DE102015116019A1

DE102015116019A1 - Turbine mit Keramik-Turbinenrotor

Info

Publication number: DE102015116019A1
Application number: DE102015116019.6A
Authority: DE
Inventors: Maximilian Wutzow
Original assignee: MP-ENGINEERING GmbH
Current assignee: MP-ENGINEERING GmbH
Priority date: 2015-09-22
Filing date: 2015-09-22
Publication date: 2017-03-23
Also published as: WO2017050931A1; EP3353383A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Läufer 1 für eine Turbine, insbesondere einen Turbolader 100. Der Läufer 1 umfasst einen aus Keramik hergestellten Turbinenrotor 2 sowie eine aus Metall hergestellte Welle 3, wobei die Welle 3 einen Hohlzylinderabschnitt 31 aufweist, wobei der Turbinenrotor 2 ein Turbinenrad 26 und einen Zylinderabschnitt 21 aufweist, der in dem Hohlzylinderabschnitt 31 angeordnet und zu diesem fixiert ist, wobei sich der Läufer 1 in einer axialen Richtung von seiner Turbinenseite A, die durch den Turbinenrotor 2 gebildet ist, bis zu seiner Arbeitsseite B, die durch die Welle 3 gebildet ist. Der Läufer 1 weist an seiner Arbeitsseite B ein Außengewinde 32 zum Aufschrauben einer Mutter 8 sowie eine von der Arbeitsseite B aus zugängliche Fixiereinrichtung 33 auf, die in der Welle 3 integriert ist und zum Fixieren des Läufers 1 von der Arbeitsseite B aus während des Aufschraubens der Mutter 8 ausgebildet ist, wobei die Fixiereinrichtung 33 insbesondere eine Länge in der axialen Richtung aufweist, die mindestens dem Durchmesser des Außengewindes 32 der Welle 3 entspricht.

Description

Die Erfindung betrifft einen Läufer für eine Turbine, insbesondere für einen Turbolader, gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 sowie eine Turbine mit einem solchen Läufer und Verfahren zur Herstellung eines solchen Läufers und einer solchen Turbine.
Die Erfindung betrifft einen Läufer, der für den Einsatz in einer Turbine geeignet ist. Der Läufer ist somit zur Realisierung einer solchen Turbine geeignet. Der Läufer umfasst ein Turbinenrad und eine am Turbinenrad verdrehfest fixierte Welle. Bei der Realisierung einer Turbine wird ein Arbeitselement auf die Welle des Läufers geschoben und daran fixiert. Das Grundprinzip einer jeden Turbine besteht dabei darin, dass sie an ihrer Turbinenseite das Turbinenrad und an ihrer Arbeitsseite das Arbeitselement aufweist, wobei das Turbinenrad und das Arbeitselement über die Welle zueinander verdrehfest miteinander verbunden sind. Die Turbine wird bestimmungsgemäß so zu einem Gasstrom angeordnet, dass der Gasstrom über das Turbinenrad geleitet wird. Das Turbinenrad ist so ausgebildet, dass es durch den Gasstrom in Rotation versetzt wird und über die Welle das Arbeitselement antreibt.
Beispielsweise sind Radialturbinen bekannt, bei denen das Turbinenrad so ausgebildet ist, dass der Gasstrom dem Turbinenrad in radialer Richtung zuzuführen ist und in axialer Richtung aus dem Turbinenrad austritt zum Antreiben der Turbine. Beispielsweise sind Axialturbinen bekannt, bei denen das Turbinenrad so ausgebildet ist, dass der Gasstrom in axialer Richtung auf das Turbinenrad zu leiten ist zum Antreiben des Turbinenrads. Es sind auch Axial-Radial-Turbinen bekannt, bei denen das Turbinenrad so ausgebildet ist, dass zum Antreiben der Turbine der Gasstrom in radialer Richtung auf das Turbinenrad zu leiten ist und mit einer erheblichen axialen Komponente aus dem Turbinenrad austritt, wobei das Turbinenrad sowohl durch den radialen Gasstrom als auch durch die axiale Komponente des ausströmenden Gasstroms angetrieben wird. Die axiale Richtung bezieht sich dabei auf die Achse, um die das Turbinenrad drehbar gelagert ist. Das Arbeitselement ist häufig als Kompressorrad ausgebildet, durch das Luft komprimiert werden kann, beispielsweise Ansaugluft, die einem Motor zugeführt wird. Es sind jedoch auch Turbinen wie beispielsweise Propellerturbinen, Turboprops oder Stromerzeugungsturbinen bekannt, bei denen das Arbeitselement als Propeller bzw. Rotor eines Stromgenerators ausgebildet sein kann.
Beispielsweise kann die Turbine als ein Turbolader ausgebildet sein. Bei einem Turbolader ist das Arbeitselement als Kompressorrad ausgebildet. Turbolader werden zur Effizienzsteigerung von Verbrennungsmotoren eingesetzt, beispielsweise bei Verbrennungsmotoren von Kraftfahrzeugen, Flugzeugen oder anderen Maschinenantrieben. Zumeist sind solche Turbolader als Radialturbine ausgebildet. Turbinenrad und Kompressorrad sind über eine Welle miteinander verbunden. Der Turbolader wird bestimmungsgemäß so relativ zum Motor angeordnet, dass Abgase von dem Motor auf das Turbinenrad geleitet werden und das Turbinenrad zu einer Rotation antreiben. Entsprechend rotiert das mit dem Turbinenrad verbundene Kompressorrad und komprimiert dadurch die dem Motor zugeführte Ansaugluft. Von seinem Grundprinzip her nutzt der Turbolader somit die in den Motorabgasen enthaltene Energie, indem sie durch die Turbinenrad in Rotationsenergie umgewandelt wird, mit der dann der Kompressor die Luftzufuhr zum Motor und somit die Effizienz/Leistung des Motors verbessert.
Gattungsgemäße Turbinen weisen eine Rumpfgruppe auf, die ein Gehäuse und ein zum Gehäuse verdrehbar gelagertes Laufzeug umfasst. Das Laufzeug umfasst den Läufer und das Arbeitselement, wobei Läufer und Arbeitselement verdrehfest miteinander verbunden sind. Der Läufer umfasst Welle und Turbinenrad. Gattungsgemäße Turbolader weisen eine solche Rumpfgruppe, ein Turbinengehäuse und ein Kompressorgehäuse auf. Das Turbinengehäuse ist an der Turbinenseite der Rumpfgruppe angeordnet und dazu ausgebildet, die von dem Motor strömenden Abgase auf das Turbinenrad zu leiten zum Gewährleisten eines möglichst effizienten Antriebs des Turbinenrads durch die Abgase. Das Kompressorgehäuse ist an der Arbeitsseite, auch genannt Kompressorseite, der Rumpfgruppe angeordnet und dazu ausgebildet, von dem Kompressorrad komprimierte Luft möglichst effizient dem Motor zuzuführen.
Gattungsgemäße Läufer weisen bei ihrem Einsatz in Turboladern oder anderen Turbinen hohe Drehzahlen von oftmals weit über 50.000 Umdrehungen pro Minute auf. Daher ist die dauerhafte Gewährleistung einer sehr guten Lagerung des Laufzeugs zum Gehäuse der Rumpfgruppe einer Turbine erforderlich. Darüber hinaus ist für ein möglichst gutes Ansprechverhalten wünschenswert, dass der Läufer ein möglichst geringes Trägheitsmoment aufweist. Außerdem müssen Läufer so ausgebildet sein, dass die extrem hohen Gastemperaturen von oftmals weit über 800°C, die an dem Turbinenrad anliegen, keine Beschädigungen des Turbinenrads hervorrufen. Ferner sind gattungsgemäße Läufer und gattungsgemäße Turbinen stets vor dem Hintergrund einer Serienproduktion zu konstruieren, wodurch besondere Anforderungen an die Einfachheit der Herstellung und Montage gestellt sind.
Herkömmliche Läufer und herkömmliche Turbinen werden zumindest nicht allen an sie gestellten beschriebenen Anforderungen in ausreichendem Maße gerecht. Zwar sind beispielsweise Turbinen bekannt, deren Läufer eine Welle aus Stahl und ein Turbinenrad aus einer hochtemperaturbeständigen Metalllegierung, wie beispielsweise einer zum Anmeldetag als Inconel-Legierung (z. B. Inconel 713C) oder einer als MAR-Legierung bekannten Legierung, umfasst. Dadurch kann einer Beschädigung des Turbinenrads durch heiße Gasströme effektiv vorgebeugt sein. Allerdings weisen solche hochtemperaturbeständigen Legierungen eine hohe Dichte auf, was nachteilig für das Trägheitsmoment des Läufers und somit das Ansprechverhalten der Turbine ist. Auch erfolgt bei gattungsgemäßen Turbinen aufgrund der Ausgestaltung gattungsgemäßer Läufer ein erheblicher Wärmeeintrag von dem an dem Turbinenrad strömenden Gasstrom in das Gehäuse der Rumpfgruppe der Turbine, so dass aufwendige Kühlungsmaßnahmen des Gehäuses, wie beispielsweise das Vorsehen einer gesonderten Wasserkühlung in dem Gehäuse, erforderlich sind. Dies gilt insbesondere für als Turbolader ausgebildete Turbinen, die bei Verbrennungsmotoren zum Einsatz kommen. Solche Turbolader werden üblicherweise durch das Motoröl des Verbrennungsmotors an ihren Lagerstellen, über die das Laufzeug zum Gehäuse verdrehbar gelagert ist, geschmiert und dabei gekühlt. Zudem ist üblicherweise eine gesonderte Wasserkühlung zum Kühlen des Turboladers vorgesehen. Beim Abschalten des Verbrennungsmotors endet die Kühlung durch das Motoröl jedoch abrupt. Daher sind entsprechende Kühlungsmaßnahmen, beispielsweise eine entsprechend ausgelegte Wasserkühlung, erforderlich, damit die Rumpfgruppe nach dem Abstellen des Turboladers bei heiß gelaufenem Motor keinen Schaden nimmt, beispielsweise durch Lagerverkokung durch Verkoken von zu heiß gewordenem Motoröl an der Lagerstelle, die der Turbinenseite am nächsten liegt.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Läufer für eine Turbine bereitzustellen, der die Realisierung einer Turbine erlaubt und zumindest eines der obengenannten Probleme zumindest teilweise behebt. Ferner liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Turbine bereitzustellen, die zumindest eines der obengenannten Probleme zumindest teilweise behebt. Ferner liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Läufers und ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Turbine bereitzustellen.
