DE4417095A1

DE4417095A1 - Verdichterrad

Info

Publication number: DE4417095A1
Application number: DE4417095A
Authority: DE
Inventors: Josef Baettig; Klaus Dr Heinrich
Original assignee: ABB Management AG
Current assignee: ABB Schweiz Holding AG
Priority date: 1994-05-16
Filing date: 1994-05-16
Publication date: 1995-11-23

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft ein Verdichterrad für Radialver dichter.

Stand der Technik

Ein Standardmaterial bei Radialverdichterrädern ist Alumini um. Sollen höhere Drehzahlen bzw. Druckverhältnisse erreicht werden, müssen zur Herstellung der Radialverdichterräder tem peraturbeständigere und damit teurere Materialien, wie bei spielsweise Titan eingesetzt werden.

Bei Verdichterrädern ohne durchgehende Axialbohrung verlagert sich die kritische Zone, welche deren Lebensdauer begrenzt, vom Nabenzentrum zum Schaufelaustritt. Damit wird die Lebens dauer eines derartigen Verdichterrades durch die Zeitstandfe stigkeit seines Materials bestimmt.

Entsprechend CIMAC-Paper, London 1993, D37, zum Kongreßvor trag "Further development of high pressure ratio turbochar ger", S. 5/16, ist eine aktive Temperatursenkungsmaßnahme für Verdichterräder bekannt, bei der die Materialtemperatur am Verdichteraustritt durch Einblasen von Kühlluft an der Ver dichterrückwand gesenkt wird. Damit ist es möglich, die Le bensdauer solcher Verdichterräder wesentlich zu verbessern.

Diese Maßnahme erfordert jedoch einen erhöhten Aufwand bei der Installation der erforderlichen Kühlluftleitungen sowie beim Einblasen der Kühlluft und ist damit relativ teuer. Als aktive Kühlmaßnahme ist sie außerdem mit einem Wirkungs gradverlust verbunden.

Als passive Kühlmaßnahme, die keinen Wirkungsgradverlust zur Folge hat, ist das Anbringen einer Wärmeschutzschicht aus schlecht wärmeleitendem Material (z. B. Keramik) an der Rück wand des Verdichterrades bekannt. Die isolierende Wirkung ei ner solchen Wärmeschutzschicht ist bei gegebenem Material vor allem von der jeweiligen Schichtdicke abhängig. Diese kann jedoch nur bedingt erhöht werden, weil die Wärmeschutzschicht sonst, aufgrund der hohen Drehzahlen und der Sprödigkeit ih res Materials, zum Abplatzen neigt. Daher ist es auf diese Weise nicht möglich, die Lebensdauer von Radialverdichterrä dern entscheidend zu verlängern.

Darstellung der Erfindung

Die Erfindung versucht, all diese Nachteile zu vermeiden. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, die Lebensdauer eines mit einem Verdichterrad aus Standardmaterial ausgebildeten Radialver dichters relativ einfach und kostengünstig zu erhöhen, ohne dabei einen Wirkungsgradverlust in Kauf nehmen zu müssen.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß bei einer Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, im Aus trittsbereich des Verdichterrades, in dessen Nabe, eine Wär mebarriere angeordnet ist. Die Wärmebarriere besteht in einer ersten Ausbildungsform aus einer radialen Umfangsnut und ei ner darin angeordneten ersten Wärmeschutzschicht. Diese ist als eine Luftschicht ausgebildet.

Die Vorteile der Erfindung liegen unter anderem in der mit relativ geringem Aufwand und daher kostengünstig erfolgenden, wirksamen Reduzierung des bisher üblichen, großen Wärmeflus ses im Austrittsbereich des Verdichterrades, von dessen Rück wand bis in den Schaufelfuß. Damit erreicht die Werkstoff temperatur in der kritische Zone, dem Schaufelfuß, gegenüber den ohne die erfindungsgemäße Wärmebarriere ausgebildeten Lösungen des Standes der Technik ein niedrigeres Niveau. Die Lebensdauer des Radialverdichterrades wird so trotz gleicher Beanspruchung wesentlich erhöht, weshalb es auch bei steigen den Drehzahlen bzw. Druckverhältnissen aus relativ kostengün stigem Aluminium gefertigt werden kann. Da es sich bei der Anordnung einer solchen Wärmebarriere um passive Kühlmaßnah men handelt, tritt im Radialverdichter kein Wirkungsgradver lust auf.

