EP0342520A1 - Laufzeug mit mechanischer Kupplung - Google Patents

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EP0342520A1
EP0342520A1 EP89108473A EP89108473A EP0342520A1 EP 0342520 A1 EP0342520 A1 EP 0342520A1 EP 89108473 A EP89108473 A EP 89108473A EP 89108473 A EP89108473 A EP 89108473A EP 0342520 A1 EP0342520 A1 EP 0342520A1
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EP
European Patent Office
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compressor wheel
ceramic
cylindrical
sleeve
clutch
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP89108473A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Herbert Gessler
Helmut Dr. Kölker
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Elektroschmelzwerk Kempten GmbH
Original Assignee
Elektroschmelzwerk Kempten GmbH
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/02—Blade-carrying members, e.g. rotors
    • F01D5/025—Fixing blade carrying members on shafts

Definitions

  • ceramic components In the field of vehicle construction, the replacement of certain metal components by ceramic components is becoming increasingly important, with non-oxide, ceramic materials such as silicon nitride and silicon carbide having proven themselves. Areas of application for ceramic components are in particular gas turbines and exhaust gas turbocharger rotors for diesel and gasoline engines.
  • a lug that consists of both ceramic and non-ceramic components, for example a ceramic rotor with an integrated ceramic shaft and a non-ceramic compressor wheel
  • the type of connection between the components made of different materials plays a decisive role Role.
  • This connection must be able to withstand high thermal and mechanical loads if the ceramic rotor is set in rotation by the exhaust gas energy of the motor, with rotational speeds of more than 140,000 rpm and temperatures of more than 1000 ° C. and the rotation on the compressor wheel is transmitted, which presses air into the combustion chamber under increased pressure.
  • Detachable screw threads can either not be attached to ceramic components due to the brittleness of the material or only via additional metallization, which is not only complex, but also forces the diameter of the ceramic shaft to be reduced due to the radial space requirement of the metal layer, thereby reducing its strength becomes.
  • a running gear which consists of a radial turbine ceramic rotor with an integrated ceramic shaft and a non-ceramic compressor wheel, to create a thermally and mechanically loadable connection which can be released if necessary.
  • the ceramic shaft is rotatably connected to the non-ceramic compressor wheel by a releasable mechanical coupling, such that the releasable mechanical coupling is arranged within the compressor wheel.
  • This coupling consists of a cylindrical, slotted sleeve, which is fitted on the one hand in a cylindrical fitting bore in the compressor wheel and on the other hand receives the end of the ceramic shaft in a fitting bore.
  • the coupling has a tie rod with a screw thread and a pair of cone clamping elements between the cylindrical sleeve and the compressor wheel.
  • the pair of cone clamping elements is preferably placed in the central clamping area by a spacer ring. Instead, however, there can also be only one cone clamping element, which either corresponds to a conical bush cast in the compressor wheel or corresponds directly to a conical bore in the compressor wheel.
  • a radial turbine ceramic rotor 1 with an integrated ceramic shaft 2 and a non-ceramic compressor wheel 3, which is connected to the ceramic shaft 2 by a releasable mechanical coupling 4 in a rotationally fixed manner.
  • the releasable mechanical clutch 4 is located inside the compressor wheel 3.
  • Such a compressor wheel 3 is preferably made of a metallic material, in particular aluminum.
  • FIG. 2 shows, enlarged and in detail, how the clutch 4 is constructed. It has a sleeve 5, which preferably has three longitudinal slots 6. As a result, the diameter of the sleeve 5 in the clamping area S can be changed slightly. With its cylindrical clamping surface 20, the sleeve 5 is inserted into the cylindrical fitting bore 7 of the compressor wheel 3 and fixed there. For this purpose, the compressor wheel 3 has an extension concentric with the fitting bore 7 in the form of a cylindrical receiving bore 18. In this a pair of slotted cone clamping elements 15 + 16 is introduced. A cylindrical spacer ring 17 is arranged between the clamping collar 19 and the sleeve 5 and the cone clamping elements 15 + 16.
  • the sleeve 5 has a tie rod 10 on which there is a screw thread 11.
  • This tie rod 10 ends in a square or hex key.
  • the whole arrangement can now be clamped between a washer 13 and the collar 19 via a nut 14 and the square 12.
  • the slotted cone clamping elements 15 and 16 slide one above the other in their conical area, which results in a diameter increase on the cone clamping element 15 and a diameter reduction on the cone clamping element 16.
  • the fitting pin 8, which is inserted into the fitting bore 9 of the sleeve 5 is non-positively in its clamping area S. coupled with the compressor wheel 3.
  • the arrangement can be easily removed again if necessary by appropriately rotating the square 12 and nut 14 against one another.
  • the center M of the clamping area S expediently coincides with the effective center of the cone clamping elements 15 + 16, i.e. the distances a + b are the same.
  • FIG. 3 shows a construction in which a hardened metallic bushing 21 is cast into the compressor wheel 3. This has a ground conical clamping surface 25 which corresponds to a slotted cone clamping element 22 in an exciting manner. All other details of this second embodiment correspond to the first according to FIGS. 1 and 2.
  • FIG. 4 shows a third embodiment in which the conical area is arranged directly in the form of a conical bore 24 in the compressor wheel 3.
  • a single conical slotted clamping element 23 is sufficient. All other details correspond to those of FIGS. 2 and 3.
  • Figures 5 and 6 show in longitudinal and cross section the slotted sleeve, as shown in the embodiments of Figures 1, 2, 3 and 4.
  • Three slots 6 are preferably provided in the clamping area S. Two or more than three slots can also be provided.
  • the sleeve 5 On its side opposite the square 12, the sleeve 5 has various devices in a known manner, e.g. a groove 26 for receiving a seal.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)
  • Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)

