DE3343203A1

DE3343203A1 - Turbinenwellenanordnung

Info

Publication number: DE3343203A1
Application number: DE19833343203
Authority: DE
Inventors: Noboru Nagoya Aichi Ishida; Mitsuyoshi Kawamura
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 1982-11-30
Filing date: 1983-11-29
Publication date: 1984-05-30
Also published as: DE3343203C2; JPS5985302U; US4585396A

Description

lenket, Pfenning, Feiler, Hänzel & Meinig

SPARK PLUG CO., LTD. tfagoya, Japan

Patentanwälte

European Patent Attorneys Zugelassene Veireter vor dem Europäischen Patentamt

Dr phi¹ G Henkei München Do'· -Ing j Prenning Berlin Dr rer r,a: L Feiler Wunchen Dip'-Ing W Hänzel. München D:p; -Phys K H Meinig Be'lr D' ing A Bütenschon Bernn

Monistraße 37
D-δΟΟΟ München 80

Te: 089/982085-87 Telex 0529802 hnkio Te!eg^ramme ellipsoid

Hz/bb N28-33963

2a Nov. 1983

Turbinenwellenanordnung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Turbinenwellenanordnung, z.B. bei einer Gasturbine, einem Turbolader ο.dgl.. Ganz speziell betrifft die Erfindung einen Verbindungsabschnitt zwischen einem Keramik- und einem Metall-Wellenteil der Turbine.

In Fig. 1 ist eine bisherige Turbine der Art dargestellt, 2Q auf die sich die Erfindung bezieht und die ein Turbinen-Gehäuse 5 sowie ein Verdichter-Gehäuse 7 aufweist. Eine Turbinen-Welle 1 erstreckt sich in Längsrichtung durch das Gehäuse 5 in das Gehäuse 7. Am Ende der Turbinen-Welle 1 ist innerhalb des Verdichter-Gehäuses 7 ein Ver-, t- dichter (lauf) rad 6 montiert. Das Gehäuse 7 weist einen Lufteinlauf A zur Luftzufuhr zu den Schaufeln des Verdichterrads 6 auf. Die Turbinen-Welle 1 ist in einem Axialdrucklager 10 und einem (weiteren) Lager 3 gelagert. Über einen Einlaß B zugeführtes Schmieröl sammelt sich _nn in einem ölsumpf 13, der einen bodenseitigen ölauslaß C aufweist.

An einem Verbindungsabschnitt 9 der Welle 1 ist ein Läufer 2 montiert. Ein in eine Nut 8 eingesetzter „j- Dichtring 8¹ verhindert einen ölaustritt um ein Turbinenrad 4 herum und durch einen Gasauslaß E im Turbinen-Gehäuse 5. Ein Gaseinlaß D steht auf übliche Weise mit dem Raum um den Läufer 2 herum in Verbindung.

_on Bei dieser Anordnung ist der Halsteil des Läufers 2 aufgrund des vergleichsweise großen Durchmessers des Verbindungsabschnitts 9 einer.großen Belastung oder Beanspruchung unterworfen. Je größer der Durchmesser des Verbindungsabschnitts 9 ist, um so größer ist die er-

gj- forderliche Festigkeit an seiner Anschlußstelle an den Läufer 2. Der große Durchmesser des Verbindungsabschnitte 9 ist auch deswegen ungünstig, weil damit die Lager(umfangs)geschwindigkeit proportional ansteigt.

-ψ-

Im Hinblick auf die sehr hohen, am Gasauslaß herrschenden Temperaturen ist bereits vorgeschlagen worden, den Läufer

2 aus einem Keramikwerkstoff herzustellen. In diesem Fall 5

wird, wie in Fig. 2 gezeigt, ein gerader (Zapfen-)Abschnitt 2a des Keramik-Läufers 2 in ein hohles bzw. Muffenende 1a der aus Stahl bestehenden Turbinen-Welle 1 eingesetzt. Neben einer Verbesserung der Wärmebeständigkeit

wird hierdurch das Gewicht von Turbinenrad 4 und Läufer 10

2 verringert und damit ihr Ansprechverhalten verbessert.