Als eine Lösung zumindest einer der vorgenannten der Erfindung zugrundeliegenden Aufgaben schlägt die Erfindung einen Läufer mit den Merkmalen von Anspruch 1 vor. Der Läufer ist für die Verwendung in einer Turbine, insbesondere in einem Turbolader geeignet. Der Läufer umfasst einen aus Keramik hergestellten Turbinenrotor sowie eine aus Metall hergestellte Welle. Als Keramik ist besonders bevorzugt eine Siliziumnitrid-Keramik (Si₃N₄) vorgesehen, da eine solche Keramik eine hohe Festigkeit aufweist. Beispielsweise ist zum Anmeldetag eine solche Keramik von dem Hersteller FCT unter der Materialbezeichnung „SN-Pu” bekannt. Es sind jedoch auch andere geeignete Siliziumnitrid-Keramiken von anderen Herstellern mit ähnlichen Materialeigenschaften bekannt. Die Welle kann aus bei herkömmlichen Turboladern für die Welle verwendetem Metall hergestellt sein, beispielsweise aus unter der Bezeichnung „42CrMo4” oder „31CrMoV9” bekanntem oder ähnlichem Stahl. Die Welle weist einen Hohlzylinderabschnitt auf. Der Turbinenrotor weist ein Turbinenrad und einen Zylinderabschnitt auf. Das Turbinenrad ist axial – bezogen auf die Achse des Zylinderabschnitts – neben dem Zylinderabschnitt angeordnet. Der Zylinderabschnitt des Turbinenrotors ist in dem Hohlzylinderabschnitt der Welle angeordnet und zu diesem fixiert. Bevorzugt fallen die Achsen des Zylinderabschnitts und des Hohlzylinderabschnitts zusammen. Die Fixierung zwischen Zylinderabschnitt und Hohlzylinderabschnitt ist bevorzugt so ausgebildet, dass Zylinderabschnitt und Hohlzylinderabschnitt positionsfest zueinander fixiert sind, so dass sie bei dem bestimmungsgemäßen Einsatz des Läufers keine Relativbewegung zueinander ausführen können. Die Fixierung zwischen Hohlzylinderabschnitt und Zylinderabschnitt kann beispielsweise durch Verlöten, Verkleben oder Aufschrumpfen des Hohlzylinderabschnitts auf den Zylinderabschnitt erfolgen. Der Läufer erstreckt sich in einer axialen Richtung, die bevorzugt mit den Achsen von Zylinderabschnitt und Hohlzylinderabschnitt zusammenfällt, von seiner Turbinenseite, die durch den Turbinenrotor gebildet ist, bis zu seiner Arbeitsseite, die durch die Welle gebildet ist. Der Läufer weist somit eine Turbinenseite und eine Arbeitsseite auf, die den Läufer in der axialen Richtung begrenzen. Das axiale Ende an der Turbinenseite ist durch den Turbinenrotor gebildet, das axiale Ende des Läufers an der Arbeitsseite durch die Welle.
Erfindungsgemäß weist der Läufer von der Arbeitsseite aus ein Außengewinde zum Aufschrauben einer Mutter sowie eine von der Arbeitsseite aus zugängliche Fixiereinrichtung auf, die in der Welle integriert ist und zum drehfesten Fixieren des Läufers von der Arbeitsseite aus während des Aufschraubens der Mutter ausgebildet ist. Je nach vorgesehener Drehrichtung des Läufers kann das Außengewinde als Links- oder Rechtsgewinde ausgebildet sein. Besonders bevorzugt weist die Fixiereinrichtung eine Länge in der axialen Richtung auf, die mindestens dem Durchmesser des Außengewindes der Welle entspricht, wobei hier selbstverständlich der Außendurchmesser gemeint ist. Die Fixiereinrichtung ist insbesondere integral einstückig mit der Welle hergestellt. Insbesondere ist die axiale Erstreckung des Außengewindes auf einen Bereich außerhalb der Fixiereinrichtung beschränkt. Die Fixiereinrichtung weist somit insbesondere kein Außengewinde auf. Insbesondere ist das Außengewinde durch die Fixiereinrichtung von der Arbeitsseite des Läufers axial beabstandet. Insbesondere liegt die Fixiereinrichtung an der Arbeitsseite und das Außengewinde an der Fixiereinrichtung an. Insbesondere ist der maximale Durchmesser senkrecht zur axialen Richtung der Fixiereinrichtung kleiner als der Außendurchmesser des Außengewindes. Die Fixiereinrichtung kann beispielsweise als Zapfen ausgebildet sein, der von der Welle umfasst ist und zur Arbeitsseite hin neben dem Außengewinde angeordnet ist. An einem solchen Zapfen kann dann ein entsprechend ausgebildetes Fixierwerkzeug angesetzt werden, mit dem die Welle verdrehfest gehalten wird, während eine Mutter auf das Außengewinde aufgeschraubt wird. Beispielsweise kann ein solcher Zapfen einen Querschnitt senkrecht zur axialen Richtung mit einer Ellipsenform, einer Polygonform, einer Form mit regelmäßigem Vielkant, insbesondere Achtkant, Sechskant oder Vierkant, aufweisen, wobei als Fixierwerkzeug ein Werkzeug mit einer Ausnehmung mit korrespondierendem Querschnitt verwendet werden kann. Beispielsweise kann der Zapfen auch einen kreisrunden Querschnitt aufweisen und durch spezielle Fixierwerkzeuge, wie beispielsweise Klemmfixierwerkzeuge, festgehalten werden. Beispielsweise kann die Fixiereinrichtung auch durch einen Schlitz oder Kreuzschlitz an der Arbeitsseite der Welle realisiert sein, in die ein entsprechender Schraubenzieher eingreifen kann. Beispielsweise kann die Fixiereinrichtung durch eine radial innerhalb der Welle und axial über einen bestimmten Längenbereich verlaufende Aushöhlung mit bestimmtem Querschnitt, beispielsweise ovalem, polygonförmigem, regelmäßigem Vielkant, insbesondere Achtkant-, Sechskant- oder Vierkantquerschnitt, realisiert sein, in die dann ein Fixierwerkzeug mit einem korrespondierenden Querschnitt eingeführt werden kann zum drehfesten Fixieren der Welle von der Arbeitsseite aus, während die Mutter auf das Außengewinde aufgeschraubt wird. Wesentlich ist, dass die Fixiereinrichtung an der Arbeitsseite der Welle vorgesehen ist und von der Arbeitsseite aus zugänglich ist, während die Mutter auf das Außengewinde geschraubt wird, so dass die Welle und somit der Läufer von der Arbeitsseite aus verdrehfest über ein Fixierwerkzeug fixiert werden kann, während die Mutter auf das Außengewinde aufgeschraubt wird.
Der Erfinder hat erkannt, dass das Vorsehen eines Keramik-Turbinenrotors wesentliche Vorteile mit sich bringt. Zum einen weist Keramik eine wesentlich geringere Dichte auf als herkömmlicherweise verwendete hochtemperaturbeständige Metalllegierungen, in einer Ausführungsform nur ca. 60% der Dichte einer herkömmlichen Inconel-Legierung, wodurch das Trägheitsmoment des Läufers verringert wird und somit das Ansprechverhalten einer Turbine mit einem erfindungsgemäßen Läufer erheblich verbessert werden kann im Vergleich zu dem Ansprechverhalten herkömmlicher Turbinen. Insbesondere hat der Erfinder erkannt, dass gleichzeitig die Temperaturbeständigkeit des Turbinenrads durch das Vorsehen eines Keramik-Turbinenrotors wesentlich verbessert werden kann. Während üblicherweise für das Turbinenrad eingesetzte Metalllegierungen, wie beispielsweise Inconel oder MAR eine Temperaturbeständigkeit bis zu einer Temperatur von ca. 950°C (Inconel) bzw. ca. 1050°C (MAR) aufweisen, weisen Keramiken eine deutlich verbesserte Temperaturbeständigkeit auf, insbesondere eine Temperaturbeständigkeit bis zu Temperaturen von 1200°C. Erfindungsgemäße Läufer können somit wesentlich höheren Temperaturen an ihrer Turbinenseite ausgesetzt werden, ohne dass das Turbinenrad dadurch Schaden nimmt. Dies kann beispielsweise für den Einsatz erfindungsgemäßer Läufer in Turboladern besonders vorteilhaft sein, da Abgasströme mit deutlich höheren Abgastemperaturen von bis zu 1200°C an dem Turbinenrad vorbeigeleitet werden können, wodurch die Effizienz des Verbrennungsmotors aufgrund der höheren Abgastemperaturen verbessert werden kann. Darüber hinaus hat der Erfinder erkannt, dass eine Keramik eine schlechte Wärmeleitfähigkeit aufweist, so dass über das Vorsehen eines Keramik-Turbinenrotors der Wärmeeintrag von den Gasen in den Läufer und/oder das Gehäuse einer Turbine, in der der erfindungsgemäße Läufer eingesetzt wird, möglichst geringgehalten werden kann. Der Erfindung liegt dabei ferner die Erkenntnis zugrunde, dass es besonders vorteilhaft ist, wenn eine solche Fixierung des Arbeitselements an dem Läufer gewährleistet ist, dass unabhängig von einem temperaturabhängigen Dehnungsverhalten des Arbeitselements dieses Arbeitselement stets mit einer möglichst konstanten Vorspannung an dem Läufer fixiert ist. Der Erfinder hat erkannt, dass hierzu gerade das Vorsehen einer Welle aus Stahl besonders vorteilhaft ist, da durch das temperaturabhängige Dehnungsverhalten der Welle aus Stahl ein temperaturabhängiges Dehnungsverhalten des Arbeitselements, beispielsweise eines Kompressorrads aus Aluminium, kompensiert werden kann, so dass zumindest über einen Temperaturbereich, der für die bestimmungsgemäße Anwendung eines hierfür realisierten Läufers relevant ist, eine möglichst konstante Vorspannung auf das Arbeitselement zur Fixierung des Arbeitselements an dem Läufer gewährleistet sein kann. Der Erfindung liegt somit ferner die besondere Erkenntnis zugrunde, dass die Kombination eines Turbinenrotors aus Keramik mit einer Welle aus Stahl besondere Vorteile mit sich bringt. Ferner liegt der Erfindung die Erkenntnis zugrunde, dass es für die Montage eines Arbeitselements an dem Läufer einer Turbine zum Gewährleisten einer vordefinierten Fixierung der einzelnen Bestandteile erforderlich ist, dass eine verdrehfeste Fixierung des Läufers erfolgt, während die Mutter auf das Außengewinde geschraubt wird, um das Arbeitselement verdrehfest und positionsfest an dem Läufer zu fixieren. Der Erfinder hat erkannt, dass die verdrehfeste Fixierung des Läufers über die Fixiereinrichtung ein wesentlich präzises Festschrauben der Mutter zum vordefinierten Fixieren eines Arbeitselements an dem Läufer ermöglicht, als dies bei einem Fixieren über einen Keramik-Turbinenrotor oder einem Fixieren über das auf den Läufer aufgesteckten Arbeitselement möglich ist. Durch das Vorsehen einer gewissen Mindestaxiallänge der Fixiereinrichtung kann darüber hinaus sichergestellt sein, dass von der Arbeitsseite aus eine besonders zuverlässige Fixierung des Läufers über die Welle, nämlich über die Fixiereinrichtung der Welle, erfolgen kann.
