DE102018217056A1

DE102018217056A1 - Turbinenläufer und Verfahren zur Herstellung desselben

Info

Publication number: DE102018217056A1
Application number: DE102018217056.8A
Authority: DE
Inventors: Jan Ehrhard; Florian Kronschnabl; Ivo Sandor; Ralf Böning
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2018-10-05
Filing date: 2018-10-05
Publication date: 2020-04-09
Anticipated expiration: 2038-10-06
Also published as: DE102018217056B4

Abstract

Es werden ein Turbinenläufer und ein Verfahren zur Herstellung eines Turbinenläufers beschrieben. Der Turbinenläufer zeichnet sich dadurch aus, dass sein Turbinenlaufrad mindestens einen Bereich umfasst, der eine niedrigere Materialdichte als der restliche Teil des Turbinenlaufrades aufweist. Insbesondere kann sich dabei der mindestens eine Bereich durch eine höhere Porosität als der restliche Teil des Turbinenlaufrades auszeichnen. Durch diese Maßnahme wird insbesondere der Wärmestrom vom Turbinenlaufrad auf die Läuferwelle des Turbinenläufers reduziert.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Turbinenläufer umfassend ein Turbinenlaufrad und eine Läuferwelle
Ein derartiger Turbinenläufer findet insbesondere in einer Abgasturbine eines Fahrzeuges Verwendung. Ein solcher Turbinenläufer besteht aus einem Turbinenlaufrad und einer Läuferwelle als bauliche Einheit und ist zum Beispiel Teil eines Abgasturboladers und dient zur Umsetzung von der im Abgas eines Verbrennungsmotors enthaltenen Abgasenergie in Rotationsenergie und zur Übertragung dieser Rotationsenergie auf ein mit dem Turbinenläufer verbundenes Verdichterrad, mit dessen Hilfe die Rotationsenergie zur Erzeugung eines erhöhten Druckes der Luftzufuhr des Verbrennungsmotors genutzt wird.
Das Turbinenlaufrad befindet sich in Betrieb im heißen Abgasstrom und ist somit sehr hohen Temperaturschwankungen ausgesetzt, wobei Spitzentemperaturen bis über 1.000°C erreicht werden. Gleichzeitig rotiert der Turbinenläufer mit sehr hohen Drehzahlen bis zu 300.000 U/min, wodurch das Turbinenlaufrad sehr hohen mechanischen Beanspruchungen durch die auftretenden hohen Fliehkräfte ausgesetzt ist. Weiterhin ist insbesondere die Masse des Turbinenrades von großer Bedeutung für das dynamische Ansprechverhalten der Turbine, was einer den hohen Belastungen entsprechenden massiven Auslegung des Turbinenlaufrades entgegensteht.
Ein Turbinenläufer für eine Abgasturbine ist aus der DE 10 2013 226 664 A1 bekannt. Dieser Turbinenläufer weist ein Turbinenlaufrad auf, das aus einem hochwarmfesten Metalllegierungswerkstoff besteht, und ein Nabenbasisbauteil sowie eine Läuferwelle, die aus einem Stahlwerkstoff bestehen. Hierbei besteht das Turbinenlaufrad aus einem mittels eines Elektronenstrahl-Aufschmelzverfahrens schichtweise auf einer Laufradplattform des Nabenbasisbauteils aufgebrachten, hochwarmfesten Metalllegierungswerkstoff, wobei ein Läuferwellenende der Läuferwelle mit dem Nabenbasisbauteil verbunden ist. Hierdurch soll ein Turbinenläufer mit besonders guten Laufeigenschaften erreicht werden.
