DE3733119A1 - Keramischer radialturbinenrotor - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Radialturbinenrotor, der aus einem keramischen Material besteht und bei Turboladern von Kraftfahrzeugen u. ä. sowie Gasturbinen Verwendung findet.

In neuerer Zeit sind Radialturbinenrotoren entwickelt worden, die aus keramischem Material, wie beispielsweise Siliciumnitrid (Si₃N₄), Siliciumkarbid (SiC), Sialon u. ä., bestehen, um spezielle Eigenschaften der keramischen Materialien, wie geringes Gewicht, Wärmefestigkeit, Verschleißfestigkeit u. ä., nutzbar zu machen.

Diese keramischen Materialien sind jedoch spröde und in der Zähigkeit Metallen unterlegen sowie empfindlich gegen impulsartige Kräfte. Es wurde festgestellt, daß ein Turbinenrotor aus einem keramischen Material eine andere Form besitzen sollte als ein Turbinenrotor aus einem Metall, wenn man die speziellen Eigenschaften der keramischen Materialien berücksichtigt. Beispielsweise werden bei einem bislang verwendeten keramischen Radialturbinenrotor, der ohne spezielle Berücksichtigung der Sprödigkeit des Materiales ausgebildet wurde, die Einströmabschnitte der Turbinenschaufeln oft durch Fremdsubstanzen beschädigt, die mit den Einströmabschnitten kollidieren. Diese Fremdsubstanzen bestehen aus Kohlenstoffpartikeln, die von unverbrannten Gasen herrühren, und aus Metalloxidpartikeln, die in den Abgasen enthalten sind und von aus Metall bestehenden Abgaskrümmern herrühren, die den Abgasen mit hohen Temperaturen ausgesetzt sind.

Um dieses Problem zu lösen, hat man bereits vorgeschlagen, ein Metall durch Aufsprühen auf den Spitzenenden der Schaufeln eines keramischen Rotors abzuscheiden, wie dies in der offengelegten japanischen Gebrauchsmusteranmeldung 61-51 404 beschrieben ist.

Es ist desweiteren bereits vorgeschlagen worden, die Spitzenenden der Schaufeln rund auszubilden oder abgerundete Spitzenenden von Schaufeln vorzusehen, um den Aufprall der Fremdpartikel zu mildern, wie dies in der offengelegten japanischen Patentanmeldung 59-2 03 808 offenbart ist.

Was den erstgenannten Vorschlag des offengelegten japanischen Gebrauchsmuster 61-51 404 anbetrifft, so ist es normalerweise schwierig, ein Metall durch Sprühen auf einem keramischen Material abzuscheiden. Turbinenschaufeln werden unter harten Bedingungen eingesetzt, beispielsweise findet eine sehr rasche Erhitzung auf hohe Temperaturen über 800°C statt, so daß die abgeschiedenen Metallfilme aufgrund des Unterschiedes in der Wärmeausdehnung zwischen dem Metall und dem keramischen Material zum Abblättern neigen, was dazu führt, daß derartige Rotoren für die Praxis ungeeignet sind. Darüberhinaus steigen die Temperaturen, bei denen die Turbine eingesetzt wird, jedes Jahr weiter an, so daß in der Praxis keine Metallfilme mehr eingesetzt werden, die durch Sprühen auf keramischen Materialien abgeschieden worden sind.

Bei dem zweiten Vorschlag der offengelegten japanischen Patentanmeldung 59-2 03 808 ist das Formen der abgerundeten Spitzenenden der Schaufeln mühsam und zeitaufwendig und erhöht die Herstellkosten der Turbine beträchtlich, so daß auch dieser Vorschlag in der Industrie nur schwierig zu verwirklichen ist.

Erfindungsgemäß wurde eine Vielzahl von Versuchen durchgeführt, um diese Probleme des Standes der Technik zu bewältigen. Als Ergebnis dieser Versuche wurde das Verhalten von Fremdpartikeln, die mit dem Turbinenschaufeln kollidieren, klargestellt. Es wurde gefunden, daß das Produkt st² der Festigkeit s eines keramischen Materiales multipliziert mit dem Quadrat der Dicke t der Schaufelspitzen eines Rotors sehr eng mit dem Widerstand des Rotors gegen derartige Fremdpartikel verknüpft ist und daß, je größer das Produkt st² ist, desto größer der Widerstand gegen derartige Fremdpartikel ist. Mit anderen Worten, das Produkt st² gibt die Widerstandskraft eines Rotors gegen Fremdpartikel wieder. Erfindungsgemäß wurde daher festgestellt, daß Beschädigungen der Schaufeln eines Rotors, die durch Fremdpartikel hervorgerufen werden, in wirksamer Weise verhindert werden können, indem die Dicke der Schaufelspitzen in Abhängigkeit von der Festigkeit des keramischen Materiales eines Radialturbinenrotors festgelegt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten keramischen Radialturbinenrotor zu schaffen, der im Betrieb ein gutes Widerstandsverhalten gegen Fremdpartikel besitzt, indem die optimale Dicke der Schaufelspitzen (Einströmabschnite) in Abhängigkeit von den eingesetzten Parametern (Umdrehungen pro Minute, Temperatur u. ä.), Massen der Fremdpartikel, die in den Rotor eindringen können, Festigkeit des keramischen Materiales, aus dem der Rotor besteht, festgelegt wird.