Besonders bevorzugt sind sämtliche Kanten der Welle, mit der sie an dem Turbinenrotor anliegt, abgerundet. Dadurch kann einer Kerbwirkung in der Keramik, die zu einem Bruch führen kann, effektiv vorgebeugt sein.
In einer Ausführungsform weist der Turbinenrotor zwischen dem Turbinenrad und dem Zylinderabschnitt einen Zwischenabschnitt auf, wobei der Durchmesser des Turbinenrotors in einem Zentrifugenabschnitt des Zwischenabschnitts in der axialen Richtung zur Turbinenseite hin bis zu einem ersten Maximum zunimmt und danach unter Ausbildung einer durch das Maximum gebildeten umlaufenden Kante abnimmt, wobei axial zwischen der umlaufende Kante und dem Turbinenrad in dem Zwischenabschnitt eine umlaufende Aufnahmenut vorgesehen ist zur Aufnahme zumindest eines Dichtrings, wobei insbesondere der Durchmesser des Zwischenabschnitts in der Aufnahmenut größer ist als in dem Zylinderabschnitt. Die Kante wird dabei dadurch ausgebildet, dass der Durchmesser des Zwischenabschnitts des Turbinenrotors bis zu einem Maximum zunimmt, dann über einen bestimmten axialen Bereich den Wert des Maximums beibehält und danach abnimmt. Der axiale Bereich mit dem Wert des Maximums für den Durchmesser weist bevorzugt eine axiale Länge von maximal 2 mm, insbesondere 1 mm auf. Durch den Zentrifugenabschnitt ist bei dem bestimmungsgemäßen Einsatz des Läufers sichergestellt, dass Öl, das zur Schmierung von Lagern vorgesehen ist, über die der Läufer in einem Gehäuse einer Turbine geführt ist, aufgrund der typischerweise hohen Drehzahl des Läufers zumindest zu einem überwiegenden Anteil nicht bis zum Turbinenrad gelangen kann, da es eine Zentrifugalkraft erfährt und da die Kante eine Abrisskante bildet, von der aus das über die Zentrifugalkraft beschleunigte Öl, das von der Lagerschmierung herrührt, radial weggeschleudert wird und anschließend aufgefangen werden kann. Das Vorsehen der umlaufenden Aufnahmenut zwischen dem Zentrifugenabschnitt und dem Turbinenrad ermöglicht den Einsatz von Dichtringen in der Aufnahmenut, so dass zumindest nahezu jegliches Öl, das trotz des Vorsehens des Zentrifugalabschnitts dennoch in axialer Richtung über den Zentrifugenabschnitt hinaus an dem Turbinenrotor entlang in Richtung zum Turbinenrad fließen sollte, nicht bis zur Turbinenseite des Turbinenrads gelangen kann. Dadurch kann eine Verschmutzung von das Turbinenrad antreibenden Gasen durch Motoröl bestmöglich verhindert sein. Außerdem kann dadurch der Ölverbrauch minimiert werden.
Mit der vorliegenden Erfindung wurde erkannt, dass es besonders vorteilhaft ist, den Zentrifugenabschnitt und die umlaufende Aufnahmenut in dem aus Keramik hergestellten Turbinenrotor vorzusehen. Zum einen ist dadurch gewährleistet, dass sich die schlecht wärmeleitende Keramik von dem Turbinenrad aus bis hinein in das Gehäuse erstreckt, da der Zentrifugenabschnitt und die Aufnahmenut selbstverständlich axial innerhalb des Gehäuses angeordnet sein müssen. Der Wärmeeintrag von den Abgasen in das Gehäuse einer Rumpfgruppe einer Turbine durch die beschriebene Ausführungsform des erfindungsgemäßen Läufers ist zusätzlich dadurch besonders verringert, dass die Kontaktstelle zwischen Läufer und Gehäuse der Rumpfgruppe, die den Abgasen am nächsten ist, im Bereich der Keramik erfolgt. Diese Kontaktstelle ist üblicherweise durch die Dichtringe oder den Dichtring gebildet, die bzw. der in der Aufnahmenut angeordnet sind und an dem Läufer und an dem Gehäuse anliegen. Dadurch, dass sich die Keramik von dem Turbinenrad bis hin zur Aufnahmenut und darüber hinaus erstreckt, ist sichergestellt, dass bis zu der Kontaktstelle, nämlich bis zu der Aufnahmenut und den darin in einer üblichen Turbine angeordneten Dichtringen (bzw. Dichtring), der Wärmeeintrag von den Abgasen in das Gehäuse möglichst geringgehalten wird. Die beschriebene Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Läufers kann insbesondere dazu beitragen, dass damit eine Turbine realisiert werden kann, bei der keine getrennte Wasserkühlung neben der Kühlung durch das Motoröl vorzusehen ist, da der Wärmeeintrag in das Gehäuse der Turbine so geringgehalten werden kann, dass auch ohne das Vorsehen einer gesonderten Wasserkühlung eine Überhitzung der Lagerstelle zwischen Läufer und Gehäuse, die der Turbinenseite am nächsten liegt, vorgebeugt sein kann. Zum anderen kann aufgrund der guten Gleiteigenschaften von Keramikoberflächen durch das Vorsehen der Aufnahmenut in dem Turbinenrotor aus Keramik die Reibung zwischen einem am Gehäuse fixierten Dichtring und einer Innenwand der Aufnahmenut, an der er zum Abdichten anliegt, verringert sein. Dabei ist zu berücksichtigen, dass eine Reibung durch Dichtringe erzeugt wird, die in der Aufnahmenut angeordnet sind. Diese Dichtringe sind zumeist positionsfest in dem Gehäuse gehalten und liegen mit einer axialen Stirnseite an einer Innenwand der Aufnahmenut an. Bei einer Rotation des Laufzeugs relativ zum Gehäuse verdreht sich somit der Turbinenrotor relativ zu den Dichtringen, während die Dichtringe zum Gehäuse positionsfest verbleiben. Es entsteht somit Reibung an den Anlageflächen zwischen Dichtringen und Aufnahmenut. Durch das Vorsehen der Aufnahmenut in dem Keramik-Turbinenrotor kann aufgrund der guten Gleiteigenschaften von Keramik diese Reibung deutlich verringert sein im Vergleich zu einem Einsatz von herkömmlichen Läufern, bei denen die Aufnahmenut in einem aus Metall gefertigten Bauteil vorgesehen ist. Bei einer erfindungsgemäßen Turbine, in der ein erfindungsgemäßer Läufer zum Einsatz kommt, können besonders bevorzugt die Dichtringe bzw. der Dichtring als Keramikdichtring ausgebildet sein, wodurch die Reibung zwischen Dichtring und Aufnahmenut noch weiter reduziert sein kann. Durch das Verringern der Reibung zwischen Laufzeug und Gehäuse einer Turbine kann das Ansprechverhalten der Turbine noch weiter verbessert sein. Außerdem erstreckt sich der Turbinenrotor aus der verhältnismäßig leichten Keramik über einen weiten Bereich, in dem er gezwungenermaßen einen großen Durchmesser hat, in das Gehäuse. Dadurch kann der Turbinenrotor widerstandsfähiger ausgebildet sein, wodurch ein Brechen des Turbinenrads von Turbinenrotor verhindert sein kann. Ferner kann dadurch ein sehr geringes Trägheitsmoment realisiert sein.
In einer Ausführungsform nimmt der Durchmesser des Turbinenrotors in einem axial zwischen dem Zylinderabschnitt und dem Zentrifugenabschnitt liegenden und axial an dem Zentrifugenabschnitt anliegenden Abschnitt in der axialen Richtung zur Turbinenseite hin ab. Dadurch kann ermöglicht sein, dass im Herstellungsprozess des Läufers der Läufer in einem Bereich, der zur Arbeitsseite hin axial neben dem Zentrifugenabschnitt angeordnet ist, abgeschliffen werden kann, um eine möglichst exakte Passform dieses Bereichs einzustellen, ohne dass hierbei der Zentrifugenabschnitt beschädigt wird, was zu einer Beeinträchtigung der Funktion des Zentrifugenabschnitts führen könnte.
