DE3014297C2 - Rotor von Druckaustauschern für eine aerodynamische Druckwellenmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Rotor von Druckaustau- » schern für eine aerodynamische Druckwellenmaschine für Verbrennungskraftmaschinen, aus keramischem Werkstoff mit möglichst geringem Wärmeausdehnungskoeffizienten hergestellt, der zusammen mit einer Welle drehbar gelagert ist und sich in einem Gehäuse dreht, wobei auf beiden Seiten des Rotors Luft- bzw. Abgaskanäle angeschlossen sind und der Raum zwischen der Nabe des Rotors der Welle, die in eine Bohrung der Nabe eingesteckt ist, mit einem elastomeren Material ausgefüllt ist. so

Durch die US-PS 38 90 061 ist ein Druckaustauscher der vorstehend beschriebenen Art bekannt, bei dem der Raum zwischen der Nabe des Rotors und der Welle mit einem elastomeren Material ausgefüllt ist. Zweck dieser Anordnung ist es, die Montageltosten zu senken und eine gewisse Isolationswirkung auszuüben. Weitergehende Forderungen bestehen an diese Konstruktion nicht, da die bekannte Anordnung sich nicht mit sehr hohen Drehzahlen dreht, was keine besonderen Festigkeitsprobleme infolge des Auftretens von Fliehkräften erwarten läßt

Aufgabe der Erfindung ist es jedoch, eine Verringerung der auf die Nabe einwirkenden Fliehkräfte bei einer init hohen Drehzahlen laufenden Einrichtung zu erreichen und damit einen Rotor zu schaffen, der festigkeitsmäßig günstiger liegt als bekannte Anordnungen. Dabei sollen Maßnahmen zur Erreichung einer guten Isolation gegen Übertragung von Schwingungen und gegen die Übertragung von Wärme gleichfalls angestrebt werden.

Diese Aufgabe wird durch die im Häuptanspruch gekennzeichneten Merkmale erreicht; zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Merkmalen der Unteransprüche.

Wenn das elastomere Material im Raum zwischen der Welle und der Nabe aushärtet, ist es mit der Welle und der Nabe verbunden. Diese Verbindung hat stattgefunden bei einer erhöhten Aushärttemperatur. Das elastomere Material besitzt einen wesentlich größeren Wärmeausdehnungskoeffizienten als das Keramikmaterial; die Tatsache, daß die Materialien miteinander verbunden sind, bringt mit sich, daß die Wärmeausdehnung — und damit das Zusammenziehen bei der Abkühlung von einer Aushärttemperatur — gleich ist Da diese Wärmeausdehnung gleich ist entsteht eine remanente Wandbespannung in dem elastomeren Material, die der Tendenz im elastomeren Material, zu schrumpfen, entgegenwirkt In gleicher Weise entsteht eine Druckspannung im Keramikmaterial, das die Tendenz hat öäs thermische Zusammenziehen zu vergrößern über das Maß hinaus, das auftreten würde, falls das Keramikmaterial nicht strukturell mit dem elastomeren Material verbunden oder verklebt wäre. Die Größe der Spannungen, die so entstehen, hängen ab von der Temperaturdifferenz. Die Druckspannungen, die im Keramikmaterial entstehen, verlaufen entlang den Vorsprüngen gemäß der Konstruktion und tangential in der Nabe.

Beim Betrieb treten die Zentrifugalkräfte in der Nabe auf und wollen die Nabe ausweisen. Die Rest-Druckspannungen sind diesen Zentrifugalkräften entgegengesetzt gerichtet und wirken so, daß eine Netto-Reduktion der Tangentialkräfte erreicht wird.

Somit treten bei der Aushärtung des elastomeren Materials nach Montage der Nabe auf der Welle auf der Nabe Zugkräfte auf, die auf die Mittelachse der Anordnung zu wirken. Entgegengesetzt zu diesen Kräften wirken beim Betrieb der Anlage die Zentrifugalkräfte, was zur Folge hat, daß die Resultierende aus beiden Kräften kleiner ist als die Größe der Zentrifugalkräfte. Somit wird durch den Gegenstand der Erfindung eine Verringerung der in der Rotornabe auftretenden fliehkraftbedingten Spannungen erreicht.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Schnittdarstellung des Rotors gemäß der Erfindung;

F i g. 2 einen Rotor der Anordnung gemäß Fig. 1;

F i g. 3 einen Querschnitt durch einen Teil des Rotors, wobei eine Ausführungsförm der Erfindung gezeigt ist:

Fig.4 einen Querschnitt entlang der Linie V-V der Anordnung nach F i g. 5;

Fig.5 einen Querschnitt durch eine andere Anwendungsform der Erfindung, wobei ein Rotor gezeigt ist:

Fig.6 einen Querschnitt durch eine weitere Ausführungsform der Erfindung, wobei ein Rotor gezeigt ist.

