DE102018132414A1 - Exhaust gas turbocharger with auxetic structures - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Verwendung von auxetischen Material (M) bzw. auxetischen Strukturen einen Abgas-Turbolader mit einer Welle (2) und wenigstens einem auf der Welle angeordneten Verdichterrad (V) und einem Turbinenrad (T) sowie einem Gehäuse (3) in dem die Welle (2), das Verdichterrad (V) und das Turbinenrad (T) angeordnet sind, wobei wenigstens ein Teil des Gehäuses (3) aus einem auxetischen Material (M) mit einer negativer Querkontraktionszahl besteht.The invention relates to the use of auxetic material (M) or auxetic structures, an exhaust gas turbocharger with a shaft (2) and at least one compressor wheel (V) arranged on the shaft and a turbine wheel (T) and a housing (3) in the the shaft (2), the compressor wheel (V) and the turbine wheel (T) are arranged, at least part of the housing (3) consisting of an auxetic material (M) with a negative transverse contraction number.
Description
Die Erfindung betrifft einen Abgas-Turbolader.The invention relates to an exhaust gas turbocharger.
Konventionelle Abgas-Turbolader werden zur Leistungssteigerung und Optimierung der Verbrennung eingesetzt. Für eine gute und vollständige Verbrennung im Motor ist ein bestimmtes Mischungsverhältnis notwendig (stöchiometrisches Kraftstoffverhältnis). Bei der Aufladung des Abgas-Turboladers wird die Dichte der Ansaugluft erhöht und damit die Luftmenge vergrößert. Durch die Aufladung wird der Füllungsgrad und somit der Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors deutlich verbessert. Darüber hinaus kann das Drehmoment deutlich angehoben werden, wodurch eine Leistungssteigerung erzielt werden kann.Conventional exhaust gas turbochargers are used to increase performance and optimize combustion. A certain mixture ratio (stoichiometric fuel ratio) is necessary for good and complete combustion in the engine. When the exhaust gas turbocharger is being charged, the density of the intake air is increased and thus the air volume is increased. The degree of filling and thus the efficiency of the internal combustion engine are significantly improved by the charging. In addition, the torque can be increased significantly, whereby an increase in performance can be achieved.
Das Herzstück des Turboladers ist das Laufzeug, bestehend aus Turbinenrad mit Welle und Verdichterrad, welche in dem Turboladergehäuse angeordnet sind. Das Turbinenrad befindet sich an der Abgasseite und ist meist fest mit der Welle verbunden. Das Verdichterrad ist am anderen Ende der Läuferwelle montiert. Die Räder sind je nach Ausführung typischerweise mit Laufradschaufeln ausgestattet und bilden endseitig einen Spalt zum Gehäuse. Die Spaltweite hat dabei einen direkten Einfluss auf den Wirkungsgrad des Turboladers. Je nach Drehzahl der Welle treten an den unterschiedlichen rotierenden und nicht-rotierenden Bauteilen auch unterschiedliche Dehnungsanteile auf - diese führen damit zu veränderlichen relativen Positionen.The heart of the turbocharger is the running gear, consisting of a turbine wheel with a shaft and a compressor wheel, which are arranged in the turbocharger housing. The turbine wheel is located on the exhaust side and is usually firmly connected to the shaft. The compressor wheel is mounted on the other end of the rotor shaft. Depending on the version, the wheels are typically equipped with impeller blades and form a gap to the housing at the end. The gap width has a direct influence on the efficiency of the turbocharger. Depending on the speed of the shaft, different proportions of expansion occur on the different rotating and non-rotating components - this leads to changing relative positions.
Somit ändert sich auch der Spalt zwischen den Schaufelspitzen und der Gehäusewand. Man betrachtet bei dem Dehnungsverhalten insbesondere das sogenannte transiente Dehnungsverhalten zwischen Rotor und Gehäuse beim Durchfahren eines Zyklus. Dieses transiente Dehnungsverhalten von rotierenden und nicht-rotierenden Bauteilen weicht deutlich voneinander ab. Es besteht demzufolge eine hohe Gefahr für eine Spaltüberbrückung bei der die Schaufelradspitzen an dem Gehäuse schleifen. Ein solches Risiko eines Streifvorgangs zwischen Gehäuse und Schaufelspitze besteht insbesondere beim Hochfahren des Abgas-Turboladers.This also changes the gap between the blade tips and the housing wall. One considers in particular the so-called transient expansion behavior between the rotor and housing when going through a cycle. This transient strain behavior of rotating and non-rotating components differs significantly from one another. As a result, there is a high risk of gap bridging in which the blade wheel tips rub against the housing. Such a risk of a rubbing process between the housing and the blade tip exists in particular when the exhaust gas turbocharger is started up.