In einer Ausführungsform weist der Turbinenrotor axial zwischen dem Zylinderabschnitt und dem Zentrifugenabschnitt einen Lagerabschnitt auf, der nach Art eines Zylinders ausgebildet ist und einen Durchmesser aufweist, der größer als der Durchmesser des Zylinderabschnitts und kleiner als der Durchmesser am Maximum ist. Insbesondere liegt der Lagerabschnitt mit seiner ersten axialen Seite unmittelbar an dem Zylinderabschnitt an und mit seiner zweiten axialen Seite unmittelbar an dem genannten, axial an dem Zentrifugenabschnitt anliegenden Abschnitt an. Durch den zylinderförmigen Lagerabschnitt ist bei dieser Ausführungsform ermöglicht, dass der Turbinenrotor mit seinem Lagerabschnitt in ein herkömmliches Radiallager, das beispielsweise als Bronzelager, insbesondere als Bronzering ausgebildet sein kann, eingeschoben werden kann, so dass mit dieser Ausführungsform des erfindungsgemäßen Läufers eine Turbine realisiert werden kann, bei der der Lagerabschnitt über ein Radiallager unmittelbar mit dem Gehäuse des Turboladers in Verbindung steht. Das Radiallager kann dann jeweils nur durch einen Ölfilm von dem Lagerabschnitt und dem Gehäuse getrennt sein, so dass das Gehäuse und der Lagerabschnitt nur durch das dazwischen vorgesehene Radiallager voneinander getrennt sind. Diese Ausführungsform bringt verschiedene besondere Vorteile mit sich. Zum einen ist durch die gering wärmeleitende Keramik des Turbinenrotors ein geringer Wärmeeintrag durch den Turbinenrotor in das Radiallager am Lagerabschnitt gewährleistet. Zum anderen ermöglicht diese Ausführungsform, dass der Turbinenrotor sich über einen weiten axialen Bereich, in dem er einen großen Durchmesser aufweist, in das Gehäuse eines Turboladers hinein erstreckt. Demzufolge ermöglicht diese Ausführungsform des Läufers die Realisierung eines besonders haltbaren Läufers, da der Turbinenrotor über einen weiten axialen Bereich einen großen Durchmesser aufweist, wodurch einem Bruch des Turbinenrotors möglichst gut vorgebeugt sein kann. Außerdem kann dadurch das Trägheitsmoment noch geringer gehalten sein, wodurch das Ansprechverhalten einer Turbine mit einem solchen Läufer noch weiter verbessert sein kann. Außerdem ermöglicht die axial aufeinanderfolgende Anordnung von Zylinderabschnitt, Lagerabschnitt und Zentrifugenabschnitt, wobei insbesondere zwischen Lagerabschnitt und Zentrifugenabschnitt der beschriebene axial an dem Zentrifugenabschnitt anliegende Abschnitt angeordnet ist, dass eine Fixierung des Turbinenrotors an der Welle über den Zylinderabschnitt erfolgen kann und ein Abführen des am Lager ablaufenden Öls durch den Zentrifugenabschnitt erfolgen kann, so dass ein Austreten von Öl in die Gase an der Turbinenseite des Läufers bei der Verwendung des Läufers in einer Turbine weitestgehend vermieden werden kann. Dadurch kann der Ölverbrauch minimiert werden und eine Verschmutzung der Gase durch Öl weitestgehend verhindert werden. Durch das Vorsehen eines größeren Durchmessers im Lagerabschnitt als in dem Zylinderabschnitt kann darüber hinaus gewährleistet sein, dass der Hohlzylinderabschnitt der Welle auf den Zylinderabschnitt aufgebracht werden kann, ohne dass der Außendurchmesser des Hohlzylinders größer vorgesehen zu werden braucht als der Durchmesser des Lagerabschnitts. In einer Ausführungsform ist der Durchmesser des Lagerabschnitts identisch mit dem Außendurchmesser des Hohlzylinderabschnitts der Welle. Dies kann den besonderen Vorteil mit sich bringen, dass ein erstes Radiallager an dem Lagerabschnitt und ein zweites Radiallager an dem Hohlzylinderabschnitt der Welle angeordnet werden kann, wobei beide Radiallager identisch ausgebildet sein können und somit in einem als Röhre mit konstantem Durchmesser ausgebildeten Röhrenabschnitt des Gehäuses angeordnet werden können. Das Vorsehen des axial an dem Zentrifugenabschnitt anliegenden Abschnitts, in dem der Durchmesser des Turbinenrotors ausgehend von dem Lagerabschnitt in der axialen Richtung zur Turbinenseite hin abnimmt, wonach dann in der axialen Richtung der Zentrifugenabschnitt angeordnet ist, in dem der Durchmesser zur Turbinenseite hin zunimmt, bringt einen weiteren besonderen Vorteil mit sich. Dadurch kann ermöglicht sein, dass der Läufer, nachdem die Welle mit dem Turbinenrotor verbunden ist, indem der Zylinderabschnitt des Turbinenrotors in den Hohlzylinderabschnitt der Welle eingeführt worden ist, an dem Lagerabschnitt und dem Hohlzylinderabschnitt gleichzeitig geschliffen werden kann, so dass die Realisierung eines identischen Durchmessers von Lagerabschnitt und Hohlzylinderabschnitt besonders präzise und einfach durchgeführt werden kann.
In einer Ausführungsform liegt der Hohlzylinderabschnitt der Welle mit seinem zur Turbinenseite gewandten axialen Ende axial an dem Lagerabschnitt des Turbinenrotors unmittelbar oder mittelbar an. Der Turbinenrotor kann hierzu beispielsweise eine Stufe zwischen Lagerabschnitt und Zylinderabschnitt aufweisen, über die der Durchmesser des Turbinenrotors vom Zylinderabschnitt zum Lagerabschnitt hin stufenweise ansteigt. Dabei kann der Hohlzylinder mit seiner zur Turbinenseite gewandten Stirnseite, d. h. mit seinem zur Turbinenseite gewandten Ende, an dieser Stufe unmittelbar oder mittelbar anliegen. Dadurch kann eine besonders robuste Fixierung von Turbinenrotor und Welle zueinander realisiert sein und darüber hinaus eine möglichst kompakte Bauweise mit möglichst geringem Materialaufwand und Materialgewicht unter Gewährleistung einer sehr guten Fixierung. Zudem kann dadurch eine hohe Passgenauigkeit gewährleistet sein. Bei einem unmittelbaren Anliegen steht das axiale Ende des Hohlzylinderabschnitts in direktem Kontakt mit dem Lagerabschnitt. Bei einem mittelbaren Anliegen steht das axiale Ende des Hohlzylinderabschnitts in direktem Kontakt mit einem Passkörper, beispielsweise einem Passring, der selbst wiederum in direktem Kontakt mit dem Lagerabschnitt steht.
In einer Ausführungsform steht der Hohlzylinderabschnitt der Welle um mindestens das 0,5-fache seines lichten Innendurchmessers an der Arbeitsseite über den Zylinderabschnitt des Turbinenrotors vor. Der Zylinderabschnitt des Turbinenrotors füllt den Hohlzylinderabschnitt der Welle somit nicht vollkommen aus. Dies kann zum einen aufgrund des geringeren Materialeinsatzes bei der Welle zu einer noch leichteren Bauweise und somit zu einem geringeren Trägheitsmoment des Läufers führen.
Besonders bevorzugt weist der Hohlzylinderabschnitt der Welle in seinem Abschnitt, mit dem er an der Arbeitsseite über den Zylinderabschnitt vorsteht, ein durch seinen Hohlzylindermantel durchgehendes Entlüftungsloch auf. Alternativ oder zusätzlich kann an der Innenseite des Hohlzylinderabschnitts der Welle oder an der Außenseite des Zylinderabschnitts des Turbinenrotors eine axial verlaufende Rinne vorgesehen sein. Bevorzugt sind zwei solcher Rinnen vorgesehen, die an gegenüberliegenden Seiten vorgesehen sind, damit keine Unwucht bei einer Rotation des Läufers entsteht. Durch entsprechende Maßnahmen kann das Einführen des Zylinderabschnitts in den Hohlzylinderabschnitt besonders vereinfacht sein, da dadurch einer Komprimierung von Luft in dem Hohlzylinderabschnitt bei dem Einführen des Zylinderabschnitts vorgebeugt sein kann.
In einer Ausführungsform umgibt der Hohlzylinderabschnitt der Welle den Zylinderabschnitt des Turbinenrotors umfänglich geschlossen, insbesondere in einem axialen Abschnitt ununterbrochenen geschlossen. Dieser axiale Abschnitt des Hohlzylinders kann insbesondere den gesamten Zylinderabschnitt abdecken und somit ununterbrochen umschließen. Durch die beschriebene Ausführungsform kann der Läufer besonders robust ausgestaltet sein.
Vorzugsweise weist die Welle zumindest einen axialen Dehnungsabschnitt auf, der von dem Hohlzylinderabschnitt axial zur Arbeitsseite hin versetzt ist, wobei der Durchmesser und die axiale Länge des Dehnungsabschnitts so aufeinander abgestimmt sind, dass über einen Temperaturbereich zwischen –20°C und +250°C das Dehnungsverhalten des Dehnungsabschnitts dem Dehnungsverhalten eines an dem Läufer fixierten Arbeitselements so weit entspricht, dass innerhalb dieses Temperaturbereichs das Arbeitselement mit einer eine Dehnung in dem Dehnungsabschnitt erzeugenden Vorspannung an dem Läufer befestigt ist, ohne dass die Streckgrenze des Stahls der Welle in dem Dehnungsabschnitt erreicht wird. Die Geometrie des Dehnungsabschnitts ist somit unter Berücksichtigung der Materialeigenschaften des Stahls und der Eigenschaften des Arbeitselements eingestellt. Ein solcher axialer Dehnungsabschnitt kann ermöglichen, dass eine Mutter auf das Außengewinde der Welle aufgeschraubt wird und dabei eine Dehnung in dem Dehnungsabschnitt der Welle erzeugt, so dass eine besonders zuverlässige Fixierung des Läufers in einer Rumpfgruppe ermöglicht sein kann. Der Erfinder hat gerade erkannt, dass das Vorsehen eines axialen Dehnungsabschnitts gerade dann besonders vorteilhaft ist, wenn ein Turbinenrotor aus Keramik verwendet wird, so dass die Kombination von einer aus Metall gefertigten Welle mit einem dort vorgesehenen Dehnungsabschnitt und einem aus Keramik gefertigten Turbinenrotor besondere Vorteile mit sich bringt.