Zur Lösung dieser Aufgabe besteht der erfindungsgemäß ausgebildete Radialturbinenrotor aus einem keramischen Material mit einer Festigkeit s (kg/mm²) und besitzt Schaufelspitzen mit einer Dicke t (mm), wobei das Produkt st², das das Widerstandsverhalten des Rotors gegenüber Fremdpartikel wiedergibt, die mit den Schaufeln des Rotors kollidieren, die folgende Beziehung erfüllt:

st²≧5×10⁴ vm + 33,

wobei v die Umfangsgeschwindigkeit der Spitzenenden der Einlaufabschnitte der Schaufeln des rotierenden Rotors ist, wenn die Schaufeln durch Stahlkugeln beschädigt werden, welche eine Masse m (kg) aufweisen und mit den Schaufeln in einem Stahlkugelkollisionstest der Schaufeln eines keramischen Radialturbinenrotors kollidieren, und wobei vm das Produkt der Größen v und m darstellt.

Bei der Durchführung der Erfindung müssen Stahlkugeln verwendet werden, die aus Stahlguß gemäß der japanischen Industrienorm JIS G5903 hergestellt worden sind. Bei der Ermittlung der Festigkeit s des keramischen Materiales des Rotors werden Querbruchteststücke hergestellt, in denen das gleiche Material in der gleichen Menge und das gleiche Formverfahren wie bei den Rotorschaufeln verwendet wird. Die Festigkeit der Teststücke wird nach dem Testverfahren JIS R1601 als Versuchswert ermittelt. Als Alternative dazu können Teststücke von der Nabe des Rotors abgetrennt werden, wobei deren Größe der Hälfte der in JIS R 1601 vorgeschriebenen Größe entspricht. Nachdem die Festigkeit der Teststücke gemessen worden ist, wird der Meßwert in Anbetracht des volumetrischen Wirkungsgrades in die Festigkeit des gemäß JIS R1601 vorgeschriebenen Teststückes überführt. Bei diesem Vorgang findet die folgende Gleichung Anwendung:

σ₂/s₁=(v _{E 1}/v _{E 2})^1/m ,

wobei bedeuten

σdurchschnittliche Festigkeit (kg/mm²)v _E wirksames Volumen (mm³)mWeibull-Modul Index 1Wert von JIS Index 2Meßwert.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung im einzelnen erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen Schnitt durch eine Stahlkugelkollisionstestmaschine, die zur Durchführung der Erfindung verwendet wird;

Fig. 2 eine schematische Ansicht eines Ausführungsbeispiels eines keramischen Radialturbinenrotors;

Fig. 3 einen Schnitt entlang Linie III-III in Fig. 2;

Fig. 4 eine Ansicht zur Darstellung von Punkten einer Turbinenschaufelspitze, an denen die Dicke gemessen wird;

Fig. 5 einen Schnitt zur Darstellung von Stellen, an denen Bruchteststücke von einem keramischen Radialturbinenrotor entfernt werden; und

Fig. 6 ein Diagramm, das die Beziehung zwischen dem Widerstandsverhalten st² gegen Fremdpartikel und dem Produkt vm der Umfangsgeschwindigkeit v der Einströmspitzen des Rotors, wenn die Schaufeln beschädigt werden, und der Masse der Stahlkugeln wiedergibt.

Fig. 1 zeigt im Schnitt eine Stahlkugelkollisionstestmaschine zur Untersuchung des Widerstandsvermögens von erfindungsgemäß ausgebildeten keramischen Radialturbinenrotoren gegen Fremdpartikel.

Fig. 2 zeigt einen keramischen Radialturbinenrotor. Fig. 3 ist eine Schnittansicht entlang Linie III-III in Fig. 2. Die keramische Radialturbine umfaßt Turbinenschaufeln 30 mit Einströmabschnitten 31, die eine Dicke von t an ihren Spitzenenden aufweisen.

