DE3028558A1

DE3028558A1 - Rotor fuer eine radialturbine

Info

Publication number: DE3028558A1
Application number: DE19803028558
Authority: DE
Inventors: Naoto Sasaki
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1979-07-30
Filing date: 1980-07-28
Publication date: 1981-02-19
Also published as: JPS5620705A; GB2058941A; JPS5925083B2

Description

TER MEER . MÜLLER ■ STEINMEISTER Nissan WG01 35/1 57 (3)/SO-KT

BESCHREIBUNG

Die Erfindung betrifft einen Rotor der im Oberbegriff von Patentanspruch 1 genannten Art für eine Radialturbine zur Verwendung als Gasturbine, Turbolader o.dgl. Der Rotor ist als Hohlkörper ausgebildet.

Radialturbinen haben Axialturbinen gegenüber den Vorteil der einfacheren Konstruktion, sie können leichter und billiger hergestellt werden. Ferner ist bei Radialturbinen das Gas-Expansionsverhältnis pro Rotorstufe höher als bei Axialturbinen, und die Leistungsausbeute pro Gasdurchsatzeinheit ist ebenfalls größer als bei Axialturbinen. Darüber hinaus hat ein Spalt zwischen den oberen Enden der Rotorschaufeln und der Innenoberfläche des Gehäuses kaum einen Einfluß auf den hydrodynamischen Wirkungsgrad. Deshalb ist die Ausgangsleistung einer Radialturbine pro Stufe ihres Rotors höher als bei einer vergleichbaren Axialturbine.

Trotz der erwiesenen Überlegenheit eines Radialturbinenrotors gegenüber einem Axialturbinenrotor gibt es doch einige Probleme zu lösen, von denen eines als Beispiel nachstehend in Verbindung mit Fig. 1 und 2 der anliegenden Zeichnung erläutert wird.

In Fig. 1 sind ein Radialturbinenrotor und ein Axialturbinenrotor geschnitten ineinander dargestellt. Wird eine Radialturbine auf der Basis gleicher Kennwerte wie eine Axialturbine konstruiert, dann hat ein herkömmliches Massiv-Laufrad W des Rotors R der Radialturbine einen größeren Außendurchmesser, eine größere Masse und folglich ein beträchtlich höheres Gewicht als das Laufrad B

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des RotorsAder Axialturbine - und daraus folgt, daß der massive herkömmliche Radialturbinenrotor ein relativ hohes Trägheitsmoment hat und dem Axialturbinenrotor in bezug auf die Anlaufbeschleunigung unterlegen sein wird.

Zur Vermeidung dieses Nachteils wurde der eingangs erwähnte hohle Rotor für eine Radialturbine eingeführt, bei dem durch Reduzierung des Rotor-Gesamtgewichts eine wesentliche Reduzierung des Trägheitsmomentes gegenüber der Massiv-Ausführung gelungen ist.

•j Q Der dem Stand der Technik entsprechende hohle Rotor 10 in Fig. 2 trägt auf einem scheibenförmigen Laufrad 12 mehrere gekrümmte Schaufeln 11 und ist rückseitig durch eine Rückwand 13 mit einem zylindrischen Zapfen 15 abgeschlossen, der eine zur Rotorachse koaxiale öffnung enthält. Die hintere Stirnseite des zylindrischen Zapfens ist mit regelmäßig in Abständen verteilten Zähnen 23 besetzt. Das vordere Ende einer gegenüberliegenden Antriebswelle 17 ist um eine Ausnehmung 21 herum mit korrespondierenden Zähnen 24 besetzt, welche in die Zähne 23 des zylindrischen Zapfens 15 eingreifen und mit diesen zusammen einen den Rotor 10 mit der Antriebswelle 17 verbindenden Kupplungsabschnitt 18 bilden.

