DE112011100606B4 - Turbinenrad und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

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Abstract

Turbinenrad (1) aus einem Turbinenrad-Rohteil (2),- mit einem Turbinenrad-Rücken (3); und- mit einem Schweißzapfen (Z), der am Turbinenrad-Rücken (3) über einen mit einem Freistich (4) versehenen Übergangsbereich (5) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet,- dass der Freistich (4) bereits im Turbinenrad-Rohteil (2) vorgesehen ist, und- dass der Schweißzapfen (Z) einen zylindrischen Umfangsbereich (9) umfasst, der derart mechanisch bearbeitet ist, dass ein kontinuierlicher Übergangsbereich (5) mit dem Freistich (4) gebildet wird, so dass im Einbauzustand eine Kollision des Turbinenrads (1) mit einem Lagergehäuse verhindert werden kann.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Turbinenrad gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 4.
  • Der sogenannte Läufer eines Turboladers weist ein Turbinenrad und die Turboladerwelle auf, die mit dem Turbinenrad über einen am Rücken des Turbinenrads angeordneten Schweißzapfen verbunden werden kann. Zu dieser Verbindung ist es möglich, die Welle und das Turbinenrad über einen Schweißvorgang (z. B. Reibschweißen oder Elektronenstrahlschweißen) miteinander zu verbinden. Ein Turbinenrad TR für einen derartigen Schweißvorgang ist in den 4 und 5 schematisch stark vereinfacht dargestellt. Das Turbinenrad TR weist den erwähnten Radrücken R und einen Schweißzapfen Z auf, der nach dem Vergießen entlang der strichpunktierten Linie SZ mit zwei Einstichen für Kolbenringe mechanisch bearbeitet wird. Der senkrechte Bereich der strichpunktierten Linie SZ stellt das Ende der Schleifzone dar. Zusätzlich wird gemäß 5 ein Freistich FS am Übergang zwischen dem Radrücken R und dem Schweißzapfen in einem weiteren Bearbeitungsschritt erzeugt, der aus 5 ersichtlich ist. Die JP 2009 - 144 633 A offenbart eine Hitzeschildeinrichtung im Fügebereich zwischen dem Turbinenrad und der Welle. Aus der JP S59 - 135 303 U sind Verbindungstechniken von einem keramischen Turbinenrad mit einer Welle aus Stahl bekannt. Eine Verbindungstechnik eines Titanium-Alumid Turbinenrads mit einer Stahlwelle ist aus der US 2006/0021221 A1 bekannt. JP S61 - 138 801 U beschreibt eine Verbindung zwischen einer Welle und einem Verdichterrad, die auf der radialen Expansion eines Hülsenabschnitts des Verdichterrads zum Eingreifen in einen diesen Hülsenabschnitt radial umgebenden Wellenabschnitt basiert.
  • Die 6 zeigt beispielhaft eine Ausführungsform eines Turbinenrades TR, das wiederum einen Radrücken R und einen Schweißzapfen Z aufweist, der mittels eines Schweißverfahrens mit der in 6 (wie auch in den 4 und 5) nicht gezeigten Welle des Turboladers verbunden werden kann. Vom Prinzip her soll bei diesem Läufer die zusätzliche Bearbeitung zur Erzeugung eines Freistiches, wie er in 5 gezeigt ist, nicht mehr nötig sein. Allerdings haben im Rahmen der Erfindung durchgeführte Untersuchungen gezeigt, dass es zur Bildung einer Ecke E im Übergang zwischen der Schleifzone und dem unbearbeiteten Teil des Turbinenrades kommt, da die Schleifscheibe Abstand vom Radrücken R einhalten muss, was wiederum zu einer Kollision zwischen dem Läufer und dem Lagergehäuse LG führen kann.
  • Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Turbinenrad gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 4 zu schaffen, wobei es möglich sein soll, einen zusätzlichen Bearbeitungsschritt zur Schaffung eines Freistriches im Übergangsbereich zwischen dem Schweißzapfen und dem Radrücken des Turbinenrades zu vermeiden.
  • Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des Anspruches 1 bzw. des Anspruches 4.
  • Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe überraschend einfach dadurch, dass durch einen geeigneten Vergussvorgang der Freistich bereits im Turbinenrad-Rohteil vorgesehen werden kann, so dass nach dem Vergießen lediglich der Bereich des Schweißzapfens, der bis zum mit dem Freistich ohnehin schon versehenen Übergangsbereich des Turbinenrad-Rohteiles mechanisch bearbeitet werden muss. Im Gegensatz zum Stand der Technik entfällt mithin ein weiterer Bearbeitungsschritt. Ferner bildet der beispielsweise mittels einer Schleifscheibe bearbeitete Bereich des Schweißzapfens nach dem Gießen mit dem während des Gießens integrierten Freistich einen kontinuierlichen Übergangsbereich, der eine positive Wirkung auf die Festigkeit des aus Turbinenrad und Rotorwelle bestehenden Läufers hat.
  • Die Unteransprüche haben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung zum Inhalt.
  • Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus nachfolgender Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung.
  • Es zeigt:
    • 1A eine schematisch stark vereinfachte Darstellung eines erfindungsgemäßen Turbinenrades,
    • 1B die in 1A mit einem Oval umrandete Einzelheit X in vergrößerter Darstellung,
    • 2 eine Darstellung eines Turbinenrad-Rohteiles,
    • 3 eine der 2 entsprechende Darstellung eines Turbinenrad-Rohteils gemäß dem Stand der Technik, und
    • 4 bis 6 Zeichnungen zum Stand der Technik, der in der Beschreibungseinleitung gewürdigt worden ist.
  • Die 1 zeigt in schematisch stark vereinfachter Darstellung ein erfindungsgemäßes Turbinenrad 1, das einen Radrücken 3 und einen am Radrücken 3 angeformten Schweißzapfen Z aufweist. Hierbei verdeutlicht die mit der strichlierten Linie durch den Doppelpfeil 2 dargestellte Kontur das Turbinenrad-Rohteil, das durch einen Giessvorgang, beispielsweise einen Feingießprozess, hergestellt werden kann.
  • Nach dem Vergießen des Turbinenrad-Rohteils 2 wird dieses bis zum Pfeil „Ende Schleifzone“ bearbeitet, wobei der bis zum Pfeil „Ende Schleifzone“ reichende Bereich 6 der gestrichelten Linie beispielsweise durch einen Schleifvorgang abgetragen wird, so dass sich eine Kontur von den Punkten 7 und 8 der in 1A sichtbaren Linie für das endbearbeitete Turbinenrad 1 ergibt, der im Beispielsfalle 2 Nuten für die Aufnahme von in 1A nicht näher dargestellte Kolbenringe umfasst. Wie sich aus 1A ergibt, kann somit keine anhand der 6 erläuterte Kollision mehr mit dem Lagergehäuse LG auftreten. Die Einzelheit X gemäß 1B zeigt hierbei nach der Bearbeitung durch Abtragen der gestrichelten Linie 6 einen zylindrischen Bereich 9, einen sich an diesen anschließende geringfügige Erhebung 10 und den Freistich 4, der aufgrund des Abtragens des Bereiches 6 vom Turbinenrad-Rohteil 2 nur noch geringfügig unterhalb des Bereichs 9 liegt und daher einen geringfügig kleineren Abstand zur Mittelachse aufweist.
  • Der Freistich im Übergangsbereich 5 ist dementsprechend besser aus 2 ersichtlich, die das Rohteil 2 vor der Bearbeitung des Bereiches 6 zeigt. Da hier der Bereich 6 noch nicht abgetragen ist, ist der Freistich 4 im Übergangsbereich deutlicher ausgeprägt.
