DE2845715A1

DE2845715A1 - Keramisches radialturbinenrad

Info

Publication number: DE2845715A1
Application number: DE19782845715
Authority: DE
Inventors: William David Long; Paul Ing Grad Rottenkolber
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 1978-10-20
Filing date: 1978-10-20
Publication date: 1980-04-30
Also published as: DE2845715C2

Description

Keramisches Radialturbinenrad
Die Erfindung bezieht sich auf ein keramisches Radialturbinenrad, insbesondere für eine durch Abgase angetriebene Turbine eines Turboladers für Kraftfahrzeuge, mit einem Nabenkörper, der mit den Radialschaufeln sowie einem mit einer metallischen Turbinenwelle verbindbaren Tellenzapfen einstückig ausgebildet ist.
Bei Turboladern für Brennkraftmaschinen in einem Leistungsbereich, wie sie für Kraftfahrzeuge verwendet werden, wird die den Verdichter antreibende, vom Abgas der Brennkraftmaschine beaufschlagte Turbine üblicherweise als Radialturbine ausgeführt, die bisher üblicherweise aus warmfesten, metallischen Legierungen hergestellt wurde.
Im Zuge der vermehrten Anwendung von Turboladern bei Personenkraftfahrzeugen wird von den Turboladern eine erhöhte Temperaturfestigkeit und ein verbessertes Leschleunigungsverhalten verlangt. Diese Forderungen könnten durch Verwendung von keramischen Werkstoffen bei der Turboladerturbine erfüllt werden. Keramische Werkstoffe, wie Siliziumnitrid oder Siliziumkarbid, besitzen in dem in Frage kommenden Temperaturbereich eine annähernd konstante hohe Festigkeit und eine Dichte, die nur etwa ein Drittel der der metallischen Werkstoffe beträgt. Durch die hohe Temperaturfestigkeit solcher Werkstoffe können die auftretenden Temperaturen gefahrlos ertragen werden, während durch die relativ geringe Diente das Massanträgheitsmoment des Turboladerläufers auf etwa 40 ¢i des Trägheitsmoments einer metallischen Ausführung reduziert und damit das Ansprechvert.alten des Ladcrs entsprechend verbessert werden ann.
Die Versuche, solche Turbinenräder aus 'seramischen Werkstoffen zu entwickeln, haben jedoch bisher noch nicht zu dem gewünschten Erfolg geführt, da sich unter anderem auch Schwierigkeiten beim Herstellungsprozeß der Räder ergaben. wo zeigten sich bei eine orzugsweise verwendeten, kostengünstigen Verfahren, bei dem die aus dem keramischen Werkstoff herzustellenden Radialturbinenräder zunächst als sogenannte Grünteile im Spritzguß- oder Schlickerguß-Verfahren hergestellt und anschließend einem Ausbrennverfahren für den Binder sowie einem nachfolgenden Sinter- oder Nitriervorgang unterworfen werden, unzulässige Schädigungen der Bauteile. Diese Schaden sind im wesentlichen auf ein verhindertes Entweichen dr beim Ausbrennen des Binders entstehenden Gase, sowie auf ein gestörtes Schrumpfen des Rades mit dem massiven Nabenkörper zurückzuführen. Eine zentrale, durchgehende Bohrung im Turbinenrad, die für den Herstellungsprozeß sich günstig wäre, ist aus Festigkeitsgründen jedoch nicht realisierbar, da dadurch die im Betrieb auftretenden Spannungen sich auf etwa den doppelten Wert einer Nabe ohne Bohrung erhöhen würden.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht daher darin, ein keramisches Radialturbinenrad zu schaffen, das trotz ausreichend hoher Temperaturfestigkeit die zuvor beschriebenen Schwierigkeiten bei der Herstellung nicht aufweist.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt gemäß der Erfindung dadurch, daß der Nabenkörper auf der dem Wellenzapfen abgewandten Stirnseite eine zentrische Ausnehmung aufweist. Durch diese Ausnehmung wird erreicht, daß die beim Ausbrennen des Binders entstehenden Gase aus dem Nabenkörper entweichen können, so daß das pntstehon von Rissen weitgehend verhindert wird. Außerdem wird durch die erfindungsgemäße Maßnahme derjenige Nabenbereich, der den räumlich gekrümmten Bereich der Beschaufelung trägt, elastischer, so daß Deforkationen durch die Schaufeln ehe ohne Sc-ädi<Xge7l aufgenommen werden können. Erfinderseitig wurde festgestellt, daß bei usnehmungen, deren Durchmesser höchstens etwa 60 % des kleinsten Nabendurchmessers und deren axiale Länge höchstens etwa 60 Git der axialen Schaufellänge beträgt, keine spürbaren Spannungserhöhungen im Nabenkörper auftreten. Bei nicht besonders extremen Betriebsbedingungen kann die Tiefe der Ausnehmung sogar nosh weiter vergrößrt werden.
Erfindungsgemäß wird weiter vorgeschlagen, daß der Nabenkörper an der dem Wellenzapfen zugewandten Stirnseite einen Außendurchmesser von ca. 50 % des Radaußendurchmessers und an der dem Wellenzapfen abge;;andten Stirnseite einen Außendurchmesser von etwa 25 sG des Radaußendurchmessers aufweist. Bei Einhaltung dieser Bemessungsregeln kann ein festigkeitsmäßig und fertigungstechnisch optimal gestaltetes Radialturbinenrad erreicht werden.
