DE10101165C2 - Befestigungsvorrichtung für ein radial durchströmtes Verdichterrad - Google Patents
Befestigungsvorrichtung für ein radial durchströmtes VerdichterradInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Befestigungsvorrichtung für ein radial durchströmtes Ver
dichterrad, dessen Nabe eine über ihre Länge ungleiche Massenverteilung aufweist.
Bei bekannten Befestigungsvorrichtungen solcher Verdichterräder auf der
Antriebswelle, bzw. Turbinenwelle von Turboladern besteht das Problem darin, dass
sich, insbesondere bei hochbelasteten Ladern, die Nabe des Verdichterrades im
Betrieb durch Fliehkraftbeanspruchung und Wärmeeinwirkung verformt und dadurch
meist die exakte Zentrierung des Verdichterrades, die eben für einen ruhigen Lauf
des Turboladers notwendig ist, verloren geht.
Aus dem Stand der Technik sind bereits die unterschiedlichsten Arten einer Welle-
Nabe-Verbindung bekannt. So gibt es einfache Zentrierungen über zylindrische
Schiebesitze oder Presspassungen zwischen Verdichterrad und Antriebswelle (siehe
DE 41 41 427 A1), selbstzentrierende Verbindungen mit radialer Vorspannung
mittels konischer Hülsen oder anderer Spannelemente, sowie Zentrierungen durch
Konen mit axialer Vorspannung (siehe beispielsweise die DE 24 57 231 B1).
Außerdem muss auch das nicht unerhebliche Drehmoment einer Turbine des
Turboladers mit ausreichender Sicherheit auf das Verdichterrad übertragen werden.
Dazu kommen bekanntlich formschlüssige Verbindungen des Verdichterrades mit
der Antriebswelle, wie Keilwellenprofile, Passfederverbindungen und
Klauenkupplungen, gegen einen Wellenabsatz mittels Gewinde verspannte
Verdichterräder oder kraftschlüssige Verbindungen, wie axiale Reibverbände,
Spannelemente, konische Hülsen, oder eine Kombination der beiden voran
genannten Verbindungsarten zur Anwendung.
Es ist aus der EP 072 582 B1 eine Befestigungsvorrichtung für ein Verdichterrad
bekannt, bei der die Nabe des Verdichterrades mittels eines konischen Pressver
bandes auf der Antriebswelle zentriert ist, wobei das Rad eine über seine Länge
ungleiche Massenverteilung aufweist. Hierzu ist eine Hülse mit konischer Bohrung
vorgesehen, die auf einen konischen Abschnitt der Antriebswelle gepresst ist.
Bei derartigen Verdichterrädern, wie sie beispielsweise bei Abgasturboladern mit
einflutigen Radialverdichtern Verwendung finden, führen die bei hohen Drehzahlen
auftretenden Fliehkräfte zu einer Dehnung der Nabe. Die Fliehkräfte und die
Dehnung nehmen dabei mit zunehmender Drehzahl und mit zunehmendem
Durchmesser des Verdichterrades zu. Die Folge davon ist die Gefahr des
Kontaktverlustes von Nabe und Antriebswelle.
Im besonderen Masse trifft dies bei hochbelasteten Verdichterrädern, d. h. bei
Verdichterrädern mit hohem Druckverhältnis, zu. Bei hohen Drehzahlen und
Erwärmung treten bei solchen Verdichterrädern Aufweitungen der Naben auf, die
dann zu Unwuchterscheinungen führen, bzw. die Nabe ganz oder teilweise von der
Antriebswelle oder eingesetzten Hülse abhebt.
Wegen des im Vergleich zu Stahl niedrigeren Elastizitätsmoduls der Leichtmetalle,
aus denen üblicherweise Verdichterräder mit hohem Druckverhältnis gefertigt sind,
ist es nicht möglich, eine eingesetzte konische oder zylindrische Hülse, die direkt auf
der Welle gelagert ist, so stark vorzuspannen, daß ein Abheben der Nabe sicher
vermeidbar ist.
