CH715703A2 - Abgasturbolader mit auxetischen Strukturen. - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Verwendung von auxetischen Material (M) bzw. auxetischen Strukturen in einem Abgas-Turbolader. Weiter betrifft die Erfindung einen Abgas-Turbolader mit einer Welle (2) und wenigstens einem auf der Welle (2) angeordneten Verdichterrad (V) und einem Turbinenrad (T) sowie einem Gehäuse (3) in dem die Welle (2), das Verdichterrad (V) und das Turbinenrad (T) angeordnet sind, wobei wenigstens ein Teil des Gehäuses (3) aus einem auxetischen Material (M) mit einer negativer Querkontraktionszahl besteht.

Description

[0001] Die Erfindung betrifft einen Abgas-Turbolader.
[0002] Konventionelle Abgas-Turbolader werden zur Leistungssteigerung und Optimierung der Verbrennung eingesetzt. Für eine gute und vollständige Verbrennung im Motor ist ein bestimmtes Mischungsverhältnis notwendig (stöchiometrisches Kraftstoffverhältnis). Bei der Aufladung des Abgas-Turboladers wird die Dichte der Ansaugluft erhöht und damit die Luftmenge vergrößert. Durch die Aufladung wird der Füllungsgrad und somit der Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors deutlich verbessert. Darüber hinaus kann das Drehmoment deutlich angehoben werden, wodurch eine Leistungssteigerung erzielt werden kann.
[0003] Das Herzstück des Turboladers ist das Laufzeug, bestehend aus Turbinenrad mit Welle und Verdichterrad, welche in dem Turboladergehäuse angeordnet sind. Das Turbinenrad befindet sich an der Abgasseite und ist meist fest mit der Welle verbunden. Das Verdichterrad ist am anderen Ende der Läuferwelle montiert. Die Räder sind je nach Ausführung typischerweise mit Laufradschaufeln ausgestattet und bilden endseitig einen Spalt zum Gehäuse. Die Spaltweite hat dabei einen direkten Einfluss auf den Wirkungsgrad des Turboladers. Je nach Drehzahl der Welle treten an den unterschiedlichen rotierenden und nicht-rotierenden Bauteilen auch unterschiedliche Dehnungsanteile auf - diese führen damit zu veränderlichen relativen Positionen.
[0004] Somit ändert sich auch der Spalt zwischen den Schaufelspitzen und der Gehäusewand. Man betrachtet bei dem Dehnungsverhalten insbesondere das sogenannte transiente Dehnungsverhalten zwischen Rotor und Gehäuse beim Durchfahren eines Zyklus. Dieses transiente Dehnungsverhalten von rotierenden und nicht-rotierenden Bauteilen weicht deutlich voneinander ab. Es besteht demzufolge eine hohe Gefahr für eine Spaltüberbrückung bei der die Schaufelradspitzen an dem Gehäuse schleifen. Ein solches Risiko eines Streifvorgangs zwischen Gehäuse und Schaufelspitze besteht insbesondere beim Hochfahren des Abgas-Turboladers.
[0005] Um gefährliche und/oder unzulässige Betriebszustände im transienten Betrieb zwischen relativ zueinander beweglichen Bauteilen zu vermeiden, werden die Nominalspalte demzufolge im Stand der Technik ausreichend groß dimensioniert. Hierdurch kann zwar ein Streifen oder Überbrücken des Spalts mit Kontakt am Gehäuse im transienten Betrieb vermieden werden. Gleichzeitig führt aber ein entsprechend groß dimensionierter Spalt im späteren stationären Betrieb des Abgas-Turboladers zu einem verminderten Wirkungsgrad.
[0006] Im Berstfall - beim Versagen rotierender Bauteile - können gefährliche Situationen mit herumschleudernden Bruchteilen des Abgas-Turboladers entstehen. Im Stand der Technik werden hierzu unterschiedliche Berstschutzvorrichtungen vorgeschlagen.
