DE102007012641A1

DE102007012641A1 - Laufzeug für einen Abgasturbolader

Info

Publication number: DE102007012641A1
Application number: DE102007012641A
Authority: DE
Inventors: Peter Dipl.-Ing. Fledersbacher; Paul Dipl.-Ing. Löffler; Michael Dipl.-Ing. Scheydecker (Fh); Siegfried Dipl.-Ing. Sumser; Siegfried Dipl.-Ing. Weber
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2007-03-16
Filing date: 2007-03-16
Publication date: 2008-09-18
Also published as: US20100054944A1; EP2126284A1; JP5192497B2; JP2010521608A; WO2008113506A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Laufzeug für einen Abgasturbolader, wobei das Laufzeug (1) eine Welle (4) mit einer Drehachse (5), ein Turbinenrad (3) zur Expansion eines ersten gasförmigen Mediums und ein Verdichterrad (2) zur Kompression eines zweiten gasförmigen Mediums umfasst und das Turbinenrad (3) mit Hilfe der Welle (4) mit dem Verdichterrad (2) drehfest verbunden ist, wobei das Turbinenrad (3) aus einem Metallaluminid oder einer hochtemperaturfesten Titan-Legierung hergestellt ist und die Welle (4) insbesondere aus einer Eisen-Kohlenstoff-Legierung, welche einer Werkstoffzusammensetzung eines Strahls entspricht, ausgeführt ist. Erfindungsgemäß weist das Turbinenrad (3) eine das Turbinenrad (3) in Richtung der Drehachse (5) mindestens teilweise durchdringende Öffnung (6) auf, wobei das Turbinenrad (3) die Welle (4) mit Hilfe der Öffnung (6) aufnehmend ausgestaltet ist und mit Hilfe der Öffnung (6) die drehfeste Verbindung zwischen dem Turbinenrad (3) und der Welle (4) kraftschlüssig herstellbar ist. Die Erfindung wird überwiegend bei aufgeladenen Brennkraftmaschinen zur Leistungssteigerung eingesetzt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Laufzeug für einen Abgasturbolader gemäß dem Anspruch 1.
Aus der Patentschrift DE 10 2005 015 947 B3 ist ein Verfahren zur Verbindung eines ersten Bauteils aus einem Metallaluminid oder einer hochschmelzenden Ti-Legierung mit einem zweiten Bauteil aus Stahl bekannt, wobei die Verbindung durch einen Reibschweißvorgang hergestellt wird. Mit Hilfe eines nickelhaltigen Zwischenstücks können die beiden Bauteile durch einen einzigen Reibschweißvorgang stoffschlüssig verbunden werden. Kennzeichnend für die Verbindung ist das Vorhandensein zweier Fügestellen. Dieses Verfahren dient der Herstellung insbesondere eines Laufzeugs eines Abgasturboladers, welches ein Turbinenrad aus dem Metallaluminid oder der hochschmelzenden Ti-Legierung und eine Welle aus Stahl aufweist.
Der Vorteil eines aus einem Metallaluminid oder einer hochschmelzenden Ti-Legierung hergestellten Turbinenrades besteht in der Reduzierung des Massenträgheitsmomentes, wodurch das Ansprechverhalten eines Abgasturboladers wesentlich zu verbessern ist.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Laufzeug bereit zu stellen, welches eine drehzahlfeste und dauerhaltbare Verbindung zwischen einem Turbinenrad aus einem Metallaluminid oder einer hochschmelzenden Ti-Legierung und einer Welle aus Stahl auf weist.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Laufzeug nach Anspruch 1 gelöst. Das Laufzeug weist eine Welle, ein Turbinenrad zur Expansion eines ersten gasförmigen Mediums und ein Verdichterrad zur Kompression eines zweiten gasförmigen Mediums auf. Das Turbinenrad ist mit Hilfe der Welle mit dem Verdichterrad drehfest verbunden, wobei das Turbinenrad aus einem Metallaluminid oder einer hochtemperaturfesten Titan-Legierung hergestellt ist, und die Welle insbesondere aus einer Eisen-Kohlenstoff-Legierung, welche einer Werkstoffzusammensetzung eines Stahls entspricht, ausgeführt. Erfindungsgemäß weist das aus dem Metallaluminid oder einer hochschmelzenden Ti-Legierung aufgebauten Turbinenrad eine das Turbinenrad in Richtung einer Drehachse mindestens teilweise durchdringende Öffnung auf, wobei das Turbinenrad die Welle mit Hilfe der Öffnung aufnehmend ausgestaltet ist, und eine drehfeste Verbindung zwischen dem Turbinenrad und der Welle kraftschlüssig herstellbar ist.