Ein weiteres Kennzeichen eines günstig gestalteten keramischen Radialturbinenrades besteht darin, daß der Durchmesser des Wellenzapfens etwa 15 bis 20 ffi des Radaußendurchmessers beträgt. Dabei soll die axiale Länge des Wellenzapfens nicht größer als das zweifache seines Durchmessers sein. Eine weitere günstige Gestaltung des Wellenzapfens ergibt sich, wenn dieser konisch ausgebildet wird.
Der Bezugs durchmesser D4 dieses konischen Wellenzapfens würde dann bei etwa 60 Vo seiner Länge vom Ende an gemessen liegen. Der Konuswinkel beträgt vorzugsweise 200 bis 300. Auch dieser Wellenzapfen kann zweckmäßigerweise eine zentrische Ausnehmung aufweisen, deren Durchmesser höchstens 60 % des Wellenzapfendurchmessers und deren axiale Länge höchstens 60 % der Wellenzapfenlänge beträgt. Vorteilhaft ist es zudem, wenn die erfindungsgemäß vorgesehenen Ausnehmung gen in ihrem Grund gerundet sind.
Schließlich wird noch vorgeschlagen, daß der Übergang zum Wellenzapfen auf den Nabenkörper mit einem Radius von wenigstens 20 % des Wellenzapfendurchmessers abgerundet ist.
Ein gemäß der Erfindung ausgestaltetes Radialturbinenrad läßt sich ohne große Schwierigkeiten in kostengünstigen Herstellungsverfahren, wie Spritzen oder Gießen, aus keramischen Werkstoffen, wie zum Beispiel Siliziumnitrid oder Siliziumkarbid, herstellen, wobei besonders die zuvor aufgetretenen Schwierigkeiten bei den notwendigen Herstellprozessen des Ausbrennens der Binder sowie beim Sintern bzw. Nitrieren verhindert werden. Insbesondere bei dem Werkstoff α -Siliziumkarbid, der bei den erwähnten Herstellungsprozessen unter hoher Temperatur eine große Schrumpfung aufweist, ermöglicht diese Ausführung eine Fertigung mit wesentlich verringerten Schwierigkeiten. Zusätzlich ergibt sich durch die erf-ndungsgemäße Gestaltung des Nabenkörpers eine weitere Verringerung des schon durch die Verwendung des keramischen werkstoffes herabgesetzten Mas senträgheitsmomentes.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, das im folgenden näher erläutert wird. Die Zeichnung zeigt in schematischer Darstellungsweise einen LRngsschnitt durch ein erfindungsgemäßes, aus keramischen Werkstoffen hergestelltes Radialturbinenrad für einen Turbolader einer Kraftfahrzeug-Verbrennungs kraftmaschine.
Dabei ist mit 1 das ;adialturbillanrad insgssam'-, wis ^ lessen xadiale Beschaufelung und mit 3 ein Nabenkörper bezeichnet, der mit der Radialbeschaufelung 2 und einem zur Verbindung mit einer hier nicht dargestellten metallischen Turbinenwelle vorgesehenen Wellenzapfen 4 einstückig ausgebildet ist.
Erfindungsgemäß weist der wabenkörper 3 auf der dem Wellenzapfen 4 abgewandten Stirnseite eine zentrische Ausnehmung 5 auf, deren mit bezeichneter Durchmesser höchstens etwa 60 c3t des mit D3 min bezeichneten kleinsten Außendurchmessers des Nabenkörpers 3 und dessen mit L5 bezeichnete Länge höchstens etwa 60 ffi der mit L bezeichneten Schaufellänge betragen soll. Bei weniger hoch belasteten Radialturbinenrädern kann die Ausnehmung 5, die in ihrem Grund zweckmäßigerweise gerundet ist, noch tiefer eingebracht werden.
Für die Bemessung der Außendurchmesser D3 max und D3 min wird vorgeschlagen, daß diese etwa 50 bzw. 25 % des Radaußendurchmessers D betragen sollen.
Der ':ellenzapfen 4 soll einen Durchmesser D4 von etwa 15 bis 25 yJ des Radaußendurchmessers D und eine Länge L4 von höchstens dem xeifachen seines Durchmessers D4 besitzen. Bei ebenfalls möglicher konischer Ausführung des Wellenzapfens entspricht der etwa bei 60 g seiner Länge gemessene Bezugs durchmesser dem Durchmesser D der zylindrischen Ausführung. Der Konuswinkel dieser Aus-4 0 führung kann 20 bis 30 , vorzugsweise etwa 250 betragen. Auch kann an dem Wellenzapfen 4, wie die Zeichnung zeigt, eine zentrische, in ihrem Grund abgerundete Ausnehmung 6 vorgesehen sein, deren Durchmesser D6 höchstens etwa 60 56 des Wellenzapfendurchmessers D4 und deren Länge L6 höchstens etwa 60 56 der Länge L4 des Wellenzapfens 4 beträgt.
Schließlich soll noch an dem tbergang 7 von dem Wellenzapfen 4 auf den Nabenkörper 3 ein Radius von wenigstens 20 56 des Wellenzapfendurchmessers D4 vorgesehen sein.
Bei Einhaltung dieser Bemessungsregeln ergibt sich ein für die Herstellung aus keramischen Werkstoffen optimal gestaltetes Radialturbinenrad, das sowohl hinsichtlich seiner Festigkeit als auch hinsichtlich seiner Herstellungsverfahren günstigste Eigenschaften bietet.
L e e r s e i t e

