DE112014000401T5

DE112014000401T5 - Abgasturbolader sowie Verfahren zur Herstellung eines Strömungsgehäuses eines Abgasturbolader

Info

Publication number: DE112014000401T5
Application number: DE112014000401.4T
Authority: DE
Inventors: Martin Jung; Marc Gugau
Original assignee: BorgWarner Inc
Current assignee: BorgWarner Inc
Priority date: 2013-02-08
Filing date: 2014-01-28
Publication date: 2015-10-01
Also published as: WO2014123720A1; US10087941B2; US20150369251A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Abgasturbolader (1) mit einem Turbinengehäuse (2), das eine Turbinenspirale (16) aufweist; mit einem Verdichtergehäuse (3), das eine Verdichterspirale (17) aufweist, wobei eine innere strömungsführende Spiralenoberfläche (18 bzw. 19) der Turbinenspirale (16) und/oder der Verdichterspirale (17) materialabtragend bearbeitet ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Abgasturbolader gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Strömungsgehäuses eines Abgasturboladers gemäß Anspruch 4.
Die Strömungsgehäuse eines Abgasturboladers sind das Verdichtergehäuse sowie das Turbinengehäuse. Diese Strömungsgehäuse werden üblicherweise als Gussteile hergestellt und umfassen eine Verdichterspirale bzw. Turbinenspirale, die das Verdichterrad bzw. das Turbinenrad umgeben und in einer Zunge enden.
Bei bisher bekannten Abgasturboladern wird eine Nachbearbeitung der inneren strömungsführenden Spiralenoberfläche des Verdichtergehäuses bzw. Turbinengehäuses nur in Ausnahmefällen durch Drehen durchgeführt, falls das Verdichterrad oder das Turbinenrad Schäden aufweisen, mit dem Ziel, den Abstand zwischen der Zunge und dem Rad zu erhöhen.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Abgasturbolader der im Oberbegriff des Anspruches 1 zu schaffen, dessen Wirkungsgrad gesteigert werden kann.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des Anspruches 1.
Dadurch, dass die innere strömungsführende Spiraloberfläche der Verdichterspirale und/oder der Turbinenspirale z. B. fräsbearbeitet ist, reduziert sich die ursprüngliche Toleranzbreite des Zungenabstandes um ca. 80%. Vorteilhafterweise ergeben sich hierbei, anders als beim Nachbearbeiten durch Drehen, keine Störstellen. Die engere (Fräs-)Toleranzbreite wird hierbei in den Minusbereich der ursprünglichen (Gusspositions-)Toleranzbreite umgelegt. Damit steigt der Wirkungsgrad des Abgasturboladers.
Die Unteransprüche haben vorteilhafte Weiterentwicklungen des erfindungsgemäßen Abgasturboladers zum Inhalt.
Im Rahmen der Erfindung durchgeführte Untersuchungen haben ergeben, dass die innere strömungsführende Spiralenoberfläche aufgrund ihrer durch den Gussprozess erzeugten Rauheit einen groben Einfluss auf die Leistung der Turbine bzw. des Verdichters hat. Hier ist vor allem das letzte Umfangsviertel der Verdichterspirale bzw. der Turbinenspirale entscheidend. Daher wird vorzugsweise dieses letzte Umfangsviertel einer materialabtragenden Bearbeitung, insbesondere einer Fräsbearbeitung, unterzogen, wobei es jedoch grundsätzlich auch möglich ist, die Verdichterspirale bzw. die Turbinenspirale über ihre gesamte Länge einer derartigen Bearbeitung zu unterziehen.
Diese materialabtragende Bearbeitung, wie insbesondere die Fräsbearbeitung, liefert durch einen verbesserten Oberflächenzustand die bereits angesprochene Wirkungsgradsteigerung und zusätzlich eine Reduktion der Wirkungsgrad-Streuung.
Weitere, im Rahmen der Erfindung durchgeführte Untersuchungen haben ergeben, dass der Zungenabstand zwischen Zunge und Rad der Turbine bzw. des Verdichters einen entscheidenden Einfluss auf:

a) die Strömungsgehäuseleistung, den Durchsatz und den Wirkungsgrad; und
b) die HCF-Anregung des Turbinenrads bzw. Verdichterrads, hat, wobei ein kleinerer Abstand zu einer stärkeren Anregung führt.