Abstract

Gegenstand der Erfindung ist ein Laufzeug, das aus einem Ra­dialturbinenkeramikrotor mit integrierter Keramikwelle (2) und einem nicht-keramischen Verdichterrad (3) besteht, die durch eine thermisch und mechanisch belastbare, lösbare mechanische Kupplung (4) verbunden sind, derart, daß die lösbare mechanische Kupplung (4) innerhalb des Verdichterrades (3) angeordnet ist. Diese Kupplung (4) besteht aus einer zylindrischen geschlitzten Hülse (5), welche zum einen in eine zylindrische Passbohrung (7) im Verdichterrad (3) eingepasst ist und zum anderen das Ende der Keramikwelle (8) in einer Passbohrung (9) aufnimmt. Außerdem weist die Kupplung (4) einen Zuganker (10) mit Schraubengewinde (11) und ein Paar von Konus-Spannelementen (15,16) zwischen der zylindrischen Hülse (5) und dem Verdichterrad (3) auf.

Description

  • Auf dem Gebiet des Fahrzeugbaus gewinnt der Ersatz bestimm­ter Bauteile aus Metall durch solche aus Keramik zunehmend an Bedeutung, wobei sich nicht-oxidische, keramische Werk­stoffe aus beispielsweise Siliciumnitrid und Siliciumcarbid bewährt haben. Einsatzgebiete für Keramikbauteile sind ins­besondere Gasturbinen und Abgasturboladerrotoren für Diesel- und Ottomotoren.
  • In einem Laufzeug, das sowohl aus keramischen als auch aus nicht-keramischen Bauteilen besteht, beispielsweise aus ei­nem Keramikrotor mit integrierter Keramikwelle und einem nicht-keramischen Verdichterrad, spielt die Art der Verbin­dung zwischen den Bauteilen aus den unterschiedlichen Mate­rialien (Welle/Verdichterrad) eine entscheidende Rolle. Diese Verbindung muß hohen thermischen und mechanischen Be­lastungen standhalten können, wenn der Keramikrotor durch die Abgasenergie des Motors in Rotation versetzt wird, wobei Drehgeschwindigkeiten mit mehr als 140 000 U/min und Tempe­raturen von mehr als 1000°C erreicht werden und die Rotation auf das Verdichterrad übertragen wird, das Luft unter erhöh­tem Druck in den Verbrennungsraum presst.
  • Bekannte Fügetechniken für Keramik/Metall-Verbindungen, wie Löten, Kleben oder Schrumpfen, die sich als unlösbare Ver­bindung für Rotorblätter mit Rotorrad oder Rotorrad mit Ro­torwelle bereits bewährt haben (vgl. DE-C 28 22 627 und J.E. Siebels in "Fortschrittsberichte der Deutschen Kerami­schen Gesellschaft", Band 2 (1986/87), Heft 1, S. 277 - 293), sind für den vorgesehenen Verwendungszweck nicht brauchbar, weil die Verbindung zwischen Welle und Verdich­terrad aus Gründen der Reparaturfreundlichkeit lösbar sein muß.
  • Lösbare Schraubengewinde können aber auf Keramikbauteilen wegen der Sprödigkeit des Materials entweder überhaupt nicht oder nur über eine zusätzliche Metallisierung angebracht werden, was nicht nur aufwendig ist, sondern auch wegen des radialen Platzbedarfs der Metallschicht zu einer Reduzierung des Durchmessers der Keramikwelle zwingt, wodurch deren Fe­stigkeit herabgesetzt wird.
  • Es stellt sich somit die Aufgabe für ein Laufzeug, das aus einem Radialturbinenkeramikrotor mit integrierter Keramik­welle und einem nicht-keramischen Verdichterrad besteht, ei­ne thermisch und mechanisch belastbare Verbindung zu schaf­fen, die im Bedarfsfall lösbar ist.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Keramikwelle mit dem nicht-keramischen Verdichterrad durch eine lösbare mechanische Kupplung drehfest verbunden ist, derart, daß die lösbare mechanische Kupplung innerhalb des Verdichterrades angeordnet ist.
  • Diese Kupplung besteht aus einer zylindrischen, geschlitzten Hülse, welche zum einen in eine zylindrische Passbohrung im Verdichterrad eingepasst ist und zum anderen das Ende der Keramikwelle in einer Passbohrung aufnimmt. Außerdem weist die Kupplung einen Zuganker mit Schraubengewinde und ein Paar von Konus-Spannelementen zwischen der zylindrischen Hülse und dem Verdichterrad auf.
