DE19515464C1 - Strömungsmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Strömungsmaschine, insbesondere einen Radialverdichter, mit wenigstens einem mit radialer Vorspannung auf einer Welle aufnehmbaren, über der Länge eine ungleiche Masseverteilung aufweisenden Laufrad, das eine Nabe mit einer von der Welle durchgriffenen Bohrung aufweist.

Bei niedrigen Drehzahlen des Laufrads ist die Nabe auf ihrer ganzen Einspannlänge in Kontakt mit der Welle. Bei höheren Drehzahlen wird in den Bereichen mit großer Masseanhäufung die Vorspannung von der Fliehkraft überwunden, so daß die Nabe von der Welle abhebt. Dieses Abheben beginnt am der größten Masseanhäufung zugeordneten Nabenende und setzt sich mit steigender Drehzahl nach innen fort. Die Nabe nimmt dabei zunehmend die Konfiguration einer Glocke an. Diese kommt zum Schwingen, wenn sie durch eine Querkraft dazu angeregt wird. Periodisch auftretende Querkräfte können aus der Rückwirkung einer asymmetrischen Verdichterströmung, aus Spalterregungen oder aus dem sogenannten oil-whip resultieren. Diese Schwingungen führen zu einem unruhigen Lauf und können bei Resonanz zu einer Zerstörung des Laufrades führen.

Die DE 35 32 348 A1 behandelt ein Laufrad eines Radialverdichters aus einem metallischen Werkstoff, das von einer einstückigen Welle aus einem keramischen Werkstoff durchgriffen wird. Um eine möglichst einfache Verbindung der aus unterschiedlichen Materialien bestehenden Bauteile zu schaffen, erfolgt die Verbindung in der Art einer Stopfbuchsenpackung und stellt eine mittelbare Reibschlußverbindung dar. Damit soll eine Kraftübertragung auf relativ große Flächen gewährleistet werden. Eine Lösung des oben beschriebenen Problems kann eine derartige Anordnung jedoch nicht liefern.

Dem könnte durch eine Verdickung der Nabe entgegengewirkt werden. Dies führt jedoch bei gleicher Baugröße zu einer Verkleinerung des Strömungsquerschnitts und damit zu einer Verringerung des Durchsatzes. Um diesen Nachteil abzuschwächen könnte gleichzeitig die Welle verdünnt werden. Dies kann jedoch zu nachteiligen biegekritischen Drehzahlen führen.

Es wurde auch schon versucht, der Aufweitung der Nabe durch Anbringung eines Überstreifrings, der einen an der der größten Masseanhäufung zugeordneten Nabenstirnseite vorgesehenen Bund umgreift, entgegenzuwirken. Nachteilig hierbei sind jedoch die durch den Überstreifring bewirkte Vergrößerung der Baulänge in axialer Richtung und die hierdurch bewirkte Erhöhung der biegekritischen Drehzahl.

Hiervon ausgehend ist es daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Strömungsmaschine eingangs erwähnter Art unter Vermeidung der Nachteile der bekannten Anordnungen mit einfachen und kostengünstigen Mitteln so zu verbessern, daß ein vergleichsweise ruhiger Lauf erreicht wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Bohrung der Nabe als Stufenbohrung ausgebildet ist, deren im der größten Masseanhäufung zugeordneten Endbereich der Nabe vorgesehene Stufe als gegenüber der Achse der Welle angestellte Kontaktfläche ausgebildet ist, die an einer parallelen, wellenseitig fixierten Gegenkontaktfläche zur Anlage bringbar und über dem gesamten Drehzahlfeld in Anlage haltbar ist.