Dieser Kupplungsabschnitt 18 ist so konstruiert, daß in Radialrichtung eine Relativverschiebung zwischen den Zähnen 23 und 24 möglich ist und bei beträchtlichen Unterschieden der Wärmedehnung zwischen Rotor 10 und Antriebswelle 17 thermische Materialüberlastungen oder eine Abtrennung des Rotors verhindert werden. Die Übertragung der Antriebskraft von der Antriebswelle 17 auf den Rotor 10 ist

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sichergestellt. Ferner ist auf diese Weise der Rotor 10 genau zur Antriebswelle 17 zentriert und kann zuverlässig arbeiten.

Im Frontabschnitt besitzt das Laufrad 12 eine kleine Koaxialöffnung 16 zum Einführen einer Schraube 22 in das Innere des hohl ausgebildeten Rotor-Laufrades 12. Diese Schraube ist durch eineBohrung 20 in eine Gewindebohrung 19 der Antriebswelle 17 eingeschraubt, um so den Rotor 10 axial gegenüber der Antriebswelle 17 zu fixieren.

Der Rotor kann aus jedem geeigneten Material bestehen, ist jedoch vorzugsweise aus relativ hochtemperaturfester Keramik gefertigt, damit er auch bei Einwirkung hoher Temperaturen eine hohe Lebensdauer erreicht.

Der hohle Rotor 10 hat wegen seines gegenüber einem Massivrotor reduzierten Gesamtgewichts ein kleineres Trägheitsmoment, jedoch bedauerlicherweise wegen seines hohlen Inneren auch eine geringere Festigkeit gegenüber Zentrifugalkräften. Wenn der Rotor 10 in Fig. 2 mit hoher Drehzahl rotiert, dann werden alle Teile des Rotors mit ungleichen Zentrifugalkräften belastet, insbesondere konzentriert sich die Belastung in einem Mittelabschnitt 14 der Rückwand 13. Die wirkenden Zentrifugalkräfte können insbesondere im Mittelabschnitt des Rotors 10 die Festigkeit des Keramik-Materials übersteigen, und dann kommt es zur Ermüdung oder zum Bruch des Mittelabschnitts 14 der Rückwand 13.

Ein weiterer Nachteil des bekannten Rotors 10 besteht darin, daß sein Innenraum im montierten Zustand annähernd gasdicht abgeschlossen ist. Bei hohen Betriebstemperaturen treten

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hohe Gasdrücke auf, die zu einem Innendruck-Anstieg im Rotor und damit zu Ermüdungserscheinungen oder Brüchen an Außenwandabschnitten des Rotors führen können.

übrigens ist ein Fig. 2 entsprechender Rotor in der US-Patentanmeldung Nr. 117 193 vom 31. Januar 1980 beschrieben worden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen hohlen Rotor für eine Radialturbine der eingangs genannten Art so auszubilden, daß er bei geringem Trägheitsmoment eine ausreichende Festigkeit gegenüber auftretenden Zentrifugalkräften hat.

Die erfindungsgemäße Lösung der gestellten Aufgabe ist kurzgefaßt im Patentanspruch 1 angegeben.

Vorteilhafte Weiterbildungen des Erfindungsgedankens sind in Unteransprüchen dargelegt.

Ein wesentliches Merkmal des erfindungsgemäßen Rotors sind eine interne Laufradverstärkung in Radialrichtung sowie ein Durchlaß, der vom hohlen Innenraum des Laufrades nach außen führt.

Dadurch wird einerseits eine hohe Festigkeit gegenüber Zentrifugalkräften erreicht und andererseits ein Aufbau hoher Innendrücke wirksam verhindert.

Der erfindungsgemäße Rotor ist einfach aufgebaut und kann mit hoher Festigkeit und günstigen Betriebseigenschaften leicht fabriziert werden.