Aus dem Kompromiss der beiden genannten Bedingungen a) und b) wird der Zungenabstand erfindungsgemäß festgelegt. Er ist jedoch in der Praxis nicht fix, sondern variiert aufgrund der Gusspositionstoleranzen im Strömungsgehäuse. Das bedeutet:
Insbesondere die Turbinenleistung und die HCF-Anregung des Turbinenrades schwanken mit der Toleranzbreite des Zungenabstandes und überlagert mit der Oberflächengüte der Spirale (des Strömungskanals).
Wird nun insbesondere das letzte Umfangsviertel der Spirale gefräst, reduziert sich die Toleranzbreite um 80%, und die Oberflächengüte ist viel höher als ohne eine Fräsbearbeitung. Hieraus ergeben sich folgende Vorteile:

– Die Wirkungsgradunterschiede der einzelnen Serien-Strömungsgehäuse reduzieren sich um 80%, soweit es sich um Einflüsse aus dem Zungenabstand handelt. Gleichzeitig bleibt die Serien-HCF-Performance erhalten.
– Der durchschnittliche Wirkungsgrad der Turbine bzw. des Verdichters in der Serien-Turbine bzw. Serien-Verdichters kann erhöht werden: • liegt z. B. ein Turbinengehäuse im mittleren/oberen Gusstoleranzbereich, reduziert dies den Wirkungsgrad; • legt man die Frästoleranz in den unteren Gusstoleranzbereich, steigert das den Abgasturbolader-Wirkungsgrad im Serienprozess, ohne dass die ursprüngliche Serien-HCF-Grenze unterschritten wird. D. h., dass die Performance- bzw. Leistungssteigerung umso größer ist, je kleiner das Strömungsgehäuse ist.
– Wenn die Zunge gefräst wird, so wird damit auch gleichzeitig die Oberflächengüte erhöht, weil wesentliche Störstellen weggefräst werden können. Damit steigt die HCF-Festigkeit stark an. Benötigt man jedoch nur die ursprüngliche Serien-HCF-Festigkeit, kann man erfindungsgemäß den Zungenabstand entsprechend reduzieren. Eine Reduktion des Zungenabstandes um z. B. 2,5% ergibt eine 1%-ige Wirkungsgradsteigerung.

In den Ansprüchen 8 bis 14 ist ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines Strömungsgehäuses eines Abgasturboladers definiert. Dementsprechend wird zunächst das Strömungsgehäuse gegossen und danach wird eine materialabtragende Bearbeitung, insbesondere eine Fräsbearbeitung, der inneren strömungsführenden Spiralenoberflächen durchgeführt.
Entsprechend den Ergebnissen der erfindungsgemäß durchgeführten Untersuchungen wird insbesondere das letzte Umfangsviertel bis zum Ende der Zunge der jeweiligen Spirale des Strömungsgehäuses einer materialabtragenden Bearbeitung, insbesondere einer Fräsbearbeitung, unterworfen.
Bevorzugterweise kann für die Durchführung des Fräsvorganges ein Scheibenfräser zum Einsatz kommen.
Ferner können, im Vergleich zu bekannten Strömungsgehäusen, die seitlichen Anbindungsradien der Zunge vergrößert und die Zunge mit einer Bearbeitungszugabe ausgeführt werden.
Das Strömungsgehäuse kann entweder als Verdichtergehäuse oder als Turbinengehäuse ausgebildet werden. Bei einem erfindungsgemäßen Abgasturbolader ist es jedoch, wie in Anspruch 1 definiert, möglich, entweder nur das Verdichtergehäuse oder nur das Turbinengehäuse oder beide Strömungsgehäuse fräsbearbeitet auszuführen.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann grundsätzlich wie folgt umgesetzt werden:

A) Soforthilfe in laufender Serie bei einzelnen Schaufelschäden (HCF-Performance): Die bisherige Vorgehensweise einer Drehbearbeitung der Zunge generiert sowohl eine Störstelle am Eingriff der Bearbeitung als auch einen höheren Wirkungsgradverlust, da der Zungenradius bei Drehbearbeitung nur konstant gehalten werden kann. Bei Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, das z. B. eine Fräsbearbeitung vorsieht, wird der Wirkungsgradverlust spürbar geringer als beim bisher bekannten Drehen. Außerdem entsteht beim Fräsen keine Störstelle, was sich ebenfalls positiv auf den Wirkungsgrad auswirkt.
B) Wirkungsgradverbesserung bei Gehäuse-Neukonstruktionen: Die Spirale wird konstruktiv bevorzugterweise so angepasst, dass in ihrem letzten Viertel ihre Querschnittsbreite kleiner oder gleich ist der Turbinenradeintrittsbreite bzw. Diffusoraustrittsbreite, und bei der sich die Querschnittstiefe bis auf nahezu Null reduziert.

Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus nachfolgender Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. Es zeigt:
1 eine perspektivische Schnittdarstellung einer möglichen Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Abgasturboladers;
2 eine mögliche Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Strömungsgehäuses des Abgasturboladers, das im dargestellten Beispielsfall ein Turbinengehäuse ist;
3 eine Schnittdarstellung durch eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Turbinengehäuses;
4 eine der 3 entsprechende Schnittdarstellung einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Turbinengehäuses; und
5 Graphen zur Darstellung von Toleranzbreiten beim Zungenabstand ohne Fräsen (Guss) und mit Fräsbearbeitung.
In 1 ist ein erfindungsgemäßer Abgasturbolader 1 dargestellt, der ein Turbinengehäuse 2 und ein Verdichtergehäuse 3 aufweist.
Das Turbinengehäuse 2 weist eine Turbinenspirale 16 auf, die der Strömungskanal ist, der ein Turbinenrad 5, das im Turbinengehäuse 2 angeordnet ist, umgibt.
Entsprechend weist das Verdichtergehäuse 3 eine Verdichterspirale 17 auf, die der Strömungskanal ist, der ein Verdichterrad 7 des Verdichtergehäuses 3 umgibt.
Die Turbinenspirale 16 weist eine innere Spiralenoberfläche 18 und die Verdichterspirale 17 weist eine innere Spiralenoberfläche 19 auf, die erfindungsgemäß z. B. fräsbearbeitet ist. Wie eingangs erläutert, ist es erfindungsgemäß möglich, dass entweder beide Spiralenoberflächen 18 und 19 oder jeweils nur eine dieser Spiraloberflächen 18 oder 19 fräsbearbeitet ist, wobei eine fräsbearbeitete turbinenseitige innere strömungsführende Spiralenoberfläche 18 bevorzugt ist.
1 zeigt lediglich ein Ausführungsbeispiel eines Abgasturboladers 1, der erfindungsgemäß ausgeführt sein kann. Vom Prinzip her sind selbstverständlich auch jedwede andere denkbaren Ausführungsformen derartiger Abgasturbolader in der erfindungsgemäßen Ausgestaltung denkbar. Da die in 1 sichtbaren weiteren Elemente des Abgasturboladers 1, die mit dem Bezugsziffern 8 bis 15 gekennzeichnet sind, für die Erläuterung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung nicht erforderlich sind, sind diese Elemente nur in der nachfolgenden Bezugszeichenliste aufgelistet.