In Kenntnis dieses Sachverhalts schlägt die US 2,799,445 als
Befestigungsvorrichtung für ein Verdichterrad, dessen Nabe eine über die Länge
ungleiche Massenverteilung aufweist, vor, zur Zentrierung und Festlegung der Nabe
auf der Welle an einer zwischengeschobenen Hülse einen angeformten Flansch mit
einem Kragen vorzusehen, in der Weise, dass dieser Kragen einen am
Verdichterradrücken angeformten Ansatz umgreift, mit dem Ziel, bei hoher Drehzahl
die Pressung des Ansatzes auf der Welle zu erhöhen.
Zur Verbesserung der Zentrierung eines voran beschriebenen Verdichterrades auf
einer Antriebswelle ist weiterführend bei der DE 197 36 333 C1 vorgeschlagen
worden, einen Presssitz zwischen der Antriebswelle und der Nabe eines
Verdichterrades mittels einer in der Länge und innerhalb der Nabe in drei Bereiche
aufgeteilten Hülse herzustellen. Dazu bietet ein erster Teilbereich einen Presssitz für
die Nabe auf der Hülse und andererseits ein zweiter antriebswellenlagernaher
Teilbereich einen Presssitz der Hülse auf einem Wellenzapfen der Antriebswelle.
Zwischen diesen beiden Hülsenteilbereichen ist der dritte presssitzfreie Teilbereich
vorgesehen, der die Spannungsentkopplung der ersten beiden Teilbereiche der
Hülse gewährleistet. Der antriebswellenlagernahe Verdichterradrücken ist mittels
eines Zugankers gegen eine Anlagenfläche eines mit der Antriebswelle rotierenden
Bauelementes gepresst.
Obwohl die letztgenannte Befestigungslösung bereits eine beachtliche Verbesserung
der Zentrierung eines voran beschriebenen Verdichterrades auf einer Antriebswelle
bringt, können damit, wie auch mit den anderen bekannten Welle-Nabe-
Verbindungen, nicht alle technische Anforderungen, wie eine leichte Montier- und
Demontierbarkeit des Verdichterrades, gute Zentrierung des Verdichterrades bei
allen Betriebszuständen sowohl am Verdichterradeintritt, als auch am
wellenlagernahen Verdichterradrücken, sowie ein sicheres Festsetzen des
Verdichterrades zur Vermeidung von Mikrobewegungen und exakte axiale
Festlegung des Verdichterrades zur Reduzierung des Axialspaltes, gleichzeitig in
vollem Umfang erfüllt werden.
Hiervon ausgehend ist es daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine
Befestigungsvorrichtung für Verdichterräder eingangs erwähnter Art mit einfachen
und kostengünstigen Mitteln zu schaffen, mit dieser eine weiter verbesserte
Zentrierung eines Verdichterrades auf der Antriebswelle bei allen Betriebszuständen
der Strömungsmaschine sowohl am Verdichterradeintritt, als auch am
wellenlagernahen Verdichterradrücken zu gewährleisten ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß in überraschend einfacher Weise durch die
Gesamtheit der Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
Durch die erfindungsgemäße Befestigungsvorrichtung lassen sich die eingangs
geschilderten technischen Anforderungen vollständig erfüllen. Das Verdichterrad
lässt sich auch nach langem Betrieb leicht ohne aufwendiges, in einem
Maschinenraum meist nicht vorhandenes Werkzeug von der Antriebswelle lösen, im
Gegensatz zu einem beispielsweise gegen einen Wellenabsatz mittels Gewinde
verspanntes oder mittels einer Presspassung aufgebrachtes Verdichterrad. Es ist
eine gute Zentrierung mit guter Reproduzierbarkeit bei wiederholter Montage
gewährleistet, im Gegensatz zu Lösungen mittels zylindrischer Schiebesitze oder
konischer Hülsen. Ein sicheres Festsetzen des Verdichterrades ist gewährleistet,
sowie eine exakte axiale Festlegung des Verdichterrades auf der Antriebswelle, im
Gegensatz zu einer Zentrierung mittels Konen mit axialer Vorspannung.