Um gefährliche und/oder unzulässige Betriebszustände im transienten Betrieb zwischen relativ zueinander beweglichen Bauteilen zu vermeiden, werden die Nominalspalte demzufolge im Stand der Technik ausreichend groß dimensioniert. Hierdurch kann zwar ein Streifen oder Überbrücken des Spalts mit Kontakt am Gehäuse im transienten Betrieb vermieden werden. Gleichzeitig führt aber ein entsprechend groß dimensionierter Spalt im späteren stationären Betrieb des Abgas-Turboladers zu einem verminderten Wirkungsgrad.In order to avoid dangerous and / or impermissible operating states in transient operation between components that are movable relative to one another, the nominal gaps are accordingly dimensioned large enough in the prior art. In this way, streaking or bridging of the gap with contact on the housing can be avoided in transient operation. At the same time, however, a correspondingly large gap in the later stationary operation of the exhaust gas turbocharger leads to reduced efficiency.
Im Berstfall - beim Versagen rotierender Bauteile - können gefährliche Situationen mit herumschleudernden Bruchteilen des Abgas-Turboladers entstehen. Im Stand der Technik werden hierzu unterschiedliche Berstschutzvorrichtungen vorgeschlagen.In the event of bursting - when rotating components fail - dangerous situations can arise with fragments of the exhaust gas turbocharger flung around. Different burst protection devices are proposed for this purpose in the prior art.
Um einen Austritt von Bauteilfragmenten bei definierten Versagensszenarien rotierender Bauteile zu verhindern, werden bei konventionellen Gehäusekonstruktionen z. B. massive Wandstärken vorgesehen und/oder komplexe zusätzliche Berstschutzkonstruktionen direkt um die Gehäuse herum installiert. Ziel ist es aber auf eine aufwendige Berstschutzkonstruktion und/oder massive strömungsführende Gehäusekonstruktionen verzichten zu können.In order to prevent component fragments from escaping in the event of defined failure scenarios of rotating components, conventional housing constructions, for. B. provided massive wall thicknesses and / or complex additional burst protection structures installed directly around the housing. The aim, however, is to be able to do without a complex burst protection construction and / or massive flow-guiding housing constructions.
Ferner besteht bei den im Stand der Technik bekannten Abgas-Turboladern das Problem, dass miteinander gekoppelte Bauteile sich in ihrem Dehnungsverhalten deutlich unterschiedlich ausdehnen. Bei konventionellen Verbindungen zwischen solchen Bauteilen treten z. B. durch Dehnungsblockaden hohe Schraubenbeanspruchungen und z. B. durch Relativbewegungen in den Kontaktflächen entsprechender Verschließ auf. Es ist ebenfalls wünschenswert eine Optimierung dieser nachteiligen Eigenschaften mit der Idee der vorliegenden Erfindung zu realisieren.Furthermore, the exhaust gas turbochargers known in the prior art have the problem that components which are coupled to one another expand significantly differently in terms of their expansion behavior. In conventional connections between such components occur, for. B. by strain blockages high screw stresses and z. B. by relative movements in the contact surfaces corresponding closure. It is also desirable to optimize these adverse properties with the idea of the present invention.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, vorbesagte Nachteile zu überwinden und eine verbesserte Lösung für einen Abgas-Turbolader vorzuschlagen, welcher ein sicheres Betriebsverhalten mit einem hohen Wirkungsgrad aufweist und insbesondere eine Verbesserung für die Problematik der transienten Dehnung aufweist.The invention is therefore based on the object of overcoming the aforementioned disadvantages and proposing an improved solution for an exhaust gas turbocharger which has a safe operating behavior with a high degree of efficiency and in particular has an improvement for the problem of transient expansion.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmalskombination gemäß Patentanspruch 1 und Patentanspruch 3 gelöst.This object is achieved by the combination of features according to patent claim 1 and
Ein Grundgedanke der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass man die Eigenschaften von Materialen mit negativer Poissonzahl (Querkontraktionszahl) in bestimmten Bereichen des Gehäuses oder des Turboladers verwendet, um einen gezielten Einfluss auf das Dehnungsverhalten betreffender Bereiche zu nehmen.A basic idea of the present invention is that the properties of materials with a negative Poisson number (transverse contraction number) are used in certain areas of the housing or of the turbocharger in order to have a targeted influence on the strain behavior of the areas concerned.