Bei einer solchen Konstruktion ergeben sich jedoch Fertigungsprobleme. Insbesondere ist die Wärmebehandlung des Muffenendes 1a, das mit einem Lager in Berührung

stehen muß, schwierig. Wenn zudem die Verbindungsstelle 15

12 des geraden Abschnitts 2a gemäß Fig. 3 an der linken Seite des Dichtrings 8'(frei)liegt, ist es aufgrund der unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten von Keramik- und Metallwerkstoff schwierig, die Hartlötverbindung

zwischen den Keramik- und Metallbauteilen aufrechtzuer-20

halten.

Aufgabe der Erfindung ist damit die Vermeidung der Mangel des Stands der Technik durch Schaffung einer verbesserten

Turbinenwelle bzw. eines verbesserten Verbindungsab-25

Schnitts.

Diese Aufgabe wird durch die in den beigefügten Patentansprüchen gekennzeichneten Merkmale gelöst.

Gegenstand der Erfindung ist somit eine verbesserte Turbinenwelle mit einem Keramik-Turbinenwellenteil, der mit einem Metall-Wellenteil eines Läufers verbunden ist, wobei der Verbindungsabschnitt zwischen Keramik- und

Metall-Wellenteil zwischen einem Lager und einem Dicht-35

ring angeordnet ist und dadurch vom umgewälzten Schmieröl beaufschlagt wird. An der Verbindungsstelle (juncture) zwischen den beiden Wellenteilen ist eine Nut ausge-

bildet. Aufgrund dieser Anordnung ist der Verbindungsabschnitt keiner übermäßig hohen Temperatur ausgesetzt, so daß eine Trennung zwischen Keramik- und Metall-Wellenteil verhindert wird, während der Verbindungsabschnitt gleichzeitig einen vergleichsweise großen Durchmesser besitzen kann.

Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung im Vergleich zum Stand der Technik anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Teilschnittdarstellung einer bisherigen Turbine,

Fig. 2 eine teilweise im Schnitt gehaltene Darstellung einer ersten bisherigen Möglichkeit zur Verbindung von Keramik- und Metall-Wellenteilen einer Turbine,

Fig. 3 eine Fig. 2 ähnelnde Darstellung einer zweiten Möglichkeit zur Verbindung von Keramik- und Metall-Wellenteilen,

Fig. 4 und 5 Teilschnittdarstellungen zweier Ausführungsformen einer Turbine bzw. Turbinenwellenanordnung gemäß der Erfindung und

_g0 Fig. 6A und 6B in vergrößertem Maßstab gehaltene

schematische Darstellung von Fertigungsschritten bei der Herstellung einer erfindungsgemäßen Turbinenwellenanordnung.

Die Fig. 1 bis 3 sind eingangs bereits erläutert worden.

In den Fig. 4 und 5, die bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung zeigen, sind den Teilen von Fig. 1 bis

entsprechende Teile mit denselben Bezugsziffern wie dort bezeichnet.

Wie bei der bisherigen Konstruktion bestehen bei der Ausführungsform nach Fig. 4 die Welle 1 der Turbine aus Metall und der Läufer 2, einschließlich seines geraden Abschnitts 2a, aus einem Keramik-Werkstoff. Erfindungsgemäß liegt die Verbindungsstelle (juncture) 12 zwischen der Metall-Welle 1 und dem geraden Keramik-Abschnitt 2a zwischen dem Lager 3 und dem Dichtring 8' und damit in einem Bereich, in welchem Schmieröl aus dem ölsumpf 13 umläuft. Hierdurch wird die Temperatur der Verbindungsstelle 12 kontrolliert, und es wird auf diese 15

Weise ein übermäßiger Temperaturanstieg verhindert, so daß ein Aufbrechen der Hartlötverbindung zwischen Metall-Welle 1 und Keramik-Läufer 2 infolge der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten dieser Bauteile verhindert wird.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 4 besitzt das Ende der Welle 1 eine konische bzw. sich verjüngende Form. Diese Form ist insofern vorteilhaft, als dabei ein Ein-

„_ Schluß von Luftblasen im Spalt zwischen Welle 1 und 25

Läufer 2 beim Zusammenfügen dieser Teile vermieden werden kann. Bei der Ausführungsform nach Fig. 5 ragt der Endäbschnitt des Läufers 2 in eine napf- bzw. muffenförmige Öffnung oder Ausnehmung im Ende der Welle 1 hin-

ein. Durch diese letztere Ausgestaltung wird in vor-30

teilhafter Weise die Temperatur an der Verbindung(sstelle) weiter herabgesetzt und damit die Zuverlässigkeit (Standfestigkeit) der Verbindung zwischen den Metall- und Keramikbauteilen weiter verbessert.

