführungsbeispiels kann durch Umkehrung der Strömungsrichtungen 21a, 22a auch als Pumpe betrieben werden.

Die Turbine 20 umfasst ein Gehäuse 26 und im Gehäuse 26 ein auf einer Welle 24 angeordnetes Laufrad 23, den Einströmbereich 21, den Ausströmbereich 22, einen Druckteiler 9, einen Druckraum 11 und einen Wellendichtring 25. Der Druckteiler 9 ist dabei als Gleitring 31 ausgebildet, der mit einer Rückseite 23b des Laufrads 23 zusammenwirkt.

Der Einströmbereich 21 weist einen Einströmdruck P21 auf, der Ausströmbereich 22 einen Ausströmdruck P22. Das Arbeitsmedium strömt entlang einer

Vorderseite 23a des Laufrads 23 vom Einströmbereich 21 zum Ausströmbereich 22 und wird dabei entspannt, so dass ein Druckgefälle zwischen dem

Einströmdruck P21 und dem Ausströmdruck P22 entsteht. Auf der der Vorderseite 23a gegenüberliegenden Rückseite 23b des Laufrads 23 ist zwischen dem Gehäuse 26 und dem Laufrad 23 der Druckraum 11

ausgebildet, welcher unter dem Kompensationsdruck pn steht. Bezüglich des Laufrads 23 wirkt der Kompensationsdruck pn den axialen Komponenten des Einströmdrucks P21 und des Ausström drucks P22 auf der Vorderseite 23a entgegen.

Der am Gehäuse 26 angeordnete Wellendichtring 25 weist zwei Dichtlippen 25a und 25b auf, so dass der Druckraum 11 gegenüber einem Umgebungsraum 50 in beiden Richtungen gut abgedichtet werden kann. Dazu wirkt der Wellendichtring

25 mit beiden Dichtlippen 25a, 25b mit der Welle 24 zusammen und dichtet dadurch den Druckraum 11 unter Kompensationsdruck pn gegen den

Umgebungsraum 50 unter Umgebungsdruck pso ab. Zwischen dem Gehäuse 26 und dem Laufrad 23 bzw. der Rückseite 23b ist der

Druckteiler 9 als Drossel bzw. als dampfgeschmierte Drossel ausgebildet, mit einem Spalt zwischen dem Gleitring 31 und der Rückseite 23b. Auf der Rückseite 23b des Laufrads 23 ist ein Absatz 23c angeordnet. An dem Absatz 23c ist stirnseitig in Richtung des Gehäuses 26 eine Gleitfläche 23d angeordnet. In dem Gehäuse 26 ist gegenüberliegend der Gleitfläche 23d eine Aufnahmenut 26b ausgebildet. Zumindest teilweise innerhalb der Aufnahmenut 26b ist der Gleitring 31 angeordnet. Eine am Gleitring 31 ausgebildete Stirnfläche 31a wirkt mit der Gleitfläche 23d vorzugsweise in axialer Richtung des Laufrads 23 zur Ausbildung der Drossel bzw. des Dampfspalts zusammen. Eine in der Aufnahmenut 26b angeordnete Gleitringfeder 32 spannt den Gleitring 31 gegen das Laufrad 23.

Radial zwischen Gleitring 31 und Gehäuse 26 ist ein Dichtring 33 angeordnet, der den Gleitring 31 zum Gehäuse 26 abdichtet.

Der Druckteiler 9 verbindet den Druckraum 11 hydraulisch mit dem

Einströmbereich 21 über einen ersten Strömungspfad, welcher durch die Drossel verläuft. Der Druckteiler 9 ist dabei nicht am äußersten Umfang des Laufrads 23 angeordnet, sondern zwischen dem äußersten Umfang und dem Durchmesser der Welle 24, so dass auf der Rückseite 23b ein erster Bereich 231 mit dem Einströmdruck P21 des Einströmbereichs 21 beaufschlagt ist und ein zweiter Bereich 232 mit dem niedrigeren Druck des Druckraums 11, nämlich mit dem Kompensationsdruck pn. Der Dichtring 33 blockiert einen zweiten

Strömungspfad vom Einströmbereich 21 zum Druckraum 11.