Erfindungsgemäß wird demnach eine neuartige Verwendung eines auxetischen Materials oder einer auxetischen Struktur mit einer negativer Querkontraktionszahl in oder an einem Abgas-Turbolader an einem oder zwischen zwei benachbarten Bauteilen zur Beeinflussung von thermischen und transienten Dehnungen vorgeschlagen.According to the invention, a novel use of an auxetic material or an auxetic structure with a negative transverse contraction number in or on an exhaust gas turbocharger on one or between two adjacent components is therefore proposed for influencing thermal and transient expansions.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird eine Verwendung eines auxetischen Materials vorgeschlagen, wobei das auxetische Material oder die auxetische Struktur zwischen zwei Gehäusewänden eines Turboladergehäuses, in Hohlräumen von Bauteilen des Abgas-Turboladers und/oder zwischen wenigstens zwei aneinander angrenzenden Bauteilen des Abgas-Turboladers angeordnet ist, wobei im letztgenannten Fall das auxetischen Material vorzugsweise als ein elastisches Verbindungselement vorgesehen ist.In an advantageous embodiment of the invention, the use of an auxetic Material proposed, wherein the auxetic material or the auxetic structure between two housing walls of a turbocharger housing, in cavities of components of the exhaust gas turbocharger and / or between at least two adjacent components of the exhaust gas turbocharger is arranged, in the latter case the auxetic material preferably as an elastic connecting element is provided.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft einen Abgas-Turbolader mit einer Welle und wenigstens einem auf der Welle angeordneten Verdichterrad und einem Turbinenrad sowie einem Gehäuse in dem die Welle, das Verdichterrad und das Turbinenrad angeordnet sind, wobei wenigstens ein Teil des Gehäuses aus einem auxetischen Material mit einer negativen Querkontraktionszahl besteht.Another aspect of the present invention relates to an exhaust gas turbocharger with a shaft and at least one compressor wheel arranged on the shaft and a turbine wheel and a housing in which the shaft, the compressor wheel and the turbine wheel are arranged, wherein at least part of the housing consists of an auxetic There is material with a negative cross contraction number.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Gehäuse eine innere Gehäusewand und eine äußere Gehäusewand und einen Zwischenraum aufweist und das auxetische Material (
Durch die Integration der auxetischen Struktur in das Verdichter- und/oder turbinenseitige Gehäuse eines radialen oder axialen Abgas-Turboladers kann das Dehnungsverhalten des Gehäuses dem Dehnungsverhalten des Rotors angepasst werden. Die Anpassung erfolgt dabei durch die gezielte Einstellung der Geometrieparameter der auxetischen Struktur. Die Einstellung der Geometrieparameter erfolgt derart, dass unter Berücksichtigung von transienten thermischen Dehnungen und Dehnungsanteilen infolge von Druck und Fliehkraft die Dehnungscharakteristik des Gehäuses der Dehnungscharakteristik des Rotors angepasst wird. Hierdurch fällt der sich im stationären Betrieb einstellende Radialspalt gegenüber konventionellen Bauweisen enger aus. Im Ergebnis kann dadurch ein höherer Wirkungsgrad bei Turbinen und ein größerer Pumpgrenzenabstand bei Verdichtern erreicht werden.By integrating the auxetic structure into the compressor and / or turbine-side housing of a radial or axial exhaust gas turbocharger, the expansion behavior of the housing can be adapted to the expansion behavior of the rotor. The adaptation takes place through the targeted setting of the geometry parameters of the auxetic structure. The geometry parameters are set such that, taking into account transient thermal expansions and proportions of expansion due to pressure and centrifugal force, the expansion characteristics of the housing are adapted to the expansion characteristics of the rotor. As a result, the radial gap that occurs in stationary operation is narrower than conventional designs. As a result, a higher efficiency in turbines and a larger surge margin in compressors can be achieved.
