DE4445297C1

DE4445297C1 - Rotor wheel for turbo machine esp. radial compressor

Info

Publication number: DE4445297C1
Application number: DE19944445297
Authority: DE
Inventors: Jakob Dipl Ing Bucher
Original assignee: MAN B&W Diesel GmbH
Current assignee: MAN Energy Solutions SE
Priority date: 1994-12-19
Filing date: 1994-12-19
Publication date: 1996-03-14
Anticipated expiration: 2014-12-20
Also published as: JPH08232889A; JP3850906B2

Abstract

The seat of the axially projecting step (7) is formed as a conical counter surface (11) of the same pitch. The centering element consists of a solid ring (8) and sits on a cylindrical section (12) of the shaft (1), and has a projection (10) with the conical counter surface. The pitch angle ( alpha ) of the counter surface is calculated using the formula: alpha = arctan ( DELTA r/ DELTA l). DELTA r is the expansion of the hub (4) in the radial direction, generated by centrifugal forces and heating; DELTA l is the simultaneous transverse contraction of the hub in the axial direction.

Description

Die Erfindung betrifft ein Laufrad für eine Strömungs maschine, insbesondere für einen Radialverdichter, vorzugsweise mit über seiner Länge ungleicher Massenverteilung und mit einer Nabe, die vorzugsweise mittels eines Pressverbands auf einer sie durchgreifenden Welle aufgenommen ist und im Bereich wenigstens einer Stirnseite mit einer axial vorstehenden Stufe versehen ist, die als Sitz für ein mit einer Gegenfläche versehenes, umlaufendes Zentrierorgan dient.The invention relates to an impeller for a flow machine, especially for a radial compressor, preferably with more unequal over its length Mass distribution and with a hub that is preferred by means of a press association on one of them Wave is recorded and in the area of at least one End face is provided with an axially protruding step, which as a seat for one with a counter surface provided revolving centering element is used.

Eine Anordnung dieser Art ist aus der DE 25 37 538 B2 bekannt. Mit Hilfe der Zentrierung soll verhindert werden, daß die Nabe im Falle einer durch Fliehkräfte und Erwärmung verursachten Dehnung den Kontakt mit der Welle ganz oder teilweise verliert. Diese Gefahr ist vor allem in dem Bereich mit einer größeren Massenanhäufung gegeben. Bei der bekannten Anordnung besitzt der nabenseitige Sitz eine zylindrische Sitzfläche. Dementsprechend ist auch die Gegenfläche des Zentrierorgans zylindrisch. Hierbei besteht die Gefahr, daß, sofern die Zentrierung bereits im Stillstand oder im Bereich niedriger Drehzahlen wirksam ist, bei höheren Drehzahlen eine unzulässige Spannungskonzentration auftreten kann. Wird aber eine derartige, unzulässige Spannungskonzentration dadurch vermieden, daß im Sitzbereich zunächst Spiel gegeben ist, wird die Zentrierung erst im oberen Drehzahlbereich wirksam. Die bekannte Anordnung erweist sich daher als nicht sicher und zuverlässig genug.An arrangement of this type is known from DE 25 37 538 B2 known. With the help of centering should prevent be that the hub in the case of a centrifugal force and Warming caused elongation to contact the shaft completely or partially loses. This danger is most important in the area with a larger mass accumulation given. In the known arrangement hub-side seat a cylindrical seat. Accordingly, the counter surface of the Centering element cylindrical. There is a risk here that if the centering is already at a standstill or in Range of low speeds is effective at higher speeds Speeds an impermissible voltage concentration can occur. But becomes such an inadmissible Stress concentration avoided in that Seating area is given first, the Centering only effective in the upper speed range. The known arrangement therefore proves to be unsafe and reliable enough.