Gleichzeitig ist sichergestellt, daß der Mitnehmer bei Verformung Energie aufnimmt
und daher in vorteilhafterweise Weise dämpfend auf elastische Stöße wirkt, so daß
ein Aufschaukeln der Auslenkungen des Verdichterrades unterbleibt und damit ein
ruhiger Lauf sowie eine Schonung des Sitzes erreicht werden.
Durch die erfindungsgemäße Befestigung des Verdichterrades auf der Welle wird
sichergestellt, daß auch bei der größten auftretenden Dehnung der Nabe eine
Vorspannung zwischen Verdichterrad und Mitnehmer, d. h. eine kraftschlüssige
Verbindung erhalten bleibt und eine sichere Zentrierung des Verdichterrades
gewährleistet ist.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und zweckmäßige Fortbildungen der
übergeordneten Maßnahmen sind in den restlichen Unteransprüchen angegeben
und aus der nachstehenden Beispielsbeschreibung anhand der Zeichnung
entnehmbar.
Die einzige Figur zeigt einen Teillängsschnitt durch ein Radialverdichterrad auf der
Antriebswelle mit einer erfindungsgemäßen Befestigungsvorrichtung.
Der grundsätzliche Aufbau und die Wirkungsweise eines Abgasturboladers sind
ansich bekannt und bedürfen daher im vorliegenden Zusammenhang keiner näheren
Erläuterung mehr. Der der Zeichnung zugrunde liegende Abgasturbolader besitzt
eine in ihrem mittleren Längsbereich im Maschinengehäuse gelagerte Antriebswelle
1, die an ihrem über die Lagerung auskragenden Enden einerseits ein hier nicht
gezeigtes Turbinenrad und andererseits ein Verdichterrad 2 trägt. Dieses ist hier als
Radialverdichterlaufrad ausgebildet, das eine zentrale. Nabe 3 und auf dieser
angeordnete Schaufeln 4 aufweist.
Die Strömung wird am Verdichterradeintritt 5 beginnend durch das Verdichterrad 2
von der axialen Richtung in die radiale Richtung umgelenkt. Dem entsprechend
nimmt der Durchmesser der Nabe 3 und der Schaufeln 4 in Strömungsrichtung zu,
so daß sich ein zur Mittelquerachse des Verdichterrades 2 unsymmetrischer
Längsschnitt und damit auch eine hierzu unsymmetrische Massenverteilung mit
einer Massenanhäufung im Bereich des von der Verdichterradeintrittseite 5
abgewandten Verdichterradrückens 6 ergibt.
Die Nabe 3 ist mittels eines Schiebesitzes mit der in sie eingreifenden Antriebswelle
1, bzw. mit einem sie durchgreifenden Wellenzapfen 8 verbunden. Hierzu ist
zwischen der Nabe 3 und der Antriebswelle 1 ein hülsenförmiger Mitnehmer 7
vorgesehen, der konzentrisch den Wellenzapfen 8 der Antriebswelle 1 umgreift und
ein nahe des Verdichterradeintritts 5 einen Pressverbund 9 zwischen Nabe 3 und
Mitnehmer 7 ausbildendes erstes Zylinderstück 10 und ein angesetztes, vom
Spannungszustand im Mitnehmer 7 entkoppeltes, einen Zentrierbereich 11 per
Schiebesitz des Mitnehmers 7 auf der Antriebswelle 1, bzw. auf dem Wellenzapfen 8
ausbildendes zweites Zylinderstück 12 aufweist.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist das angesetzte zweite Zylinderstück 12
gegenüber dem ersten Zylinderstück 10 am Außenumfang verjüngt ausgeführt, so
dass das zweite Zylinderstück 12 bezüglich der Nabe 3 presssitzfrei ist und somit
eine Spannungsentkopplung des Zentrierbereichs 11 vom Pressverbund 9 des
Mitnehmers 7 gewährleistet.