Die radiale Umfangsnut der Nabe ist mit parallelen Seitenflä chen ausgestattet und kann daher relativ einfach hergestellt werden. Besonders zweckmäßig ist eine konische Ausbildung der Umfangsnut, was wesentlich geringere Materialspannungen zur Folge hat
Zusätzlich zur Wärmebarriere ist in einer anderen Ausfüh rungsform an der Rückwand des Verdichterrades, auf an sich bekannte Weise, eine weitere Wärmeschutzschicht aus schlecht wärmeleitendem Material angeordnet. Diese wirkt mit der Wär mebarriere zusammen.

In einer nächsten Ausführungsform der Erfindung besteht die Wärmebarriere aus einer radialen Umfangsnut und zwei Wärme schutzschichten, wobei die erste Wärmeschutzschicht in der radialen Umfangsnut und die zweite in Strömungsrichtung un mittelbar dahinter angeordnet ist. Die zweite Wärmeschutz schicht ist als separater, mit der Nabe verbundener Wärme schutzschild ausgebildet und besteht aus einem Werkstoff ge ringer Wärmeleitfähigkeit sowie hoher Festigkeit, vorzugswei se einem Glas- oder Kohlefaserwerkstoff. Ein solcher, separa ter Wärmeschutzschild vereinfacht die Ausbildung der radialen Umfangsnut wesentlich, da er relativ leicht mit einer optima len Form vorzufertigen und dann nur noch mit der Nabe zu ver binden ist. Diese Verbindung kann form-, kraft- oder stoff schlüssig ausgeführt sein, wobei sich insbesondere letztere in Form einer Klebverbindung als besonders vorteilhaft er weist. Eine derartige Verbindung ist sehr platzsparend und verursacht keinerlei Spannungsspitzen in den beteiligten Bauteilen.

Bei Anordnung von zwei Wärmeschutzschichten wird die Wärme leitung zur kritischen Zone des Verdichterrades weiter herab gesetzt als das mittels nur einer Wärmeschutzschicht möglich wäre und damit die Lebensdauer des Radialverdichters nochmals erhöht. Durch den Einsatz eines Wärmeschutzschildes mit ge ringer Wärmeleitfähigkeit und hoher Festigkeit als Wärme schutzschicht, erhöht sich nicht nur deren Standzeit, sondern auch die Lebensdauer des Verdichterrades. Ebenso sinkt auf grund der geringen Dichte dieses Materials die Fliehkraftbe lastung der Nabe. Ist der Wärmeschutzschild auswechselbar an der Nabe befestigt, kann er nach entsprechendem Verschleiß vorteilhaft durch einen neuen ersetzt werden.

Wird am separaten Wärmeschutzschild eine die radiale Umfangs nut gegenüber dem Austrittsbereich des Verdichterrades ver schließende Dichtnase angeordnet, ist die als aus einer Luftschicht bestehende erste Wärmeschutzschicht gegenüber dem Verdichteraustritt abgeschlossen, so daß keine heiße Luft in die radiale Umfangsnut eindringen kann. Damit ergibt sich besonders vorteilhaft eine verbesserte Wärmeisolation der er sten Wärmeschutzschicht, was die Standzeit des Verdichterra des weiter erhöht. Außerdem wird die Reibleistung verrin gert.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

In der Zeichnung sind mehrere Ausführungsbeispiele der Erfin dung anhand des Verdichterrades eines Radialverdichters für Turbolader dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 einen Teillängsschnitt des Verdichterrades mit der in der Nabe angeordneten, aus einer konisch ausge bildeten, radialen Umfangsnut sowie einer mit die ser verbundenen, ersten Wärmeschutzschicht beste henden Wärmebarriere und mit einem in der Nabe be findlichen Sackloch;

Fig. 2 eine Darstellung des Verdichterrades entsprechend Fig. 1, jedoch mit parallel ausgebildeter, radialer Umfangsnut und einer Nabe mit durchgehender Boh rung;

Fig. 3 eine Darstellung des Verdichterrades entsprechend Fig. 1, jedoch mit einer aus einer radialen Um fangsnut und zwei Wärmeschutzschichten bestehenden Wärmebarriere;

Fig. 4 eine Darstellung des Verdichterrades entsprechend Fig. 2, jedoch mit einer an seiner Rückwand ange ordneten Wärmeschutzschicht.

Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentli chen Elemente gezeigt. Nicht dargestellt sind alle weiteren Bauteile des Turboladers.