Die DE-AS 10 36 273 offenbart ein fliegend gelagertes Laufrad, das auf einem kegelförmigen Wellenstumpf mittels Mutter und zentraler Dehnschraube befestigt ist. Eine Zentrierung mittels eines umlaufenden Zentrierorgans ist jedoch nicht vorgesehen.DE-AS 10 36 273 discloses a cantilevered impeller on a tapered shaft end with a nut and central expansion screw is attached. Centering by means of a revolving centering member is not provided, however.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Anordnung eingangs erwähnter Art mit einfachen und kostengünstigen Mitteln so zu verbessern, daß bei allen Betriebszuständen eine Zentrierung gegeben ist, ohne daß eine unzulässige Spannungskonzentration zu befürchten wäre.It is the job of present invention, an arrangement mentioned above Kind with simple and inexpensive means too improve that in all operating conditions Centering is given without an inadmissible Stress concentration would be feared.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß in überraschend einfacher Weise durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.This object is surprising in accordance with the invention simple way through the characteristic features of claim 1 solved.

Hiermit lassen sich die eingangs geschilderten Nachteile vollständig vermeiden. Der Erfindung liegt dabei die Überlegung zugrunde, daß die Nabe aufgrund von Fliehkräften und Erwärmung einer radialen Dehnung und gleichzeitig einer axialen Querkontraktion unterliegt. Die kegelförmige Sitzausbildung kann hieran angepaßt werden und läßt so eine radiale Dehnung und axiale Querkontraktion der Nabe zu, ohne daß das Zentrierorgan dem folgen muß. Die aneinander anliegenden Kegelflächen erfahren lediglich eine entsprechende Relativbewegung. Es ist jedoch sichergestellt, daß die aneinander anliegenden Kegelflächen im gesamten gegenseitigen Anlagebereich gleichmäßig tragen, so daß unzulässige Spannungs konzentrationen unterbleiben. Da die aneinander anliegenden Kegelflächen bei allen Betriebszuständen gleichmäßig tragen, können diese Kegelflächen in vorteilhafter Weise so groß dimensioniert werden, daß unzulässige Flächenpressungen vermieden werden. Außerdem besteht hierbei die Möglichkeit, eine bereits im Stillstand wirksame Vorspannung vorzusehen, was in allen Betriebszuständen eine hohe Zuverlässigkeit ergibt.This eliminates the disadvantages described above avoid completely. The invention lies in the Consideration that the hub due to Centrifugal forces and heating of a radial expansion and is subject to an axial transverse contraction at the same time. The conical seat design can be adapted to this and so leaves a radial expansion and axial Cross contraction of the hub without the centering member must follow that. The adjacent conical surfaces only experience a corresponding relative movement. It however, it is ensured that the abutting Tapered surfaces in the entire mutual investment area wear evenly so that impermissible tension no concentrations. Because they are together adjacent conical surfaces in all operating states wear evenly, these conical surfaces in are advantageously dimensioned so large that impermissible surface pressures can be avoided. also there is the possibility of already one in Standstill to provide effective pre-tension, which in all Operating conditions results in high reliability.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und zweckmäßige Fortbildungen der übergeordneten Maßnahmen sind in den Unteransprüchen angegeben. So können der nabenseitige Sitz und die diesem zugeordnete Gegenfläche einen Steigungswinkel α aufweisen, der sich nach der Formel α = arctan (Δr/Δl) berechnet, wobei Δr die unter dem Einfluß der Fliehkräfte und Erwärmung sich ergebende Dehnung der Nabe in radialer Richtung und Δl die gleichzeitig erfolgende Querkontraktion der Nabe in axialer Richtung sind. Mit diesen Maßnahmen ergibt sich eine Optimierung der oben geschilderten Vorteile, da hier der Verlauf der Kegelflächen exakt der Nabenbewegung folgt.Advantageous configurations and practical Further training of the overarching measures are in the Subclaims specified. So the hub side Seat and the counter surface assigned to it Have angle of inclination α, which is according to the formula α = arctan (Δr / Δl) calculated, where Δr is below the Influence of centrifugal forces and warming resulting Elongation of the hub in the radial direction and Δl the simultaneous transverse contraction of the hub in axial direction. With these measures follows an optimization of the advantages described above, since here the course of the conical surfaces exactly the hub movement follows.