In einer Ausführungsform weist der Zylinderabschnitt des Turbinenrotors eine axiale Länge auf, die zwischen dem 1,5-Fachen und dem 3,5-Fachen, insbesondere zwischen dem 2-Fachen und dem 3-Fachen des Durchmessers des Zylinderabschnitts beträgt. Dadurch kann eine besonders gute Fixierung des Turbinenrotors an der Welle und der Einsatz einer möglichst geringen Materialmenge ermöglicht sein. Der Erfinder hat erkannt, dass das Verhältnis der Länge des Zylinderabschnitts zum Durchmesser des Zylinderabschnitts besonders relevant ist, da die Fixierlänge, über die der Turbinenrotor mit der Welle fixiert ist, und die über die Länge des Zylinderabschnitts vorgegeben ist, in Abhängigkeit von dem Durchmesser des Zylinderabschnitts vorzusehen ist, um einen stabil in sich zusammenhängenden Läufer zu realisieren. Die beschriebene Ausführungsform ist besonders vorteilhaft bei einer Realisierung der Fixierung zwischen Turbinenrotor und Welle mit Hilfe eines Aufschrumpfens des Hohlzylinderabschnitts auf den Zylinderabschnitt, da über die angegebenen Verhältnisse durch die dadurch erfolgende Einstellung der Pressung sichergestellt sein kann, dass der Zylinderabschnitt vollständig in den Hohlzylinderabschnitt eingeführt werden kann, bevor der Hohlzylinderabschnitt auf dem Zylinderabschnitt aufschrumpft. Außerdem kann hierdurch bei einer Fixierung mittels Kleber oder Löten eine ausreichende Führungslänge bereitgestellt sein.
Die Erfindung betrifft ferner eine Turbine, die eine Rumpfgruppe mit einem erfindungsgemäßen Läufer umfasst. Die Rumpfgruppe weist den Läufer, ein Gehäuse und ein Arbeitselement auf. Der Läufer ist axial abschnittsweise innerhalb des Gehäuses angeordnet und über zumindest zwei Radiallager zu dem Gehäuse drehbar geführt. Die zwei Radiallager sind vorzugsweise axial voneinander beabstandet. Die Radiallager können jeweils als separate Einzelstücke oder alternativ über Verbindungsabschnitte verbunden einstückig ausgebildet sein. Besonders bevorzugt sind die Radiallager sowohl zum Gehäuse als auch zum Läufer verdrehbar. Das Arbeitselement ist an der zur Arbeitsseite des Läufers gewandten Seite des Gehäuses angeordnet und an der Welle fixiert. Dabei ist wesentlich, dass das Arbeitselement verdrehfest zur Welle fixiert ist. Das Arbeitselement und der Läufer bilden zusammen ein Laufzeug. Das Gehäuse kann besonders bevorzugt einen Röhrenabschnitt aufweisen, in dem die Radiallager angeordnet sind, wobei der Läufer bei der Realisierung der Turbine durch den Röhrenabschnitt hindurchgesteckt wird. Bei der Turbine ist das Turbinenrad an der einen axialen Seite und das Arbeitselement an der anderen axialen Seite des Gehäuses angeordnet. Über eine Mutter sind Arbeitselement, Gehäuse und Läufer axial positionsfest zueinander verschraubt, wobei sich das Laufzeug gegenüber dem Gehäuse drehen kann. Besonders bevorzugt ist ein Axiallager zwischen dem Arbeitselement und dem Gehäuse vorgesehen, über das die axiale Position von Läufer und Arbeitselement relativ zum Gehäuse gehalten ist. Das Axiallager kann beispielsweise ein Zwischenstück und eine Bronzescheibe umfassen, wobei die Welle axial zur Arbeitsseite hin vom Hohlzylinderabschnitt versetzt eine Stufe aufweist, mit der sie an dem Zwischenstück anliegt, wobei das Arbeitselement an die eine axiale Seite und die Welle mit der Stufe an die andere axiale Seite des Zwischenstücks gepresst ist. Die Bronzescheibe weist eine zentrale Durchführung auf, durch die das Zwischenstück verläuft, wobei das Zwischenstück eine Nut aufweist, in der die Bronzescheibe angeordnet ist, so dass die Bronzescheibe durch die Führung in der Nut mit einem Spiel von bis zu 5 / 100 mm zu dem Zwischenstück geführt ist. Die Bronzescheibe ist ferner durch eine Rückwand axial zum Gehäuse fixiert. Durch das beschriebene Axiallager ist somit die relative Position des Laufzeugs zum Gehäuse mit Bezug auf die axiale Richtung festgelegt, wohingegen sich das Laufzeug relativ zum Gehäuse um die axiale Richtung drehen kann. Es sind auch weitere Realisierungsmöglichkeiten von Axiallagern dem Fachmann bekannt. Die erfindungsgemäße Turbine weist den besonderen Vorteil auf, dass sie dank der Verwendung des erfindungsgemäßen Läufers ein sehr gutes Ansprechverhalten hat und darüber hinaus dank des erfindungsgemäßen Läufers ein geringer Wärmeeintrag von den Turbinenseite, an der heiße Abgase entlangströmen, in das Gehäuse der Turbine erfolgt.
Besonders bevorzugt weist das Gehäuse einen Zugang für Motoröl zum Schmieren der Radiallager auf, wobei das Gehäuse so ausgebildet ist, dass es ausschließlich durch das Motoröl kühlbar ist. Das Gehäuse kann somit beispielsweise so ausgebildet sein, dass kein Anschluss und keine entsprechende Kanalführung für eine Wasserkühlung in dem Gehäuse vorgesehen ist. Dadurch kann die Realisierung der Turbine, insbesondere des Turboladers, besonders vereinfacht sein. Auch kann dadurch der Einbau des Turboladers in ein Kraftfahrzeug besonders vereinfacht sein. Die Realisierung einer erfindungsgemäßen Turbine, die ausschließlich durch Motoröl und nicht durch andere Kühleinrichtungen gekühlt ist, ist dank des erfindungsgemäßen Läufers möglich, da hierdurch verhindert wird, dass durch die Gase, die das Turbinenrad antreiben, ein solcher Wärmeeintrag in den Läufer und darüber mittels eines oder mehrerer Dichtringe in das Gehäuse erfolgt, dass die Lager, insbesondere das der Turbinenseite am nächsten liegende Lager, in der Turbine Schaden nehmen können.
In einer Ausführungsform ist ein erstes der Radiallager zwischen dem Gehäuse und der Welle vorgesehen, wobei ein zweites der Radiallager zwischen dem Gehäuse und dem Lagerabschnitt vorgesehen ist. Dabei ist das erste Radiallager insbesondere jeweils nur durch einen Ölfilm von Gehäuse und Welle und das zweite Radiallager insbesondere jeweils nur durch einen Ölfilm von Gehäuse und Lagerabschnitt getrennt. Dadurch kann – wie oben zur entsprechenden erfindungsgemäßen Ausführungsform des Läufers erläutert – ein besonders gutes Ansprechverhalten der Turbine und ein besonders geringer Wärmeeintrag in die Turbine realisiert sein. Insbesondere kann zumindest eines der Radiallager als Ring ausgebildet sein, der an seiner Außenseite an seinem Ringmantel eine umlaufende Rinne aufweist, wobei in der Rinne umfänglich zueinander versetzt Ölzuführlöcher vorgesehen sind. Bevorzugt ist ein solches Radiallager axial in dem Gehäuse so fixiert, dass eine Ölzufuhrbohrung in dem Gehäuse in der Rinne mündet. Durch das Vorsehen von Rinne und in der Rinne vorgesehenen Ölzuführlöchern im Radiallager kann dann eine Ölschmierung des Radiallagers durch Motoröl, das durch die Ölzufuhrbohrung in dem Gehäuse dem Radiallager zugeführt wird, besonders einfach ermöglicht sein.
In einer Ausführungsform ist in der Aufnahmenut, die in dem Zwischenabschnitt des Turbinenrotors vorgesehen ist, zumindest ein Dichtring angeordnet, der unmittelbar an dem Turbinenrotor und unmittelbar an dem Gehäuse anliegt. Durch den zumindest einen Dichtring kann sichergestellt sein, dass möglichst kein Motoröl, das sich axial zur Turbinenseite hin über den Zentrifugenabschnitt hinaus bewegt hat, in die an dem Turbinenrad strömende Gase gelangen kann. Beispielsweise können zwei Dichtringe axial nebeneinander in der Aufnahmenut angeordnet sein. Beispielsweise kann der zumindest eine Dichtring, insbesondere sämtliche Dichtringe, als Kolbenring ausgebildet sein. Beispielsweise kann der zumindest eine Dichtring, insbesondere sämtliche Dichtringe, aus Stahl hergestellt sein. Besonders bevorzugt ist der zumindest eine Dichtring, insbesondere sämtliche Dichtringe, aus Keramik hergestellt, wodurch eine Reibung zwischen Dichtring und Läufer besonders gering gehalten werden kann.