Weg zur Ausführung der Erfindung

Das Verdichterrad 1 besteht aus einer Nabe 2 und darauf ange ordneten Schaufeln 3. Die Nabe 2 ist entweder mit einem Sack loch 4 (Fig. 1, Fig. 3) oder mit einer durchgehenden Axial bohrung 5 (Fig. 2, Fig. 4) versehen. In der Nabe 2, im Aus trittsbereich 6 des Verdichterrades 1 ist eine Wärmebarriere 7 angeordnet. Sie besteht in einem ersten Ausführungsbeispiel aus einer radialen Umfangsnut 8 und einer darin angeordneten, ersten Wärmeschutzschicht 9.

Die radiale Umfangsnut 8 ist mit konisch verlaufenden Seiten flächen 10 ausgebildet. Um die fliehkraftbedingte Spannungs zunahme in der Nabe 2 zu verringern, ist die radiale Umfangs nut 8 näher an der Rückwand 11 des Verdichterrades 1 als an dessen Schaufeln 3 angeordnet. Innerhalb der radialen Um fangsnut 8 befindet sich die aus einer Luftschicht bestehen de erste Wärmeschutzschicht 9 (Fig. 1).

Infolge der Ausbildung der radialen Umfangsnut 8 wird an die ser Stelle Nabenmaterial ausgespart, so daß an der Rückwand 11 des Verdichterrades 1, in seinem Austrittsbereich 6 ein Nabenreststück 12 entsteht, welches lediglich über seine Ba sis 13 mit der Nabe 2 verbunden ist. Wegen der Anordnung des Nabenreststückes 12 an gerade dieser Stelle und der stromauf unmittelbar davor befindlichen, isolierend wirkendenden Luft schicht 9 wird die in die Schaufeln 3, im Austrittsbereich 6 des Verdichterrades 1 transportierte Wärmemenge stark redu ziert. Dies ist einerseits bedingt durch den kleinen Quer schnitt des Nabenreststückes 12 und andererseits durch den "Umweg" des Wärmeflusses über dessen Basis 13. Die Wärmelei tung zur kritischen Zone, dem Schaufelfuß 14 des Verdichter rades 1, ist daher wesentlich herabgesetzt.

Beim Betrieb des Turboladers wird somit der Wärmefluß von der Rückwand 11 des Verdichterrades 1 zum Schaufelfuß 14 be deutend verringert. Auf diese Weise werden die Werkstofftem peraturen in dieser kritische Zone weniger stark erhöht, was die Lebensdauer des Verdichterrades 1 aufgrund der besseren Zeitstandfestigkeit seines Materials wesentlich verlängert.

In einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die radiale Umfangsnut 8 zwecks einfacherer und daher preisgün stigerer Fertigung mit parallelen Seitenflächen 15 ausgebil det und in der Nabe 2 eines Verdichterrades 1 mit durchgehen der Axialbohrung 5 angebracht (Fig. 2).

Fig. 3 zeigt ein nächstes Ausführungsbeispiel, bei dem die Wärmebarriere 7 eine radiale Umfangsnut 8 und zwei Wärme schutzschichten 9, 16 aufweist. Die erste Wärmeschutzschicht 9 besteht aus einer Luftschicht und ist in der radialen Um fangsnut 8 angeordnet, während die zweite Wärmeschutzschicht 16 als ein separater, radialer Wärmeschutzschild ausgebildet ist. Dieser ist in Strömungsrichtung unmittelbar hinter der radialen Umfangsnut 8 angeordnet und stoffschlüssig mit der Nabe 2 verbunden, d. h. an seiner Basis 17 mit dieser ver klebt. Dazu ist auf der Nabe 2 eine achsparallele Phase 18 und ein radialer Anschlag 19 ausgebildet, an denen der Wärme schutzschild 16 mit seiner Basis 17 anliegt.

Natürlich kann der Wärmeschutzschild 16 auch form- oder kraftschlüssig auf der Nabe 2 befestigt werden, z. B. mit ei nem nicht dargestellten Preßsitz oder mit einer ebenfalls nicht dargestellten Schraubverbindung. Dadurch ist ein Aus wechseln des Wärmeschutzschildes 16 möglich, wenn das nach entsprechendem Verschleiß erforderlich wird.

Am Wärmeschutzschild 16 ist eine Dichtnase 20 angeordnet, welche die radiale Umfangsnut 8 gegenüber dem Austrittsbe reich des Verdichterrades 1 verschließt.

Ein solcher Wärmeschutzschild 16 kann besonders vorteilhaft mit einer die beiden Wärmeschutzschichten 9, 16 optimierenden Form vorgefertigt werden. Bei der Fertigung des Wärmeschutz schildes 16 ist es ebenfalls problemlos möglich, auf seiner Rückseite Dichtnuten (nicht dargestellt) einzubringen.