Eine weitere zweckmäßige Maßnahme kann darin bestehen, daß das Zentrierorgan als massiver Zentrierring ausgebildet ist, der auf einem zylindrischen Abschnitt der Welle aufgenommen ist und eine die Gegenfläche aufweisende Auskragung aufweist. Diese Maßnahmen ermöglichen eine einfache Herstellung und Montage. Another useful measure can be that the centering element as a solid centering ring is formed on a cylindrical portion the shaft is received and the counter surface has cantilever. These measures enable easy manufacture and assembly.

Eine weitere, besonders zu bevorzugende Maßnahme kann darin bestehen, daß wenigstens eine der im Bereich des Sitzes aneinander anliegenden Kegelflächen als aus einem verstärkten Kunststoff bestehende Gleitfläche ausgebildet ist. Hierdurch ist nicht nur sichergestellt, daß die auftretenden Kräfte aufgenommen werden können, sondern auch, daß ein gegenseitiges Gleiten der aneinander anliegenden Kegelflächen unter Druck ohne Fressen möglich ist, wodurch eine zuverlässige Funktionsweise und hohe Lebensdauer gewährleistet werden.Another, particularly preferred measure can consist in that at least one of the Seated against each other as conical surfaces from one reinforced plastic existing sliding surface is. This not only ensures that the occurring forces can be absorbed, but also that mutual sliding of each other adjacent conical surfaces under pressure possible without fretting is, which ensures reliable operation and high Lifespan can be guaranteed.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und zweckmäßige Fortbildungen der übergeordneten Maßnahmen sind in den restlichen Unteransprüchen angegeben und aus der nachstehenden Beispielsbeschreibung anhand der Zeichnung entnehmbar.Further advantageous configurations and expedient Further training of the overarching measures are in the remaining subclaims specified and from the Example description below using the drawing removable.

Die nachstehend beschriebene Zeichnung zeigt einen Teillängsschnitt durch ein Radialverdichterrad eines Abgasturboladers.The drawing described below shows one Partial longitudinal section through a radial compressor wheel Exhaust gas turbocharger.

Der grundsätzliche Aufbau und die Wirkungsweise eines Abgasturboladers sind an sich bekannt und bedürfen daher im vorliegenden Zusammenhang keiner näheren Erläuterung mehr. Ein Abgasturbolader der der Zeichnung zugrunde liegenden Art besitzt eine in ihrem mittleren Längsbereich in einem Gehäuse gelagerte Welle 1, die an ihren über die Lagerung auskragenden Enden ein nicht näher dargestelltes Turbinenrad und ein in der Zeichnung schematisch dargestelltes Verdichterrad 2 trägt. Dieses ist als einflutiges Radialverdichterrad ausgebildet. Das Verdichterrad 2 besitzt eine umfangsseitig mit Schaufeln 3 versehene, auf der Welle 1 aufgenommene Nabe 4. Der Durchmesser der Schaufeln 3 und Nabe 4 nimmt über der Länge zu, so daß sich ein zur Mittelquerebene unsymmetrischer Längsschnitt und dementsprechend auch eine über der Länge zunehmende Massenverteilung ergeben.The basic structure and the mode of operation of an exhaust gas turbocharger are known per se and therefore do not require any further explanation in the present context. An exhaust gas turbocharger of the type on which the drawing is based has a shaft 1 which is mounted in its central longitudinal region in a housing and which carries a turbine wheel (not shown in more detail) and a compressor wheel 2 shown schematically in the drawing at its ends projecting beyond the bearing. This is designed as a single-flow radial compressor wheel. The compressor wheel 2 has a hub 4 provided on the circumference with blades 3 and received on the shaft 1 . The diameter of the blades 3 and the hub 4 increases over the length, so that there is an asymmetrical longitudinal section with respect to the central transverse plane and, accordingly, an increasing mass distribution over the length.