Insbesondere in der F i g. 1 ist ein Einlaßsystem dargestellt, das mit der Ziffer 10 bezeichnet ist Ein Auspuffsystem trägt die Bezeichnung 12. Das Einlaßsystem 10 enthält einen Lufteinlaßkanal 11, der in Verbindung steht mit dem Vergaser der Verbrennungskraftmaschine. Eine Drosselklappe 14 ist in den Kanälen angeordnet; durch sie ist die Menge an Luft, die dem TEinlaßsystem zugeführt wird, regelbar. Ein Niederdrucklufteinlaßkanal ist im Einlaßsystem angeordnet und mit 16 bezeichnet

Das Auspuffsystem 12 enthält einen Hochdruckauspuffkanal 18 sowie einen Niederdruckauspuffkanal 20. Ein zylinderisches Gehäuse 22 ist zwischen dem Einlaßsystem 10 und dem Auspuffsystem 12 angeordnet Wie insbesondere aus der Fig.2 hervorgeht ist ein Rotor 24 innerhalb des Gehäuses 22 drehbar gelagert Der Rotor besitzt axial verlaufende Zellen 26 und weiterhin eine Nabe 28, die auf einer Welle 30 sitzt Letztere ist innerhalb einer Bohrung 32 im Eüilaßsystem 10 angeordnet Im Einlaßsystem 10 können entsprechende Lagereinrichtungen vorgesehen sein, wodurch sichergesteilt ist, daß sich die Welle 30 drehen kann.

Die Zellen 26 stehen in Verbindung mit den kanälen 16,12,18 und 20 durch öffnungen, die im Stator 34 bzw. im Stator 37 vorgesehen sind. Der Stator 34 sitzt zwischen dem Gehäuse 22 und dem Auspuffsystem IZ Er ist mit einem Hochdruckauslaß 38 sowie einem Niederdruckauslaß 40 versehen. Der Stator 36 weist einen Einlaßkanal für Hochdruckabgase 42 sowie einen Auslaßkanal für Niederdruckabgase 44 auf. Diese Kanäle stehen in Verbindung mit den Zellen 26 im Rotor, und zwar nur zeitweise. Auf diese Weise wird die Energie der Abgase den Zellen durch den Einlaßkanal für Hochdruckabgase 42 zugeleitet und übertragen auf die Luft, die mit Niederdruck sich in den Zellen befindet. Die Kompressionswelle bewirkt somit eine Kompression der eintretenden Luft und entläßt dann die kompressierte Luft durch den Hochdruckauslaß 38 zum Lufteinlaßkanal 11. Die expandierten und relativ kühlen Abgase gelangen dann von der Zelle durch den Auslaßkanal 1ur die Niederdruckabgase 44 an den Niederdruckauspuffkanal 20.

Bei der Darstellung gemäß der F i g. 2 ist die Nabe 28 des Rotors mit einr zentralen Bohrung 46 versehen, durch die sich die Welle 30 erstreckt.

Eine Mutter 54 ist auf die Welle 30 aufgeschraubt und hält die Nabe 28 auf der Welle. Das elastomere Material ist im Zwischenraum zwischen der Welle 30 und den keramischen zylinderischen Wänden der Nabe 28 angeordnet Es sitzt auch auf der Stirnfläche 56 der Nabe 28, die benachbart ist einer Scheibe 58.

In der K i g. 3 ist eine Ausführungsform der Erfindung dargestellt.