Aufgrund der kraftschlüssig hergestellten drehfesten Verbindung zwischen dem Turbinenrad und der Welle des erfindungsgemäßen Laufzeugs ist die Betriebssicherheit eines Abgasturboladers, welcher ein reduziertes Massenträgheitsmoment und damit ein verbessertes Ansprechverhalten aufweist, zu realisieren.
In einer Ausgestaltung ist die drehfeste Verbindung mit Hilfe mindestens eines an einem zweiten Ende der Welle angeordneten Verspannelementes herstellbar. Zwischen einem ersten Ende der Welle und dem Turbinenrad ist dabei entweder eine kraftschlüssige Verbindung vorgesehen oder das erste Ende weist ein weiteres Verspannelement auf oder das erste Ende selbst ist in Form eines Verspannelementes ausgebildet. Vorteilhafterweise kann somit eine den Betriebsanforderungen entsprechende sichere kraftschlüssige Verbindung hergestellt werden, wobei eine Krafteinleitung an dem ersten Ende und/oder an dem zweiten Ende der Welle erfolgen kann.
Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungen der Erfindung sind den Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen.
Dabei zeigen:
1 In einem Längsschnitt ein erfindungsgemäßes Laufzeug in einer ersten Variante,
2 in einem Längsschnitt das Laufzeug in einer zweiten Variante, wobei ein Turbinenrad des Laufzeugs einen verlängerten Bund aufweist,
3 in einem Längsschnitt das Laufzeug in einer dritten Variante, wobei das Turbinenrad mit einer Hülse eine formschlüssige Verbindung aufweist,
4 in einem Längsschnitt das Laufzeug in einer vierten Variante, wobei das Turbinenrad eine Isolierhülse und eine Isolierscheibe aufweist und
5 in einem Längsschnitt das Laufzeug in einer fünften Variante, wobei die Welle im Turbinenrad kraftschlüssig aufgenommen ist.
In den Figuren sind gleiche oder gleich wirkende Bauteile mit denselben Bezugszeichen versehen.
In 1 ist in einem Längsschnitt eine erste Variante des erfindungsgemäßen Laufzeugs 1 dargestellt. Das Laufzeug 1 umfasst ein Verdichterrad 2 zum Ansaugen und Verdichten von Verbrennungsluft, ein Turbinenrad 3 zur Expansion von Abgas und eine das Verdichterrad 2 mit dem Turbinenrad 3 drehfest verbindende Welle 4 mit einer Drehachse 5.
Das Laufzeug 1 ist insbesondere für einen Abgasturbolader vorgesehen, welcher ein Gehäuse aufweist, das das Laufzeug 1 drehbar aufnimmt. Das Gehäuse umfasst einen Luftführungsabschnitt, einen Abgasführungsabschnitt und einen Lagerabschnitt, wobei das Verdichterrad 2 im Luftführungsabschnitt, das Turbinenrad 3 im Abgasführungsabschnitt und die Welle 4 im Lagerabschnitt drehbar gelagert sind.
Der Abgasturbolader dient der Leistungssteigerung einer Brennkraftmaschine. Üblicherweise weist die Brennkraftmaschine einen Ansaugstrang und einen Abgastrakt auf, wobei der Luftführungsabschnitt im Ansaugstrang und der Abgasführungsabschnitt im Abgastrakt angeordnet sind. Im Betrieb der Brennkraftmaschine wird das Turbinenrad 3 als Folge einer Beaufschlagung durch das Abgas der Brennkraftmaschine in eine Rotationsbewegung versetzt, wobei mit Hilfe der Welle 4 das Verdichterrad 2 ebenfalls in Rotation versetzt wird, so dass es Verbrennungsluft ansaugt und verdichtet.