Die Nabe 4 ist mittels eines konischen Pressverbands mit der Welle 1 verbunden. Hierzu ist eine konische Büchse 5 vorgesehen, die den Abstand zwischen der Nabenbohrung und einem konischen Abschnitt der Welle 1 überbrückt. Die Büchse 5 ist von der Seite des kleineren Laufraddurchmessers her eingepreßt. Die Länge der Büchse 5 ist kürzer als die Nabenlänge, so daß sich im Bereich der dem größeren Laufraddurchmesser zugeordneten Seite ein preßverbandfreier Bereich ergibt.The hub 4 is connected to the shaft 1 by means of a conical press fit. For this purpose, a conical sleeve 5 is provided, which bridges the distance between the hub bore and a conical section of the shaft 1 . The sleeve 5 is pressed in from the side of the smaller impeller diameter. The length of the sleeve 5 is shorter than the hub length, so that there is an area free of press fit in the area of the side assigned to the larger impeller diameter.

Im Bereich der inneren, d. h. dem größten Durchmesser zugeordneten Stirnseite ist die Nabe 4 mit einer umlaufenden, in axialer Richtung in eine stirnseitige Ausnehmung 6 vorspringenden Stufe 7 versehen, an der ein ebenfalls umlaufender, in die Ausnehmung 6 eingreifender Zentrierring 8 anliegt. Die Umfangsfläche der Stufe 7 ist als von der benachbarten Stirnseite aus ansteigende Kegelfläche 9 ausgebildet. Diese bildet einen dem Zentrierring 8 zugeordneten Kegelsitz. Der Zentrierring 8 ist mit einer die Stufe 7 übergreifenden Auskragung 10 versehen, die eine an der Kegelfläche 9 anliegende Gegenkegelfläche 11 gleicher Steigung aufweist. Der Zentrierring 8 ist mit seiner inneren Bohrung auf einem zylindrischen Abschnitt 12 der Welle 1 aufgenommen und in axialer Richtung gesichert, wie durch einen Anschlag 13 angedeutet ist. Der Zentrierring 8 bildet somit ein massives, auf der Welle 1 geführtes, der Nabe 4 zugeordnetes Zentrierorgan.In the area of the inner end face, ie the one with the largest diameter, the hub 4 is provided with a circumferential step 7 projecting in the axial direction into an end recess 6 , against which a likewise circumferential centering ring 8 engages in the recess 6 . The peripheral surface of step 7 is designed as a conical surface 9 rising from the adjacent end face. This forms a conical seat assigned to the centering ring 8 . The centering ring 8 is provided with a projection 10 which overlaps the step 7 and which has a counter-conical surface 11 of the same pitch lying against the conical surface 9 . The centering ring 8 is received with its inner bore on a cylindrical portion 12 of the shaft 1 and secured in the axial direction, as indicated by a stop 13 . The centering ring 8 thus forms a solid centering member guided on the shaft 1 and assigned to the hub 4 .

Im Betrieb unterliegt die Nabe 4 aufgrund von an ihr angreifenden Fliehkräften und aufgrund von Erwärmung einer Dehnung in radialer Richtung, wie durch den Pfeil Δr angedeutet ist. Gleichzeitig unterliegt die Nabe 4 einer Querkontraktion in axialer Richtung wie durch den Pfeil Δl angedeutet ist. Der Steigungswinkel α der Kegelfläche 9 bzw. Gegenkegelfläche 11 ist an das Verhältnis von Δr zu Δl angepaßt. Für den Winkel α ergibt sich dabei die Formel α = arctan (Δr/Δl). Diese Dimensionierung des Winkels L stellt sicher, daß bei allen Betriebszuständen im Bereich des Kegelsitzes eine exakte gegenseitige Anlage und damit eine gleichmäßige Kraftverteilung auf die gesamte jeweils wirksame Fläche gewährleistet sind. Hierdurch wird erreicht, daß die Nabe 4 durch den Zentrierring 8 in radialer Richtung in allen Betriebspunkten des gesamten Drehzahlfeldes wirksam gestützt und zentriert wird. Hierdurch ist sichergestellt, daß Schlackerbewegungen des Laufrads 2 aufgrund eines ungleichmäßigen Kraftangriffs und ein Aufschaukeln dieser Schlackerbewegungen aufgrund fehlender Zentrierung insbesondere im Bereich des größeren Durchmessers unterbleiben.In operation, the hub 4 is subject to expansion in the radial direction due to centrifugal forces acting on it and due to heating, as indicated by the arrow Δr. At the same time, the hub 4 is subject to a transverse contraction in the axial direction, as indicated by the arrow Δl. The pitch angle α of the conical surface 9 or counter-conical surface 11 is adapted to the ratio of Δr to Δl. The formula α = arctan (Δr / Δl) results for the angle α. This dimensioning of the angle L ensures that, in all operating conditions in the area of the conical seat, an exact mutual contact and thus a uniform force distribution over the entire effective area are guaranteed. This ensures that the hub 4 is effectively supported and centered by the centering ring 8 in the radial direction in all operating points of the entire speed field. This ensures that there are no slag movements of the impeller 2 due to an uneven force application and a rocking of these slag movements due to a lack of centering, in particular in the region of the larger diameter.