In einer Ausführungsform umfasst die Turbine eine Mutter, die auf das Außengewinde geschraubt ist und über die das Arbeitselement an der Welle fixiert ist, wobei insbesondere das Arbeitselement durch die Mutter an eine zur Turbinenseite gewandten Seite eines Zwischenstücks gepresst ist, wobei insbesondere die Welle mit einem sich in radialer Richtung erstreckenden Vorsprung gegen eine zur Arbeitsseite des Zwischenstücks gewandten Seite des Zwischenstücks gepresst ist. Das Zwischenstück kann beispielsweise aus zwei Teilen bestehen, nämlich einer Axialscheibe, an die die Welle gepresst ist, und einem Hauptstück, an die das Arbeitsrad gepresst ist. Dadurch kann in dem Zwischenstück auf besonders einfache Art und Weise eine Nut ausgebildet sein, in der eine Bronzescheibe eines Axiallagers laufen kann. Durch das Vorsehen der Mutter kann eine Fixierung des Laufzeugs zum Gehäuse besonders einfach und zuverlässig realisiert sein, wobei durch das Zwischenstück das Vorsehen eines Axiallagers, beispielsweise wie oben zum Axiallager erläutert, besonders einfach und robust ermöglicht sein kann.
In einer Ausführungsform steht die Welle an ihrer Turbinenseite mit einem die Fixiereinrichtung bildenden axialen Fixierabschnitt um mindestens das 1,5-fache des Durchmessers des Außengewindes über das Außengewinde vor. Alternativ oder außerdem ist in einer Ausführungsform die Fixiereinrichtung als Aushöhlung in der Welle vorgesehen, die sich in axialer Richtung um mindestens das 1-fache des Durchmessers, wobei selbstverständlich vom Außendurchmesser auszugehen ist, des Außengewindes radial innerhalb der Welle erstreckt. Wie zu dem erfindungsgemäßen Läufer oben erläutert ist bei dieser Realisierung der Turbine eine besonders einfache und zuverlässig zerstörungsfreie Herstellung der Turbine ermöglicht, da bei der Herstellung der Turbine der Läufer von der Arbeitsseite aus verdrehfest gehalten werden kann, während die Mutter auf das Außengewinde aufgeschraubt wird, so dass eine gezielte Feststellung der Mutter ohne Belastung hierfür nicht geeignete Bauteile der Turbine erfolgen kann.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Läufers. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird der Hohlzylinderabschnitt der Welle auf den Zylinderabschnitt des Turbinenrotors aufgeschoben zum Verbinden von Welle und Turbinenrotor zueinander. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird der Hohlzylinderabschnitt der Welle auf eine Temperatur von mindestens 300°C, insbesondere zwischen 350°C und 450°C gebracht und auf diese Temperatur erwärmt gehalten, während der Hohlzylinderabschnitt auf den Zylinderabschnitt geschoben wird. Gleichzeitig wird während des Aufschiebens des Hohlzylinderabschnitts auf den Zylinderabschnitt der Turbinenrotor auf einer Temperatur zwischen 10°C und 50°C, insbesondere zwischen 15°C und 40°C, gehalten. Insbesondere wird der Turbinenrotor dabei auf Raumtemperatur gehalten, d. h. dass keine Tempertaureinstellungsmaßnahme zur Einstellung einer bestimmten Temperatur des Turbinenrotors vorgenommen wird, während der Hohlzylinderabschnitt auf den Zylinderabschnitt aufgeschoben wird. Besonders bevorzugt wird das Aufschieben des Hohlzylinderabschnitts auf den Zylinderabschnitt in weniger als 3 s vollständig durchgeführt. Dadurch kann einer Erwärmung des Zylinderabschnitts ausreichend vorgebeugt sein. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht ein besonders einfaches Herstellen des Läufers und darüber hinaus eine Realisierung eines Läufers, bei dem Turbinenrotor und Welle zuverlässig zueinander fixiert sind.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Läufers, bei dem der Hohlzylinderabschnitt der Welle auf den Zylinderabschnitt des Turbinenrotors aufgeschoben wird, bis er mit seiner axialen Stirnseite gegen den Lagerabschnitt des Turbinenrotors presst. Das Pressen kann unmittelbar oder mittelbar über einen Passkörper zwischen Hohlzylinderabschnitt und Lagerabschnitt erfolgen. Sodann wird nach erfolgter Fixierung von Turbinenrotor und Welle zueinander der Läufer im Bereich des Hohlzylinderabschnitts und des Lagerabschnitts durch einen einzigen Schleifvorgang geschliffen, um in diesem Bereich einen einheitlichen Durchmesser des Läufers herzustellen. Bei diesem erfindungsgemäßen Verfahren ist die Realisierung eines Läufers möglich, der einen sehr präzise konstanten Durchmesser über einen Bereich aufweist, an dem nachfolgend Radiallager angeordnet werden können, um einen Turbolader herzustellen.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Turbine, insbesondere eines erfindungsgemäßen Turboladers. Dabei wird in einem ersten Arbeitsschritt der Läufer mit seiner Arbeitsseite in das Gehäuse eingeführt und durch das Gehäuse durchgeführt. In einem zweiten, danach erfolgenden Arbeitsschritt wird das Arbeitselement, insbesondere Kompressorrad, von der Arbeitsseite auf den Läufer aufgeschoben bzw. aufgeschrumpft. Hierbei kann das Arbeitselement bevorzugt erwärmt gehalten werden. In einem dritten, danach erfolgenden Arbeitsschritt wird die Mutter von der Arbeitsseite aus auf das Außengewinde geschraubt, während der Läufer von der Arbeitsseite aus an der Fixiereinrichtung verdrehfest gehalten wird. In einer Ausführungsform ist die Fixiereinrichtung als Sechskant ausgebildet, der während des dritten Arbeitsschritts mit einem Sechskantschlüssel gehalten wird. In einer Ausführungsform ist die Fixiereinrichtung als Gewinde ausgebildet, auf das zwei Kontermuttern gegeneinander gekontert geschraubt sind und während des dritten Arbeitsschritts durch ein Fixierwerkzeug gehalten werden. In dieser Ausführungsform werden die beiden Kontermuttern zwischen dem zweiten und dem dritten Arbeitsschritt auf das Gewinde der Fixiereinrichtung geschraubt und gegeneinander gekontert. In einer Ausführungsform werden vor dem ersten Arbeitsschritt Radiallager in einen Röhrenabschnitt des Gehäuses eingebracht und darin axial fixiert, wonach in dem ersten Arbeitsschritt der Läufer in den Röhrenabschnitt eingeführt und durch den Röhrenabschnitt durchgeführt wird. Nach dem ersten Arbeitsschritt und vor dem zweiten Arbeitsschritt wird ein Axiallager von der Arbeitsseite aus auf den Läufer aufgeschoben. Durch die verschiedenen Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Verfahren lässt sich eine erfindungsgemäße Turbine, insbesondere ein erfindungsgemäßer Turbolader, besonders einfach, präzise und kostengünstig herstellen.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf drei Figuren näher erläutert.
Es zeigen:
1: in einer schematischen Prinzipdarstellung eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Läufers;
2: in einer schematischen Prinzipdarstellung eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Turbine;
3: in einer schematischen Prinzipdarstellung eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Turbine;
4: in schematischen Prinzipdarstellungen Beispiele für erfindungsgemäß zum Einsatz kommende Turbinenräder.
In 1 umfassend die 1a und 1b ist ein erfindungsgemäßer Läufer 1 dargestellt. 1a zeigt die Bestandteile des dargestellten Läufers 1, nämlich die Welle 3 und den Turbinenrotor 2, bevor diese zur Realisierung des Läufers 1 zusammengefügt und miteinander fixiert sind. 1b zeigt den fertig hergestellten Läufer 1. Wie aus 1 zu erkennen ist, weist der Turbinenrotor 2 einen Zylinderabschnitt 21 und ein Turbinenrad 26 auf. Das Turbinenrad 26 bildet die Turbinenseite A des Läufers 1. Der Zylinderabschnitt 21 ist axial zur Arbeitsseite B hin versetzt zum Turbinenrad 26 angeordnet. Ein Lagerabschnitt 22 liegt axial unmittelbar an dem Zylinderabschnitt 21 an, wobei eine Stufe zwischen Zylinderabschnitt 21 und Lagerabschnitt 22 ausgebildet ist. Zwischen dem Lagerabschnitt 22 und dem Turbinenrad 26 ist ferner ein Zentrifugenabschnitt 23, eine Kante 24 und eine Aufnahmenut 25 angeordnet. Von dem Lagerabschnitt 22 aus nimmt der Durchmesser des Turbinenrotors 2 zur Turbinenseite hin in einem axial an dem Zentrifugenabschnitt 23 anliegenden Abschnitt ab. In dem Zentrifugenabschnitt 23 nimmt der Durchmesser des Turbinenrotors 2 bis zu einem Maximum hin zu, durch das die umlaufende Kante 24 gebildet wird. Öl, das in einer Turbine 100 – wie bei dem Turbolader 100 in den 2 und 3 beispielhaft dargestellt – an dem Lagerabschnitt 22 entlangläuft, wird über den Zentrifugenabschnitt 23 bei einer Rotation des Läufers radial weggeschleudert und reißt an der Kante 24 ab, so dass nur ein sehr geringer Anteil dieses Öls überhaupt in einen axialen Bereich zwischen der Kante 24 und dem Turbinenrad 26 gelangen kann. Hierzu ist eine Aufnahmenut 25 zur Aufnahme von Dichtringen vorgesehen, über die ein Austritt von Öl aus einer Turbine 100 zumindest weitestgehend vermieden werden kann.
