DE102007007509A1 - Turbine - Google Patents
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- F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
- F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
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- F05D2220/40—Application in turbochargers
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- F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
- F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
- F05D2300/00—Materials; Properties thereof
- F05D2300/50—Intrinsic material properties or characteristics
- F05D2300/502—Thermal properties
- F05D2300/5021—Expansivity
- F05D2300/50212—Expansivity dissimilar
Abstract
Bei einer Turbine, insbesondere für einen Abgasturbolader, soll eine kraftschlüssige dauerhafte Verbindung zwischen Turbinenrad und Welle geschaffen werden, die auch bei hohen Temperaturen und hohen Fliehkräften die notwendige Festigkeit gewährleistet, die außerdem im Fertigungsprozess keine Veränderung der Werkstoffeigenschaften herbeiführt und darüber hinaus den Fertigungsaufwand reduziert. Hierzu werden für die Welle und das Turbinenrad geeignete Werkstoffe mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten gewählt, so dass der Wärmeausdehnungskoeffizient der Welle höher ist als derjenige des Turbinenrads. Unter Einwirkung hoher Temperaturen im Betrieb des Abgasturboladers dehnt sich somit die Welle in höherem Maße aus als das Turbinenrad, so dass die beiden Bauteile umso stärker zusammengepresst werden, je höher die einwirkende Temperatur ist. Dadurch wird bereits allein durch den Quer-Pressverband eine starke formschlüssige Verbindung erreicht.
Description
- Die Erfindung betrifft eine Turbine, insbesondere zum Einsatz in einem Abgasturbolader gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
- Üblicherweise wird bei einer abgasseitigen Turbine in einem Abgasturbolader die Verbindung von Welle und Turbinenrad, die beide aus metallischen Werkstoffen bestehen, mittels Schweißen oder Löten hergestellt. Die Nachteile einer solchen Verbindung liegen zum einen darin, dass zum Zusammenfügen der beiden Teile ein zusätzlicher kostenintensiver Arbeitsschritt notwendig ist, und zum anderen führt der Wärmeeintrag beim Fügen zu Veränderungen der Werkstoffeigenschaften und damit zu geringeren Festigkeiten der Bauteile im Bereich der Fügestelle.
- Bei Verbindungen von Welle und Verdichterrad werden bei Quer-Preßverbänden bisher zusätzliche axiale Fixierungen oder Verspannungen verwendet. Da das Turbinenrad eines Abgasturboladers wesentlich höheren Temperaturen ausgesetzt ist als das von Frischluft umspülte Verdichterrad, sind für das Verdichterrad bekannte Konstruktionen nicht ohne weiteres auch bei einem Turbinenrad anwendbar.
- Aus der
DE 197 36 333 C1 ist eine Befestigung eines Verdichterrades an einer Welle bekannt, bei der die Nabe des Verdichterrads mittels eines Preßsitzes über eine zylindrische Hülse mit der Welle verbunden ist. Diese Hülse trägt auf einem Teil ihrer Länge das Verdichterrad und ist auf einem anderen Teil ihrer Länge auf der Welle gelagert. Um eine axiale Verschiebung des Verdichterrades einschließlich der Hülse auf der Welle zu verhindern, wird weiter eine Dehnschraube eingesetzt, die in die Stirnseite des Wellenzapfens greift. Mit dieser Anordnung wird zwar ein sicherer Sitz zwischen Verdichterradnabe und Welle erreicht, jedoch wird ein höherer Montageaufwand durch die zusätzliche Hülse benötigt. Zudem treten auf der Turbinenseite wie bereits erwähnt höhere Temperaturen als auf der Verdichterseite auf, die das bereits inDE 197 36 333 C1 erwähnte Problem der Nabenaufweitung bei erhöhter Temperatur erheblich verschärfen. - Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine kraftschlüssige dauerhafte Verbindung zwischen Turbinenrad und Welle zu schaffen, die auch bei hohen Temperaturen und hohen Fliehkräften die notwendige Festigkeit gewährleistet, die außerdem im Fertigungsprozess keine Veränderung der Werkstoffeigenschaften herbeiführt und darüber hinaus den Fertigungsaufwand reduziert.