Das Turbinenrad 3 ist aus einem Metallaluminid oder einer hochtemperaturfesten Titan-Aluminium-Legierung hergestellt. Der Vorteil dieser Werkstoffe liegt, neben einer geringen Wärmedehnung, in ihrem günstigen Festigkeits-Dichte-Verhältnis, das heißt, sie weisen bei kleiner Dichte eine hohe Festigkeit auf. Gegenüber einem aus beispielsweise dem üblichen Werkstoff Inconel 713 C hergestellten Turbinenrad 3, ist die Masse des Turbinenrades 3 um ca. die Hälfte zu reduzieren. Somit kann das Massenträgheitsmoment des Laufzeugs 1, welches das Ansprechverhalten des Abgasturboladers charakterisiert, wesentlich reduziert werden.
Das Turbinenrad 3 weist eine das Turbinenrad 3 in Richtung der Drehachse 5 vollständig durchdringende Öffnung 6 auf, welche die Welle 4 aufnehmbar ausgestaltet ist. Aufgrund der Öffnung 6 werden Fliehkräfte, die im Betrieb des Abgasturboladers auftreten und entsprechend ihrer Größe zur Deformation und letztendlich zum Bruch des Turbinenrades 3 führen können, nur in tangentialer Richtung an einer die Öffnung 6 an ihrem Umfang begrenzenden Oberfläche aufgenommen.
Das aus einem üblichen Werkstoff (z. B. Inconel 713 C) hergestellte Turbinenrad 3 würde bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung eine im Betrieb relativ geringe Lebensdauer aufweisen, da bedingt durch die große Masse, die aufgrund der Fliehkräfte auftretenden Spannungen in der Öffnung 6 so groß wären, dass die Festigkeitswerte des üblichen Werkstoffs für einen dauerhaften Betrieb zu gering wären. Die Fliehkräfte müssen bei einem aus einem üblichen Werkstoff hergestellten Turbinenrad 3 sowohl in radialer als auch in tangentialer Richtung aufnehmbar sein, da ansonsten der Betrieb des Abgasturboladers als Folge von Materialversagen des Laufzeugs 1 enden würde.
Die Welle 4 ist in der Öffnung 6 positioniert, wobei das Turbinenrad 3 an einem ersten Ende 7 der Welle 4 angeordnet ist und beispielsweise durch Aufpressen in Form einer Presspassung eine Verbindung mit der Welle 4 aufweist. Die Presspassung stellt bereits eine Form der kraftschlüssigen Verbindung dar, da die Verbindung zwischen der Welle 4 und dem Turbinenrad 3 mit Hilfe von Reibungskräften herbeigeführt ist.
Das Verdichterrad 2 ist an einem dem ersten Ende 7 gegenüberliegenden zweiten Ende 8 der Welle 4 positioniert. Auf der Welle 4 ist zwischen dem Turbinenrad 3 und dem Verdichterrad 2 eine Hülse 10 angeordnet, welche einer reibungsarmen Lagerung der Welle 4 im Lagerabschnitt dient.
Zur drehfesten Verbindung des Turbinenrades 3 mit dem Verdichterrad 2 weist die Welle 4 ein am zweiten Ende 8 angeordnetes Verspannelement 9 auf, wobei eine Krafteinleitung mit Hilfe eines Verspannelementes 9 vorgesehen ist.
Die Welle 4 ist in Form einer Kopfschraube ausgebildet, wobei das erste Ende 7 in Form eines weiteren Verspannelementes, dem Kopf der Kopfschraube ausgestaltet ist. Das Verspannelement 9 am zweiten Ende 8 ist in Form einer Mutter ausgebildet. Durch Einwirken einer Kraft auf die Mutter 9 ist die drehfeste Verbindung zwischen dem Turbinenrad 3, der Welle 4, der Hülse 10 und dem Verdichterrad 2 herstellbar.
Die Hülse 10 ist in Form eines Hohlzylinders ausgestaltet und weist an ihrem, dem Turbinenrad 3 zugewandt angeordneten Ende eine Verstärkung auf, in welcher eine ringförmige erste Ausnehmung 11 am Umfang der Hülse 10 angeordnet ist. Die Ausnehmung 11 dient insbesondere der Aufnahme von Dichtungselementen.
