DE60304128T2

DE60304128T2 - Anordnung eines Verdichterlaufrades

Info

Publication number: DE60304128T2
Application number: DE60304128T
Authority: DE
Inventors: Anthony Billington
Original assignee: Holset Engineering Co Ltd
Current assignee: Cummins Turbo Technologies Ltd
Priority date: 2002-10-24
Filing date: 2003-10-20
Publication date: 2006-10-12
Anticipated expiration: 2023-10-21
Also published as: US7010917B2; US20040115071A1; CN1523212A; JP2004144097A; EP1413765A2; DE60304128D1; CN100366875C; EP1413765A3; KR20040036658A; EP1413765B1; GB0224727D0

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft die Montage eines Kompressorrades auf einer Drehwelle. Die Erfindung betrifft insbesondere eine Kompressorradbaugruppe eines Turboladers.
Turbolader sind hinlänglich bekannte Geräte zum Zuführen von Luft zum Einlass eines Verbrennungsmotors mit Drücken über atmosphärischem Druck (Ladedrücke). Ein herkömmlicher Turbolader umfasst im Wesentlichen ein mit Abgas betriebenes Turbinenrad, das auf einer drehbaren Welle in einem Turbinengehäuse montiert ist. Die Rotation des Turbinenrades versetzt ein Kompressorrad in Drehung, das auf dem anderen Ende der Welle in einem Kompressorgehäuse montiert ist. Das Kompressorrad fördert Druckluft zum Einlasskrümmer des Motors und erhöht dadurch die Motorleistung. Die Welle ist auf einem Lagerzapfen und Drucklagern gelagert, die sich in einem zentralen Lagergehäuse zwischen der Turbine und den Kompressonadgehäusen befinden.
Ein herkömmliches Kompressorrad umfasst eine Reihe von Schaufeln, die von einer zentralen Nabe mit einer Bohrung zur Aufnahme eines Endes der Turboladerwelle ausgehend verlaufen. Das Kompressorrad ist durch eine Mutter an der Welle befestigt, die auf das Ende der Welle geschraubt wird, wo sie durch die Radbohrung verläuft, und am Nasenende des Rades anliegt, um das Rad an einem Wellenansatz (oder einem anderen mit der Welle rotierenden, radial verlaufenden Widerlager) einzuspannen. Es ist wichtig, dass die Klemmkraft groß genug ist, um einen Schlupf des Rades auf der Welle zu verhüten, der das Rad aus dem Wuchtzustand werfen könnte. Ein unausgewuchtetes Rad erfährt zumindest höhere Vibrationen, die die Nutzungsdauer des Rades verkürzen könnten, und könnte im ungünstigsten Falle einen katastrophalen Ausfall erleiden.
Moderne Ansprüche an die Turboladerleistung verlangen einen erhöhten Luftstrom von einem Turbolader einer bestimmten Größe, der zu höheren Drehzahlen führt, zum Beispiel von über 100.000 UpM. Um solche hohen Drehzahlen aushalten zu können, müssen die Lager des Turboladers und somit sein Wellendurchmesser minimal gehalten werden. Die Verwendung einer Welle mit relativ kleinem Durchmesser ist jedoch bei der herkömmlichen Kompressorradmontagebaugruppe problematisch, weil die Welle die hohe Klemmkraft aushalten können muss, die zum Verhindern von Schlupf des Rades erforderlich ist. Somit kann die Festigkeit der Welle, d.h. die Klemmbelastung, die sie aushalten kann, die Masse des Kompressorrades begrenzen, das auf der Welle montiert werden kann.
Das obige Problem wird dadurch noch weiter verschärft, dass weiter entwickelte Turbolader den Einsatz von Materialien mit höheren Leistungen wie Titan erfordern, das eine höhere Dichte hat als die konventionell eingesetzten Aluminiumlegierungen. Die höhere Trägheit solcher Materialien erhöht die Wahrscheinlichkeit eines Kompressorradschlupfes, besonders wenn das Kompressorrad bei transienten Betriebsbedingungen stark beschleunigt. Die von einer herkömmlichen Kompressorradmontagebaugruppe geforderte Klemmkraft kann weit über die hinaus gehen, die die Welle aushalten kann.