Ferner ist aus 1 ersichtlich, dass die Welle 3 eine Fixiereinrichtung 33 an der Arbeitsseite B aufweist, die axial zur Arbeitsseite B versetzt benachbart zum Außengewinde 32 auf der Welle 3 angeordnet ist. Die Fixiereinrichtung 33 liegt somit direkt an der Arbeitsseite B, und das Außengewinde 32 ist durch die Fixiereinrichtung 33 von der Arbeitsseite B beabstandet. Der Läufer 1 kann somit über die Fixiereinrichtung 33 verdrehfest gehalten werden, während eine Mutter 8 – wie in den 2 und 3 dargestellt – zur Realisierung einer Turbine auf den Läufer 1 bzw. das Außengewinde 32 des Läufers 1 aufgeschraubt wird. Ferner weist die Welle 3 einen Dehnungsabschnitt 34 auf, in dem die Welle 3 einen geringeren Durchmesser aufweist, so dass sich die Welle über diesen gezielt vorgesehenen Dehnungsabschnitt 34 durch entsprechendes Anschrauben einer Mutter 8 an dem Außengewinde 32 dehnen lässt, so dass bei der Realisierung einer Turbine – wie in den 2 und 3 dargestellt – ein kontrolliertes Festziehen des Läufers 1 und des Kompressorrads 5 zum Gehäuse 4 ermöglicht ist. Ferner weist die Welle 3 einen Hohlzylinderabschnitt 31 auf, in dem der Zylinderabschnitt 21 des Turbinenrotors 2 angeordnet ist. Durch die Anordnung des Zylinderabschnitts 21 in dem Hohlzylinderabschnitt 31 ist eine zuverlässige Fixierung von Turbinenrotor 2 zu Welle 3 gewährleistet. Der Hohlzylinderabschnitt 31 weist ferner ein Entlüftungsloch 35 auf, durch das Luft entweichen kann, während der Zylinderabschnitt 21 in den Hohlzylinderabschnitt 31 eingeführt wird. Bei der beschriebenen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Läufers 1 liegt der Hohlzylinderabschnitt 31 mit seiner axialen Stirnseite an dem Lagerabschnitt 22 an. Darüber hinaus weisen Lagerabschnitt 22 und Hohlzylinderabschnitt 31 einen identischen Durchmesser auf. Dies ist dadurch gewährleistet, dass der Läufer 1 nach dem Zusammenfügen und Zueinanderfixiern von Turbinenrotor 2 zu Welle 3 in einem einzigen Arbeitsschritt in seinem Bereich umfassend Lagerabschnitt 22 und Hohlzylinderabschnitt 31 geschliffen wird, wodurch ein in diesem Bereich konstanter Durchmesser des Läufers 1 sehr präzise eingestellt werden kann.
In 2 ist eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Turboladers 100 als Beispiel für eine erfindungsgemäße Turbine dargestellt. In 2 ist der Turbolader 100 in seinem zusammengebauten Zustand dargestellt. Aus 2 ist ersichtlich, dass das Turbinenrad 26 an einer axialen Seite des Gehäuses 4 angeordnet ist, während das als Arbeitselement vorgesehene Kompressorrad 5 an der anderen axialen Seite des Gehäuses 4 angeordnet ist. Der Läufer 1 ist über die Radiallager 6, 7 relativ zum Gehäuse 4 drehbar gelagert. Das zweite Radiallager 7 ist das der Turbinenseite A am nächsten liegende Radiallager. Das erste Radiallager 6 ist zwischen dem Gehäuse 4 und dem Hohlzylinderabschnitt 31 angeordnet. Das zweite Radiallager 7 ist zwischen dem Gehäuse 4 und dem Lagerabschnitt 22 angeordnet. Der Turbinenrotor 2 erstreckt sich somit mit einem großen Durchmesser über einen weiten axialen Bereich innerhalb des Gehäuses 4, wodurch zum einen aufgrund der leichten Keramik des Turbinenrotors 2 ein geringes Trägheitsmoment des Läufers 1 und somit ein gutes Ansprechverhalten des Turboladers 100 realisiert ist, und zum anderen ein geringer Wärmeeintrag von der Turbinenseite A aus aufgrund der dort anliegenden Abgase in das Gehäuse 4 des Turboladers 100. Axial ist der Läufer 1 relativ zum Gehäuse 4 durch ein Axiallager fixiert, das eine eine Bronzescheibe 12 und ein Zwischenstück umfasst, das durch ein Hauptstück 9 und eine Axialscheibe 11 gebildet ist. Die Bronzescheibe 12 verläuft in einer durch die Axialscheibe 11 und das Hauptstück 9 gebildeten Nut des Zwischenstücks und ist durch die Rückwand 10 an dem Gehäuse 4 gehalten. Dadurch ist das Laufzeug, das durch Läufer 1 mit Kompressorrad 5 gebildet ist, axial mit einem Spiel von weniger als 5 / 100 mm positionsfest zum Gehäuse 4, aber gleichzeitig um die axiale Richtung verdrehbar zum Gehäuse 4 fixiert. Die Fixierung erfolgt durch das Aufschrauben einer Mutter 8 auf das Außengewinde 32 der Welle 3. Dabei wird von der Arbeitsseite B aus der Läufer 1 mittels der Fixiereinrichtung 33 gehalten, während die Mutter 8 auf das Außengewinde 32 aufgeschraubt wird. Das Aufschrauben der Mutter 8 erfolgt mit einem vordefinierten Drehmoment und Anziehwinkel, wodurch eine vordefinierte Dehnung in dem Dehnungsabschnitt 34 der Welle 3 und somit eine vordefinierte Vorspannung auf das Kompressorrad 5 relativ zum Gehäuse 4 eingestellt wird, mit der es an das Hauptstück 9 des Zwischenstücks gepresst ist. Der Einfachheit halber ist der Dichtring in der Aufnahmenut 25 in 2 nicht dargestellt.
In 3 ist eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Turboladers 100 dargestellt. Der erfindungsgemäße Turbolader 100 gemäß 3 unterscheidet sich von dem erfindungsgemäßen Turbolader 100 gemäß 2 ausschließlich in der Ausgestaltung des Läufers 1. Im Gegensatz zu dem bei dem Turbolader 100 gemäß 2 eingesetzten Läufer 1 weist der in dem Turbolader 100 gemäß 3 eingesetzte Läufer 1 keinen Lagerabschnitt 22 auf. Stattdessen ist der Turbinenrotor 2 so ausgebildet, dass sein erstes axiales Ende durch den Zylinderabschnitt 21 gebildet ist, an den sich axial der Zentrifugenabschnitt 23 anschließt. Axial in Richtung zur Turbinenseite A hin dem Zentrifugenabschnitt 23 nachfolgend weist der Turbinenrotor 2 des Läufers 1 gemäß 3 genauso wie der Läufer 1 gemäß 2 eine Kante 24 und eine Aufnahmenut 25 sowie das Turbinenrad 26 auf. Das Turbinenrad 26 bildet auch bei diesem Läufer 1 die Turbinenseite A des Läufers 1. Der Einfachheit halber ist der Dichtring in der Aufnahmenut 25 in 2 nicht dargestellt.
Der Zylinderabschnitt 21 ist bei der in 3 beschriebenen Ausführungsform vollständig innerhalb des Hohlzylinderabschnitts 31 angeordnet, so dass die Fixierung zwischen Turbinenrotor 2 und Welle 3 über die Anordnung des Zylinderabschnitts 21 in dem Hohlzylinderabschnitt 31 und die relative Fixierung dieser beiden Abschnitte zueinander erfolgt. Dagegen liegen bei der Ausführungsform gemäß 3 beide Radiallager 6, 7 jeweils unmittelbar an dem Hohlzylinderabschnitt 31 und an dem Gehäuse 4 an. Keines der Radiallager 6, 7 liegt unmittelbar an dem Turbinenrotor 2 an. Im Vergleich zu dem Turbolader 100 gemäß 2 weist bei dem Turbolader 100 gemäß 3 der Läufer 1 ein größeres Trägheitsmoment auf, da ein größerer Anteil des Materials des Läufers 1 aus dem schwereren Metall der Welle 3 und nicht aus Keramik besteht, da der aus Keramik bestehende Turbinenrotor 2 nicht den Lagerabschnitt 22 für das zweite Radiallager 7 ausbildet. Hierdurch ist ferner der Turbinenrotor 2 weniger stabil ausgebildet, so dass dieser Turbolader 100 nur für bestimmte Einsatzzwecke geeignet ist. Außerdem kann bei dem Turbolader 100 gemäß 3 ein größerer Wärmeeintrag in das zweite Radiallager 7 erfolgen, da dieses zweite Radiallager 7 nicht ausschließlich über Keramik als einzigem wärmeleitenden Material in Verbindung steht. Allerdings kann der Turbolader 100 gemäß 3 auf einfache Weise so realisiert werden, dass der Bereich, in dem sich die beiden Axiallager 6, 7 befinden, einen durchgehend konstanten Durchmesser aufweist, da dieser Durchmesser alleine durch die Ausgestaltung der aus Metall hergestellten Welle 3 eingestellt werden kann. Bei dem in 3 gezeigten Turbolader 100 ist ferner eine Wasserkühlung 41, wie bei herkömmlichen Turboladern bekannt, vorgesehen.
In 4 umfassend 4a und 4b sind zwei Beispiele für die Ausgestaltung des Turbinenrads 26 eines erfindungsgemäßen Läufers 1 bzw. einer erfindungsgemäßen Turbine 100 dargestellt. Das Turbinenrad 26 gemäß 4a ist als Radial-Turbinenrad ausgebildet, das Turbinenrad 26 gemäß 4b als Axial-Turbinenrad. Das Turbinenrad 26 kann alternativ beispielsweise auch als Axial-Radial-Turbinenrad ausgebildet sein.
