DE102005005666A1

DE102005005666A1 - Strömungsmaschine

Info

Publication number: DE102005005666A1
Application number: DE102005005666A
Authority: DE
Inventors: Tilmann Dipl.-Ing. Römheld
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2005-02-08
Filing date: 2005-02-08
Publication date: 2006-08-17

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Strömungsmaschine, insbesondere einen Abgasturbolader, mit einem Verdichterrad (12), einem Turbinenrad (13) und einer Welle (11). Erfindungsgemäß ist das Turbinenrad (13) integraler Bestandteil der Welle (11), und das Verdichterrad (12) ist über eine Kreiskeilverbindung mit der Welle (11) verbunden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Strömungsmaschine, insbesondere einen Abgasturbolader, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Aus dem Stand der Technik bekannte Abgasturbolader verfügen als drehende Baugruppen über ein Verdichterrad, ein Turbinenrad sowie eine Welle, wobei das Verdichterrad sowie das Turbinenrad zusammen mit der Welle rotieren und auf der Welle aufgenommen bzw. gelagert sind. Nach dem Stand der Technik sind die obigen Baugruppen eines Abgasturboladers, nämlich das Verdichterrad, das Turbinenrad sowie die Welle, als getrennte Baugruppen ausgeführt, wobei das Turbinenrad sowie das Verdichterrad nach dem Stand der Technik mit der Welle üblicherweise verschraubt sind. Als Stand der Technik sei hier auf die DE 19640647 A1 sowie auf die DE 19540745 A1 verwiesen. Weiterhin ist es aus dem Stand der Technik gemäß DE 10101165 C2 bereits bekannt, das Verdichterrad an der Welle eines Abgasturboladers über eine Pressverbindung aus einem hülsenförmigen Mitnehmer und einem flexiblen Spannelement zu befestigen.

Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung das Problem zu Grunde, eine neuartige Strömungsmaschine, insbesondere einen neuartigen Abgasturbolader, zu schaffen.

Dieses Problem wird dadurch gelöst, dass die eingangs genannte Strömungsmaschine durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 weitergebildet ist. Erfindungsgemäß ist das Turbinenrad integraler Bestandteil der Welle und das Verdichterrad ist über eine Kreiskeilverbindung mit der Welle verbunden.

Im Sinne der hier vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, das Turbinenrad als integralen Bestandteil der Welle auszuführen und das Verdichterrad über eine Kreiskeilverbindung an der Welle zu lagern. Zumindest das Turbinenrad sowie die Welle sind dabei vorzugsweise aus einem leichten, hochtemperaturfesten Werkstoff hergestellt. Der Erfindung liegt die Erkenntnis zu Grunde, zur Vermeidung der kritischen Verbindung zwischen dem Turbinenrad und der Welle das Turbinenrad als integralen Bestandteil der Welle auszuführen. Zur Anbindung des Verdichterrads an die Welle wird erfindungsgemäß eine Kreiskeilverbindung gewählt, die erfindungsgemäß bei hochtemperaturfesten Werkstoffen, die in der Regel spröde sind, gegenüber anderen Verbindungstechniken besonders geeignet ist.

Vorzugsweise sind das Turbinenrad und die Welle einstückig bzw. einteilig aus einem TiAl-Werkstoff ausgebildet.

Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Kreiskeilverbindung unmittelbar zwischen dem Verdichterrad und der Welle ausgebildet, wobei an einer äußeren Umfangsfläche der Welle keilförmige Erhebungen und an einer Innenfläche einer Bohrung des Verdichterrads entsprechende keilförmigen Ausnehmungen angeordnet sind, und wobei eine Steigung der Keilflächen im wesentlichen dem Verlauf einer logarithmischen Spirale folgt.

Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Ein Aus führungsbeispiel der Erfindung wird, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:
1 einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Strömungsmaschine, nämlich einen Abgasturbolader; und
2 einen Querschnitt durch ein Detail des erfindungsgemäßen Abgasturboladers entlang der Schnittlinie II-II in 1.
Nachfolgend wird die hier vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf 1 und 2 in größerem Detail beschrieben.
1 zeigt einen erfindungsgemäßen Abgasturbolader 10 mit einer Welle 11, wobei an der Welle 11 ein Verdichterrad 12 sowie ein Turbinenrad 13 aufgenommen sind. Bei der Welle 11, dem Verdichterrad 12 sowie dem Turbinenrad 13 handelt es sich um die rotierenden Baugruppen des Abgasturboladers 10, wobei das Verdichterrad 12 in einem Verdichtergehäuse 14 und das Turbinenrad 13 in einem Turbinengehäuse 15 Aufnahme findet. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist zwischen dem Verdichtergehäuse 14 und dem Turbinengehäuse 15 ein Lagergehäuse 16 angeordnet, in welchem Lager 17 zur drehbaren Lagerung der Welle 11 positioniert sind.
Im Sinne der hier vorliegenden Erfindung ist das Turbinenrad 13 integraler Bestandteil der Welle 11, wobei die Welle 11 und das Turbinenrad 13 aus einem leichten, hochtemperaturfesten Werkstoff hergestellt sind. Das Turbinenrad 13 und die Welle 11 aus dem hochtemperaturfesten Werkstoff sind demnach einstückig bzw. einteilig ausgebildet. Besonders bevorzugt ist eine Ausgestaltung, in welcher das Turbinenrad 13 sowie die Welle 11 aus einem TiAl-Werkstoff (Titan-Aluminium-Werkstoff) hergestellt sind. Im Sinne der hier vorliegenden Erfindung ist weiterhin das Verdichterrad 12 mit der Welle 11 über eine sogenannte Kreiskeilverbindung verbunden. Derartige Kreiskeilverbindungen sind erfindungsgemäß zur Anbindung des Verdichterrads 12 an die Welle 11, die aus einem hochtemperaturfesten Werkstoff gebildet ist, besonders geeignet, da hochtemperaturfeste Werkstoffe in der Regel spröde sind.
In der bevorzugten Ausführungsform der hier vorliegenden Erfindung ist die Kreiskeilverbindung unmittelbar zwischen dem Verdichterrad 12 und der Welle 11 ausgebildet. Gemäß 2 sind dabei auf einer äußeren Umfangsfläche 18 der Welle 11 mehrere keilförmige Erhebungen 19 positioniert, die mit mehreren keilförmigen Ausnehmungen 20 an einer Innenseite 21 einer Bohrung des Verdichterrads 12 zusammenwirken. Die Keilflächen der Erhebungen 19 sowie Ausnehmungen 20 weisen jeweils eine Steigung auf, die im wesentlichen dem Verlauf einer logarithmischen Spirale folgen. Die Steigung der Keilflächen ist dabei flach, so dass in Abhängigkeit von Material und Beschaffenheit der Oberflächen der Keilflächen eine sichere Selbsthemmung der Verbindung zwischen Verdichterrad 12 und Welle 11 gegeben ist.
Die Steigung der Keilflächen der Erhebungen 19 sowie Ausnehmungen 20 liegt vorzugsweise in einem Bereich zwischen 1/50 und 1/200, wobei zusammenwirkende Keilflächen entweder eine gleiche Steigung oder unterschiedliche Steigung aufweisen können. Die Steigung der Keilflächen nimmt dabei vorzugsweise in Umfangsrichtung zu, wobei die Keilflächen zur Achse von Welle 11 und Verdichterrad 12 geneigt sind. Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind über den Umfang von Welle 11 bzw. Verdichterrad 12 jeweils drei derartige keilförmige Erhebungen 19 bzw. Ausnehmungen 20 mit gleichem Abstand voneinander positioniert. Die Keilprofile im Bereich der Welle 11 sowie des Verdichterrads 12 sind beim Urformen mit herstellbar, sodass insbesondere im Bereich der Welle 11, die aus einem hochtem peraturfesten und damit spröden TiAl-Werkstoff hergestellt ist, eine aufwendige und kritische Bearbeitung entfällt.
Im bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Kreiskeilverbindung unmittelbar zwischen dem Verdichterrad 12 und der Welle 11 ausgebildet. Alternativ ist es auch möglich, die Kreiskeilverbindung zwischen einer Mutter und der Welle oder dem Verdichterrad auszubilden.
In dem Fall, in welchem die Kreiskeilverbindung zwischen einer Mutter und der Welle ausgebildet ist, ist das Verdichterrad formschlüssig auf die Welle geschoben und gegen Verdrehen gegenüber der Welle fixiert, wobei die Mutter das Verdichterrad auf der Welle befestigt, und wobei die keilförmigen Erhebungen einer äußeren Umfangsfläche der Welle und die keilförmigen Ausnehmungen einer Innenfläche einer Bohrung der Mutter zugeordnet sind.
In dem Fall, in welchem die Kreiskeilverbindung zwischen einer Mutter und dem Verdichterrad ausgebildet ist, ist das Verdichterrad wiederum auf die Welle aufgeschoben, wobei die keilförmigen Erhebungen der Kreiskeilverbindung einem Abschnitt des Verdichterrads und die keilförmigen Ausnehmung einer Innenfläche einer Bohrung der Mutter zugeordnet sind. Das Verdichterrad wird dann durch Verdrehen der Mutter relativ zum Verdichterrad radial gestaucht und auf der Welle fixiert, wobei zum radialen Stauchen des Verdichterrads dasselbe vorzugsweise geschlitzt ist, und zwar in dem Abschnitt, an welchem das Verdichterrad die keilförmigen Erhebungen der Kreiskeilverbindung trägt.
Im Sinne der hier vorliegenden Erfindung wird demnach ein Abgasturbolader vorgeschlagen, bei welchem Turbinenrad und Welle einstückig bzw. einteilig sowie aus einem hochtemperatur festen Werkstoff hergestellt sind. Das Verdichterrad ist über eine Kreiskeilverbindung auf der Welle gelagert bzw. mit der Welle verbunden. Dieses erfindungsgemäße Konstruktionsprinzip ermöglicht eine einfache sowie kostengünstige Herstellung von Abgasturboladern, die hohen Temperaturen ausgesetzt werden können.