Für den Rotor können verschiedene keramische Materialien verwendet werden. Im Hinblick auf ihre Festigkeit wird vorzugsweise Siliciumnitrid (Si₃N₄), Siliciumkarbid (SiC) und Sialon eingesetzt. Von diesen keramischen Materialien wird Siliciumnitrid bevorzugt.

Im folgenden wird ein Widerstandstest von keramischen Radialturbinenrotoren gegen Fremdpartikel unter Einsatz der in Fig. 1 dargestellten Testmaschine erläutert.

Es wurden diverse keramische Radialturbinenrotoren 6 aus Siliciumnitrid (Si₃N₄) hergestellt, die Schaufelaußendurchmesser von 60 mm besaßen, wobei die Rotoren unterschiedliche Materialfestigkeiten und unterschiedliche Dicken der Schaufelspitzen aufwiesen. Jeder Rotor wurde in ein Lagergehäuse 9 eingebaut, und ein Turbolader 1, der mit einem Turbinengehäuse 7 und einem Kompressorgehäuse 8 versehen war, wurde an einem Einlaßflansch 20 befestigt. Druckluft und Brennstoff wurden einem Brenner 10 zugeführt und durch eine Zündvorrichtung 19 gezündet. Das vom Brenner 10 erzeugte, unter hoher Temperatur und hohem Druck stehende Gas wurde in das Turbinengehäuse 7 eingeleitet, um den keramischen Radialturbinenrotor 6 mit einer Umfangsgeschwindigkeit der Spitzenenden seiner Turbinenschaufeln rotieren zu lassen, die in Tabelle 1 dargestellt ist, bei einer Temperatur von 800°C am Einlaß der Turbine.

Eine Stahlkugel 2 mit einer bestimmten Masse wurde in einem Gefäß 3 für Fremdpartikel angeordnet. Nach dem Schließen des Gefäßes 3 mit einer Abdeckung 3 a wurde ein Ventil 4-2 geöffnet. Daraufhin wurde ein Ventil 4-1 geöffnet, so daß unter hohem Druck stehender gasförmiger Stickstoff in das Gefäß 3 eingelassen wurde, um den Stickstoff zusammen mit der Stahlkugel 2 in den Einlaßflansch 20 zu führen.

Unter diesen Bedingungen wurden Vibrationen des Turboladers 1 mit einem Beschleunigungsvibrometer 13 gemessen. Die Umdrehungen des keramischen Radialturbinenrotors 6 wurden mit einer Umdrehungsdetektorspule 11 gemessen, um außergewöhnliche Drehzahlen zu bestimmen, falls solche auftraten.

Wenn keine außergewöhnliche Umdrehung auftrat, wurde die Zuführung der Stahlkugel zehnmal wiederholt. Nachdem zehn Kugeln zugeführt worden waren, wurde der Brenner 10 abgestellt und der keramische Radialturbinenrotor 6 mit Hilfe von Luft auf Raumtemperatur abgekühlt. Wenn andererseits eine außergewöhnliche Umdrehung festgestellt wurde, wurde der Betrieb der Turbine in diesem Stadium gestoppt und der Brenner 10 abgeschaltet. Der keramische Radialturbinenrotor 6 wurde mit Hilfe von Luft auf Raumtemperatur abgekühlt.

Nach der Abkühlung wurde der keramische Radialturbinenrotor 6 aus dem Turbinengehäuse 7 herausgenommen, um die Spitzenenden der Einströmabschnitte 31 der Turbine zu beobachten und zu entscheiden, ob Beschädigungen aufgetreten waren oder nicht. Wenn keine außergewöhnliche Vibration des Turboladers 1 aufgetreten war, war die Vibration konstant 3G (G Erdbeschleunigung).

Die Materialfestigkeiten, Dicken der Schaufelspitzen, Umfangsgeschwindigkeiten, Massen der Stahlkugeln und andere Faktoren und Testergebnisse sind in Tabelle 1 aufgeführt.