  • Die Ausbildung des Freistiches 4 wird noch deutlicher im Vergleich zum Stand der Technik, der in 3 zum Zwecke des Vergleichs nochmals dargestellt ist. Aus dieser Darstellung wird deutlich, dass der Übergangsbereich 5, ausgehend vom nachzubearbeitenden Bereich 6 keinerlei Freistich vorsieht, so dass in diesem Falle eine Bearbeitung, wie sie anhand der 4 und 5 erläutert worden ist, erforderlich ist.
  • Dementsprechend beschränkt sich das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Turbinenrades 1 auf das Gießen des Turbinenrad-Rohteils 2, das mit dem Schweißzapfen Z und dem Turbinenradrücken 3 versehen ist, wobei im Zuge des Vergießens des Turbinenrad-Rohteils 2 der zuvor erläuterte Freistich 4 im Übergangsbereich 5 erzeugt wird.
  • Dementsprechend muss lediglich der zuvor erläuterte Bereich 6 nach dem Gießen bearbeitet werden, um aus dem Rohteil 2 das fertige Turbinenrad 1 herzustellen.
  • Neben der voranstehenden schriftlichen Offenbarung wird zu deren Komplettierung hiermit explizit auf die 1A, 1B und 2 verwiesen.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Turbinenrad
    2
    Turbinenrad-Rohteil
    3
    Turbinenrad-Rücken
    4
    Freistich
    5
    Übergangsbereich
    6
    Abzutragender Bereich
    7, 8
    Enden der fertig bearbeiteten Turbinenradkontur
    9
    Zylindrischer Bereich
    10
    Erhebung
    TR
    Turbinenrad
    R
    Radrücken
    Z
    Schweißzapfen
    SZ
    Schleifzone
    FS
    Freistichbearbeitung
    LG
    Lagergehäuse

Claims (6)

  1. Turbinenrad (1) aus einem Turbinenrad-Rohteil (2), - mit einem Turbinenrad-Rücken (3); und - mit einem Schweißzapfen (Z), der am Turbinenrad-Rücken (3) über einen mit einem Freistich (4) versehenen Übergangsbereich (5) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, - dass der Freistich (4) bereits im Turbinenrad-Rohteil (2) vorgesehen ist, und - dass der Schweißzapfen (Z) einen zylindrischen Umfangsbereich (9) umfasst, der derart mechanisch bearbeitet ist, dass ein kontinuierlicher Übergangsbereich (5) mit dem Freistich (4) gebildet wird, so dass im Einbauzustand eine Kollision des Turbinenrads (1) mit einem Lagergehäuse verhindert werden kann.
  2. Turbinenrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Turbinenrad-Rohteil (2) als Feingussteil ausgebildet ist.
  3. Turbinenrad nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Freistich (4) frei von Teilungsgrat einer Trennfuge ausgebildet ist.
  4. Verfahren zur Herstellung eines Turbinenrades (1) mit folgenden Verfahrensschritten: - Gießen eines Turbinenrad-Rohteils (2) mit einem Turbinenrad-Rücken (3) und einem Schweißzapfen (Z), der am Turbinenrad-Rücken (3) über einen Übergangsbereich (5) angeformt wird, dadurch gekennzeichnet, - dass im Zuge des Gießens des Turbinenrad-Rohteils (2) im Übergangsbereich (5) ein Freistich (4) erzeugt wird, und - dass der Schweißzapfen (4) in einem Bereich (6), der vor dem Freistich (4) endet, mechanisch bearbeitet wird, um einen zylindrischen Umfangsbereich (9) zu formen, der einen kontinuierlichen Übergangsbereich (5) mit dem Freistich (4) bildet, so dass im Einbauzustand eine Kollision des Turbinenrads (1) mit einem Lagergehäuse verhindert werden kann.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Gießvorgang ein Feingussvorgang verwendet wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Fertigungsverfahren ein Schleifvorgang oder ein Drehvorgang verwendet wird.
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