DE102007007509B4

DE102007007509B4 - Turbine

Info

Publication number: DE102007007509B4
Application number: DE200710007509
Authority: DE
Inventors: Rudolf Dipl.-Ing. Reinhardt (Fh); Martin Dipl.-Ing. Dr. Schlegl; Steffen Dipl.-Ing. Schmitt
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2007-02-15
Filing date: 2007-02-15
Publication date: 2009-02-26
Anticipated expiration: 2027-02-16
Also published as: DE102007007509A1

Abstract

Turbine, insbesondere für einen Abgasturbolader, mit einer Welle (2) und einem quer-pressverbundenen Turbinenrad (1),
wobei das Turbinenrad (1) einen geringeren Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzt als die Welle (2), dadurch gekennzeichnet,
dass das Turbinenrad (1) aus Titan-Aluminid besteht.

Description

Die Erfindung betrifft eine Turbine, insbesondere zum Einsatz in einem Abgasturbolader gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Eine solche Turbine ist z. B. aus DE 69114410 T2 bekannt. Aus der DE 2734747 A1 ist ein an einer Welle zusätzlich längsverpresstes Turbinenrad bekannt.
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 in DE 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 Titan-Aluminid 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 dem keramischen Werkstoff 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 Welle 2, die ein Turbinenrad 1 trägt. Durch den dargestellten Wellenabsatz 3 ist die Position des Turbinenrads 1 relativ zur Welle 2 in axialer Richtung bestimmt. Welle 2 und Turbinenrad 1 sind von einem hier nicht dargestellten Gehäuse umgeben, in das den Turbolader antreibendes Abgas über eine zur Welle 2 radiale/senkrechte Öffnung einströmt und in der 1 nach links ausströmt.
Die Welle 2 besteht aus einem metallischen Werkstoff, hier einem austenitischen Stahl, während das Turbinenrad 1 aus dem keramischen Werkstoff Titanaluminid besteht. Durch den höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten des metallischen Werkstoffs im Vergleich zum keramischen Werkstoff dehnt sich die Welle 2 unter Einwirkung hoher Temperaturen im Betrieb des Abgasturboladers in höherem Maße aus als das Turbinenrad 1, so dass die beiden Bauteile umso stärker zusammengepresst werden, je höher die einwirkende Temperatur ist. So wird ein Quer-Pressverband 4 erhalten, der Welle und Turbinenrad 1 reibschlüssig fest verbindet.
Ein an der Welle 2 geformter Absatz 3 definiert eine Anschlagposition, bis zu der beim Zusammenbau des Abgasturboladers das Turbinenrad 1 auf die Welle 2 aufgeschoben werden kann.
Die in 2 gezeigte Ausgestaltung des Abgasturboladers unterscheidet sich von derjenigen der 1 dadurch, dass an dem der Abgasauslassöffnung zugewandten freien Ende der Welle 2 ein Gewinde 5 gebildet ist. Eine auf das Gewinde 5 aufgeschraubte Mutter 6 hält das Turbinenrad 1 gegen den Absatz 3 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 Turbinenrad 1 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.

Claims

Turbine, insbesondere für einen Abgasturbolader, mit einer Welle (2) und einem quer-pressverbundenen Turbinenrad (1), wobei das Turbinenrad (1) einen geringeren Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzt als die Welle (2), dadurch gekennzeichnet, dass das Turbinenrad (1) aus Titan-Aluminid besteht.
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) an der Welle (2) zusätzlich längsverpresst ist.