Eine Möglichkeit, das obige Problem zu vermeiden, besteht darin, ein so genanntes "bohrungsloses" Kompressorrad wie das einzusetzen, das im US-Patent mit der Nummer 4705463 offenbart ist. Bei dieser Kompressorradbaugruppe ist nur eine relativ kurze Gewindebohrung im Kompressorrad vorgesehen, um das Gewindeende einer verkürzten Turboladerwelle aufzunehmen. Solche Baugruppen können jedoch ebenfalls Wuchtprobleme erfahren, da es die Schraubverbindung zwischen dem Kompressorrad und der Welle und das in einer solchen Verbindung von Natur aus vorhandene Spiel schwierig machen, das benötigte Maß an Konzentrizität aufrechtzuerhalten. Ähnliche Turbolader sind auch aus der US 2799445 oder der US 4538969 bekannt.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die obigen Probleme abzustellen oder abzumildern.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Turbolader bereitgestellt, der Folgendes umfasst: ein Turbinenrad, das an einem ersten Ende einer Welle zur Rotation in einem Turbinengehäuse montiert ist, und ein Kompressorrad, das an einem zweiten Ende der Welle zur Rotation in einem Kompressorgehäuse montiert ist, wobei das Kompressorrad eine axiale Durchgangsbohrung aufweist, die zwischen einem ersten Ende des Rades und einem zweiten Ende des Rades verläuft, wobei das zweite Ende fern von der Turbine ist, wobei das zweite Ende der Welle durch die Bohrung und eine kurze Strecke über das zweite Ende des Kompressorrades hinaus verläuft und eine Mutter auf das zweite Ende der Welle geschraubt ist, um eine Klemmkraft auf das Kompressorrad entweder direkt oder indirekt durch ein Zwischenklemmelement aufzubringen, das um die Welle neben dem zweiten Ende des Kompressorrades angeordnet ist, so dass das zweite Ende des Kompressorrades eine radiale Oberfläche hat, die mit einer radialen Oberfläche der Mutter oder des Zwischenklemmelementes in Kontakt ist, und wobei wenigstens eine der radialen Oberflächen behandelt wird, um ihren Reibungskoeffizienten in Bezug auf die andere Oberfläche zu erhöhen.
Die vorliegende Erfindung erhöht somit die Drehmomentkapazität der Klemmkupplung ohne erhebliche Modifikation der Komponenten der Kompressorradbaugruppe. Die Oberflächenbehandlung kann beispielsweise einfach die Rauhigkeit der jeweiligen Oberfläche erhöhen, zum Beispiel durch Laserätzen eines geeigneten Musters in die Oberfläche.
Die vorliegende Erfindung stellt auch ein Verfahren zum Erhöhen der Drehmomentkapazität einer axialen Klemmbaugruppe eines Kompressorrades bereit.
Spezifische Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend, jedoch nur beispielhaft, mit Bezug auf die Begleitzeichnung beschrieben, bei der es sich um einen axialen Querschnitt durch einen herkömmlichen Turbolader handelt und die die Hauptkomponenten eines Turboladers und einer herkömmlichen Kompressorradbaugruppe illustriert.
Der illustrierte Turbolader umfasst eine Turbine 1, die über ein zentrales Lagergehäuse 3 mit einem Kompressor 2 verbunden ist. Die Turbine 1 umfasst ein Turbinengehäuse 4, das ein Turbinenrad 5 aufnimmt. Ebenso umfasst der Kompressor 2 ein Kompressorgehäuse 6, das ein Kompressorrad 7 aufnimmt. Das Turbinenrad 5 und das Kompressorrad 7 sind auf gegenüberliegenden Enden einer gemeinsamen Welle 8 montiert, die auf Lagerbaugruppen 9 im Lagergehäuse 3 gelagert ist.
Das Turbinengehäuse 4 ist mit einem Abgaseinlass 10 und einem Abgasauslass 11 versehen. Der Einlass 10 leitet eintretendes Abgas zu einer ringförmigen Einlasskammer 12, die das Turbinenrad 5 umgibt. Das Abgas strömt durch die Turbine und in den Einlass 11 über eine kreisförmige Auslassöffnung, die mit dem Turbinenrad 5 koaxial ist. Aufgrund der Rotation des Turbinenrades 5 rotiert das Kompressorrad 7, das Luft durch den axialen Einlass 13 einsaugt und über eine ringförmige Auslassschnecke 14 Druckluft zum Motoreinlass fördert.