In der Welle 24 ist in axialer Richtung eine Sacklochbohrung 24a ausgebildet. Weiterhin sind in der Welle 24 ausgebildet: radial zur Sacklochbohrung 24a eine Verbindungsbohrung 24b und auf der Oberfläche der Welle 24 eine Nut 24c. Im Laufrad 23 ist ein Auslasskanal 13 ausgebildet, welcher die Nut 24c hydraulisch mit dem Druckraum 11 verbindet.

Die Sacklochbohrung 24a mündet weiterhin in den Ausströmbereich 22. Dadurch ist eine hydraulische Verbindung in Flussrichtung des Arbeitsmediums vom Druckraum 11 über den Auslasskanal 13, die Nut 24c, die Verbindungsbohrung 24b und die Sacklochbohrung 24a zum Ausströmbereich 22 realisiert. Im

Ausführungsbeispiel der Fig.l haben der Auslasskanal 13, die

Verbindungsbohrung 24b und die Sacklochbohrung 24a keine drosselnde Funktion; damit weist der Druckraum 11 das gleiche Druckniveau auf wie der Ausströmbereich 22: pn = P22.

Somit zeigen sich folgende Druckverhältnisse:

Der Druckverlauf auf der Vorderseite 23a des Laufrads 23 zeigt einen stetigen Abfall des Drucks vom Einströmdruck P21 zum Ausströmdruck P22 mit

abnehmendem Radius r.

Der Druckverlauf auf der Rückseite 23b zeigt den konstanten Einströmdruck P21 am ersten Bereich 231, einen stetigen Abfall des Drucks über dem Druckteiler 9 vom Einströmdruck P21 zum Kompensationsdruck pn, einen konstanten

Kompensationsdruck pn am zweiten Bereich 232 und einen Drucksprung am Wellendichtring 25 vom Kompensationsdruck pn zum Umgebungsdruck pso. Der Druckteiler 9 ist demzufolge als dampfgeschmierte Drossel zwischen dem Einströmbereich 21 und dem Druckraum 11 ausgebildet. Je nach Ausführung der Turbine 20 und je nach Betriebspunkt, in dem sie betrieben wird, kann der Kompensationsdruck pn kleiner, aber auch gleich groß oder größer als der Umgebungsdruck pso sein. Im vorliegenden Fall ist der Kompensationsdruck pn weiterhin gleich dem Ausströmdruck P22. Die dampfgeschmierte Drossel kann auch als Drossel mit einem äußerst geringen Strömungsquerschnitt betrachtet werden. Die Funktion des

dampfgeschmierten Druckteilers ist damit im Wesentlichen die Sicherstellung einer berührungslosen, definierten möglichst kleinen Drosselstelle im Betrieb, um mit dieser eine Druckteilfunktion sicherzustellen.

Bei niedrigen Rotationsgeschwindigkeiten des Laufrads 23 kommt der Gleitring 31 mit seiner Stirnfläche 31a durch die Federkraft der Gleitringfeder 32 in Anlage zur Gleitfläche 23d des Laufrads 23. Die hydraulische Verbindung vom

Einströmbereich 21 zum Druckraum 11 ist getrennt. Bei hohen

Rotationsgeschwindigkeiten des Laufrads 23 bildet sich ein Gleitfilm bzw. ein Dampfpolster des Arbeitsmediums zwischen der Gleitfläche 23d und der Stirnfläche 31a aus, so dass die beiden Flächen voneinander abheben und dadurch eine Drosselstelle gebildet wird, wobei aufgrund des Dampfpolsters nur eine sehr geringe Leckage vom Einströmbereich 21 in den Druckraum 11 stattfindet.

Die Funktionsweise der bekannten Turbine 20 ist wie folgt: Im Betrieb der Turbine 20 gibt es ein Druckgefälle auf der Vorderseite 23a des

Laufrads 23. Wird die Turbine 20 als Radialturbine betrieben, so fällt der Druck vom radial außenliegenden Einströmbereich 21 zum radial innenliegenden Ausströmbereich 22 von Einströmdruck P21 zu Ausströmdruck P22. Wird die Turbine 20 als Pumpe betrieben so kehrt sich die Strömungsrichtung des Arbeitsmediums um und entsprechend sind auch die beiden Bereiche

Einströmbereich 21 und Ausströmbereich 22 entgegengesetzt angeordnet; dennoch gibt es auch für diese Ausführungen ein Druckgefälle auf der