Bei größeren Vibrationen als 3G traten ernsthafte Beschädigungen der Schaufeln auf, wie in Tabelle 1 gezeigt. Was die Festigkeiten s der Nummern 1, 4 und 10 der Proben in Tabelle 1 betrifft, so resultierten diese aus Teststücken 33, der Größe der Hälfte der Größe von Teststücken nach JIS R1601 entsprach und die von den Naben 32 der in Fig. 5 gezeigten Turbine abgetrennt worden waren. Jedes dieser Teststücke war mit Hilfe von vier Lagern mit einer inneren Spanne von 5 mm und einer äußeren Spanne von 15 mm gelagert und wurde mit einer Geschwindigkeit von 0,5 mm/min beaufschlagt, um an vier Punkten die Biegefestigkeiten zu messen. Die erhaltenen Festigkeiten wurden unter Berücksichtigung des volumetrischen Wirkungsgrades in Festigkeiten von Vierpunkt-Biegefestigkeits- Teststücken der JIS R1601 überführt. Was die Festigkeiten der verbleibenden Proben der Tabelle 1 anbetrifft, so wurden diesbezüglich Teststückrohlinge durch das gleiche Spritzgußverfahren wie bei den Rotoren hergestellt. Nach dem Sintern wurden die Teststücke von den Rohlingen abgetrennt und nach dem Testverfahren der JIS R1601 untersucht, um die Festigkeiten zu ermitteln.

Die Dicken der Schaufelspitzen wurden mit Hilfe eines Punktmikrometers an Stellen ermittelt, die einen Abstand von 2 mm von den Schaufelspitzen aufwiesen, wie an den drei Punkten p, q und r in Fig. 4 gezeigt. Die minimalen Dicken wurden als Dicken der Schaufelspitzen angenommen.

Bei den Stahlkugeln handelte es sich um solche aus Gußstahl, die nach der JIS G5903 vorgeschrieben sind.

Fig. 6 ist ein Diagramm, das die Beziehungen zwischen der Widerstandskraft st² gegen Fremdpartikel und dem Produkt vm der Umfangsgeschwindigkeit v der Einströmspitzenenden und der Masse m der Stahlkugel auf der Basis der Tabelle 1 wiedergibt. Aus Fig. 6 geht deutlich hervor, daß keine Beschädigungen der Turbinenschaufelspitzen auftreten, wenn die Beziehung st²≧5×10⁴ vm+33 erfüllt ist.

Wie aus den vorhergehenden Erläuterungen deutlich wird, besitzt der erfindungsgemäß ausgebildete keramische Radialturbinenrotor Turbinenschaufelspitzen (Einströmbereiche) mit einer optimalen Dicke, die auf der Basis der Betriebsbedingungen des Rotors (Umfangsgeschwindigkeit der Spitzen der Turbinenschaufeln oder Umdrehungen pro Minute und Temperatur), Massen von Fremdpartikeln, die in die Turbine eindringen können, und Festigkeit des keramischen Materiales festgelegt ist. Daher weist der erfindungsgemäß ausgebildete keramische Radialturbinenrotor ein sehr gutes Widerstandsverhalten gegen den Aufprall derartiger Fremdpartikel, wie Metallpartikel, im Betrieb der Turbine auf, so daß Beschädigungen der Schaufeln verhindert werden.

Erfindungsgemäß wird somit ein Radialturbinenrotor aus keramischem Material einer Festigkeit s (kg/mm²) vorgeschlagen, der Schaufelspitzen mit einer Dicke t (mm) aufweist. Das Produkt st² aus der Festigkeit s und der Größe t² gibt das Widerstandsverhalten des Rotors gegen Fremdpartikel wieder, die mit den Schaufeln des Rotors kollidieren. Dieses Produkt erfüllt die Beziehung st²≧5×10⁴ vm+33. Hierbei handelt es sich bei v um die Umfangsgeschwindigkeit der Spitzenenden der Einströmbereiche der Schaufeln des rotierenden Rotors, wenn die Schaufeln von Stahlkugeln beschädigt werden, welche eine Masse m (kg) besitzen und mit den Schaufeln in einem Stahlkugelkollisionstest von Schaufeln eines keramischen Radialturbinenrotors kollidieren, während vm das Produkt aus den Größen v und m darstellt.

Claims (2)

1. Radialturbinenrotor aus keramischem Material, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (6) aus einem keramischen Material mit einer Festigkeit s (kg/mm²) besteht und Schaufelspitzen mit einer Dicke t (mm) aufweist, wobei die Größe st² das Widerstandsverhalten des Rotors (6) gegen Fremdpartikel wiedergibt, die mit den Schaufeln des Rotors kollidieren, und die Ungleichung st²≧5×10⁴ vm + 33erfüllt, wobei v die Umfangsgeschwindigkeit der Spitzenenden der Einströmbereiche der Schaufeln des rotierenden Rotors (6) ist, wenn die Schaufeln durch Stahlkugeln mit einer Masse m (kg) beschädigt werden, die mit den Schaufeln in einem Stahlkugelkollisionstest der Schaufeln eines keramischen Radialturbinenrotors kollidieren, und wobei vm das Produkt aus den Größen v und m ist.

2. Radialturbinenrotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er aus Siliciumnitrid besteht.