Weiter vorteilhaft ist es, wenn das auxetische Material vollständig in dem Bereich um das Verdichterrad und/oder das Turbinenrad herum, vorzugsweise zwischen den Gehäusewänden angeordnet ist, wodurch ein zusätzlicher Sicherheitseffekt für einen Berstfall des Turboladers hergestellt wird. Hierbei wird die auxetische Struktur als Crashzone zur Absorption kinetischer Energie beim Einschlag eines rotierenden Bauteils in die Gehäusestruktur integriert und folglich die Sicherheit gegen das Austreten von Bauteilen und/oder Bauteilfragmenten ohne eine nennenswerte Gewichtszunahme erhöht.It is further advantageous if the auxetic material is arranged completely in the area around the compressor wheel and / or the turbine wheel, preferably between the housing walls, as a result of which an additional safety effect is produced in the event of the turbocharger bursting. In this case, the auxetic structure is integrated as a crash zone for absorbing kinetic energy when a rotating component strikes the housing structure, and consequently the security against the escape of components and / or component fragments is increased without any appreciable increase in weight.
Weiter vorteilhaft ist es, wenn zwischen wenigstens zwei angrenzenden Bauteilen des Abgas-Turboladers ein elastisches Verbindungselement angeordnet ist, welches aus einem auxetischen Material mit einer negativen Querkontraktionszahl besteht (z. B. zwischen dem Lagergehäuse und dem Turbinenzuströmgehäuse). Die Struktur kann z. B. direkt auf ein Bauteil oder beide Bauteile aufgedruckt oder aufgebracht werden oder mit nicht näher beschriebenen Verbindungselementen an den beiden Bauteilen befestigt werden.It is further advantageous if an elastic connecting element is arranged between at least two adjacent components of the exhaust gas turbocharger, which consists of an auxetic material with a negative transverse contraction number (e.g. between the bearing housing and the turbine inflow housing). The structure can e.g. B. be printed or applied directly to one component or both components or attached to the two components with connecting elements not described in detail.
Alternativ können die beiden benachbarten Bauteile unmittelbar durch das auxetische Material miteinander verbunden werden.Alternatively, the two neighboring components can be directly connected to each other by the auxetic material.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass Hohlräume im Gehäuse vorgesehen sind, welche mit dem auxetischen Material befüllt sind. Durch eine entsprechende Gestaltung der Struktur wird die geforderte Steifigkeit eingestellt, sodass trotz des geringen Gewichts die schwingungstechnischen Anforderungen erfüllt werden.In a further advantageous embodiment of the invention it is provided that cavities are provided in the housing which are filled with the auxetic material. The required stiffness is set by designing the structure accordingly, so that despite the low weight, the vibration requirements are met.
Ebenso ist es von Vorteil, wenn Bauteile des Abgasturboladers, dessen Dehnungsverhalten beeinflusst werden soll, mit auxetischem Material beschichtet oder beaufschlagt sind.It is also advantageous if components of the exhaust gas turbocharger, the expansion behavior of which is to be influenced, are coated or acted upon by auxetic material.
Das erfinderische Konzept lässt sich insbesondere bei den folgenden Abgas-Turbolader verwenden: Radial-Turbolader, Axial-Turbolader, Turbo-Blower oder Turbine (Power-Turbine).The inventive concept can be used in particular with the following exhaust gas turbochargers: radial turbochargers, axial turbochargers, turbo blowers or turbines (power turbines).
Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet bzw. werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführung der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigen:
-
1 ein erstes schematisches Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung und -
2 ein alternatives schematisches Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
-
1 a first schematic embodiment of the present invention and -
2nd an alternative schematic embodiment of the present invention.
Die Erfindung wird im Folgenden mit Bezug auf die
In der
Das Gehäuse
Zwischen den Laufradschaufeln
In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist das auxetische Material
Die
Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf die vorstehend angegebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht.The embodiment of the invention is not limited to the preferred exemplary embodiments specified above. Rather, a number of variants are conceivable which make use of the solution shown even in the case of fundamentally different types.
BezugszeichenlisteReference symbol list
- 33rd
- Gehäusecasing
- 44th
- innere Gehäusewandinner housing wall
- 55
- äußere Gehäusewandouter housing wall
- 77
- LaufradschaufelnImpeller blades
- 1010th
- VerbindungselementFastener
- B1B1
-
Bauteil
1 Component1 - B2B2
-
Bauteil
2 Component2nd - LL
- LaufradWheel
- MM
- auxetisches Material / auxetische Strukturauxetic material / auxetic structure
- SS
- Spaltgap
- TT
- TurbinenradTurbine wheel
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- VerdichterradCompressor wheel
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