Vorderseite 23a. Das Druckgefälle auf der Vorderseite 23a erzeugt eine Axialkraft auf das Laufrad

23, also im Falle einer Radialturbine eine Kraft entgegen orientiert zur

Ausströmrichtung 22a. Erfindungsgemäß wird der Druck auf der Rückseite 23b des Laufrads 23 nun mit Hilfe des Druckteilers 9 so gestaltet, dass dieser Druck in etwa eine zu der auf die Vorderseite 23a wirkenden Axialkraft gleich große Gegenkraft erzeugt, so dass die auf das Laufrad 23 wirkende resultierende hydraulische Kraft in axialer Richtung etwa Null ist. Demzufolge können einfache und damit kostengünstige und bauraumsparende Axiallager für das Laufrad 23 bzw. die Welle 24 eingesetzt werden. Vorteilhafterweise ist der Druck auf der Rückseite 23b so gestaltet, dass eine möglichst geringe resultierende

hydraulische Kraft über alle Betriebszustände in einer festen Richtung anliegt, so dass das entsprechende Axiallager auch nur Kräfte in einer Richtung aufnehmen muss.

Der auf der Rückseite 23b anliegende Druck ist dazu aufgeteilt in den ersten Bereich 231 mit Einströmdruck P21 und den zweiten Bereich 232, der

Kompensationsdruck pn bzw. in der Ausführung der Fig.l Ausströmdruck P22 aufweist.

Wird die Turbine 20 in Betrieb genommen, baut sich zwischen Laufrad 23 und Gleitring 31 ein lokaler Gas-/Dampfdruck im Druckteiler 9 auf, dessen

resultierende Kraft ein Aufschwimmen des Gleitringes 31 bewirkt. Im Betrieb der Turbine 20 führt der schwimmend gelagerte Gleitring 31 daher axiale

Bewegungen aus, so dass auch der Dichtring 33 entsprechend beansprucht wird. Erfindungsgemäß ist der Dichtring 33 dabei so angeordnet und geführt, dass sein Verschleißverhalten minimiert ist und auch die Schwingungsdynamik von

Gleitring 31 und Laufrad 23 stabil bleibt. Dazu zeigt Fig.2 einen entsprechenden Ausschnitt der Turbine 20 im Bereich des Dichtrings 33 im Schnitt.

In der Ausführung der Fig.2 weist die Turbine 20 einen Spannring 40 auf, welcher fest mit dem Gehäuse 26 verbunden ist, beispielsweise in dieses eingepresst ist. Der Dichtring 33 ist in einer Nut 41 des Spannrings 40

angeordnet und wirkt daher mit dem Spannring 40 und dem Gleitring 31 zusammen. Der Gleitring 31 wird von der Gleitringfeder 32 gegen das Laufrad 23 vorgespannt, jedoch nicht abdichtend, sondern so, dass im Betrieb der Turbine 20 zwischen dem Gleitring 31 und der Rückseite 23b des Laufrads 23 der Druckteiler 9 in Form eines hydrodynamischen Spalts bzw. einer Drossel ausgebildet ist. In vorteilhaften Ausführungen ist an dem Spannring 40 ein Anschlagring 49 angeordnet, welcher eine maximale axiale Verschiebung des Gleitrings 31 begrenzt, also quasi ein Axiallager des Gleitrings 31 darstellt.

Der vorzugsweise aus Elastomer-Material bestehende Dichtring 33 hat zwischen dem Gleitring 31 und dem Spannring 40 eine Dicht- und Dämpfungsfunktion für die axiale Bewegung des Gleitrings 31. Die Pressung des Dichtrings 33 muss dazu ausreichend groß sein, um einerseits die Dichtfunktion zu ermöglichen, andererseits darf die Pressung jedoch auch nicht zu hoch sein, um auch die erforderliche axiale Bewegung des Gleitrings 31 nicht zu behindern.

Fig.3 zeigt den Ausschnitt III der Fig.2. In Fig.3 sind die Strömungsverhältnisse im Bereich des Gleitrings 31 skizziert. Der erste Strömungspfad 51 verläuft vom Einströmbereich 21 über den Druckteiler 9 bzw. durch die Drossel in den

Druckraum 11, und der zweite Strömungspfad 52 verläuft vom Einströmbereich 21 bis zum Dichtring 33, welcher den zweiten Strömungspfad 52 zum Druckraum 11 abdichtet. Würde der zweite Strömungspfad 52 nicht abgedichtet, so würde er auch weiter bis in den Druckraum 11 verlaufen.