In einer zweiten Variante des Abgasturboladers gemäß 2 weist das Turbinenrad 3 an seinem Radrücken 12 einen verlängerten Bund 13 auf, wobei im Bund 13 die ringförmige erste Ausnehmung 11 angeordnet ist. Die Hülse 10 weist eine einfache zylindrische Form ohne Verstärkung auf.
Ein Vorteil der zweiten Variante ist darin zu sehen, dass die Hülse 10 mit einer geringen Wandstärke W auszugestalten ist, so dass selbst bei hohen Drehzahlen des Laufzeugs 1 eine geringe Dehnung der Hülse 10 aufgrund der Wärmeentwicklung im Betrieb des Laufzeugs 1 zu erwarten ist. Zusätzlich ist eine Temperaturbelastung am Bund 13 geringer, so dass eine verbesserte Zentrierung des Turbinenrades 3 zur Welle 4 ausgebildet ist.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist in der ersten Ausnehmung 11 ein ringförmiger Träger 14 in Form eines Ringträgers mit einem U-Profil positioniert, dessen Herstellung in einem Herstellungsprozess des Turbinenrades 3, beispielsweise in einem Gießverfahren, integrierbar ist. Dieser Ringträger 14 ist zur Reduzierung des Verschleißes vorgesehen und weist einen entsprechenden Werkstoff, beispielsweise Keramik, auf.
Zur Sicherstellung des Betriebs des Abgasturboladers ist eine möglichst geringe Unwucht des Laufzeugs 1 zu realisieren, welche durch eine Erhaltung der radialen Lage des Turbinenrades 3, der Welle 4, des Verdichterrades 2 und der Hülse 10 zueinander herstellbar ist. Die entsprechende Zentrierung ist in einer dritten Variante gem. 3 ausgebildet. Das Turbinenrad 3 weist an seinem Bund 13 einen Zentrierbund 15 auf, mit Hilfe dessen die Hülse 10 radial fixierbar ist. In der Hülse 10 ist an ihrem dem Zentrierbund 15 zugewandet angeordneten en Ende eine zweite Ausnehmung 16 ausgebildet, welche formschlüssig mit dem Zentrierbund 15 verbindbar ist.
Da Lagerstellen im Lagerabschnitt möglichst kühl zu halten sind, gilt es den Wärmetransport vom Turbinenrad 3 zur Welle 4 beziehungsweise zur Hülse 10 zu begrenzen. Zur Reduzierung des Wärmetransportes vom Turbinenrad 3 zur Hülse 10 ist zwischen einer vom Radrücken 12 abgewandt angeordneten ersten Fläche 17 des Zentrierbundes 15 und einer dem Radrücken 12 zugewandt angeordneten zweiten Fläche 18 der zweiten Ausnehmung 16 ein Luftspalt 19 vorgesehen.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist das dem Verdichterrad 2 zugewandt angeordnete Ende der Hülse 10 formschlüssig mit einem Lagerbund 25 des Verdichterrades 2 verbunden.
In einer vierten Variante gemäß 4 ist zur Wärmeisolierung und/oder zur Zentrierung in der Öffnung 6 eine sich entlang der Drehachse 5 erstreckende hohlzylinderförmige Isolierhülse 20 angeordnet. Die Isolierhülse 20 ist mit dem Turbinenrad 3 durch eine Presspassung drehfest verbunden. Die Welle 4 ist in der Isolierhülse 20 aufgenommen.
Die Anordnung einer ringförmigen Isolierscheibe 21 zwischen dem Bund 13 und der Hülse 10 bietet bei entsprechender Auswahl des Materials einen weiteren Effekt der thermischen Abkopplung des infolge des heißen Abgases beaufschlagten Turbinenrades 3 und der Hülse 10. Damit kann der Wärmeübergang zwischen dem Turbinenrad 3 und den kühl zu haltenden Lagerstellen im Lagerabschnitt klein gehalten werden. Da das erfindungsgemäße Laufzeug 1 sowohl für eine Gleit- als auch für einen Kugel- oder Luftlagerung im Abgasturbolader geeignet ist, ist insbesondere die Kühlung der Lagerstellen bei einer Kugel- oder Luftlagerung des Laufzeugs 1 wegen sehr kleinen Lagerspalten wichtig.
