DE2910932A1 - Laeufer fuer abgasturbolader - Google Patents
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Description
Läufer für Abgasturbolader
Die Erfindung bezieht sich auf einen Läufer für Abgasturbolader mit Verdichterrad und Turbinenrad. Solche Läufer
bestehen üblicherweise aus einem Reaktionsrad, das vom Abgas eines Verbrennungsmotors beaufschlagt wird und
einem Verdichterrad, das sich auf der gleichen Welle befindet und das die Ansaugluft des Motors vorverdichtet.
Wegen der hohen Abgastemperaturen sind für das Turbinenrad hochwarmfeste Materialien notwendig. Dagegen können
für das Verdichterrad Materialien geringer Warmfestigkeit herangezogen werden. Bekannt sind Läufer, bei denen das
Turbinenrad aus Nickel-Basis-Legierungen besteht, während das Verdichterrad aus einer Aluminium-Legierung gefertigt
ist. Das gesamte Trägheitsmoment des Läufers, bestehend aus Turbinenrad, Verdichterrad und Zwischenwelle bestimmt
nun das Beschleunigungsverhalten des Verbrennungsmotors. Um das Trägheitsmoment möglichst klein zu halten und aus
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Gründen der Kostenersparnis ist es wünschenswert, den Läufer möglichst leicht zu bauen, weshalb bisher das Verdichterrad
aus Aluminium-Legierung gefertigt wird. Dabei ist die
Herstellung des Läufers jedoch aufwendig, weil Turbinenrad und Verdichterrad gesondert im Feinguß hergestellt und zu
einer Einheit montiert oder anderweitig zusammengefügt werden müssen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, einen gattungsgemäßen Läufer für Abgasturbolader zu schaffen,
der geringstmöglxches Gewicht und damit geringstmöglxches Trägheitsmoment aufweist und gleichzeitig geringen Herstellungsaufwand
erfordert.
Zur Lösung dieser Aufgabe soll ein gattungsgemäßer Läufer
für Abgasturbolader gekennzeichnet sein durch seine Beschaffenheit
als einstückiges homogenes Bauteil aus. Siliziumkeramik wie z. B. Siliziumnitrid oder Siliziumkarbid.
Die Vorteile eines solcherart ausgebildeten Läufers bestehen darin, daß durch das sehr viel geringere spezifische
Gewicht von Keramikwerkstoff gegenüber hochwarmfesten
Metall-Legierungen ein geringes Trägheitsmoment des Läufers erzielbar ist, wobei' gleichzeitig sich der Her-
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Stellungsaufwand, gegenüber bekannten Läufern durch die
homogene Ausführung des gesamten Läufers aus Siliziumkeramik verringert. Durch die homogene Beschaffenheit
des Läufers kann diesem darüber hinaus eine gegenüber
bekannten Konstruktionen vereinfachte Bauform gegeben werden, wie sie im Patentanspruch 2 aufgezeigt ist.
Bei dieser vereinfachten Bauform wird die Zwischenwelle zwischen dem Turbinenrad und dem Verdichterrad eingespart,
und es wird zusätzlich noch eine Radscheibe einge- , spart. Auch hierdurch läßt sich das Gesamtgewicht des
Läufers und damit sein Trägheitsmoment erheblich herabsetzen. Schließlich besteht ein weiterer Vorteil der Ausführung
eines Läufers für Abgasturbolader aus Keramik darin, daß dieser Läufer ohne Zwischenfügung von Lagerringen in
Luftlagern gelagert werden kann, eine Lagerform, die sowohl
im Hinblick auf die hohen Drehzahlen solcher Läufer als auch im Hinblick auf die zumindest im Bereich der Turbine
hohen Temperaturen besonders vorteilhaft ist. Die Luftlagerung des Läufers wird durch die besonders guten Trockenlaufeigenschaften
von Siliziumkeramiken ermöglicht.