Der Dichtring 33 ist somit auf seiner einen Seite mit dem Einströmdruck P21 des Einströmbereichs 21 beaufschlagt, und auf seiner anderen Seite mit dem

Kompensationsdruck pn des Druckraums 11. Bei Druckänderungen, speziell im Einströmbereich 21, ergibt sich nun eine axiale Bewegung des Gleitrings 31, wie mit dem Pfeil 60 prinzipiell dargestellt. Ist diese axiale Bewegung des Gleitrings 31 durch Rollen des Dichtrings 33 nicht möglich, da der Dichtring 33 einseitig durch Druckaufbau im zweiten Strömungspfad 52 in die Nut 41 gedrückt wird, findet eine Gleitbewegung zwischen dem Dichtring 33 und dem Gleitring 31 statt. Die für die Gleitbewegung erforderliche Kraft ist dabei abhängig vom Reibwert zwischen den beiden Reibpartnern Dichtring 33 und Gleitring 31 und der entsprechenden Normalkraft bzw. Kontaktkraft, also abhängig von der Haftkraft bzw. Reibkraft zwischen den Reibpartnern. Je größer der Druck, mit dem der Dichtring 33 in der Nut 41 verpresst wird, umso größer ist die Normalkraft und damit auch die Haftkraft bzw. Reibkraft. Im Betrieb werden zwei Bewegungsarten des Dichtrings 33 unterschieden, wobei diese beiden Bewegungsarten zu einer bestmöglichen Dichtfunktion des

Dichtrings 33 bei minimalem Verschleiß führen, wobei dazu eine Ausführung der Nut 41 wie beispielsweise nach Fig.4 erforderlich ist:

Wenn die axiale Bewegung des Gleitrings 31 ein Rollen des Dichtringes 33 zur Folge haben soll, dann muss die Reibkraft und damit auch die Pressung auf den Dichtring 33 groß genug sein, um ein Rutschen des Dichtrings 33 in der Nut 41 zu vermeiden. Dies ist der Fall, wenn der Einströmdruck P21 vergleichsweise gering ist.

Wenn die axiale Bewegung des Gleitrings 31 ein Rutschen bzw. Gleiten des Dichtringes 33 zur Folge haben soll, dann müssen die Reibkraft und damit auch die Pressung auf den Dichtring vergleichsweise klein sein, um ein Rutschen zu ermöglichen. Dies ist der Fall, wenn der Einströmdruck P21 vergleichsweise hoch ist.

Fig.4 zeigt die erfindungsgemäße Ausgestaltung der J-förmigen, konkaven Nut 41 des Spannrings 40 im Schnitt, wobei die Nut 41 alternativ auch in dem

Gehäuse 26 ausgebildet sein könnte. Über seinen Umfang ist der Dichtring 33 mit Drücken aus drei Räumen beaufschlagt:

Ein erster Raum 71 ist zwischen Nut 41, Dichtring 33 und Gleitring 31 zum Einströmbereich 21 hin ausgebildet und dementsprechend mit dem

Einströmdruck P21 beaufschlagt.

Ein zweiter Raum 72 ist zwischen Dichtring 31, Spannring 40 und Gleitring 31 zum Druckraum 11 hin ausgebildet und dementsprechend mit dem

Kompensationsdruck pn beaufschlagt.

Ein dritter Raum 73 stellt eine Art Totvolumen dar und ist zwischen Spannring 40 und Dichtring 33 ausgebildet. Dieser dritte Raum 73 entsteht dann, wenn der Einströmdruck P21 so hoch ist, dass der Dichtring 33 daraufhin in einen Verjüngungsbereich 42 der Nut 41 geschoben wird. Ist der dritte Raum 73 hydraulisch vom Druckraum 11 getrennt, so herrscht in ihm ein Staudruck P73, andernfalls herrscht in ihm der Kompensationsdruck pn des Druckraums 11. Fig.4 zeigt weiterhin die Reaktionskräfte des Dichtrings 33 zu seinen

Kontaktpartnern bei vergleichsweise hohem Einströmdruck P21, wenn der Dichtring 33 zumindest teilweise in den Verjüngungsbereich 42 gepresst ist: - Eine innere Dichtkraft F, 81 wirkt zwischen dem Dichtring 33 und dem

Gleitring 31.