[0007] Um einen Austritt von Bauteilfragmenten bei definierten Versagensszenarien rotierender Bauteile zu verhindern, werden bei konventionellen Gehäusekonstruktionen z. B. massive Wandstärken vorgesehen und/oder komplexe zusätzliche Berstschutzkonstruktionen direkt um die Gehäuse herum installiert. Ziel ist es aber auf eine aufwendige Berstschutzkonstruktion und/oder massive strömungsführende Gehäusekonstruktionen verzichten zu können.
[0008] Ferner besteht bei den im Stand der Technik bekannten Abgas-Turboladern das Problem, dass miteinander gekoppelte Bauteile sich in ihrem Dehnungsverhalten deutlich unterschiedlich ausdehnen. Bei konventionellen Verbindungen zwischen solchen Bauteilen treten z. B. durch Dehnungsblockaden hohe Schraubenbeanspruchungen und z. B. durch Relativbewegungen in den Kontaktflächen entsprechender Verschließ auf. Es ist ebenfalls wünschenswert eine Optimierung dieser nachteiligen Eigenschaften mit der Idee der vorliegenden Erfindung zu realisieren.
[0009] Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, vorbesagte Nachteile zu überwinden und eine verbesserte Lösung für einen Abgas-Turbolader vorzuschlagen, welcher ein sicheres Betriebsverhalten mit einem hohen Wirkungsgrad aufweist und insbesondere eine Verbesserung für die Problematik der transienten Dehnung aufweist.
[0010] Diese Aufgabe wird durch die Merkmalskombination gemäß Patentanspruch 1 und Patentanspruch 3 gelöst.
[0011] Ein Grundgedanke der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass man die Eigenschaften von Materialen mit negativer Poissonzahl (Querkontraktionszahl) in bestimmten Bereichen des Gehäuses oder des Turboladers verwendet, um einen gezielten Einfluss auf das Dehnungsverhalten betreffender Bereiche zu nehmen.
[0012] Erfindungsgemäß wird demnach eine neuartige Verwendung eines auxetischen Materials oder einer auxetischen Struktur mit einer negativer Querkontraktionszahl in oder an einem Abgas-Turbolader an einem oder zwischen zwei benachbarten Bauteilen zur Beeinflussung von thermischen und transienten Dehnungen vorgeschlagen.
[0013] In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird eine Verwendung eines auxetischen Materials vorgeschlagen, wobei das auxetische Material oder die auxetische Struktur zwischen zwei Gehäusewänden eines Turboladergehäuses, in Hohlräumen von Bauteilen des Abgas-Turboladers und/oder zwischen wenigstens zwei aneinander angrenzenden Bauteilen des Abgas-Turboladers angeordnet ist, wobei im letztgenannten Fall das auxetischen Material vorzugsweise als ein elastisches Verbindungselement vorgesehen ist.
[0014] Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft einen Abgas-Turbolader mit einer Welle und wenigstens einem auf der Welle angeordneten Verdichterrad und einem Turbinenrad sowie einem Gehäuse in dem die Welle, das Verdichterrad und das Turbinenrad angeordnet sind, wobei wenigstens ein Teil des Gehäuses aus einem auxetischen Material mit einer negativen Querkontraktionszahl besteht.
[0015] In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Gehäuse eine innere Gehäusewand und eine äußere Gehäusewand und einen Zwischenraum aufweist und das auxetische Material (M) zwischen den Gehäusewänden vorzugsweise vollständig im Zwischenraum angeordnet ist.