Claims

Strömungsmaschine, insbesondere Abgasturbolader, mit einem Verdichterrad (12), einem Turbinenrad (13) und einer Welle (11), dadurch gekennzeichnet, dass das Turbinenrad (13) integraler Bestandteil der Welle (11) ist, und dass das Verdichterrad (12) über eine Kreiskeilverbindung mit der Welle (11) verbunden ist.
Strömungsmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Turbinenrad (13) und die Welle (11) einstückig bzw. einteilig ausgebildet sind.
Strömungsmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Turbinenrad (13) und die Welle (11) aus einem hochtemperaturfesten Werkstoff hergestellt sind.
Strömungsmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Turbinenrad (13) und die Welle (11) aus einem TiAl-Werkstoff hergestellt sind.
Strömungsmaschine nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kreiskeilverbindung zur Befestigung des Verdich terrads (12) an der Welle (11) durch einer ersten Fläche (18) zugeordnete keilförmige Erhebungen (19) und einer zweiten Fläche (21) zugeordnete keilförmige Ausnehmungen (20) gebildet ist, wobei eine Steigung der Keilflächen im wesentlichen dem Verlauf einer logarithmischen Spirale folgt.
Strömungsmaschine nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kreiskeilverbindung unmittelbar zwischen dem Verdichterrad (12) und der Welle (11) ausgebildet ist.
Strömungsmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass an einer äußeren Umfangsfläche (18) der Welle (11) die keilförmigen Erhebungen (19) und an einer Innenfläche (21) einer Bohrung des Verdichterrads (12) die entsprechenden keilförmigen Ausnehmungen (20) angeordnet sind.
Strömungsmaschine nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kreiskeilverbindung zwischen einer Mutter und der Welle ausgebildet ist.
Strömungsmaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdichterrad auf die Welle aufgeschoben und auf der Welle gegen Verdrehen formschlüssig fixiert ist, wobei an einer äußeren Umfangsfläche der Welle die keilförmigen Erhebungen und an einer Innenfläche einer Bohrung der Mutter die entsprechenden keilförmigen Ausnehmungen angeordnet sind.
Strömungsmaschine nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kreiskeilverbindung zwischen einer Mutter und dem Verdichterrad ausgebildet ist.
Strömungsmaschine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdichterrad auf die Welle aufgeschoben ist, wobei an einem Abschnitt des Verdichterrads die keilförmigen Erhebungen und an einer Innenfläche einer Bohrung der Mutter die entsprechenden keilförmigen Ausnehmungen angeordnet sind, und wobei das Verdichterrad durch die Mutter radial stauchbar und so auf der Welle gegen Verdrehen fixierbar ist.