Eine äußere Dichtkraft F _a 82 wirkt zwischen dem Dichtring 33 und dem Spannring 40.

Eine weitere Dichtkraft F _p 83 wirkt zwischen dem Dichtring 33 und dem Verjüngungsbereich 42.

Um den Spannring 40 zum Gleitring 31 abzudichten, bzw. um den zweiten Strömungspfad 52 endseitig zu verschließen, müssen die innere Dichtkraft F, 81 und die äußere Dichtkraft F _a 82 ausreichend groß sein, so dass der Dichtring 33 die abdichtende Funktion erfüllen kann.

Im konkaven Verjüngungsbereich 42 der Nut 41 ist ein Rampenbereich 43 ausgebildet. Der Rampenbereich 43 ist nasenförmig zum Gleitring 31 gerichtet gestaltet, so dass bei einem Einschieben des Dichtrings 33 in den

Verjüngungsbereich 42 der Dichtring 33 über den Rampenbereich 43 vom Gleitring 31 abgehoben bzw. entlastet wird. Dadurch reduziert sich die innere Dichtkraft F, 81 zum Gleitring 31 und es erhöht sich die äußere Dichtkraft F _a 82 zum Spannring 40. Weiterhin erhöht sich mit zunehmendem Einschieben des Dichtrings 33 in den Verjüngungsbereich 42 auch die weitere Dichtkraft F _p 83. Mit der Reduzierung der innere Dichtkraft F, 81 geht die Relativbewegung zwischen Dichtring 33 und Gleitring 31 vom Rollen ins Rutschen über.

Eine Erhöhung des Einströmdrucks P21 im ersten Raum 71 hat zur Folge, dass der Dichtring 33 in Richtung des Verjüngungsbereichs 42 gerollt bzw. geschoben wird, aber auch dass er gestaucht wird, also sein Durchmesser 85 in der

Bewegungsrichtung 60 verringert wird. Dadurch wiederum ergäbe sich eine freie

Dehnung senkrecht zu dieser Richtung, so dass im verspannten Zustand die innere Dichtkraft F, 81 und die äußere Dichtkraft F _a 82 erhöht würden. Durch die erfindungsgemäße Gestaltung der Nut 41 wird mit dem Einschieben des Dichtrings 33 in den Verjüngungsbereich 42 die innere Dichtkraft F, 81 jedoch wieder verringert, weil sich der Mittelpunkt M des Querschnitts des Dichtrings 33 dadurch von dem Gleitring 31 entfernt. So kann in allen

Betriebszuständen der Turbine 20 der Gleitring 31 der Bewegung des Laufrads 23 folgen, ohne dass er von der Reibkraft zum Dichtring 33 zurückgehalten wird. Ganz im Gegenteil: mit zunehmendem Einrollen in Richtung des

Verjüngungsbereichs 42 wird die innere innere Dichtkraft F, 81 reduziert, so dass der Bewegungszustand des Dichtrings 33 ins Rutschen übergehen kann. Die damit einhergehende Erhöhung der äußeren Dichtkraft F _a 82 hat auf die Effizienz und das Verschleißverhalten einen sehr geringen, zu vernachlässigenden Einfluss.

Mit dem Einschieben des Dichtrings 33 in den Verjüngungsbereich 42, exakter mit dem Aufbau der weiteren Dichtkraft F _p 83 bzw. mit dem Kontakt zwischen Dichtring 33 und Rampenbereich 43, trennt sich der dritte Raum 73 vom zweiten Raum 72, und es baut sich der Staudruck P73 auf, der mit zunehmendem

Einschieben immer größer wird. Nimmt im Folgenden der Einströmdruck P21 ab, so wird der Dichtring 33 aufgrund des Staudrucks P73 aus dem

Verjüngungsbereich 42 geschoben, es erfolgt quasi eine automatische

Rückstellung des Dichtrings 33.