Mit diesen Maßnahmen werden die eingangs geschilderten Nachteile vollständig beseitig. Die erfindungsgemäßen Maßnahmen stellen sicher, daß auch im Falle einer Glockenbildung der Kontakt zwischen Kontaktfläche und Gegenkontaktfläche erhalten bleibt, wodurch Glockenschwingungen vermieden und ein ruhiger Lauf erreicht werden. Da sich die erfindungsgemäßen Maßnahmen im Bereich der Nabenbohrung befinden, ergibt sich in vorteilhafter Weise keinerlei zusätzlicher Platzbedarf in axialer und/oder radialer Richtung. Die erfindungsgemäßen Maßnahmen gewährleisten damit auch eine kompakte Bauweise ohne Veränderung der biegekritischen Drehzahl.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und zweckmäßige Fortbildungen der übergeordneten Maßnahmen sind in den Unteransprüchen angegeben. So können die Kontaktfläche und die Gegenkontaktfläche zweckmäßig um einen vom Verhältnis der radialen Dehnung und der axialen Kontraktion der Nabe im Bereich der Kontaktfläche abhängigen Winkel gegenüber der Achse der Welle angestellt sein. Diese Ausgestaltung stellt sicher, daß im Falle einer Glockenbildung die Aufweitbewegung der Nabe praktisch parallel zur Kontakt- und Gegenkontaktfläche verläuft. Hierdurch wird daher gewährleistet, daß die Kontaktfläche und Gegenkontaktfläche auch bei geringer axialer Vorspannung großflächig aneinander anliegen.

Eine weitere, besonders zu bevorzugende Ausgestaltung der übergeordneten Maßnahmen kann darin bestehen, daß die Gegenkontaktfläche als Stirnseite einer in der Bohrung der Nabe angeordneten, in axialer Richtung fixierten Büchse ausgebildet ist. Die Verwendung einer in die Nabenbohrung eingeschobenen Büchse ermöglicht die Anbringung eines wellenseitigen Bunds, der als axiale Laufradabstützung fungieren kann. Gleichzeitig läßt sich hierbei auf einfache Weise ein zuverlässiger Kontakt zwischen Kontaktfläche und Gegenkontaktfläche herstellen. Durch die genannte Fortbildung wird daher die Montage des erfindungsgemäßen Laufrads sehr erleichtert.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und zweckmäßige Fortbildungen der übergeordneten Maßnahmen sind in den restlichen Unteransprüchen angegeben und aus der nachstehenden Beispielsbeschreibung anhand der Zeichnung entnehmbar.

Die nachstehend beschriebene Zeichnung zeigt einen Teillängsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Abgasturbolader.

Der grundsätzliche Aufbau und die Wirkungsweise eines Abgasturboladers sind an sich bekannt und bedürfen daher im vorliegenden Zusammenhang keiner näheren Erläuterung mehr. Ein Abgasturbolader der der Zeichnung zugrundeliegenden Art besitzt eine in ihrem mittleren Längsbereich in einem Gehäuse 1 gelagerte Welle 2, die an ihren über die Lagerung auskragenden Enden ein hier nicht näher dargestelltes Turbinenrad und ein in der Zeichnung schematisch dargestelltes Verdichterrad 3 trägt. Dieses ist hier als einflutiges Radialverdichterrad ausgebildet.

Das Verdichterrad 3 besitzt eine auf der durch das Turbinenrad angetriebenen Welle 2 drehschlüssig aufgenommene Nabe 4, die umfangsseitig mit radial abstehenden Schaufeln 5 besetzt ist. Die Außenkonfiguration der Nabe 4 begrenzt mit der gegenüberliegenden Wand des Gehäuses 1 einen von der axialen Richtung in die radiale Richtung umgelenkten, nach außen sich verengenden Strömungskanal 6, dessen Querschnitt der Konfiguration der Schaufeln 5 entspricht. Der Durchmesser der Nabe 4 und der Schaufeln 5 nimmt vom Strömungseingang zum Strömungsausgang des Strömungskanals 6 zu, so daß sich ein zur Mittelquerebene des Verdichterrads 3 unsymmetrischer Längsquerschnitt und dementsprechend auch eine über der Länge des Verdichterrads 3 zunehmende Masseverteilung ergeben. Im Bereich der dem Strömungsausgang benachbarten Rückseite des Verdichterrads 2 sind der Schaufel- und Nabendurchmesser und dementsprechend die Masseanhäufung am größten.