Durch die Verwendung von zwei Wärmeschutzschichten 9, 16 wird die Wärmeleitung zum Schaufelfuß 14, d. h. zur kritischen Zone des Verdichterrades 1 weiter herabgesetzt als das bei Anord nung nur einer Wärmeschutzschicht 9 möglich ist.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist in der Nabe 2, im Austrittsbereich 6 des Verdichterrades 1 ebenfalls die aus der radialen Umfangsnut 8 und der mit dieser verbundenen Wär meschutzschicht 9 bestehende Wärmebarriere 7 ausgebildet. Zu sätzlich ist an der Rückwand 11 der Nabe 2, auf an sich be kannte Weise, eine Wärmeschutzschicht 21 angeordnet, welche mit der Wärmebarriere 7 in Wirkverbindung steht (Fig. 4). Bei dieser Kombination der bekannten Wärmeschutzschicht 21 mit der erfindungsgemäßen Wärmebarriere 7 wird die isolie rende Wirkung im wesentlichen durch die letztere erbracht. Deshalb kann man die Wärmeschutzschicht 21 mit relativ gering dimensionierter, entsprechend dem jeweils verwendeten Materi al optimierter Schichtdicke einsetzen. Eine solche Wärme schutzschicht 21 besitzt eine längere Standzeit und unter stützt die Funktion der Wärmebarriere 7 nachhaltig. Sie trägt somit zur Erhöhung der Lebensdauer des Verdichterrades 1 bei.

Bezugszeichenliste

1 Verdichterrad
2 Nabe
3 Schaufel
4 Sackloch
5 Axialbohrung
6 Austrittsbereich
7 Wärmebarriere
8 radiale Umfangsnut
9 erste Wärmeschutzschicht, Luftschicht
10 Seitenfläche, konisch
11 Rückwand
12 Nabenreststück
13 Basis
14 Schaufelfuß, kritische Zone
15 Seitenfläche, parallel
16 zweite Wärmeschutzschicht, Wärmeschutzschild
17 Basis
18 achsparallele Phase
19 radialer Anschlag
20 Dichtnase
21 Wärmeschutzschicht, bekannte

Claims

1. Verdichterrad für Radialverdichter dadurch gekennzeich net, daß im Austrittsbereich (6) des Verdichterrades (1), in dessen Nabe (2), eine Wärmebarriere (7) angeord net ist.

2. Verdichterrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmebarriere (7) aus einer radialen Umfangsnut (8) und einer darin angeordneten, ersten Wärmeschutz schicht (9) besteht.

3. Verdichterrad nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekenn zeichnet, daß an seiner Rückwand (11) auf an sich be kannte Weise eine Wärmeschutzschicht (21) angeordnet ist, welche mit der Wärmebarriere (7) in Wirkverbindung steht.

4. Verdichterrad nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekenn zeichnet, daß die radiale Umfangsnut (8) mit konischen (10) oder mit parallelen Seitenflächen (15) ausgebildet ist.

5. Verdichterrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmebarriere (7) aus einer radialen Umfangsnut (8) und zwei Wärmeschutzschichten (9, 16) besteht, wobei die erste Wärmeschutzschicht (9) in der radialen Um fangsnut (8) und die zweite Wärmeschutzschicht (16) in Strömungsrichtung unmittelbar dahinter angeordnet ist.

6. Verdichterrad nach den Ansprüchen 2 bis 5, dadurch ge kennzeichnet, daß die erste Wärmeschutzschicht (9) als Luftschicht ausgebildet ist.

7. Verdichterrad nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Wärmeschutzschicht (16) als separater, mit der Nabe (2) verbundener Wärmeschutzschild ausgebil det ist und aus einem Werkstoff geringer Wärmeleitfähig keit sowie hoher Festigkeit, vorzugsweise einem Glas- oder Kohlefaserwerkstoff besteht.

8. Verdichterrad nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß am Wärmeschutzschild (16) eine Dichtnase (20) ange ordnet ist, welche die radiale Umfangsnut (8) gegenüber dem Austrittsbereich (6) des Verdichterrades (1) ver schließt.

9. Verdichterrad nach Anspruch 7 und 8, dadurch gekenn zeichnet, daß der Wärmeschutzschild (16) stoffschlüssig mit der Nabe (2) verbunden, vorzugsweise mit ihr ver klebt ist.

10. Verdichterrad nach Anspruch 7 und 8, dadurch gekenn zeichnet, daß der Wärmeschutzschild (16) auswechselbar an der Nabe (2) befestigt ist.