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Nachstehend werden einige die Merkmale der Erfindung aufweisende Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf eine Zeichnung, die auch den vorstehend erwähnten Stand der Technik umfaßt, näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine gemeinsame Darstellung eines

bekannten Massiv-Rotors für eine Radialturbine und eines Rotors für eine Axialturbine,

Fig. 2 einen Längsschnitt durch einen herkömmlichen Radialrotor,

Fig. 3 und 4 ein erstes Ausführungsbeispiel für einen erfindungsgemäßen Radialturbinen-Rotor in einem Längsschnitt sowie einem Querschnitt im Verlauf einer Linie IV-IV von Fig. 3, und

Fig. 5 einen Längsschnitt durch ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Das in Fig. 3 und 4 dargestellte Ausführungsbexspiel der Erfindung ist ein im wesentlichen hohl ausgebildeter Rotor 30 für eine Radialturbine, dessen die Bezugszahl 32 tragendes scheibenförmiges Laufrad im wesentlichen hohl ausgebildet und mit einer Anzahl gekrümmter Schaufeln 31 besetzt ist. Das Laufrad 32 umfaßt ein Schaufelversteifungsband 34, eine Hohlwelle 37, mehrere Rippen 38 und eine Rückwand 35.

Die koaxial zur Laufachse und innerhalb des Rotors 30 verlaufende Hohlwelle 37 erstreckt sich von dem vorderen Ende des Laufrades 32 ausgehend durch eine Zentralöffnung in der Rückwand 35 nach außen und trägt an ihrem hinteren Ende mehrere Zähne, die gemeinsam mit am vorderen Ende einer Antriebswelle 41 befindlichen Zähnen einen Kupplungsabschnitt

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42 zur Verbindung des Rotors 30 mit der Antriebswelle 41 bilden. Durch die an beiden Axialenden offene Hohlwelle 37 ist eine Schraube 45 gesteckt, deren Gewindeschaft eine in die Mitte einer konzentrischen Ausnehmung 48 eingearbeitete Bohrung 44 durchsetzt und in eine sich daran anschließende Gewindebohrung 43 eingreift. Darin entspricht die Antriebswelle 41 dem eingangs beschriebenen Stand der Technik.

In Fig. 4 sind mehrere integral an den äußeren Umfang der Hohlwelle 37 angeformte Rippen 38 erkennbar, welche radial nach außen verlaufen und Verstärkungselemente bilden, die den Hohlraum des Laufrades 32 in mehrere Kammern 33 unterteilen. Jede dieser Kammern 33 ist durch mindestens ein Loch 39 in der Rückwand 35 mit der Außenseite des Rotors 30 verbunden. Ferner kann jede Rippe mit mindestens einem Durchgangsloch (nicht dargestellt) versehen sein, um auf diese Weise sämtliche Kammern 33 zusätzlich miteinander zu verbinden.

Das Schaufelversteifungsband 34 ist an seinem axial hinteren Ende als radial gestreckt auslaufender Abschnitt geformt, dessen Innenseite mit einer Ausdrehung 40 zur Aufnahme der Rückwand 35 versehen ist, deren Tiefe etwa der Dicke der Rückwand 35 entspricht.

Der zuvor beschriebene Rotor 30 kann aus zwei separaten Teilen zusammengesetzt sein, von denen das erste die gekrümmten Schaufeln 31, das Schaufelversteifungsband und die Hohlwelle 37 mit ihren Rippen 38 umfaßt und das zweite Teil nur aus der Rückwand 35 besteht. Das aus den genannten Einzelheiten 31, 34, 37 und 38 bestehende erste

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Teil kann als integrales Formgußteil hergestellt sein, beispielsweise durch Spritzguß, Schlickerguß oder hydrostatischen Formguß, während die das zweite Teil bildende Rückwand 35 separat hergestellt sein kann.

Nach dem Aufschieben der Rückwand 35 auf die Hohlwelle 37 und dem Einpassen in die Ausdrehung 40 werden die beiden Teile in einem von ihren jeweiligen Materialien abhängigen Sinterprozeß fest miteinander vereinigt. Wenn beispielsweise beide Teile aus dem Material Silicon (Si) bestehen, dann werden sie zunächst im ungesinterten oder vor-gesinterten Zustand mit einer Siliconmasse zusammengefügt und danach im Verlauf eines Sinterprozesses durch chemische Reaktionen unter Anwesenheit von Stickstoff N_ in der Atmosphäre in Keramik umgewandelt und dabei chemisch und vollständig miteinander verbunden. Wenn dagegen die beiden Teile aus Keramikpulvern wie Silicon-Nitrid (Si₃N₄) oder Silicon-Carbid (SiC) geformt sind, dann können sie zunächst im gesinterten oder vor-gesinterten Zustand unter Verwendung einer dem Material Si_N. oder SiC ähnlichen Masse zusammengefügt und danach unter Normaldruck gesintert werden. Alternativ können die beiden Teile auch zunächst unter Normaldruck separat gesintert, zusammengesetzt und dann in einem zweiten Sinterprozeß unter Normaldruck vollständig miteinander verbunden werden.