Ein bevorzugtes Verfahren zur Herstellung der Verbindung zwischen der Welle 1 und dem Läufer 2 ist im folgenden anhand der Fig. 6A und 6B beschrieben. Gemäß Fig. 6A

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■r ■%.

werden die Welle und der Läufer zunächst durch Hartlöten o.dgl. miteinander verbunden. Beim Hartlöten lagert sich

_ überschüssiges Hartlot 15 am Außenumfang der Stirnflächen 5

von Welle und Läufer ab. Zum Einstechen einer umlaufenden Nut 16 wird, wie durch den Pfeil in Fig. 6A angedeutet, bevorzugt eine einzige Schleifscheibe 19 benutzt. Anschließend werden, wie durch die Querpfeile in Fig. 6B angedeutet, vorzugsweise zwei getrennte Schleifscheiben 17 und 18 benutzt. Der Grund für die Verwendung zweier verschiedener Schleifwerkzeuge liegt darin, daß ein für die Bearbeitung des Metalls der Welle 1 geeignetes Schleifwerkzeug für das Schleif-Bearbeiten des Keramikwerkstoffs des Läufers 2 ungeeignet ist. Mit jedem Schleifwerkzeug kann jedoch das überstehende Hartlot 15 weggeschliffen werden. Die umlaufende Schleifscheibe 17 wird zum Rundschleifen von der Mittellinie der Hartlötstelle nach links (Fig. 6A) geführt, um die Mantelfläche der

Welle 1 sowie den überstehenden Hartlotabschnitt 15 auf 20

Maß zu schleifen; mit der umlaufenden Schleifscheibe 18 wird andererseits die Mantelfläche des Läufers 2 sowie der Hartlotabschnitt 15 von der Mittellinie 20 aus nach rechts (auf Maß) geschliffen. Nach Herstellung einer

bündig verlaufenden Fläche längs der Welle, des Hart-25

lotabschnitts -und des Läufers ist mittels der Schleifscheibe 19 bereits eine Nut 16 um den Umfang der Stirnflächen der Wellenteile herum eingestochen worden (vgl. Fig. 6A). Die Nut 16 wirkt in vorteilhafter Weise

als ölblockier- oder -sperrnut und verbessert damit den 30

ölumlauf um die Verbindungsstelle 12 zwischen Welle 1 und Läufer 2, so daß sie auch als Flüssigkeitsdichtung wirkt. Weiterhin ist diese Nut 16 auch für das Längsbzw. Zylinderschleifen der verschiedenen Werkstoffe

günstig, weil damit übermäßig große Vorschubbewegungen 35

der Schleifscheiben (Über die Stoßstellen hinaus) verhindert werden können.

Selbstverständlich ist die Erfindung keineswegs auf die dargestellten und beschriebenen Ausführungsformen beschränkt, sondern verschiedenen weiteren Änderungen und Abwandlungen zugänglich.

Claims

Patentansprüche

f1./Turbinenwellenanordnung für eine Turbine mit einem Keramik-Läufer, der mit einer Metall-Welle verbunden ist,, dadurch gekennzeichnet, daß eine Verbindungsstelle (12) zwischen dem Läufer (2) und der Turbinen- -₀ Welle (1) zwischen einem die Turbinen-Welle (1) führenden Lager (3) und einem Dichtring (8¹)» der einen Strömungsmittelstrom von einem ölsumpf (13) der Turbine um den-Läufer (2) herum verhindert, und an einer Stelle, an welcher öl aus dem ölsumpf (13) um die Verbindungsstelle (12) herum umläuft, angeordnet ist.
2. Turbinenwellenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an der Verbindungsstelle (12) zwischen Welle (1) und Läufer (2) eine umlaufende Nut (16) ausgebildet ist.
3. Turbinenwellenanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle (1) einen konischen oder sich verjüngenden Abschnitt aufweist, der sich in eine komplementäre, muffenförmige Ausnehmung im Ende

des Läufers (2) erstreckt.
4. Turbinenwellenanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Läufer (2) mit einem Ende in

eine muffenförmige Ausnehmung im (zugewandten) Ende 30

der Welle (1) eingesetzt ist.
5. Turbinenwellenanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Läufer (2) und die Welle (1)

_o_ durch Hartlöten miteinander verbunden sind.