Hier sind eine keramische Nabe 60 und eine Hohlwelle 62 aus Metall vorgesehen. Elastomeres Material 64 sitzt zwischen der Welle 62 und der Nabe 60. Dabei ist die Nabe vorzugsweise mit radial verlaufenden Vorsprüngen 66 versehen, die die Übertragung des Drehmomentes zwischen der Welle und der Nabe 60 erleichtern. Das elastomere Material kann ein Elastomer auf Silikonbasis sein, so beispielsweise Dimethylsiloxan. Dieses Material hat einen Wärmeausdehnungskoeffizienten, der etwa lOOmal so groß ist wie der Wärmeausdehnungskoeffizient von keramischem Material. Die metallische Welle 62 weist einen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf, der ungefähr lOmal so groß ist wie der Wärmeausdehnungskoeffizient des keramischen Materials.

Das elastomere Material wird in den Zwischenraum zwischen der keramischen Nabe 60 und der metallischen Welle eingebracht und härtet dort aus bei einer Temperatur," die kleiner ist als die Betriebstemperatur. Dabei kann die Aushärtung etwa bei einer Temperatur von ca. 150^oCelsiüs erfolgen, während die Betriebstemperatur bis zu 370° Celsius betragen kann.

Wenn die Anordnung abkühlt bis auf die Raumtemperatur, nachdem der Aushärtvorgang abgeschlossen ist

ίο schrumpft das elastomere Material und zieht sich somit zurück von den umgebenden Wänden der Nabe 16; dabei wirken auf die Mittelachse der Nabe gerichtete Kräfte auf die Nabe ein. Wenn der Rotor nun bei einer relativ hohen Drehzahl Dn Betrieb arbeitet werden diese Kräfte ausgeglichen durch die Zentrifugalkräfte, die auf diese Teile wirken, so daß die Nettobelastung geringer ist als bei anderen Anordnungen, wo eine Vorbelastung entgegengesetzt gerichtet zur Zentrifugalbelastung der Nabe durch die Schrumpfung· des elastomeren Materials nicht vorhanden ist

In den F i g. 4 und 5 ist eine weitere A'jsführungsform der Erfindung dargestellt Hier weist der Rotor Zellen 68 auf. Die Nabe ist insgesamt mit 70 bezeichnet Sie enthält einen Nabenring 72 sowie einen Nabenring 74, die durch radial verlaufende Radialstege 76 verbunden sind. Der Nabenring 72, der Nabenring 74 und die Radialstege 76 wie auch die Zellen 68 sind einstückig aus Keramikmaterial hergestellt Die Hohlwelle 78 erstreckt sich durch die Nabe und zwar in einem Bereich, der zwischen dem Nabenring 72 und den? Nabenring 74 liegt Die Hohlwelle 78 ist geschlitzt ausgeführt wie bei 80 dargestellt; auf diese Weise erstrecken sich die Radialstege 76 durch die Welle hindurch. Eine Antriebswelle 82 verläuft durch den Mittelbereich des Nabenringes 74. Die Antriebswelle 82 wird auf geeignete Weise mit der Hohlwelle 78 verbunden.

Das elastomere Material wird in fester Form zwischen den Nabenring 74 und der Innenfläche der Hohlwelle 78 eingebracht, wie aus dem Bereich 84 zu ersehen ist. Das elastomere Material erstreckt sich somit durch die Schütze 80, so daß die Hohlwelle 78 isolier ^:. ist von den aus Keramikmaterial hergestellten Radialstegen 76. Elastomeres Material 86 wird sodann in die Abstände zwischen dem Nabenring 72 und der Außenfläche der Hohlwelle 78 eingebracht. Das gleiche gilt für den Außenbereich der Hohlwelle 78 um/ den Radialstegen 76.

Das elastomere Material bei der Ausführungsform gemäß Fig.5 härtet bei einer Temperatur aus, die wesentlich unter der Betriebstemperatur der Einrichtung liegt. Wenn der Rotor die Betriebstemperatur erreicht, die beispielsweise 370° Celsius betragen kann, dehnt sich das elastomere Material wesentlich aus, da es einen relativ hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzt. Verglichen mit dem Wärmeausdehnungskoeffizienten von Metall ist dieser Ausdehnungskoeffizient etwa lOmal so groß. Infolge dieser unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten wird, wie bereits vorerwähnt ausgeführt, die Nabe des Rotors unter Druck gesetzt. Diesem Druck entgegengesetzt wirkt im Betrieb die herrschende Fliehkraft, so daß die resultierende Belastung verringert wird.