Durch die Ausgestaltung der Nut 41 wie in der Ausführung der Fig.4

beschrieben, ergeben sich damit folgende Vorteile für die Turbine 20:

Bei geringem Einströmdruck P21 rollt der Dichtring 33 in der Nut 41 zwischen Spannring 40 und Gleitring 31.

Eine ausreichend minimale Pressung für die Abdichtfunktion zwischen Dichtring 33 und Gleitring 31 wird immer gehalten, sofern der Dichtring 33 nicht auch über die Funktionalität eines Überdruckventils verfügt.

Die Pressung zwischen Dichtring 33 und Gleitring 31 steigt andererseits nie so weit an, dass sie die Bewegung des Gleitrings 33 behindert. Dadurch weist der Druckteiler 9 eine konstante Drosselfunktion auf, da der Gleitring 31 der Laufrad bewegung folgen kann. Die Deformation des Dichtrings 33 ist minimiert, so dass sich ein nahezu symmetrischer Spannungszustand einstellt, was wiederum für die

Abdichtfunktion und Lebensdauer sehr vorteilhaft ist.

Aufgrund des Druckpolsters durch den Staudruck P73 erfolgt die

Rückbewegung des Dichtrings 33 aus der Nut 41 heraus druckunterstützt und damit sehr effizient und verschleißarm.

Fig.5 zeigt eine detaillierte Ausgestaltung der Nut 41 im Querschnitt in einer bevorzugten Ausführungsform. In dieser Ausführung ist der Dichtring 33 komplett in den Verjüngungsbereich 42 geschoben, so dass das Volumen des dritten Raums 73 nahezu auf null reduziert ist; vorzugsweise ist jedoch ein Restvolumen des dritten Raums 73 mit einem vergleichsweise hohen Staudruck P73

vorhanden. Der Dichtring 33 dichtet in dieser Stellung nicht mehr den zweiten Raum 72 gegenüber dem ersten Raum 71 ab, da der Dichtring 33 keinen Kontakt mehr zum Spannring 31 hat. Die Darstellung des Dichtrings 33 in der Fig.5 ist lediglich schematisch, der Dichtring 33 ist übertrieben komprimiert dargestellt.

In der dargestellten Position des Dichtrings 33 kann bei sehr hohem

Einströmdruck P21 im ersten Raum 71, und somit auch im Einströmbereich 21, der Einströmdruck P21 reduziert werden, indem der zweite Strömungspfad 52 freigegeben wird. Nimmt dann in Folge der Leckage durch den zweiten

Strömungspfad 52 der Einströmdruck P21 im ersten Raum 71 ab, kommt der Dichtring 33 - vorzugsweise aufgrund der hydraulischen Kraft durch den

Staudruck P73 - wieder aus dem Verjüngungsbereich 42 heraus und dichtet wieder zum Gleitring 31 hin ab. Dieser Vorgang ist also reversibel, so dass der Dichtring 33 die zusätzliche Funktion eines Überdruckventils aufweist.

Aufgrund der günstigen Ausgestaltung der Nut 41 wird beim Eindrücken des Dichtrings 33 in den Verjüngungsbereich 42 nur eine relativ geringe Deformation des Dichtrings 33 erzeugt. Die Wiederabdichtung des zweiten Strömungspfads 52 bzw. das Herausgleiten des Dichtrings 33 aus dem Verjüngungsbereich 42 erfolgt dadurch vergleichsweise ungehindert, so dass die Bewegungen des Dichtrings 33 sehr robust wiederholbar sind. Fig.5 zeigt weiterhin besonders vorteilhafte Geometrien der J-förmigen Nut 41 für eine Turbine 20 mit einem Einströmdruck P21 von bis zu 40 bar und einem Kompensationsdruck pn von etwa 1 bar. Der Gleitring 31 weist dabei einen Außendurchmesser D31 90 von etwa 42 mm auf, und die Nut 41 weist einen Durchmesser D41 91 von etwa 45,5 mm auf. Dadurch ergibt sich ein

Ringdurchmesser des Dichtrings 33 - also ein Durchmesser seines Querschnitts bzw. die Schnurstärke - von mehr als 1,75 mm, da der Dichtring 33 mit Übermaß zwischen der Nut 41 und dem Gleitring 31 verpresst sein muss, um die

Dichtfunktion zu erfüllen.