Dem wellenlagernahen Verdichterradrücken 6 ist ein die Nabe 3 verlängerndes
auskragendes Zentrierstück 13 angeformt, derart, dass in axialer Richtung zwischen
dem Verdichterradrücken 6 und dem Zentrierstück 13 eine solche
Materialverjüngung 14 vorgesehen ist, dass das Zentrierstück 13 bei Aufweitung der
Nabe 3, da durch die Materialverjüngung 14 elastisch am Verdichterradrücken 6
angeformt, sich zangenartig auf der Antriebswelle 1 verengt. Der
Verdichterradrücken 6 ist damit mit einem sogenannten Schwanenhals versehen,
der das Zentrierstück 13 mit dem Verdichterradrücken 6 verbindet und gewährleistet,
dass in jedem Spannungszustand und Fliehkraftbeanspruchung des Verdichterrades
2 seine Zentrierung auf der Antriebswelle 1 mittels Zentrierstück 13 erhalten bleibt,
denn das Zentrierstück 13 kneift wegen des Schwanenhalses 14 bei einer
tonnenförmigen Verformung der Nabe 3 auf der Antriebswelle 1 zu.
In der besonders bevorzugten Ausführung weist der hülsenförmige Mitnehmer 7 ein
aus der Nabe 3 auskragendes, den Nabendurchmesser übertreffendes,
tellerförmiges Ansatzstück 15 auf, mittels diesem über ein flexibles, in den
endseitigen Wellenzapfen 8 eingebrachtes Spannelement 16 und einer
wellenlagernahen Anlagenfläche 17 der Antriebswelle 1, die beispielsweise durch
eine Verdickung der Antriebswelle 1 gegenüber dem Wellenzapfen 8 ausgebildet ist,
für das auskragende Zentrierstück 13 ein Axialverband 18 mit der Antriebswelle 1
zum Längenausgleich des Verdichterrades 2 hergestellt ist.
In bevorzugter Weise ist das flexible Spannelement als Zuganker 16 mit einer
Wellenmutter 19 oder einer Dehnschraube ausgebildet, der so dimensioniert ist,
dass bei jedem Betriebszustand die Anlage des Zentrierstückes 13 an der
Anlagefläche 17 der Antriebswelle 1 gewährleistet ist.
Zur Verbesserung der Zentrierung des Verdichterrades 2 leistet diese weiterbildende
Maßnahme einen Verformungsausgleich in axialer Richtung, die eben die exakte
axiale Festlegung des Verdichterrades 2 weiterhin verbessert.
Als weiterbildende Maßnahme ist vorgesehen, dass der hülsenförmige Mitnehmer 7
an seinem ersten Zylinderstück 10 zur Drehmomentübertragung mit einem zur
Antriebswelle 1 formschlüssigen Profil 20 ausgeführt ist. Dazu sind eine Anzahl von
Nuten im endseitigen Wellenzapfen 8 der Antriebswelle 1 vorgesehen, in diese eine
entsprechende Anzahl von Leisten auf der Innenseite des ersten Zylinderstückes 10
eingreifen und eine formschlüssige Verbindung 20 eingehen.
Der Verdichterradrücken 6, der Schwanenhals, d. h. die Materialverjüngung 14, und
das Zentrierstück 13 sind dabei so aufeinander abgestimmt, dass das Verdichterrad
2 an der Kontaktstelle des Zentrierstückes 13 mit der Antriebswelle 1 in keinem Fall
von dieser abheben kann. Der Pressverbund 9 zwischen Nabe 3 und Mitnehmer 7 ist
so ausgelegt, dass das Verdichterrad 2 bei keinem Betriebszustand vom Mitnehmer
7 abhebt. Der Bereich der formschlüssigen Verbindung 20 des Mitnehmers 7 mit der
Antriebswelle 1, bzw. mit dem Wellenzapfen 8 ist vom Zentrierbereich 11 des
Mitnehmers 7 spannungsentkoppelt, so dass der Mitnehmer 7 bei keinem
Betriebszustand von der Antriebswelle 1 abheben kann. Der Zuganker 16 (oder die
Dehnschraube) ist so ausgelegt, dass er bei jedem Betriebszustand die axiale
Anlage des Zentrierstückes 13 des Verdichterradrückens 6 an der Anlagefläche 17
der Antriebswelle 1 mit ausreichender Sicherheit gewährleistet.