Wie bereits erwähnt, sind derartige Turbinenläufer besonders hohen Temperaturen ausgesetzt. Insbesondere werden hierbei unterschiedlich hohe Temperaturen am Turbinenlaufrad aufgeprägt. Das Turbinenlaufrad weist die höchsten Temperaturen im Bereich des Schaufeleintritts bzw. auf großen Radien auf. Zur Läuferwelle hin ergeben sich niedrigere Temperaturen, da das Turbinenlaufrad von der Läuferwelle her gekühlt wird.
Es ist hierbei bekannt, durch geeignete Maßnahmen den sich ergebenden Wärmestrom zu begrenzen, um die Temperatur der Läuferwelle zu beschränken. Beispielsweise kann eine zu hohe Temperatur an der Welle zu Verkoken des Öls im Lager und somit zu einem Schaden führen. Die Begrenzung des Wärmestroms wird dabei üblicherweise konstruktiv durch eine sogenannte Wärmedrossel im Übergangsbereich zwischen Läuferwelle und Turbinenlaufrad verwirklicht. Dies wird beispielsweise durch eine Kavität sowohl in der Läuferwelle als auch im Turbinenlaufrad (sogenannte Kalotte) realisiert.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Turbinenläufer der eingangs genannten Art zu schaffen, der sich durch besonders gute Funktionseigenschaften, insbesondere eine Reduzierung des vorstehend genannten Wärmestroms, auszeichnet.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Turbinenläufer der angegebenen Art dadurch gelöst, dass das Turbinenlaufrad mindestens einen Bereich umfasst, der eine niedrigere Materialdichte als der restliche Teil des Turbinenlaufrades aufweist.
Durch die erfindungsgemäß vorgesehene Maßnahme können die Funktionseigenschaften des Turbinenläufers positiv beeinflusst werden, insbesondere können durch die Realisierung einer definierten lokalen Materialdichteänderung vorzugsweise die Wärmeleitung, Massenverteilung und Zugfestigkeit des Turbinenlaufrades gezielt beeinflusst werden.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist der Turbinenläufer so gestaltet, dass sich der mindestens eine Bereich durch eine höhere Porosität als der restliche Teil des Turbinenlaufrades auszeichnet. Die erfindungsgemäß vorgesehene inhomogene innere Struktur wird hierbei durch eine definierte niedrige Porosität im Vergleich zur Porosität des restlichen Teiles des Turbinenlaufrades erreicht, wobei die niedrigere Porosität des definierten Bereiches dabei so eingestellt wird, dass die resultierende Belastung im Zentrifugalfeld des Turbinenlaufrades vorgegebene Grenzen nicht übersteigt.
Dabei sieht die Erfindung vorzugsweise vor, dass der mindestens eine Bereich mit niedrigerer Materialdichte so angeordnet ist, dass er den Wärmestrom vom Turbinenlaufrad zur Läuferwelle reduziert. Auch kann der mindestens eine Bereich erfindungsgemäß so angeordnet sein, dass hierdurch die sich aus den Zentrifugalkräften ergebenden Kraftflüsse in vorteilhafter Weise gelenkt werden.
Bei noch einer Variante ist der mindestens eine Bereich so angeordnet, dass die Massenträgheitsmomente vorteilhaft beeinflusst werden. Hierdurch können die erfindungsgemäßen Maßnahmen so durchgeführt werden, dass mehrere Eigenschaften gleichzeitig verbessert werden.
Insbesondere soll erfindungsgemäß der Wärmestrom in die Läuferwelle hinein minimiert werden. Hierzu sieht die Erfindung beispielsweise die folgenden Lösungen vor:

Bei einer ersten Ausführungsform wird das Turbinenlaufrad lokal in der Nähe der Läuferwelle mit einer höheren Porosität versehen.
Diese Ausführungsform kann in Kombination mit der bekannten Anordnung einer Wärmedrossel, bei der die Läuferwelle und/oder das Turbinenlaufrad eine Kavität besitzt, realisiert werden.

Bei einer weiteren Ausführungsform besitzt das Turbinenlaufrad lokal im Bereich seiner strömungsführenden Flächen eine höhere Porosität. Bei dieser Ausführungsform kann somit der Wärmestrom auch direkt an den strömungsführenden Flächen des Turbinenlaufrades begrenzt werden, indem diese in den Bereichen hoher Temperatur porös gestaltet werden, um auch hier die Wärmeleitung direkt an der Kontaktfläche zum Abgas zu limitieren.
Auch kann das Turbinenlaufrad lokal an den Schaufelspitzen mit einer höheren Porosität versehen werden, um auch auf diese Weise den Wärmestrom zur Läuferwelle hin zu reduzieren. Insbesondere bei dieser Ausführungsform kann die Dichte des Turbinenlaufrades so lokal beeinflusst werden, um einerseits die lokalen Massen, die an der Struktur „zerren“, zu reduzieren oder andererseits die sich aus den Zentrifugalkräften ergebenden Kraftflüsse zu „lenken“. So können auch Bereiche niedrigerer Spannungen, wie beispielsweise im Nabenkörper zwischen den Schaufeln oder auch die Schaufelspitzen, wie erwähnt, porös und somit lokal „leichter“ ausgeführt werden.
Bei noch einer anderen Ausführungsform besitzt das Turbinenlaufrad lokal im Abströmbereich eine höhere Porosität. Hierdurch wird eine Verschiebung des Turbinenlaufrad-Schwerpunktes in Richtung Lagerung erreicht.
Durch die lokal unterschiedliche Dichte, insbesondere die erreichte unterschiedliche Porosität, lassen sich auch die Massenträgheitsmomente vorteilhaft beeinflussen. So kann das polare Massenträgheitsmoment (um die Rotationsachse) besonders stark durch zunehmende Porosität mit größer werdendem Abstand zur Drehachse verringert werden, wodurch sich das Hochlaufverhalten der Turbine, insbesondere des Turboladers, verbessert. Auch das diametrale Massenträgermoment kann auf diese Weise beeinflusst werden. Konkret wird damit der Massenschwerpunkt näher zur Lagerstelle verschoben, was sich positiv auf das rotordynamische Verhalten auswirkt.
Bei einer weiteren Variante der erfindungsgemäßen Lösung ist das Turbinenlaufrad mit mindestens einer Sollbruchstelle versehen. Eine solche Sollbruchstelle kann an einer günstigen Stelle angeordnet werden, um größere Schäden zu verhindern. So lässt sich das Turbinenlaufrad beispielsweise so auslegen, dass im Falle einer Überlast es sich in Teile „zerlegt“, die die umgebenden Bauteile nicht durchschlagen und somit das sogenannte Containment gewährleistet ist.
Die vorliegende Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zur Herstellung eines Turbinenläufers der vorstehend beschriebenen Art. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass der Turbinenläufer durch ein additives Fertigungsverfahren hergestellt wird. Insbesondere findet dabei ein Pulverbettverfahren mit Laser oder Elektronenstrahl Verwendung.
Mittels additiver Fertigungsmethoden, beispielsweise Pulverbettverfahren mit Laser oder Elektronenstrahl, können Geometrien mit inhomogener innerer Struktur gefertigt werden, was mit dem bekannten Wachsausschmelzverfahren nicht möglich ist. So ermöglicht ein derartiges Pulverbettverfahren die Realisierung mindestens eines Bereiches einer definierten lokalen niedrigeren Materialdichte bzw. niedrigeren Porosität, wodurch die Wärmeleitung, Massenverteilung und Zugfestigkeit des Turbinenläufers gezielt beeinflusst werden können, wie vorstehend erwähnt.
Ein weiterer Vorteil des Verfahrens ist, dass mittels additiver Fertigung das Turbinenlaufrad direkt an die Läuferwelle angeformt werden kann. Es bedarf somit keines zusätzlichen Fügeprozesses, um die beiden Bauteile miteinander zu verbinden. Die Verbindungsfläche kann somit auf das minimal notwendige Maß ausgelegt werden, wodurch ebenfalls der Wärmestrom vom Turbinenlaufrad in die Läuferwelle eingeschränkt wird.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung im Einzelnen erläutert. Es zeigen:

1 einen Axialschnitt durch einen Teil eines Turbinenläufers des Standes der Technik;
2 einen Axialschnitt wie 1 durch eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäß ausgebildeten Turbinenläufers;
3 einen Axialschnitt wie 1 durch eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäß ausgebildeten Turbinenläufers;
4 auf der linken Seite einen Axialschnitt durch eine dritte Ausführungsform eines erfindungsgemäß ausgebildeten Turbinenläufers und auf der rechten Seite eine Ansicht gemäß Schnitt A-A in 4;
5 auf der linken Seite einen Axialschnitt durch eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Turbinenläufers und auf der rechten Seite eine Ansicht gemäß Schnitt A-A in 5;
6 auf der linken Seite einen Axialschnitt durch eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäß ausgebildeten Turbinenläufers und auf der rechten Seite eine Ansicht gemäß Schnitt A-A in 6;
7 einen Axialschnitt durch eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäß ausgebildeten Turbinenläufers;
8 einen Axialschnitt durch noch zwei weitere Ausführungsformen von erfindungsgemäß ausgebildeten Turbinenläufern, die mit Sollbruchstellen versehen sind; und
9 einen Axialschnitt durch noch eine weitere Ausführungsform.