In 2 ist eine denkbare Ausführungsform eines Turbinengehäuses 2 als Repräsentant für ein Strömungsgehäuses eines Abgasturboladers 1 dargestellt. Auch bezüglich der in 2 erkennbaren Ausführungsform des Turbinengehäuses 2 ist zu betonen, dass es sich hier lediglich um ein Ausführungsbeispiel handelt, jedwede andere Ausführung eines Turbinengehäuses 2 ebenfalls die erfindungsgemäßen Merkmale aufweisen kann. Des Weiteren ist zu betonen, dass die nachfolgend erläuterten, anhand der 2 erkennbaren Merkmale vom Prinzip her auch für das Verdichtergehäuse 3 des Abgasturboladers 1 gelten.
2 verdeutlicht erneut, dass das Turbinengehäuse 2 eine Turbinenspirale 16 mit einer inneren strömungsführenden Spiralenoberfläche 18 aufweist, die von einem Gehäuseeintritt 8 bis zum Ende 21 einer Zunge 22 führt. Diese innere strömungsführende Spiralenoberfläche 18 ist erfindungsgemäß z. B. fräsbearbeitet, wobei insbesondere das letzte Umfangsviertel 20 bis zum Ende 21 der Zunge 22 fräsbearbeitet ausgeführt ist, da dieses letzte Umfangsviertel 20 besonders entscheidenden Einfluss auf die Wirkungsgradsteigerung hat.
Wie 2 ferner verdeutlicht, kann die Zunge 22 im Bereich vom Zungenende 21 seitliche Anbindungsradien R₁ und R₂ enthalten, die vergrößert ausgebildet sind im Vergleich zu Standard-Gehäusen. Dies bewirkt eine reduzierte Rissgefahr.
Ferner ist es erfindungsgemäß möglich, im letzten Umfangsviertel 20 eine Aufdickung 24 der Zunge 22 für die materialabtragende Bearbeitung, insbesondere im Falle von Neukonstruktionen, vorzusehen.
In 2 ist ferner der sich ergebende Zungenabstand Z eingezeichnet.
Schließlich verdeutlicht 2 durch den Pfeil PF, dass sich der Weg der Fräs-Achse am Verlauf der Zunge 22 bzw. dessen A/R-Verlauf orientiert.
In 3 ist eine z. B. durch Fräsbearbeitung realisierbare Querschnittsfläche im letzten Umfangsviertel 20 der Spirale 16 bzw. 17 dargestellt. Der A/R-Verlauf über den Spiralumfang bleibt bei entsprechend üblicher Auslegung und wird nur über den Fräsereingriff gesteuert. Die Fräsbereiche bei einer solchen Neukonstruktion sind durch die sechs Punkte P dargestellt.
4 zeigt ein Turbinengehäuse mit Materialabtragbereichen P' im Falle einer zuvor erläuterten Soforthilfe.
5 verdeutlicht schließlich die Toleranzbreiten beim Zungenabschnitt ohne Fräsen (Guss) und mit einer Fräsbearbeitung.
Hierbei zeigt die Kurve K1 die Toleranzbreite bei Fräsbearbeitung, wobei der Zungenabstand reduziert ist.
Die Kurve K2 zeigt die Toleranzbreite bei Fräsbearbeitung ohne reduzierten Zungenabstand und die Kurve K3 zeigt die Toleranzbreite ohne Bearbeitung (z. B. im Falle der Gusspositionstoleranzen bei Stahlguss). Nachzutragen ist, dass unter dem Terminus „HCF-Auslegung” eine Auslegung zu verstehen ist, die eine hohe Einmalbelastung in den Vordergrund stellt, also keinen Schwerpunkt auf Lastwechsel legt. Das Kürzel „HCF” bedeutet hierbei „High Cycle Fatique”.
Unter dem Begriff „A/R-Verlauf” wird ein Flächenverlauf einer Spirale verstanden, der gekennzeichnet ist als dimensionslose Kennzahl aus Querschnittsfläche an einer bestimmten Umfangsstelle und dem zugehörigen Schwerpunktradius.
Neben der vorstehenden schriftlichen Beschreibung der Erfindung wird zu deren ergänzender Offenbarung hiermit explizit auf die zeichnerische Darstellung der Erfindung in den 1 bis 5 Bezug genommen.
Bezugszeichenliste