Nun mit ausführlicherer Bezugnahme auf die Kompressorradbaugruppe, das Kompressorrad umfasst eine Mehrzahl von Schaufeln 15, die von einer zentralen Nabe 16 ausgehen, die mit einer Durchgangsbohrung zur Aufnahme eines Endes der Welle 8 versehen ist. Die Welle 8 steht etwas über die Nase des Kompressorrades 7 hinaus vor und ist mit einem Gewinde zur Aufnahme einer Mutter 17 versehen, die an der Kompressorradnase anliegt, um ein Drucklager und die Öldichtungsbaugruppe 18 zwischen sich und dem Kompressorrad 7 einzuspannen. Einzelheiten der Baugruppe aus Drucklager und Öldichtung können variieren und sind für das Verständnis der Kompressorradmontageanordnung nicht wichtig. Die auf die Mutter 16 wirkende Klemmkraft verhindert im Wesentlichen, dass das Kompressorrad 7 auf der Welle 8 schlüpft.
Probleme in Verbindung mit der oben beschriebenen herkömmlichen Kompressorradbaugruppe sind in der Einleitung der vorliegenden Beschreibung erörtert.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann die auf das Kompressorrad übertragene Drehantriebskraft ohne eine Erhöhung der Klemmkraft oder eine signifikante Veränderung der Einspannkomponenten erhöht werden. Dies wird dadurch erzielt, dass die Klemmfläche von Komponenten zum Erhöhen des Reibungskoeffizienten dazwischen behandelt wird.
Nun mit Bezug auf die herkömmliche Klemmbaugruppe von 1, die radiale Oberfläche des Nasenabschnitts des Kompressorrads 7, an dem die Mutter 17 anliegt, kann behandelt werden, um ihren Reibungskoeffizienten mit Bezug auf die Mutter zu erhöhen, z.B. durch Erhöhen der Oberflächenrauheit. So kann beispielsweise ein Laser zum Ätzen eines geeigneten Musters in die Oberfläche verwendet werden, um die Oberflächenrauheit zu erhöhen. Man hat gefunden, dass dies die Drehmomentkapazität der Klemmverbindung erhöht, ohne dass dies auf Kosten der Komponentenformtoleranzen ginge.
Die Kontaktfläche der Mutter kann ebenso behandelt werden, zusätzlich zu oder anstatt der Behandlung der Kompressorradfläche, wiederum um den Reibungskoeffizienten zwischen den Kontaktflächen zu erhöhen.
In einigen Klemmanordnungen kann eine Scheibe oder dergleichen zwischen die Mutter und das Kompressorrad gelegt werden, und in diesem Fall kann die Scheibenfläche, die mit dem Kompressorrad in Kontakt ist, behandelt werden, um den Reibungskoeffizienten zu erhöhen.
Es kann auch wünschenswert sein, den Reibungskoeffizienten zwischen der Rückseite des Kompressorrades und der Drucklagerbaugruppe oder einer anderen radialen Fläche zu erhöhen, an der das Kompressorrad von der durch die Mutter 16 aufgebrachten Kraft festgeklemmt wird. Mit der oben beschriebenen illustrierten Ausgestaltung würde dies die Behandlung entweder der Rückseite des Kompressorrades oder der radialen Fläche der Drucklagerbaugruppe beinhalten. Bei anderen Ausgestaltungen kann die Welle mit einem ringförmigen Ansatz versehen sein, der an der Rückseite des Kompressorrades anliegt und der ebenso behandelt sein kann.
Man wird verstehen, dass auch andere Oberflächenbehandlungen als Laserätzen zur Anwendung kommen können, um die vorliegende Erfindung auszuführen, einschließlich mechanischer und chemischer Behandlungen, die die Oberflächenrauheit der jeweiligen Materialien erhöhen können. Geeignete Oberflächenbehandlungsmethoden werden für die Fachperson offensichtlich sein.