[0016] Durch die Integration der auxetischen Struktur in das Verdichter- und/oder turbinenseitige Gehäuse eines radialen oder axialen Abgas-Turboladers kann das Dehnungsverhalten des Gehäuses dem Dehnungsverhalten des Rotors angepasst werden. Die Anpassung erfolgt dabei durch die gezielte Einstellung der Geometrieparameter der auxetischen Struktur. Die Einstellung der Geometrieparameter erfolgt derart, dass unter Berücksichtigung von transienten thermischen Dehnungen und Dehnungsanteilen infolge von Druck und Fliehkraft die Dehnungscharakteristik des Gehäuses der Dehnungscharakteristik des Rotors angepasst wird. Hierdurch fällt der sich im stationären Betrieb einstellende Radialspalt gegenüber konventionellen Bauweisen enger aus. Im Ergebnis kann dadurch ein höherer Wirkungsgrad bei Turbinen und ein größerer Pumpgrenzenabstand bei Verdichtern erreicht werden.
[0017] Weiter vorteilhaft ist es, wenn das auxetische Material vollständig in dem Bereich um das Verdichterrad und/oder das Turbinenrad herum, vorzugsweise zwischen den Gehäusewänden angeordnet ist, wodurch ein zusätzlicher Sicherheitseffekt für einen Berstfall des Turboladers hergestellt wird. Hierbei wird die auxetische Struktur als Crashzone zur Absorption kinetischer Energie beim Einschlag eines rotierenden Bauteils in die Gehäusestruktur integriert und folglich die Sicherheit gegen das Austreten von Bauteilen und/oder Bauteilfragmenten ohne eine nennenswerte Gewichtszunahme erhöht.
[0018] Weiter vorteilhaft ist es, wenn zwischen wenigstens zwei angrenzenden Bauteilen des Abgas-Turboladers ein elastisches Verbindungselement angeordnet ist, welches aus einem auxetischen Material mit einer negativen Querkontraktionszahl besteht (z. B. zwischen dem Lagergehäuse und dem Turbinenzuströmgehäuse). Die Struktur kann z. B. direkt auf ein Bauteil oder beide Bauteile aufgedruckt oder aufgebracht werden oder mit nicht näher beschriebenen Verbindungselementen an den beiden Bauteilen befestigt werden.
[0019] Alternativ können die beiden benachbarten Bauteile unmittelbar durch das auxetische Material miteinander verbunden werden.
[0020] In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass Hohlräume im Gehäuse vorgesehen sind, welche mit dem auxetischen Material befüllt sind. Durch eine entsprechende Gestaltung der Struktur wird die geforderte Steifigkeit eingestellt, sodass trotz des geringen Gewichts die schwingungstechnischen Anforderungen erfüllt werden.
[0021] Ebenso ist es von Vorteil, wenn Bauteile des Abgasturboladers, dessen Dehnungsverhalten beeinflusst werden soll, mit auxetischem Material beschichtet oder beaufschlagt sind.
[0022] Das erfinderische Konzept lässt sich insbesondere bei den folgenden Abgas-Turbolader verwenden: Radial-Turbolader, Axial-Turbolader, Turbo-Blower oder Turbine (Power-Turbine).
[0023] Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet bzw. werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführung der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigen: <tb>Fig. 1<SEP>ein erstes schematisches Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung und <tb>Fig. 2<SEP>ein alternatives schematisches Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
[0024] Die Erfindung wird im Folgenden mit Bezug auf die Figuren 1 und 2 näher erläutert, wobei gleiche Bezugszeichen in den Figuren auf gleiche strukturelle und/oder funktionale Merkmale hinweisen.
[0025] In der Fig. 1 ist ein erstes, rein schematisches Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dargestellt. Gezeigt ist ein Ausschnitt eines Gehäuses 3 eines Abgas-Turboladers mit einem Laufrad L (z. B. einem Turbinenrad T oder einem Verdichterrad V) mit Laufschaufeln 7. Das Laufrad L ist auf einer Welle 2 im Gehäuse 3 angeordnet.
[0026] Das Gehäuse 3 besitzt eine innere Gehäusewand 4 und eine äußere Gehäusewand 5, wobei ein auxetisches Material M bzw. eine auxetische Struktur mit einer negativer Querkontraktionszahl zwischen den beiden Gehäusewänden 4, 5 angeordnet ist.