Die auf der Welle 2 aufgenommene Nabe 4 besitzt eine von der Welle 2 durchgriffene, zentrale Bohrung 7. Auf die Wand der Bohrung 7 wirken im montierten Zustand den gewünschten Drehschluß ergebende, radiale Vorspannkräfte. In axialer Richtung liegt die Nabe 4 mit ihrer Rückseite an einem Bund 8 der Welle 2 an.

Die Bohrung 7 ist als Stufenbohrung ausgebildet, die in der Nähe der Rückseite der Nabe 4, d. h. im Bereich der größten Masseanhäufung, von einem Durchmesser D, der größer als der Durchmesser des die Nabenbohrung durchgreifenden Wellenabschnitts ist, auf einen kleineren, dem Wellendurchmesser entsprechenden Durchmesser d abgestuft ist. Im Bereich des den größeren Durchmesser D aufweisenden Abschnitts der Bohrung 7 ist der Abstand zwischen der Welle 2 und der Nabe 4 durch eine in die Bohrung 7 eingeschobene, zylindrische Büchse 9 überbrückt, deren innerer Durchmesser an den Durchmesser d des zugeordneten Wellenabschnitts und deren äußerer Durchmesser an den Durchmesser D des zugeordneten Bohrungsabschnitts angepaßt ist. Die zylindrische Büchse 9 besteht aus Stahl wie die Welle 2, was eine zuverlässige Kraftübertragung auf die aus Aluminium bestehende Nabe 4 ergibt.

Die radiale Verspannung zwischen Welle 2 und Nabe 4 wird hier durch entsprechende Presspassungen zwischen Welle 2 und Büchse 9 und Büchse 9 und Nabe 4 bewerkstelligt. Es wäre aber auch ohne Weiteres denkbar, die Büchse 9 durch Verwendung einer sie untergreifenden konischen Hülse der mit unterbrochenen Linien angedeuteten Art in radialer Richtung aufzuweiten. Auch eine Schrumpfverbindung wäre denkbar.

Die Stufe der Bohrung 7 ist als gegenüber der Achse der Welle 2 angestellt Kontaktfläche 10 ausgebildet, an der die Büchse 9 mit ihrer als parallele Gegenkontaktfläche 11 ausgebildeten, in Einschubrichtung vorderen Stirnseite unter Druck anliegt. Im Betrieb treten von der Drehzahl und der Masse abhängige, an der Nabe 4 angreifende Fliehkräfte auf. Diese sind im Bereich mit der größten Masseanhäufung am größten. Bei höheren Drehzahlen können die in Bereichen mit hoher Masse auftretenden Fliehkräfte die axiale Vorspannung überschreiten, so daß die Nabe 4 von der Welle 2 bzw. der Büchse 9 abhebt. Dieses Abheben beginnt im Bereich der den größten Durchmesser aufweisenden Nabenrückseite und schreitet mit zunehmender Geschwindigkeit nach innen fort. Die Nabe 4 nimmt dementsprechend eine glockenartige Konfiguration an. Im Bereich kleinerer Nabendurchmesser werden die radialen Vorspannkräfte durch die Fliehkräfte nicht überwunden. Die Büchse 9 bleibt daher mit ihrem in Einschubrichtung hinteren Bereich eingespannt und damit in axialer Richtung fixiert.