Der Rotor 30 berührt die Antriebswelle 41 im Bereich des Kupplungsabschnitts 42 und ist unter Zahneingriff wie beim oben beschriebenen Stand der Technik mit ihr verbunden. Durch Festziehen der durch das Innere der Hohlwelle 37 und die Bohrung 44 in die Gewindebohrung 43 eingeführten Schraube 45 wird die Antriebswelle 41 in Axialrichtung fest

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gegen den Rotor 30 gespannt.

Der Rotor 30 kann aus jedem geeigneten Material geformt sein, wegen ihrer beträchtlichen Hitzebeständigkeit wird jedoch vorzugsweise eine Keramik verwendet.

Der zuvor beschriebene Rotor 30 hat im Vergleich zu einem herkömmlichen Massiv-Rotor ein geringes Trägheitsmoment und daher bessere Beschleunigungseigenschaften, und seine zahlreichen Rippen 38 verhindert eine Zentrifugallast-Konzentration in einem Fußbereich 36 der Rückwand 35, so daß es praktisch unmöglich wird, daß die Zentrifugalbelastung die zulässige Belastbarkeit des Keramikmaterials übersteigt. Beispielsweise liegt die zulässige Belastbarkeit bei einem heiß gepreßten Material zwischen 60 und 70 kg/mm², bei unter Normaldruck gesintertem Material zwischen 20 bis 30 kg/mm², und bei einem chemisch gesinterten Material zwischen 12 und 30 kg/mm². Daher kann der erfindungsgemäße Rotor 30 Zentrifugalkräften eine wesentlich größere Festigkeit entgegenstellen als eine bekannte hohle Rotorausführung. Da der Hohlraum des Rotors 30 mit der Außenseite in Verbindung steht, ist ein übermäßiger Druckanstieg im Rotorinnern ausgeschlossen.

Obwohl der Rotor 30 eine hohe Festigkeit aufweist hat er im Vergleich zu seinen Schaufeln 31 relativ geringe Wandstärken, und das Gesamtvolumen und -gewicht von Schaufelversteifungsband 34, Hohlwelle 37 und Rippen 38 ist im Vergleich zu dem der Schaufeln 31 nicht sehr groß, ganz im Gegensatz zu einem herkömmlichen Massiv-Rotor. Ferner hat der erfindungsgemäße Rotor den Vorteil, daß ohne Rücksicht auf denHerstellprozeß, ob dieser nun im Spritzguß, einer hydrostatischen Formmethode, Schlickerguß o.dgl. her-

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gestellt ist, das Entstehen von Fehlern wie Rissen, Spannungen oder Ungleichmäßigkeiten aufgrund unterschiedlicher Querschnitte an Teilen des Rotors weitgehend vermieden werden können. Die erfindungsgemäße Konstruktion beugt ferner der Entstehung von Sprüngen u.dgl. an relativ dicken Wandabschnitten vor, weil entstehende flüchtige Gase von Formhilfsmitteln wie thermoplastischem Harz oder Stärke, wie sie bei der Formgebung des Rotors verwendet werden, aus den inneren Kammern des Rotors wirksam abgeleitet werden und keinen Druck aufbauen können.

Das in Fig. 5 ähnlich wie in Fig. 3 im Längsschnitt dargestellte zweite Ausführungsbeispiel eines Rotors für eine Radialturbine unterscheidet sich von der Ausführung in Fig. 3 im wesentlichen durch folgende Merkmale:

Die Rückwand 35 von Fig. 3 fehlt. Folglich sind keine Löcher in den Rippen 38 und keine Aufnahmekontur wie die Ausdrehung 40 von Fig. 3 notwendig.