1: Abgasturbolader
2: Turbinengehäuse
3: Verdichtergehäuse
4: Lagergehäuse
5: Turbinenrad
6: Welle
7: Verdichterrad
8: Turbinengehäuseeintritt
9: Turbinengehäuseaustritt
10: Klappenanordnung
11: Klappenteller
12: Klappenhebel/Spindel
13: Klappenwelle
14: Regelstange
15: Aktuator
16: T-Spirale
17: V-Spirale
18: Innere Spiralenoberfläche des Turbinengehäuses 2
19: Innere Spiralenoberfläche des Verdichtergehäuses 3
20: Letztes Umfangsviertel
21: Zungenende
22: Zunge
23: Bereich der Rechteckform im letzten Umfangsviertel 20
24: Aufdickung

Claims

Abgasturbolader (1) – mit einem Turbinengehäuse (2), das eine Turbinenspirale (16) aufweist; – mit einem Verdichtergehäuse (3), das eine Verdichterspirale (17) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass – zumindest ein Teil der inneren strömungsführenden Spiralenoberfläche (18 bzw. 19) der Turbinenspirale (16) und/oder der Verdichterspirale (17) materialabtragend bearbeitet ist.
Abgasturbolader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die innere strömungsführende Spiralenoberfläche (18 bzw. 19) im letzten Umfangsviertel (20) der Turbinenspirale (16) und/oder der Verdichterspirale (17) im Zungenbereich (22), insbesondere am Ende (21) der Zunge, materialabtragend bearbeitet ist.
Abgasturbolader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der inneren strömungsführenden Spiralenoberfläche (18 bzw. 19) der Turbinenspirale (16) und/oder der Verdichterspirale (17) fräsbearbeitet ist.
Abgasturbolader nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die innere strömungsführende Spiralenoberfläche (18 bzw. 19) der Turbinenspirale (16) und/oder der Verdichterspirale (17) im letzten Umfangsviertel (20) im Zungenbereich (22), insbesondere am Ende (21) der Zunge, fräsbearbeitet ist.
Abgasturbolader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der inneren strömungsführenden Spiralenoberfläche (18 bzw. 19) der Turbinenspirale (16) und/oder der Verdichterspirale (17) interpolationsdrehbearbeitet ist.
Abgasturbolader nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die innere strömungsführende Spiralenoberfläche (18 bzw. 19) im letzten Umfangsviertel (20) der Turbinenspirale (16) und/oder der Verdichterspirale (17) im Zungenbereich (22), insbesondere am Ende (21) der Zunge, interpolationsdrehbearbeitet ist.
Abgasturbolader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsbreite bei zumindest einem Teil der inneren strömungsführenden Spiralenoberfläche (18 bzw. 19) der Turbinenspirale (16) und/oder der Verdichterspirale (17) ab Turbinenradeintritt bzw. Diffusoraustritt nicht mehr vergrößert.
Verfahren zur Herstellung eines Strömungsgehäuses (2; 3) eines Abgasturboladers (1) mit folgenden Verfahrensschritten: – Gießen des Strömungsgehäuses (2; 3); und – materialabtragende Bearbeitung zumindest eines Teils der inneren strömungsführenden Spiralenoberfläche (18 bzw. 19) des Strömungsgehäuses (2; 3).
Verfahren nach Anspruch 8, wobei die innere strömungsführende Spiralenoberfläche (18 bzw. 19) im letzten Umfangsviertel (20) der Turbinenspirale (16) und/oder der Verdichterspirale (17) im Zungenbereich (22), insbesondere am Ende (21) einer Zunge, materialabtragend bearbeitet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbinenspirale (16) und/oder die Verdichterspirale (17) im letzten Umfangsviertel (20) so ausgeführt werden, dass sich die Querschnittsbreite ab Turbinenradeintritt bzw. Diffusoraustritt nicht mehr vergrößert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass seitliche Anbindungsradien (R₁; R₂) der Zunge (22) am Zungenende (21) vergrößert ausgeführt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Zunge (22) mindestens teilweise, im letzten Umfangsviertel (20) aufgedickt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Fräsbearbeitung mittels eines Scheibenfräsers ausgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungsgehäuse als Turbinengehäuse (2) und/oder als Verdichtergehäuse (3) ausgebildet wird.