[0027] Zwischen den Laufradschaufeln 7 und der inneren Gehäusewand 4 ist bestimmungsgemäß ein Spalt S vorgesehen.
[0028] In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist das auxetische Material M vollständig in dem Bereich um das Laufrad L herum zwischen den Gehäusewänden 4, 5 angeordnet.
[0029] Die Fig. 2 zeigt ein alternatives schematisches Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Gezeigt sind ein Bauteil B1 und ein Bauteil B2 eines Abgas-Turbolader, wobei zwischen den zwei benachbarten d. h. angrenzenden Bauteilen B1, B2 des Abgas-Turboladers ein elastisches Verbindungselement 10 angeordnet ist, welches aus einem auxetischen Material M bzw. aus einer auxetischen Struktur M mit einer negativer Querkontraktionszahl besteht. Dabei werden die beiden benachbarten Bauteile B1, B2 unmittelbar durch das auxetische Material M miteinander verbunden.
[0030] Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf die vorstehend angegebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht.
Bezugszeichenliste
[0031] 3 Gehäuse 4 innere Gehäusewand 5 äußere Gehäusewand 7 Laufradschaufeln 10 Verbindungselement B1 Bauteil 1 B2 Bauteil 2 L Laufrad M auxetisches Material / auxetische Struktur S Spalt T Turbinenrad V Verdichterrad

Claims (10)

1. Verwendung eines auxetischen Materials (M) oder einer auxetischen Struktur mit einer negativer Querkontraktionszahl in oder an einem Abgas-Turbolader zwischen zwei benachbarten Bauteilen zur Beeinflussung von thermischen und transienten Dehnungen.
2. Verwendung eines auxetischen Materials (M) oder einer auxetischen Struktur nach Anspruch 1, wobei das auxetische Material (M) zwischen zwei Gehäusewänden, in Hohlräumen von Bauteilen des Abgas-Turboladers oder zwischen wenigstens zwei aneinander angrenzenden Bauteilen des Abgas-Turboladers als ein elastisches Verbindungselement angeordnet ist.
3. Abgas-Turbolader mit einer Welle (2) und wenigstens einem auf der Welle angeordneten Verdichterrad (V) und einem Turbinenrad (T) sowie einem Gehäuse (3) in dem die Welle (2), das Verdichterrad (V) und das Turbinenrad (T) angeordnet sind, wobei wenigstens ein Teil des Gehäuses (3) aus einem auxetischen Material (M) mit einer negativer Querkontraktionszahl besteht.
4. Abgas-Turbolader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (3) eine innere Gehäusewand (4) und eine äußere Gehäusewand (5) aufweist und das auxetische Material (M) zwischen den Gehäusewänden angeordnet ist.
5. Abgas-Turbolader nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das auxetische Material (M) vollständig in dem Bereich um das Verdichterrad (V) und/oder das Turbinenrad (T) herum, vorzugsweise zwischen den Gehäusewänden (4, 5) angeordnet ist.
6. Abgas-Turbolader nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen wenigstens zwei angrenzenden Bauteilen des Abgas-Turboladers ein elastisches Verbindungselement angeordnet ist, welches aus einem auxetischen Material (M) mit einer negativer Querkontraktionszahl besteht.
7. Abgas-Turbolader nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden benachbarten Bauteile unmittelbar durch das auxetische Material (M) miteinander verbunden sind.
8. Abgas-Turbolader nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass Hohlräume im Gehäuse (3) vorgesehen sind, welche mit dem auxetischen Materials (M) befüllt sind.
9. Abgas-Turbolader nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass Bauteile des Abgasturboladers mit auxetischem Material (M) beschichtet oder beaufschlagt sind.
10. Abgas-Turbolader nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass der Turbolader ein Radial-Turbolader, ein Axial-Turbolader, ein Turbo-Blower oder eine Turbine ist.
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