Der Verjüngungsbereich 42 erstreckt sich über eine Höhe h ₄ 2 93 von etwa 1,7 mm, so dass sich bei geöffnetem zweiten Strömungspfad 52 ein Ringspalt mit einer Spalthöhe von etwa 0,05 mm einstellt. Auf der dem Verjüngungsbereich 41 gegenüberliegenden Seite weist die Nut 41 eine geringere Höhe h ₄ i 92 von etwa 1,25 mm auf. Die Nut 41 weist insgesamt eine Breite b ₄ i 94 von etwa 3 mm auf, wobei der Verjüngungsbereich 42 eine Breite b ₄ 2 95 von etwa 0,7 mm hat.

Die Innenkontur des Verjüngungsbereichs 42 ist so gestaltet, dass das

Einschieben des Dichtrings 33 optimiert ist: Im Rampenbereich 43 weist die Innenkontur eine Linearrampe 44 auf, also einen geraden Konturabschnitt, so dass der Dichtring 33 entlang dieser Fläche in Richtung des dritten Raums 73 geschoben werden kann ohne dabei zu hohe Kräfte aufbringen zu müssen.

Daran anschließend weist die Innenkontur einen Kreisbereich 45, also einen kreisförmigen Konturabschnitt, auf, an den sich der Dichtring 33 im Extremfall anschmiegen kann, wobei der Kreisbereich 45 vorzugsweise einen geringeren Durchmesser aufweist als der Dichtring 33 selbst, so dass der dritte Raum 73 ausgebildet werden kann.

Der Rampenbereich 43 ist idealerweise mit einem Radius 46 versehen, beispielsweise 0,1 mm, um beim Einschieben des Dichtrings 33 in den

Verjüngungsbereich 42 den Dichtring 33 nicht zu beschädigen. Vorzugsweise steigt der Rampenbereich 43 bzw. die Linearrampe 44 mit einem Winkel 96 von 30° bis 40° an, was eine optimierte Reduzierung der inneren Dichtkraft F, 81 bei steigendem Einströmdruck P21 gewährleistet. Bei Kontaktfindung des Dichtrings 33 mit dem Verjüngungsbereich 42 rollt der Dichtring 33 an die schiefe Ebene der Linearrampe 44. Die Linearrampe 44 dient als Rampe und ermöglicht eine gerichtete Deformation des Dichtrings 33. Der Radius 46 des Rampenbereichs 43 ist gezielt kleiner als der Dichtringradius - bzw. als die halbe Schnurstärke - und ermöglicht eine Verschiebung des

Dichtrings 33 in den Verjüngungsbereich 42 hinein mit einem Druckaufbau an der Rückseite des Dichtrings 33, also mit dem Aufbau des Staudrucks P73 im dritten Raum 73.

Bevorzugt ist die erfindungsgemäße Turbine 20 in einem

Abwärmerückgewinnungssystem einer Brennkraftmaschine angeordnet. Das Abwärmerückgewinnungssystem weist einen ein Arbeitsmedium führenden Kreislauf auf, der in Flussrichtung des Arbeitsmediums eine Speisefluidpumpe, einen Verdampfer, die Turbine 20 und einen Kondensator umfasst. Das

Arbeitsmedium kann nach Bedarf über eine Stichleitung und eine

Ventilanordnung aus einem Sammelbehälter in den Kreislauf eingespeist werden. Der Sammelbehälter kann dabei alternativ auch in den Kreislauf eingebunden sein.

Der Verdampfer ist an eine Abgasleitung der Brennkraftmaschine

angeschlossen, nutzt also die Wärmeenergie des Abgases der

Brennkraftmaschine.

Flüssiges Arbeitsmedium wird durch die Speisefluidpumpe, gegebenenfalls aus dem Sammelbehälter, in den Verdampfer gefördert und dort durch die

Wärmeenergie des Abgases der Brennkraftmaschine verdampft. Das verdampfte Arbeitsmedium wird anschließend in der Expansionsmaschine bzw. Turbine 20 unter Abgabe mechanischer Energie, beispielsweise an einen Generator oder an ein Getriebe, entspannt. Anschließend wird das Arbeitsmedium im Kondensator wieder verflüssigt und in den Sammelbehälter zurückgeführt bzw. der

Speisefluidpumpe zugeführt.