Das elastomere Material 86 isoliert ihurmisch die heißen Bereiche des Rotors von den Bereichen der Nabe. Die in diesen Bereichen angeordneten Zwischenräume wirken dabei als Wärmeübertragungssperre.

Wenn der Rotor auf Raumtemperatur abkühlt und dabei eine Temperatur erreicht, die unterhalb der

Aushärttemperatur liegt, wird dadurch die Nabe des. Rotors unter Druck gesetzt, wodurch der Wirkung der Zentrifugalkräfte entgegengewirkt wird. Auf diese Weise wird der Rotor nicht nur gegen die Übertragung von Schwingungen und Vibrationen gesichert, gegen die Wirkung von exzessiven Zentrifugalkräften geschützt, sondern auch gegen eine Überhitzung durch die außenliegenden Zellen geschützt.

In der Fig.6 ist eine weitere Ausführuingsform der Erfindung dargestellt. Hier ist eine Ringnabe 88 und eine Ringnabe 90 vorgesehen. Die Zellen 92 des Rotors liegen axial zwischen der Ringnabc 90 und der Ringnabe 88. Die Nabe 94 des Rotors gemäß Fig.6 besitzt wiederum eine Ringnabe % und Radialste^: 98, die die Ringnabe % und die Ringnabe 90 verbinden. Zwischen den Radialstegen 98 sind Räume 100 angeordnet, die die Welle aufnehmen können. Die Anordnung des festen elastomeren Materials sowie des einzubringenden elastomeren Materials, durch das eine Verbindung des festen elastomeren Materials mit den umgebenden Teilen erfolgt, wird vorgenommen in den Zwischenräumen zwischen den genannten Teilen. Die Zellen der Ausführungsform nach Fig.6 sind länger ausgeführt in

in radialer Richtung als die Zellen der Ausführungsform nach den F i g. 4 und 5. Das hat zur Folge, daß kleinere Räume für die Anordnung des elastomeren Materials zur Verfügung stehen.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

1. Patentansprüche:

   ■ -1. Rotor von Druckaustauschem für eine aerodynamische Druckwellenmaschine für Verbrennungskraftmaschinen, aus keramischem .Werkstoff mit möglichst geringem Wärmeausdehnungskoeffizienten hergestellt, der zusammen mit einer Welle drehbar gelagert ist und sich in einem Gehäuse dreht, wobei auf beiden Seiten des Rotors Luft- bzw. Abgaskanäle angeschlossen sind und der Raum zwischen der Nabe des Rotors der Welle, die in eine Bohrung der Nabe eingesteckt ist, mit einem elastomeren Material ausgefüllt ist, das mit der Nabe und der Welle verbunden ist, dadurch gekenn zeichnet, daß die als Rohr ausgebildete Welle is (62) innerhalb einer öffnung der Nabe (60) des Rotors angeordnet ist, wobei die Nabe (60) mit nach innen, in radialer Richtung weisenden Vorsprüngen (66) versehen ist und der Raum zwischen der Nabe (60) und der Welle (62) mit elastomerem Material ausgestaltet ist
2. 2. Rotor von Druckaustauscher« nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Nabe des Rotors aus zwei konzentrisch zueinander angeordneten Nabenringen (72,74) besteht, die durch Radialstege (76) miteinander verbunden sind und die Antriebswelle als Hohlwelle (78) ausgebildet ist, die mit axial verlaufenden Schlitzen (80) versehen ist und zwischen den Nabenringen (72, 74) angeordnet ist, wobei der Raum zwischen den Nabenringen (72,74) einerseits und der Hohlwelle (78) andererseits mit elastomere: ρ Material ausgefüllt ist
3. 3. Rotor von Druckaustauschem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor eine innenliegende Ringnabe (76), eine mittlere Ringnabe (70) sowie eine äußere RingnaL~- (88) aufweist, wobei die äußere Ringnabe (88) mit der mittleren Ringnabe (90) durch Radialstege verbunden ist, die die Zellen (92) für den Rotor bilden und die mittlere Nabe (90) mit der inneren Nabe (96) durch Radialstege (98) *o verbunden ist und die Bereiche zwischen den Radialstegen (98) einerseits und der mittleren Ringnabe (90) und der inneren Ringnabe (96) andererseits die mit Schlitzen (80) versehene Hohlwelle (78) aufnehmen. «5