Im weiteren bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Herstellung eines oben gekennzeichneten Läufers und ist
durch die Anwendung des Spritzgießens gekennzeichnet. Die
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Anwendung dieses Verfahrens ist im Hinblick auf eine
Serienherstellung von Läufern herkömmlichen Feingußverfahren, wie sie für aus Metall bestehende Läufer angewendet werden, überlegen.
Serienherstellung von Läufern herkömmlichen Feingußverfahren, wie sie für aus Metall bestehende Läufer angewendet werden, überlegen.
Eine bevorzugte Ausführungsform eines solchen Herstellungsverfahrens
ist im Patentanspruch 4 aufgezeigt. Die keramischen Ausgangswerkstoffe, vorzugsweise Silizium und Siliziumkarbid
werden in Pulverform mit dem als Bindemittel
dienenden Thermoplasten gemischt, um sie nach dem Spritzgußverfahren verarbeiten zu können. Nach dem Ausbrennen
des thermoplastischen Bindemittels muß der dann poröse und empfindliche Formkörper, der nur aus sehr locker gebundenem Material besteht, verdichtet werden, was im Rahmen eines
Sinterprozesses erfolgt. Besteht der poröse Formkörper
aus Silizium, so wird die Verdichtung durch Nitrieren und Umwandeln des Siliziums in Siliziumnitrid erreicht.
dienenden Thermoplasten gemischt, um sie nach dem Spritzgußverfahren verarbeiten zu können. Nach dem Ausbrennen
des thermoplastischen Bindemittels muß der dann poröse und empfindliche Formkörper, der nur aus sehr locker gebundenem Material besteht, verdichtet werden, was im Rahmen eines
Sinterprozesses erfolgt. Besteht der poröse Formkörper
aus Silizium, so wird die Verdichtung durch Nitrieren und Umwandeln des Siliziums in Siliziumnitrid erreicht.
In der beigefügten Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Läufer für Abgasturbolader dargestellt.
Fig. 1 zeigt einen Läufer mit einer gemeinsamen zentralen Scheibe 2 für die Turbinenschaufeln 3 und die Verdichterschaufeln
5. Die Lagerung dieses Läufers erfolgt in Luftlagern 7 und 9 an beiden Enden des Läufers.
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Fig. 2 zeigt einen erfindungsgemäß als einstückiges homogenes
Bauteil ausgeführten Läufer, jedoch in herkömmlicher Konstruktion mit einer Zwischenwelle 1, an deren' einem
Ende eine Scheibe 12 mit Turbinenschaufeln 13, an deren
anderem Ende eine Scheibe 22 mit Verdichterschaufeln 15 angeordnet ist. Die Lagerung erfolgt entweder zwischen
den beiden Scheiben12, 22 in Lagern 14, 16 oder entsprechend
der Ausführungsform gemäß Fig. 1 an den Enden des Läufers in Lagern 17 und 19. · ■
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L e e r s e
it
Claims (4)
1. Läufer für Abgasturbolader mit Verdichterrad und
Turbinenrad, gekennzeichnet durch seine Beschaffenhext als einstückiges homogenes Bauteil aus Si-Keramik
wie z. B. Si3N4 oder SiC.
2. Läufer nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine gemeinsame
zentrale Scheibe (2) für die Turbinenschaufeln (3) und für die Verdichterschaufeln (5).
3. Verfahren zur Herstellung eines Läufers nach Anspruch T,
oder Anspruch 2, gekennzeichnet durch die Anwendung des
Spritzgießens.
4. Verfahren nach Anspruch 3,.gekennzeichnet durch folgende
Verfahrensschrxtte:
a) Keramikpulver (Si oder SiC oder Si^N4) wird mit
einem Thermoplasten vermischt.
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b) durch Spritzgießen.nach allgemein üblicher Kunststoff
technologie wird ein Formteil hergestellt,
c) die thermoplastischen Bestandteile des Formteils werden bei etwa 600 0C ausgebrannt,
d) je nach Ausgangsmaterial wird bei 11OO 0C bis
1500 0C nitriert (Si zu Si3N4) oder bei 1900 0C
bis 2300 0C gesintert (SiC oder Si3N4).
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