DE102018217056B4

DE102018217056B4 - Turbinenläufer und Verfahren zur Herstellung desselben

Info

Publication number: DE102018217056B4
Application number: DE102018217056.8A
Authority: DE
Inventors: Jan Ehrhard; Florian Kronschnabl; Ivo Sandor; Ralf Böning
Original assignee: Vitesco Technologies GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2018-10-05
Filing date: 2018-10-05
Publication date: 2022-09-29
Anticipated expiration: 2038-10-06
Also published as: DE102018217056A1

Abstract

Turbinenläufer umfassend ein Turbinenlaufrad (2) und eine Läuferwelle (1), wobei das Turbinenlaufrad (2) mindestens einen Bereich (5) umfasst, der eine niedrigere Materialdichte als der restliche Teil des Turbinenlaufrades (2) aufweist, und wobei sich der mindestens eine Bereich (5) durch eine höhere Porosität als der restliche Teil des Turbinenlaufrades (2) auszeichnet, dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich (5) höherer Porosität zur Minimierung des Wärmestromes vom Turbinenlaufrad (2) in die Läuferwelle (1) lokal im Turbinenlaufrad (2) in der Nähe der Läuferwelle (1) angeordnet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Turbinenläufer umfassend ein Turbinenlaufrad und eine Läuferwelle mit den Merkmalen des Oberbegriffes von Patentanspruch 1.
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.
Die WO 2014/102381 A1 beschreibt eine Turbinenlaufschaufel, die eine oder mehrere Kühlkammern bzw. Kühlkanäle aufweist. Ferner ist in dieser Veröffentlichung ein Sinterverfahren zur Herstellung der Turbinenlaufschaufel beschrieben, mit dem unterschiedliche Materialschichten hergestellt werden, so dass sich unterschiedliche Materialdichten ergeben.
Die US 2017/0284206 A1 offenbart einen Turbinenläufer, der die Merkmale des Oberbegriffes von Patentanspruch 1 aufweist. Dieser Turbinenläufer weist zwei Bereiche mit unterschiedlicher Porosität sowie einen Übergangsbereich dazwischen auf. Der Bereich höherer Porosität befindet sich hierbei im Schaufelabschnitt, während im Wurzelbereich der Schaufel der Bereich mit niedrigerer Porosität angeordnet ist.
In der DE 10 2013 226 664 A1 und der DE 10 2014 200 381 A1 sind Pulverbettverfahren zur Herstellung eines Turbinenrades beschrieben.
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 durch das kennzeichnende Merkmal von Patentanspruch 1 gelöst.
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.
Der Turbinenläufer ist 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 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 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.
Erfindungsgemäß wird der Wärmestrom in die Läuferwelle hinein minimiert. Hierzu sieht die Erfindung vor, dass das Turbinenlaufrad lokal in der Nähe der Läuferwelle mit einer höheren Porosität versehen wird. 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 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.
Die 4 bis 9 zeigen Ausführungsformen mit zusätzlichen Merkmalen, wobei das erfindungsgemäße Hauptmerkmal hier nicht nochmals dargestellt ist. Es zeigen:
4 auf der linken Seite einen Axialschnitt durch eine dritte Ausführungsform eines 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 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 Turbinenläufers und auf der rechten Seite eine Ansicht gemäß Schnitt A-A in 6;
7 einen Axialschnitt durch eine weitere Ausführungsform eines Turbinenläufers;
8 einen Axialschnitt durch noch zwei weitere Ausführungsformen von 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 zusätzlich 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 zusätzlich 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 zusätzlich 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 zusätzlich 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 zusätzlich 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 zusätzlich 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.

Claims

Turbinenläufer umfassend ein Turbinenlaufrad (2) und eine Läuferwelle (1), wobei das Turbinenlaufrad (2) mindestens einen Bereich (5) umfasst, der eine niedrigere Materialdichte als der restliche Teil des Turbinenlaufrades (2) aufweist, und wobei sich der mindestens eine Bereich (5) durch eine höhere Porosität als der restliche Teil des Turbinenlaufrades (2) auszeichnet, dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich (5) höherer Porosität zur Minimierung des Wärmestromes vom Turbinenlaufrad (2) in die Läuferwelle (1) lokal im Turbinenlaufrad (2) in der Nähe der Läuferwelle (1) angeordnet ist.
Turbinenläufer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Bereich (5) 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) so angeordnet ist, dass die Massenträgheitsmomente vorteilhaft beeinflusst werden.
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 vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Turbinenlaufrad (2) lokal im Bereich (8) seiner strömungsführenden Flächen eine höhere Porosität aufweist.
Turbinenläufer nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Turbinenlaufrad (2) lokal an den Schaufelspitzen eine höhere Porosität besitzt.
Turbinenläufer nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Turbinenlaufrad (2) lokal im Nabenbereich (10) eine höhere Porosität aufweist.
Turbinenläufer nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Turbinenlaufrad (2) lokal im Abströmbereich (11) 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 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Turbinenläufer durch ein Pulverbettverfahren mit Laser oder Elektronenstrahl hergestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Turbinenlaufrad (2) direkt an die Läuferwelle (1) angeformt wird.