In einer fünften Variante gemäß 5 ist zwischen dem Turbinenrad 3 und der Welle 4 eine kraftschlüssige Verbindung vorgesehen. Die Welle 4 weist an ihrem ersten Ende 7 ein Gewinde 22 auf, wobei die Welle 4 vorzugsweise in Form einer Dehnschraube ausgebildet ist. Die Öffnung 6 ist in dem Turbinenrad 3 vom Bund 13 ausgehend in Richtung der Drehachse 5 das Turbinenrad 3 nur teilweise durchdringend ausgebildet. An einem dem Bund 13 gegenüberliegend angeordneten dritten Ende 23 der Öffnung 6 ist ein Gegengewinde 24 zur kraftschlüssigen Verbindung des Turbinenrades 3 mit der Welle 4 vorgesehen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102005015947 B3 [0002]

Claims

Laufzeug für einen Abgasturbolader, wobei das Laufzeug (1) eine Welle (4) mit einer Drehachse (5), ein Turbinenrad (3) zur Expansion eines ersten gasförmigen Mediums und ein Verdichterrad (2) zur Kompression eines zweiten gasförmigen Mediums umfasst, und das Turbinenrad (3) mit Hilfe der Welle (4) mit dem Verdichterrad (2) drehfest verbunden ist, wobei das Turbinenrad (3) aus einem Metallaluminid oder einer hochtemperaturfesten Titan-Legierung hergestellt ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Turbinenrad (3) eine das Turbinenrad (3) in Richtung der Drehachse (5) mindestens teilweise durchdringende Öffnung (6) aufweist, wobei das Turbinenrad (3) die Welle (4) mit Hilfe der Öffnung (6) aufnehmend ausgestaltet ist, und dass mit Hilfe der Öffnung (6) die drehfeste Verbindung zwischen dem Turbinenrad (3) und der Welle (4) kraftschlüssig herstellbar ist.
Laufzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die drehfeste Verbindung mit Hilfe mindestens eines an einem zweiten Ende (8) der Welle (4) angeordneten Verspannelementes (9) herstellbar ist, wobei zwischen einem ersten Ende (7) der Welle (4) und dem Turbinenrad (3) eine weitere kraftschlüssige Verbindung vorgesehen ist oder das erste Ende (7) ein weiteres Verspannelement (9) aufweist oder das erste Ende (7) in Form eines Verspannelementes (9) ausgebildet ist.
Laufzeug nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur axialen Verspannung des Turbinenrades (3) und des Verdichterrades (2) eine Krafteinleitung mit Hilfe des Verspannelementes (9) vorgesehen ist.
Laufzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Turbinenrad (3) an einem Radrücken (12) ein Bund (13) aufweist, wobei am Umfang des Bundes (13) eine ringförmige erste Ausnehmung (11) insbesondere zur Aufnahme von Dichtungselementen vorgesehen ist.
Laufzeug nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die ringförmige Ausnehmung (11) in einem ringförmigen Träger (14) angeordnet ist, welcher am Umfang des Bundes (13) positioniert ist.
Laufzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Turbinenrad (3) und dem Verdichterrad (2) eine die Welle (4) umfassende Hülse (10) angeordnet ist, wobei zur Fixierung der Hülse (10) an einem Radrücken (12) des Turbinenrades (3) ein Zentrierbund (15) vorgesehen ist.
Laufzeug nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Zentrierbund (15) und die Hülse (10) formschlüssig miteinander verbunden sind.
Laufzeug nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einer vom Radrücken (12) abgewandt angeordneten ersten Fläche (17) des Zentrierbundes (15) und einer dem Radrücken (12) zugewandt angeordneten zweiten Fläche (18) der Hülse (10) ein Luftspalt (19) vorgesehen ist.
Laufzeug nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass in der Öffnung (6) eine Isolierhülse (20) angeordnet ist und/oder dass zwischen einem Bund (13) des Turbinenrades (3) und der Hülse (10) eine Isolierscheibe (21) vorgesehen ist.
Laufzeug nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein am Verdichterrad (2) vorgesehener Lagerbund (25) eine formschlüssige Verbindung zur Fixierung mit einem dem Lagerbund (25) zugewandt angeordneten Ende der Hülse (10) aufweist.
Abgasturbolader mit einem Laufzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 10.
Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader nach Anspruch 11.