Diese Wirkung wird dadurch begünstigt, daß die Kegelfläche 9 und/oder die dieser zugeordnete Gegenkegelfläche 11 als Gleit- und Druckfläche ausgebildet ist, bzw. sind. Als hierfür geeigneter Werkstoff kommt verstärkter Kunststoff, beispielsweise glasfaser- und/oder kohlefaserverstärkter Kunststoff in Frage. Im dargestellten Beispiel soll einfach der ganze Zentrierring 8 aus derartigem Werkstoff bestehen, so daß die an diesen angeformte Gegenfläche 11 automatisch die gewünschten Gleit- und Trageigenschaften aufweist, so daß ein Gleiten unter Druck ohne Fressen und gleichzeitig eine zuverlässige Kraftübertragung gewährleistet sind.This effect is favored in that the conical surface 9 and / or the mating conical surface 11 associated therewith is or are designed as a sliding and pressure surface. Reinforced plastic, for example glass fiber and / or carbon fiber reinforced plastic, is suitable as a suitable material for this. In the example shown, the entire centering ring 8 should simply consist of such a material, so that the mating surface 11 formed thereon automatically has the desired sliding and carrying properties, so that sliding under pressure without seizing and at the same time reliable power transmission are ensured.

Claims

1. impeller for a turbomachine, in particular for a radial compressor, preferably with an uneven mass distribution over its length and with a hub ( 4 ) which is preferably received by means of a press fit on a shaft ( 1 ) passing through it and in the area of at least one end face with a axially projecting step ( 7 ) is provided, which serves as a seat for a circumferential centering member provided with a counter surface, characterized in that the seat of the step ( 7 ) as a conical surface ( 9 ) rising towards the end face and the counter surface of the centering member as a counter cone surface ( 11 ) of the same pitch, the pitch angle α of the conical and counter-conical surface ( 9 , 11 ) is calculated using the formula α = arctan (Δr / Δl), where Δr is the expansion of the hub ( 4 ) in the radial direction and Δl the simultaneous transverse contraction of the hub ( 4 ) in axial Ric are.

2. Impeller according to claim 1, characterized in that the centering member is designed as a solid centering ring ( 8 ) which is received on a cylindrical portion ( 12 ) of the shaft ( 1 ) and has a counter-conical surface ( 11 ) having a projection ( 10 ) .

3. Impeller according to one of the preceding claims, characterized in that the centering element bears with prestress on the hub-side conical surface ( 9 ).

4. Impeller according to one of the preceding claims, characterized in that at least one of the abutting conical surfaces ( 9 , 11 ) is designed as a sliding and supporting surface.

5. Impeller according to claim 4, characterized in that the sliding and wing surface made of reinforced, preferably fiber-reinforced plastic.

6. Impeller according to claim 5, characterized in that the centering ring ( 8 ) consists of reinforced, preferably fiber-reinforced plastic, at least on its sliding surface.