1
Antriebswelle
2
Verdichterrad
3
Nabe
4
Schaufeln
5
Verdichterradeintritt
6
Verdichterradrücken
7
Hülsenförmiger Mitnehmer
8
Wellenzapfen
9
Pressverbund
10
Erstes Zylinderstück
11
Zentrierbereich
12
Zweites Zylinderstück
13
Auskragendes Zentrierstück
14
Materialverjüngung (Schwanenhals)
15
Auskragendes Ansatzstück
16
Flexibles Spannelement
17
Anlagefläche der Antriebswelle
18
Axialverband
19
Wellenmutter
20
Formschlüssiges Profil
Claims (5)
1. Befestigungsvorrichtung für ein radial durchströmtes Verdichterrad (2) einer
Strömungsmaschine an einer Antriebswelle (1), dessen Nabe (3) eine über ihre
Länge ungleiche Massenverteilung aufweist und mittels eines Schiebesitzes auf
der in die Nabe (3) eingreifenden Antriebswelle (1) aufgenommen ist, zwischen
Nabe (3) und Antriebswelle (1) ein hülsenförmiger Mitnehmer (7) vorgesehen
ist, mit einem den Pressverbund (9) zwischen Nabe (3) und Mitnehmer (7)
ausbildenden ersten Zylinderstück (10) und einem angesetzten, vom
Spannungszustand im Mitnehmer (7) entkoppelten, den Zentrierbereich (11)
des Mitnehmers (7) auf der Antriebswelle (1) ausbildenden zweiten
Zylinderstück (12), und ein Verdichterradrücken (6) vorgesehen ist, dem ein die
Nabe (3) verlängerndes auskragendes Zentrierstück (13) angeformt ist, derart
dass in axialer Richtung zwischen Verdichterradrücken (6) und Zentrierstück
(13) eine solche Materialverjüngung (14) vorgesehen ist, dass das Zentrierstück
(13) bei Aufweitung der Nabe (3) sich zangenartig auf der Antriebswelle (1)
verengt.
2. Befestigungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der
hülsenförmige Mitnehmer (7) an seinem ersten Zylinderstück (10) zur
Drehmomentübertragung mit einem zur Antriebswelle (1) formschlüssigen Profil
(20) ausgeführt ist.
3. Befestigungsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass
das formschlüssige Profil (20) mittels einer Anzahl von Nuten in der
Antriebswelle (1), in diese eine entsprechende Anzahl von Leisten auf der
Innenseite des ersten Zylinderstücks (10) eingreifen, ausgebildet ist.
4. Befestigungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, dass der hülsenförmige Mitnehmer (7) ein aus der Nabe (3)
auskragendes Ansatzstück (15) aufweist, mittels diesem über ein flexibles
Spannelement (16) und einer Anlagenfläche (17) auf der Antriebswelle (1) für
das auskragende Zentrierstück (13) ein Axialverband (18) mit der Antriebswelle
(1) zum Längenausgleich des Verdichterrades (2) herstellbar ist.
5. Befestigungsvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass als
flexibles Spannelement ein Zuganker (16) oder eine Dehnschraube vorgesehen
ist, der so ausgebildet ist, dass bei jedem Betriebszustand die Anlage des
Zentrierstückes (13) an der Anlagenfläche (17) der Antriebswelle (1)
gewährleistet ist.
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