Bezugszeichenliste

1: Läufer
2: Turbinenrotor
3: Welle
4: Gehäuse
5: Kompressorrad
6: Radiallager
7: Radiallager
8: Mutter
9: Hauptstück
10: Rückwand
11: Axialscheibe
12: Bronzescheibe
21: Zylinderabschnitt
22: Lagerabschnitt
23: Zentrifugenabschnitt
24: Kante
25: Aufnahmenut
26: Turbinenrad
31: Hohlzylinderabschnitt
32: Außengewinde
33: Fixiereinrichtung
34: Dehnungsabschnitt
35: Entlüftungsloch
41: Wasserkühlung
100: Turbolader
A: Turbinenseite
B: Arbeitsseite

Claims

Läufer (1) für eine Turbine, insbesondere einen Turbolader (100), der Läufer (1) umfassend einen aus Keramik hergestellten Turbinenrotor (2) sowie eine aus Metall hergestellte Welle (3), wobei die Welle (3) einen Hohlzylinderabschnitt (31) aufweist, wobei der Turbinenrotor (2) ein Turbinenrad (26) und einen Zylinderabschnitt (21) aufweist, der in dem Hohlzylinderabschnitt (31) angeordnet und zu diesem fixiert ist, wobei sich der Läufer (1) in einer axialen Richtung von seiner Turbinenseite (A), die durch den Turbinenrotor (2) gebildet ist, bis zu seiner Arbeitsseite (B), die durch die Welle (3) gebildet ist, erstreckt, dadurch gekennzeichnet, dass der Läufer (1) an seiner Arbeitsseite (B) ein Außengewinde (32) zum Aufschrauben einer Mutter (8) sowie eine von der Arbeitsseite (B) aus zugängliche Fixiereinrichtung (33) aufweist, die in der Welle (3) integriert ist und zum Fixieren des Läufers (1) von der Arbeitsseite (B) aus während des Aufschraubens der Mutter (8) ausgebildet ist, wobei die Fixiereinrichtung (33) insbesondere eine Länge in der axialen Richtung aufweist, die mindestens dem Durchmesser des Außengewindes (32) der Welle (3) entspricht.
Läufer (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Turbinenrotor (2) zwischen dem Turbinenrad (26) und dem Zylinderabschnitt (21) einen Zwischenabschnitt aufweist, wobei der Durchmesser des Turbinenrotors (2) in einem Zentrifugenabschnitt (23) des Zwischenabschnitts in der axialen Richtung zur Turbinenseite (A) hin bis zu einem ersten Maximum zunimmt und danach unter Ausbildung einer durch das Maximum gebildeten umlaufenden Kante (24) abnimmt, wobei axial zwischen der umlaufenden Kante (24) und dem Turbinenrad (26) in dem Zwischenabschnitt eine umlaufende Aufnahmenut (25) vorgesehen ist zur Aufnahme zumindest eines Dichtrings, wobei insbesondere der Durchmesser des Zwischenabschnitts in der Aufnahmenut (25) größer ist als in dem Zylinderabschnitt (21).
Läufer (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser des Turbinenrotors (2) in einem axial zwischen dem Zylinderabschnitt (21) und dem Zentrifugenabschnitt (23) liegenden und axial an dem Zentrifugenabschnitt (23) anliegenden Abschnitt in der axialen Richtung zur Turbinenseite (A) hin abnimmt.
Läufer (1) nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Turbinenrotor (2) axial zwischen dem Zylinderabschnitt (21) und dem Zentrifugenabschnitt (23) einen Lagerabschnitt (22) aufweist, der nach Art eines Zylinders ausgebildet ist und einen Durchmesser aufweist, der größer als der Durchmesser des Zylinderabschnitts (21) und kleiner als der Durchmesser am Maximum ist.
Läufer (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser des Lagerabschnitts (22) identisch mit dem Außendurchmesser des Hohlzylinderabschnitts (31) der Welle (3) ist.
Läufer (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlzylinderabschnitt (31) der Welle (3) mit seinem zur Turbinenseite (A) gewandten Ende axial an dem Lagerabschnitt (22) des Turbinenrotors (2) unmittelbar oder mittelbar anliegt.
Läufer (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlzylinderabschnitt (31) der Welle (3) um mindestens das 0,5-fache seines lichten Innendurchmessers an der Arbeitsseite (B) über den Zylinderabschnitt (21) des Turbinenrotors (2) vorsteht, wobei insbesondere der Hohlzylinderabschnitt (31) der Welle (3) in seinem Abschnitt, mit dem er an der Arbeitsseite (B) über den Zylinderabschnitt (21) vorsteht, ein durch seinen Hohlzylindermantel durchgehendes Entlüftungsloch (35) aufweist, und/oder an der Innenseite des Hohlzylinderabschnitts (31) oder an der Außenseite des Zylinderabschnitts (21) ist eine axial verlaufende Rinne vorgesehen.
Läufer (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (3) zumindest einen axialen Dehnungsabschnitt (34) aufweist, der von dem Hohlzylinderabschnitt (31) axial zur Arbeitsseite (B) hin versetzt ist, wobei der Durchmesser und die axiale Länge des Dehnungsabschnitts (34) so aufeinander abgestimmt sind, dass über einen Temperaturbereich zwischen –20°C und +250°C das Dehnungsverhalten des Dehnungsabschnitts (34) dem Dehnungsverhalten eines an dem Läufer (1) fixierten Arbeitselements so weit entspricht, dass innerhalb dieses Temperaturbereichs das Arbeitselement mit einer eine Dehnung in dem Dehnungsabschnitt (34) erzeugenden Vorspannung an dem Läufer (1) befestigt ist, ohne dass die Streckgrenze des Stahls der Welle in dem Dehnungsabschnitt (34) erreicht wird.
Läufer (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zylinderabschnitt (21) des Turbinenrotors (2) eine axiale Länge aufweist, die zwischen dem 1,5-Fachen und 3,5-Fachen, insbesondere zwischen dem 2-Fachen und dem 3-Fachen des Durchmessers des Zylinderabschnitts (21) beträgt.
Turbine (100) umfassend eine Rumpfgruppe mit einem Läufer (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Rumpfgruppe den Läufer (1), ein Gehäuse (4) und ein Arbeitselement, insbesondere ein Kompressorrad (5), umfasst, wobei der Läufer (1) axial abschnittsweise innerhalb des Gehäuses (4) angeordnet und über zumindest zwei Radiallager (6, 7) zu dem Gehäuse (4) drehbar geführt ist, wobei das Arbeitselement (5) an der zur Arbeitsseite (B) des Läufers (1) gewandten Seite des Gehäuses (4) angeordnet und an der Welle (3) fixiert ist.
Turbine (100) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (4) einen Zugang für Motoröl zum Schmieren der Radiallager (6, 7) aufweist, wobei das Gehäuse (4) so ausgebildet ist, dass es ausschließlich durch das Motoröl kühlbar ist.
Turbine (100) nach einem der Ansprüche 10 oder 11, wobei der Läufer (1) zumindest die Merkmale gemäß Anspruch 4 aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes der Radiallager (6) zwischen dem Gehäuse (4) und der Welle (3) und ein zweites der Radiallager (7) zwischen dem Gehäuse (4) und dem Lagerabschnitt (22) angeordnet ist, wobei insbesondere zumindest eines der Radiallager (6, 7) als Ring ausgebildet ist, der an einer Außenseite an seinem Ringmantel eine umlaufende Rinne aufweist, wobei in der Rinne umfänglich zueinander versetzt Ölzuführlöcher vorgesehen sind.
Turbine (100) nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei der Läufer (1) zumindest die Merkmale gemäß Anspruch 2 aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass in der Aufnahmenut (25) zumindest ein Dichtring angeordnet ist, der unmittelbar an dem Turbinenrotor (2) und unmittelbar an dem Gehäuse (4) anliegt.
Turbine (100) nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbine (100) eine Mutter (8) umfasst, die auf das Außengewinde (32) geschraubt ist und über die das Arbeitselement (5) an der Welle (3) fixiert ist, wobei insbesondere das Arbeitselement (5) durch die Mutter (8) an eine zur Turbinenseite (A) gewandten Seite eines Zwischenstücks gepresst ist, wobei insbesondere die Welle (3) mit einem sich in radialer Richtung erstreckenden Vorsprung gegen eine zur Arbeitsseite (B) des Zwischenstücks gewandten Seite des Zwischenstücks gepresst ist.
Turbine (100) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (3) an ihrer Turbinenseite (A) mit einem die Fixiereinrichtung (33) bildenden axialen Fixierabschnitt um mindestens das 1,5-Fache des Durchmessers des Außengewindes (32) über das Außengewinde (32) vorsteht oder dass die Fixiereinrichtung (33) als Aushöhlung in der Welle (3) vorgesehen ist, die sich in axialer Richtung um mindestens das 1-Fache des Durchmessers des Außengewindes (32) radial innerhalb der Welle (3) erstreckt.
Verfahren zur Herstellung eines Läufers (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlzylinderabschnitt (31) der Welle (3) auf den Zylinderabschnitt (21) des Turbinenrotors (2) aufgeschoben wird zum Verbinden von Welle (3) und Turbinenrotor (2) zueinander, während die Welle (3) auf mindestens 300°C, insbesondere 350°C bis 450°C erwärmt gehalten wird, und während der Turbinenrotor (2) auf einer Temperatur zwischen 10°C und 50°C, insbesondere zwischen 15°C und 40°C, gehalten wird, insbesondere auf Raumtemperatur gehalten wird.
Verfahren zur Herstellung eines Läufers (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlzylinderabschnitt (31) der Welle (3) auf den Zylinderabschnitt (21) des Turbinenrotors (2) aufgeschoben wird, bis er mit seiner axialen Stirnseite gegen den Lagerabschnitt (22) des Turbinenrotors (2) presst, wobei nach erfolgter Fixierung von Turbinenrotor (2) und Welle (3) zueinander der Läufer (1) im Bereich des Hohlzylinderabschnitts (31) und des Lagerabschnitts (22) durch einen einzigen Schleifvorgang geschliffen wird, um in diesem Bereich einen einheitlichen Durchmesser des Läufers (1) herzustellen.
Verfahren zur Herstellung einer Turbine (100) gemäß einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Arbeitsschritt der Läufer (1) mit seiner Arbeitsseite (B) in das Gehäuse (4) eingeführt und durch das Gehäuse (4) durchgeführt wird, wobei in einem zweiten Arbeitsschritt das Arbeitselement (5) von der Arbeitsseite (B) auf den Läufer (1) aufgeschoben wird, wobei in einem dritten Arbeitsschritt die Mutter (8) von der Arbeitsseite (B) aus auf das Außengewinde (32) geschraubt wird, während der Läufer (1) von der Arbeitsseite (B) aus an der Fixiereinrichtung (33) verdrehfest gehalten wird.