Im Vergleich zu der Ausführung von Fig. 3 besitzt der Rotor 30 von Fig. 5 eine höhere Festigkeit gegenüber Zentrifugalkräften, und das Rotorinnere ist nach außen hin vollständig geöffnet, die Verbindungswege sind wirksamer. Da bei dieser Ausführung weder die Herstellung noch die Verbindung der Rückwand mit dem Rotorlaufrad erforderlich sind, können die Herstellkosten wesentlich gesenkt werden. Andererseits wird der Rotor von Fig. 5 etwas schlechtere Beschleunigungseigenschaften als der von Fig. 3 haben, da die hinten freiliegenden Rippen 38 einen gewissen Luftwiderstand haben. Im übrigen hat die Ausführung

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von Fig. 5 die gleichen Vorteile und Wirkungen wie das zuvor in Verbindung mit Fig. 3 beschriebene erfindungsgemäße Aus fuhrungsbeispxel.

Der Rahmen der Erfindung läßt über die zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele hinaus zahlreiche Abwandlungen zu. So kann der Rotor 30 aus den verschiedensten Materialien hergestellt und die Rückwand 35 mittels verschiedener Befestigungsmittel an dem übrigen Teil des Rotors 30 befestigt sein. Ferner steht es dem Fachmann frei, die Verbindungseinrichtungen zwischen dem Rotorinnern und der Außenwelt sowie die Rotor-Verstärkungseinrichtungen ganz nach Wunsch abzuwandeln.

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ZUSAMMENFASSUNG

Ein im wesentlichen hohl ausgebildeter Rotor (30) für eine Radialturbine enthält Verstärkungen zur Erhöhung der Rotorfestigkeit gegenüber auf seinen Nabenabschnitt wirkenden Zentrifugalkräften. Das Innere (33) des Rotors ist über Kanäle (39) mit der Außenwelt verbunden, um die Entstehung einer Druckdifferenz zwischen dem Innen- und Außendruck zu verhindern. Der hohl ausgebildete Turbinenrotor (30) hat durch sein geringes Trägheitsmoment verbesserte Beschleunigungseigenschaften und ist gleichzeitig allen auftretenden Kräften gewachsen.

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Leerseite

Claims

PAT E N TA N WA LTE

TER MEER-MÜLLER-STEINMEISTER

Beim Europäischen Patentamt zugelassene Vertreter — Professional Representatives before the European Patent Office Mandatalres agrees pres !'Office european des brevets

Dipl.-Chem. Dr. N. ter Meer Dipl.-lng. H. Steinmeister

^{E Müller}

D-8OOO MÜNCHEN 22 D-4800 BIELEFELD 1

Case: WGO135/157(3)/SO-KT 28. Juli 1980

St/Gdt/Tß

NISSAN MOTOR COMPANY, LTD.

2, Takara-cho , Kanagawa-ku ,

Yokohama-shi, Kanagawa-ken, Japan

Rotor für eine Radialturbine

Priorität: 30. Juli 1979, Japan, No. 54-96048/1979

PATENTANSPRÜCHE

Rotor für eine Radialturbine, mit einem im wesentlichen hohl ausgebildeten Laufrad, welches einen koaxial zu seiner Rotationsachse verlaufenden und seitlich vorstehenden zylindrischen hohlen Wellenabschnitt aufweist, über den es mit einem das Laufrad antreibenden Antriebselement in Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, daß im Innern des Laufrades (32) eine radial verlaufende Verstärkung (38) so angeordnet und ausgebildet ist.