Claims

Turbolader, der Folgendes umfasst: ein Turbinenrad, das an einem ersten Ende einer Welle zur Rotation in einem Turbinengehäuse montiert ist, und ein Kompressorrad, das an einem zweiten Ende der Welle zur Rotation in einem Kompressorgehäuse montiert ist, wobei das Kompressorrad eine axiale Durchgangsbohrung aufweist, die zwischen einem ersten Ende des Rades und einem zweiten Ende des Rades verläuft, wobei das zweite Ende fern von der Turbine ist, wobei das zweite Ende der Welle durch die Bohrung und eine kurze Strecke über das zweite Ende des Kompressorrades hinaus verläuft und eine Mutter auf das zweite Ende der Welle geschraubt ist, um eine Klemmkraft auf das Kompressorrad entweder direkt oder indirekt durch ein Zwischenklemmelement aufzubringen, das um die Welle neben dem zweiten Ende des Kompressorrades angeordnet ist, so dass das zweite Ende des Kompressorrades eine radiale Oberfläche hat, die mit einer radialen Oberfläche der Mutter oder des Zwischenklemmelementes in Kontakt ist, und dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der radialen Oberflächen behandelt wurde, um ihren Reibungskoeffizienten in Bezug auf die andere Oberfläche zu erhöhen.
Turbolader nach Anspruch 1, wobei beide Oberflächen behandelt sind.
Turbolader nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei die Oberflächenbehandlung Laserätzen beinhaltet.
Turbolader nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei die Oberflächenbehandlung mechanischen Abrieb der oder jeder Oberfläche beinhaltet.
Turbolader nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei die Oberflächenbehandlung einen chemischen Ätz- oder Abriebprozess beinhaltet.
Turbolader nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das erste Ende des Kompressorrades eine radiale Oberfläche ist, die an eine radiale Oberfläche angrenzt, die von der Welle oder einem auf der Welle montierten Drucklagerbaugruppe definiert wird, und wobei wenigstens eine der Oberflächen behandelt wird, um ihren Reibungskoeffizienten in Bezug auf die andere Oberfläche zu erhöhen.
Verfahren zur Herstellung eines Turboladers, der Folgendes umfasst: ein Turbinenrad, das an einem ersten Ende einer Welle zur Rotation in einem Turbinengehäuse montiert ist, und ein Kompressorrad, das am anderen Ende der Welle zur Rotation in einem Kompressorgehäuse montiert ist, wobei das Kompressorrad eine axiale Durchgangsbohrung aufweist, die zwischen einem ersten Ende des Rades und einem zweiten Ende des Rades verläuft, wobei das zweite Ende fern von der Turbine ist, wobei das zweite Ende der Welle durch die Bohrung und eine kurze Strecke über das zweite Ende des Kompressorrades hinaus verläuft und eine Mutter auf das zweite Ende der Welle geschraubt ist, um eine Klemmkraft auf das Kompressorrad entweder direkt oder indirekt durch ein Zwischenklemmelement aufzubringen, das um die Welle neben dem zweiten Ende des Kompressorrades angeordnet ist, so dass das zweite Ende des Kompressorrades eine radiale Oberfläche hat, die mit einer radialen Oberfläche der Mutter oder des Zwischenklemmelementes in Kontakt ist, dadurch gekennzeichnet, dass es den Schritt des Behandelns wenigstens einer der radialen Oberflächen umfasst, um ihren Reibungskoeffizienten in Bezug auf die andere zu erhöhen.
Verfahren nach Anspruch 7, bei dem die Behandlung die Oberflächenrauheit der jeweiligen radialen Oberfläche erhöht.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, bei dem die Oberflächenbehandlung das Laserätzen einer Struktur in die jeweilige Oberfläche umfasst.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, bei dem die Oberflächenbehandlung mechanisches Abreiben der oder jeder Oberfläche umfasst.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, bei dem die Oberflächenbehandlung chemisches Ätzen oder Abreiben der oder jeder Oberfläche umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11, wobei die Oberflächenbehandlung auf beide radialen Kontaktflächen appliziert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 12, wobei das erste Ende des Kompressorrades eine radiale Oberfläche ist, die mit einer radialen Oberfläche in Kontakt ist, die von der Welle oder einer auf der Welle montierten Drucklagerbaugruppe definiert wird, und wobei wenigstens eine der Oberflächen behandelt wird, um ihren Reibungskoeffizienten in Bezug auf die andere Oberfläche zu erhöhen.