- Das Turbinenrad eines Abgasturboladers ist mit der Welle mittels eines Quer-Pressverbands verbunden. Erfindungsgemäß besitzt das für das Turbinenrad verwendete Material einen geringeren Wärmeausdehnungskoeffizienten als das Material der Welle. Eine Temperaturerhöhung führt somit nicht zu einer Lockerung, sondern zu einer Verfestigung des Sitzes des Turbinenrades an der Welle. Zusätzliche Maßnahmen zur Sicherung des Turbinenrades an der Welle sind nicht zwingend notwendig.
- Die kraftschlüssige Verbindung der beiden Komponenten kann mittels einer entsprechenden Übermaßpassung zwischen Wellenaußendurchmesser und Turbinenradinnendurchmesser realisiert werden.
- Zum Verbinden der beiden Bauteile kann die Welle abgekühlt und/oder das Turbinenrad erwärmt werden, in einer Weise, die ein kraftfreies Fügen ermöglicht. Alternativ können die beiden Bauteile durch die Anwendung einer axial gerichteten Kraft verpresst werden. Weiterhin kann auch eine Kombination von Temperatur und Druck eingesetzt werden, um ein optimales Fügen der Komponenten zu erzielen.
- Bei allen erfindungsgemäßen Ausführungen ist die Wahl der geeigneten Werkstoffpaarung für Turbinenrad und Welle entscheidend, um allzu große Spannungen in den Bauteilen aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnungen und der im Betrieb entstehenden Fliehkräfte zu vermeiden.
- In einer optimalen Werkstoffkombination hat die Welle einen Wärmeausdehnungskoeffizienten, der zwischen dem 1,5-fachen und 2-fachen desjenigen des Turbinenrads liegt.
- Dies ist vorteilhafterweise dann der Fall, wenn die Welle aus einem metallischen Werkstoff und das Turbinenrad aus einem keramischen Werkstoff, wie zum Beispiel Titan-Aluminid besteht. Titanaluminid ist eine intermetallische Verbindung, die jeweils etwa 50% Titan und 50% Aluminium enthält und ggf. diverse Legierungselemente in kleinen Anteilen enthalten kann.
- In weiteren vorteilhaften Ausgestaltungen der Erfindung kann die Welle im Bereich der Fügung zylindrisch oder konisch ausgeformt sein, zusätzlich kann sie auch einen Absatz aufweisen, der durch Kontakt mit einem komplementären Absatz der axialen Bohrung des Turbinenrades eine axiale Position des Turbinenrades an der Welle definiert. Zur Zentrierung des Turbinenrads kann ein Wellenabsatz oder -konus dienen. In
1 ist hierfür ein Wellenabsatz am Rücken des Turbinenrads vorgesehen. - Zudem können die Bauteile im Bereich des Quer-Pressverbands zusätzlich noch verklebt werden, um eine noch weiter erhöhte Sicherheit gegen ein Lösen oder Verdrehen des Turbinenrads zu erzielen. Außerdem kann der Quer-Preßverband darüber hinaus noch mit einem Längs-Preßverband überlagert werden. Dieser kann durch eine Verschraubung des Turbinenrads gegen den Wellenansatz realisiert werden, zum Beispiel mittels einer Mutter, die am Wellen- bzw. Turbinenradende angebracht wird.
- Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügte Figur.
-
1 zeigt einen Querschnitt durch Turbinenrad und Welle eines Abgasturboladers, die mittels eines Quer-Pressverbands zusammengefügt sind, gemäß einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung. -
2 zeigt ebenfalls einen Querschnitt durch Turbinenrad und Welle eines Abgasturboladers, die mittels eines Quer-Pressverbands zusammengefügt sind, wobei zusätzlich mittels einer Mutter am Wellenende ein Längs-Preßverband bewirkt wird, gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführung der Erfindung. - Der grundsätzliche Aufbau und die Funktionsweise eines Abgasturboladers werden als bekannt angesehen, und werden daher im vorliegenden Zusammenhang nicht näher erläutert.