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daß der Rotor bzw. sein Nabenabschnitt eine ausreichend hohe Festigkeit gegenüber konzentrisch einwirkenden Zentrifugalkräften hat; und daß ein Durchlaß (z.B.39) vom Innern (33) des Rotor-Laufrades (32) nach außen besteht.
2. Rotor nach Anspruch 1/

dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkung durch mehrere Rippen (38) gebildet ist, die sich radial zwischen dem hohlen Wellenabschnitt (37) und der Innenoberfläche einer in Umfangsrichtung schrägen Wand (34) des Laufrades (32) erstrecken.
3. Rotor nach Anspruch 2,

dadurch gekennzeichnet, daß das Innere des Rotor-Laufrades (32) durch die Rippen (38) in mehrere Kammern (33) unterteilt ist, von denen jede mit dem Äußeren des Laufrades in Verbindung steht,
4. Rotor nach Anspruch 3_r

dadurch gekennzeichnet, daß das Laufrad (32) aus einem üauptteil (31,34,37,38) und-einem das rückseitige offene Ende des Hauptteils abschließenden separaten Endpaßteil (35), welches jeder der Laufradkammern 133) gegenüberliegende und so einen Durchlaß zwischen innen und außen schaffende Löcher (39) enthält _t besteht.
5. Rotor nach Anspruch 3,

dadurch gekennzeichnet, daß das Laufrad aus einem flauptteil (z.B.31,34...) und einem das rückseitige offene Ende des Hauptteils abschließenden separaten

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Endpaßteil, welches eine öffnung enthält, die einer der durch die Rippen {38) gebildeten Laufradkammern (33) gegenüberliegt, besteht; und daß öffnungen in den Rippen Durchlaßwege zwischen jeweils benachbarten Kammern bilden.
6. Rotor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet/ daß der hohle Wellenabschnitt

(37) an seinem hinteren Ende Elemente {z.B.23) zum Eingriff in eine Antriebswelle (41) der Antriebseinrichtung aufweist.
7. Rotor nach Anspruch 6,

dadurch gekennzeichnet, daß an den einanderzugekehrten passenden Enden des hohlen Wellenabschnitts (37) und der Antriebswelle (41) miteinander in Eingriff bringbare Zähne (23,24) angeordnet sind und die Verbindungselemente bilden.
8. Rotor nach Anspruch 7,

dadurch gekennzeichnet, daß der hohle Wellenabschnitt (37) und die Antriebswelle (41) durch eine Schraube (45) in permanentem Eingriff gehalten" sind, welche durch den hohlen Wellenabschnitt hindurchgeführt ist und in die Antriebswelle eingreift.
9. Rotor nach Anspruch 4 oder 5,

dadurch gekennzeichnet, daß das -Hauptteil "(31,34...) und das Endpaßteil (35) des Rotor-Laufrades (325 aus Silicon geformt und im Verlauf folgender Prc-zeBschritte miteinander verbunden werden:

- Vorfabrizieren des Hauptteils und des Endpaiteils aus einer Siliconmasse im ungesintertea oder vorgesinterten Zustand, und

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- Sintern des aus dem Hauptteil und dem Endpaßteil gebildeten Zwischenerzeugnisses durch chemische Reaktionen unter Anwesenheit von Stickstoff in der Atmosphäre, um es in Keramik umzuwandeln.
10. Rotor nach Anspruch 4 oder 5,

dadurch gekennzeichnet, daß das Hauptteil (31,34...) und das Endpaßteil (35) des Laufrades (32) aus Keramikpulver geformt und im Verlauf nachstehender Prozeßschritte miteinander verbunden werden:

- Vormontieren des Hauptteils und des Endpaßteils unter Verwendung des gleichen Materials wie für die beiden Teile benutzt im ungesinterten oder vorgesinterten Zustand, und

- Sintern des aus dem Hauptteil und dem Endpaßteil· bestehenden Zwischenerzeugnisses unter Normaldruck.
11. Rotor nach Anspruch 4 oder 5,

dadurch gekennzeichnet, daß das Hauptteil (31,34) und das Endpaßteil· (35) des Rotor-Laufrades (32) aus Keramikpulver geformt und im Verlauf nachstehender Prozeßschritte miteinander verbunden werden:

- Voneinander unabhängiges Sintern des Hauptteils und des Endpaßteils unter Normaldruck, und

- Sintern der beiden Elemente zu einer Einheit unter Normaldruck.

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