Mit der Dehnung in radialer Richtung geht erfahrungsgemäß eine Kontraktion in axialer Richtung einher, so daß sich insgesamt eine Verschiebung mit radialer und axialer Komponente ergibt, wie durch den Verschiebepfeil 12 angedeutet ist. Die Kontaktfläche 10 und die hierzu parallele Gegenkontaktfläche 11 sind so ausgebildet, daß sie bei jeder Drehzahl aufeinander drücken. Dies wird am einfachsten dadurch erreicht, daß die Kontaktfläche 10 und die Gegenkontaktfläche 11 richtungsmäßig der oben erwähnten, durch den Verschiebepfeil 12 angedeuteten Verschiebung folgen. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Kontaktfläche 10 und die Gegenkontaktfläche 11 daher um einen Winkel α gegenüber der Achse der Welle 2 angestellt, der sich aus dem Verhältnis der radialen Dehnung und der axialen Kontraktion der Nabe im mittleren Bereich der Kontaktfläche 10 ergibt. In der Praxis ist der Winkel α ein spitzer Winkel von weniger als 45°, vorzugsweise ein Winkel im Bereich zwischen 20° und 40°. Winkelabweichungen zwischen der Neigung der Kontaktfläche 10 bzw. Gegenkontaktfläche 11 und der Verschiebungsrichtung können durch erhöhte Pressung ausgeglichen werden. Dadurch, daß der Winkel α der Verschiebungsrichtung folgt, vereinfacht sich jedoch die Montage der Büchse 9 und damit insgesamt des Laufrads 3.

Dadurch, daß die Nabe 4 mit ihrer Kontaktfläche 10 bei jeder Drehzahl in Anlage an der wellenseitig fixierten Gegenkontaktfläche 11 bleibt, ergibt sich auch im Falle einer glockenförmigen Aufweitung der Nabe 4 eine hohe Sicherheit gegen Nabenschwingungen. Auch im Falle periodisch auftretender Querkräfte wird die Nabe 4 nicht zu Schwingungen angeregt. Die Folge ist ein sehr ruhiger Lauf.

Im dargestellten Beispiel ist die Gegenkontaktfläche 11 an eine in die Bohrung 7 eingeschobene Büchse 9 angeformt, die gegenüber der Welle 2 verspannt ist. Es wäre auch denkbar, die Gegenkontaktfläche 11 direkt an die Welle 2 anzuformen. In diesem Fall müßte allerdings der Bund 8 der Welle 2 entfallen und die Nabe 4 anderweitig in axialer Richtung gesichert werden.

Claims (6)

1. Strömungsmaschine, insbesondere Radialverdichter, mit wenigstens einem mit radialer Vorspannung auf einer Welle (2) aufnehmbaren, über der Länge eine ungleiche Masseverteilung aufweisenden Laufrad (3), das eine Nabe (4) mit einer von der Welle (2) durchgriffenen Bohrung (7) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrung (7) der Nabe (4) als Stufenbohrung ausgebildet ist, deren um der größten Massenanhäufung zugeordneten Endbereich der Nabe (4) vorgesehenen Stufe als gegenüber der Achse der Welle (2) angestellte Kontaktfläche (10) ausgebildet ist, die an einer parallelen, wellenseitig fixierten Gegenkontaktfläche (11) zur Anlage bringbar ist, derart daß die Kontaktfläche (10) und Gegenkontaktfläche (11) um einen vom Verhältnis der radialen Dehnung und axialen Kontraktion der Nabe (4) im mittleren Bereich der Kontaktfläche (10) abgeleiteten Winkel α gegenüber der Achse der Welle (2) angestellt sind.

2. Strömungsmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegenkontaktfläche (11) als Stirnseite einer in die Bohrung (7) der Nabe (4) eingeschobenen, in axialer Richtung fixierten Büchse (9) ausgebildet ist.

3. Strömungsmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Büchse (9) als Zylinderbüchse ausgebildet ist.

4. Strömungsmaschine nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Büchse (9) aus demselben Material wie die Welle (2) besteht.

5. Strömungsmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Büchse (9) mit Preßsitz gegenüber der Welle (2) und der Nabe (4) angeordnet ist.

6. Strömungsmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle (2) einen Bund (8) aufweist, an dem die Nabe (4) mit ihrer der Kontaktfläche (10) benachbarten Stirnseite anliegt.