Claims

ANSPRUCHE 9 Keramisches Radialturbinenrad, insbesondere für eine durch Abgase angetriebene Turbine eines Turboladers für Kraftfahrzeuge, mit einem Nabenkörper, der mit den Radialschaufeln sowie einem mit einer metallischen Turbinenwelle verbindbaren Wellenzapfen einstückig ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Nabenkörper (3) auf der dem Wellenzapfen (4) abgewandten Stirnseite eine zentrische Ausnehmung (5) aufeist.
2. Radialturbinenrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der Ausnehmung (5) höchstens 60 do des kleinsten Nabenkörperdurchmessers beträgt.
3. Radialturbinenrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die axiale Länge der Ausnehmung (5) höchstens 60 der axialen Länge der Radialschaufeln (2) beträgt.
4. Radialturbinenrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Nabenkörper (3) an der dem Wellenzapfen (4) zugewandten Stirnseite einen Außendurchmesser von ca. 50 ffi des Außendurchmessers des Turbinenrades (i) aufweist.
5. Radialturbinenrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Nabenkörper (3) an der dem Wellenzapfen (4) abgewanten Stirnseite einen Außendurchmesser von etwa 25 c, des Außendurchmessers des Turbinenrades (1) aufweist.
6. Radialturbinenrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wellenzap@en (4) einen Durchmecer von ca. 1) bi 20 ,-des Außendurchmessers des Turbinenrades (i) aufweist.
7. Radialturbinenrad nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Wellenzapfen konisch ausgebildet ist.
8. Radialturbinenrad nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Wellenzapfen (4) eine axiale Länge aufweist, die höchstens dem zweifachen seines Durchmessers entspricht.
9. Radialturbinenrad nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Wellenzapfen (4) eine zentrische Ausnehmung (6) vorgesehen ist.
10. Radialturbinenrad nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmung (6) einen Durchmesser von höchstens 60 % des Durchmessers des Wellenzapfens (4) aufweist.
11. Radialturbinenrad nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmung (6) eine axiale Länge von höchstens 60 c der Länge des Weilenzapfens (4) besitzt.
12. Radialturbinenrad nach Anspruch 1 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmungen (5, 6) in ihrem Grund gerundet sind.
13. Radialturbinenrad nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Übergang (7) vom Wellenzapfen (4) auf den Nabenkörper (3) mit einem Radius von wenigstens 20 % des Durchmessers des Wellenzapfens (4) abgerundet ist.