1 zeigt einen Axialschnitt durch einen Teil eines Turbinenläufers, der eine Läuferwelle 1 und ein damit verbundenes Turbinenlaufrad 2 aufweist. Bei dem hier gezeigten Turbinenläufer kann es sich beispielsweise um einen solchen eines Abgasturboladers handeln, der einem Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeuges zugeordnet ist. Hierbei befindet sich das Turbinenlaufrad in Betrieb im heißen Abgasstrom des Verbrennungsmotors und ist somit sehr großen Temperaturschwankungen ausgesetzt. In 1 ist mit 3 ein Bereich hoher Temperatur des Turbinenläufers gekennzeichnet, der sich im Schaufelbereich des Turbinenlaufrades befindet, während mit 4 ein Bereich mit niedrigeren Temperaturen gekennzeichnet ist, der sich am Übergang zwischen Turbinenlaufrad 2 und Läuferwelle 1 befindet. Bei der in 1 dargestellten Ausführungsform können sich somit die höchsten Temperaturen im Bereich des Schaufeleintritts ungehindert zur Läuferwelle hin ausbreiten. Eine Begrenzung des entsprechenden Wärmestromes findet hierbei nicht statt.
2 zeigt einen Axialschnitt wie in 1 bei einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Hierbei ist im Turbinenlaufrad 2 ein Bereich 5 mit reduzierter Wärmeleitung vorgesehen, der dadurch realisiert ist, dass dieser Bereich so ausgebildet ist, dass er eine höhere Porosität als der restliche Bereich des Turbinenlaufrades 2 aufweist. Durch diesen Bereich mit erhöhter Porosität wird der Wärmstrom vom Bereich 3 mit hoher Temperatur des Turbinenlaufrades 2 zur Läuferwelle 1 hin reduziert, so dass die Läuferwelle 1 einer geringeren Temperaturbelastung ausgesetzt ist.
Die Ausführungsform der 3 entspricht der Ausführungsform der 2, wobei auch hier ein Bereich 5 mit reduzierter Wärmeleitung in Form eines Bereiches erhöhter Porosität im Turbinenlaufrad 2 vorgesehen ist. Zusätzlich hierzu sind zwei Maßnahmen des Standes der Technik dargestellt, nämlich die Anordnung einer Kavität 6 in der Läuferwelle und die Anordnung einer Kavität 7 im Turbinenlaufrad 3. Diese Maßnahmen können gemeinsam oder einzeln in Kombination mit dem Bereich 5 reduzierter Wärmeleitung vorgesehen sein. Der Bereich 5 befindet sich bei dieser Ausführungsform im Übrigen in der Nähe des Überganges des Turbinenlaufrades 2 zur Läuferwelle 1.
Bei der in 4 dargestellten Ausführungsform ist das Turbinenlaufrad 2 lokal, nämlich oberflächlich an den Strömungsflächen, mit größerer Porosität als beim restlichen Teil des Turbinenlaufrades 2 ausgeführt, wie bei 8 gezeigt. Die rechte Darstellung gemäß Schnitt A-A zeigt die bei 8 dargestellte Materialschicht auf den Schaufeln, die die höhere Porosität aufweist.
5 zeigt eine ähnliche Ausführungsform wie 4, wobei hier das Turbinenlaufrad 2 lokal im Schaufelbereich mit einer höheren Porosität versehen ist. Diese Bereiche 9 sind in Schnitt A-A dunkel angedeutet. Es ergibt sich hierdurch ein verminderter Wärmeeintrag in das Turbinenlaufrad 2, ferner ergeben sich strukturmechanische Vorteile (weniger Masse, die „zerrt“). Gleichzeitig verringert sich auch das polare Trägheitsmoment um die Drehachse, was günstig für das Hochlaufverhalten ist.
6 zeigt eine Ausführungsform, bei der das Turbinenlaufrad 2 lokal im Nabenbereich mit einer höheren Porosität versehen ist, wie bei 10 dargestellt. Diese Maßnahmen können neben einer Reduktion des Wärmestromes dazu dienen, den Kraftfluss zu lenken.
7 zeigt eine Ausführungsform, bei der ein Bereich 11 mit reduzierter Dichte bzw. erhöhter Porosität lokal im Abströmbereich des Turbinenlaufrades 2 vorgesehen ist, um den Turbinenlaufrad-Schwerpunkt in Richtung Lagerung zu verschieben. Auch damit kann sowohl eine Reduzierung des Wärmestroms als auch eine strukturmechanische Maßnahme durchgeführt werden.
8 zeigt zwei Ausführungsformen, bei denen das Turbinenlaufrad 2 jeweils mit einer Sollbruchstelle 12 bzw. 13 versehen ist. Bei der linken Ausführungsform befindet sich die Sollbruchstelle 12 an der Übergangsstelle zwischen Turbinenlaufrad 2 und Läuferwelle 1, während sie sich bei der rechten Ausführungsform im Nabenbereich des Turbinenlaufrades 2 befindet. Hierdurch wird erreicht, dass sich im Falle einer Überlastung das Turbinenlaufrad in Einzelteile zerlegt, die für die anderen Bauteile keine Gefahr darstellen.
9 zeigt eine Ausführungsform, bei der das Turbinenlaufrad 2 im Kern der Schaufeln 3 einen Bereich 20 mit einer höheren Porosität als im restlichen Teil aufweist. Hierdurch erfolgt ein verminderter Wärmeeintrag ins Turbinenlaufrad 2 und es ergeben sich strukturmechanische Vorteile (weniger Masse, die „zerrt“, und eine erhöhte Steifigkeit und somit höhere Eigenfrequenzen) . Gleichzeitig verringert sich auch das polare Trägheitsmoment um die Drehachse, was günstig für das Hochlaufverhalten ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102013226664 A1 [0004]