- Der in
1 dargestellte Ausschnitt eines Abgasturboladers zeigt eine Welle2 , die ein Turbinenrad1 trägt. Durch den dargestellten Wellenabsatz3 ist die Position des Turbinenrads1 relativ zur Welle2 in axialer Richtung bestimmt. Welle2 und Turbinenrad1 sind von einem hier nicht dargestellten Gehäuse umgeben, in das den Turbolader antreibendes Abgas über eine zur Welle2 radiale/senkrechte Öffnung einströmt und in der1 nach links ausströmt. - Die Welle
2 besteht aus einem metallischen Werkstoff, hier einem austenitischen Stahl, während das Turbinenrad1 aus einem keramischen Werkstoff, hier Titanaluminid, besteht. Durch den höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten des metallischen Werkstoffs im Vergleich zum keramischen Werkstoff dehnt sich die Welle2 unter Einwirkung hoher Temperaturen im Betrieb des Abgasturboladers in höherem Maße aus als das Turbinenrad1 , so dass die beiden Bauteile umso stärker zusammengepresst werden, je höher die einwirkende Temperatur ist. So wird ein Quer-Pressverband4 erhalten, der Welle und Turbinenrad1 reibschlüssig fest verbindet. - Ein an der Welle
2 geformter Absatz3 definiert eine Anschlagposition, bis zu der beim Zusammenbau des Abgasturboladers das Turbinenrad1 auf die Welle2 aufgeschoben werden kann. - Die in
2 gezeigte Ausgestaltung des Abgasturboladers unterscheidet sich von derjenigen der1 dadurch, dass an dem der Abgasauslassöffnung zugewandten freien Ende der Welle2 ein Gewinde5 gebildet ist. Eine auf das Gewinde5 aufgeschraubte Mutter6 hält das Turbinenrad1 gegen den Absatz3 gedrückt und bildet so zusätzlich einen Längspressverband. - Durch die beschriebenen erfindungsgemäßen Merkmale wird ein formschlüssiger, mechanisch und thermisch hoch belastbarer Verbund aus Welle
2 und Turbinenrad1 hergestellt, der eine höhere Bauteilfestigkeit bei größerer Last erzielt und zudem keine Veränderungen der Werkstoffeigenschaften im Bereich der Fügestelle nach sich zieht. Als zusätzliche Vorteile ergeben sich durch die Einsparung eines Schweiß- bzw. Lötprozesses kürzere Fertigungszeiten und geringere Herstellungskosten. - ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
- Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
- Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 19736333 C1 [0004, 0004]
Claims (5)
- Turbine, insbesondere für einen Abgasturbolader, mit einer Welle (
2 ) und einem quer-pressverbundenen Turbinenrad (1 ), dadurch gekennzeichnet, dass das Turbinenrad (1 ) einen geringeren Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzt als die Welle (2 ). - Turbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeausdehnungskoeffizient der Welle (
2 ) zwischen dem 1,5-fachen und 2-fachen des Wärmeausdehnungskoeffizienten des Turbinenrads (1 ) liegt. - Turbine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (
2 ) aus einem metallischen Werkstoff und das Turbinenrad (1 ) aus einem keramischen Werkstoff besteht. - Turbine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Turbinenrad (
1 ) aus Titan-Aluminid besteht. - Turbine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Turbinenrad (
1 ) an der Welle (2 ) zusätzlich längsverpresst ist.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE200710007509 DE102007007509B4 (de) | 2007-02-15 | 2007-02-15 | Turbine |
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DE200710007509 DE102007007509B4 (de) | 2007-02-15 | 2007-02-15 | Turbine |
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DE102007007509A1 true DE102007007509A1 (de) | 2008-08-21 |
DE102007007509B4 DE102007007509B4 (de) | 2009-02-26 |
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ID=39628018
Family Applications (1)
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DE (1) | DE102007007509B4 (de) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102008059617A1 (de) * | 2008-11-28 | 2010-06-02 | Bosch Mahle Turbo Systems Gmbh & Co. Kg | Rotor für einen Abgasturbolader |
CN105298547A (zh) * | 2014-07-09 | 2016-02-03 | 博世马勒涡轮系统有限两合公司 | 排气涡轮增压器的涡轮以及相关生产方法 |
DE102020118279B3 (de) | 2020-07-10 | 2021-07-22 | Gottfried Wilhelm Leibniz Universität Hannover, Körperschaft des öffentlichen Rechts | Verbindung zweier Bauteile mittels Passungen |
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2007
- 2007-02-15 DE DE200710007509 patent/DE102007007509B4/de not_active Revoked
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Legal Events
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---|---|---|---|
OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
8363 | Opposition against the patent | ||
R037 | Decision of examining division/fpc revoking patent now final |
Effective date: 20131203 |
|
R107 | Publication of grant of european patent rescinded |
Effective date: 20140306 |