Claims

Turbinenläufer umfassend ein Turbinenlaufrad und eine Läuferwelle, dadurch gekennzeichnet, dass das Turbinenlaufrad (2) mindestens einen Bereich (5, 8, 9, 10, 11) umfasst, der eine niedrigere Materialdichte als der restliche Teil des Turbinenlaufrades (2) aufweist.
Turbinenläufer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich der mindestens eine Bereich (5, 8, 9, 10, 11) durch eine höhere Porosität als der restliche Teil des Turbinenlaufrades (2) auszeichnet.
Turbinenläufer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Bereich (5, 8, 9, 10, 11) so angeordnet ist, dass er den Wärmestrom vom Turbinenlaufrad (2) zur Läuferwelle (1) reduziert.
Turbinenläufer nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Bereich (5, 8, 9, 10, 11) so angeordnet ist, dass hierdurch die sich aus den Zentrifugalkräften ergebenden Kraftflüsse in vorteilhafter Weise gelenkt werden.
Turbinenläufer nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Bereich (5, 8, 9, 10, 11) so angeordnet ist, dass die Massenträgheitsmomente vorteilhaft beeinflusst werden.
Turbinenläufer nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Turbinenlaufrad (2) lokal in der Nähe der Läuferwelle (1) höhere Porosität besitzt.
Turbinenläufer nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Läuferwelle (1) und/oder das Turbinenlaufrad (2) eine Kavität (6, 7) besitzen.
Turbinenläufer nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Turbinenlaufrad (2) lokal im Bereich seiner strömungsführenden Flächen eine höhere Porosität aufweist.
Turbinenläufer nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Turbinenlaufrad (2) lokal an den Schaufelspitzen eine höhere Porosität besitzt.
Turbinenläufer nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Turbinenlaufrad (2) lokal im Nabenbereich eine höhere Porosität aufweist.
Turbinenläufer nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Turbinenlaufrad (2) lokal im Abströmbereich eine höhere Porosität besitzt.
Turbinenläufer nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Turbinenlaufrad (2) mit mindestens einer Sollbruchstelle (12, 13) versehen ist.
Turbinenläufer nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er im Kern der Schaufeln (3) einen Bereich (20) höherer Porosität besitzt.
Verfahren zur Herstellung eines Turbinenläufers nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er durch ein additives Fertigungsverfahren hergestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Turbinenläufer durch ein Pulverbettverfahren mit Laser oder Elektronenstrahl hergestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Turbinenlaufrad (2) direkt an die Läuferwelle (1) angeformt wird.