  • Vorzugsweise ist das Paar von Konus-Spannelementen durch ei­nen Abstandsring in den mittigen Spannbereich gelegt. Stattdessen kann jedoch auch nur ein Konus-Spannelement vor­handen sein, das entweder mit einer im Verdichterrad einge­gossenen konischen Buchse korrespondiert oder direkt in ei­ner konischen Bohrung im Verdichterrad korrespondiert.
  • Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen wie folgt näher erläutert:
    Es zeigen:
    • Figur 1: Das erfindungsgemäße Laufzeug, teilweise aufge­schnitten
    • Figur 2: Einen vergrößerten Querschnitt, zeigend den linken Bereich der Figur 1 der ersten Ausführungsform;
    • Figur 3: Eine Darstellung, entsprechend der Figur 2, zei­gend eine zweite Ausführungsform;
    • Figur 4: Eine Darstellung entsprechend den Figuren 2 und 3, zeigend eine dritte Ausfuhrungsform;
    • Figur 5: Eine geschlitzte Hülse im Schnittaufbruch;
    • Figur 6: Einen Vertikalschnitt durch Figur 5 in der Ebene VI-VI der Firgur 5.
  • Das Laufzeug nach Figur 1 besteht aus einem Radialturbinen-­Keramikrotor 1 mit integrierter Keramikwelle 2 und einem nicht-keramischen Verdichterrad 3, das mit der Keramikwelle 2 durch eine lösbare mechanische Kupplung 4 drehfest verbun­den ist. Dabei befindet sich die lösbare mechanische Kupp­lung 4 innerhalb des Verdichterrades 3. Vorzugsweise ist ein solches Verdichterrad 3 aus einem metallischen Werkstoff, insbesondere aus Aluminium, gefertigt.
  • Die Figur 2 zeigt vergrößert und detailliert, wie die Kupp­lung 4 aufgebaut ist. Sie weist eine Hülse 5 auf, welche vorzugsweise drei Längsschlitze 6 besitzt. Hierdurch wird die Hülse 5 in ihrem Durchmesser im Spannbereich S geringfü­gig veränderbar. Mit ihrer zylindrischen Spannfläche 20 ist die Hülse 5 in die zylindrische Passbohrung 7 des Verdich­terrades 3 eingeführt und dort festgelegt. Das Verdichterrad 3 weist hierzu eine zur Passbohrung 7 konzentrischeErweite­rung in Form einer zylindrischen Aufnahme-Bohrung 18 auf. In diese ist ein Paar von geschlitzten Konus-Spannelementen 15 + 16 eingebracht. Zwischen dem Spannbund 19 und der Hülse 5 und den Konus-Spannelementen 15 + 16 ist ein zylindrischer Abstandsring 17 angeordnet.
  • An ihrem freien Ende weist die Hülse 5 einen Zuganker 10 auf, auf welchem sich ein Schraubengewinde 11 befindet. Dieser Zuganker 10 endet in einem Vierkant- oder Sechskant­schlüsselansatz. Über eine Mutter 14 und den Vierkant 12 kann die ganze Anordnung nun zwischen einer Scheibe 13 und dem Bund 19 zusammengespannt werden. Dabei schieben sich die geschlitzten Konus-Spannelemente 15 und 16 in ihrem koni­schen Bereich übereinander, wodurch eine Durchmesser-Ver­größerung am Konus-Spannelement 15 und eine Durchmesser-Ver­kleinerung am Konus-Spannelement 16 entsteht. Hierdurch wird der Passzapfen 8, welcher in die Passbohrung 9 der Hül­se 5 eingeführt ist, in seinem Spannbereich S kraftschlüssig mit dem Verdichterrad 3 gekuppelt. Die Anordnung ist bei Be­darf ohne weiteres wieder lösbar, indem Vierkant 12 und Mut­ter 14 entsprechend gegeneinander verdreht werden.
  • Zweckmäßigerweise fällt die Mitte M des Spannbereiches S zu­sammen mit der wirksamen Mitte der Konus-Spannelemente 15 + 16, d.h. die Abstände a + b sind gleich.
  • Die Figur 3 zeigt in einer weiteren Ausführungsform eine Konstruktion, bei welcher eine gehärtete metallische Buchse 21 in das Verdichterrad 3 eingegossen ist. Diese weist eine geschliffene konische Spannfläche 25 auf, welche mit einem geschlitzten Konus-Spannelement 22 spannend korrespondiert. Alle übrigen Einzelheiten dieser zweiten Ausführungsform entsprechen der ersten nach Figuren 1 und 2.
  • Die Figur 4 zeigt eine dritte Ausführungsform, bei welcher der konische Bereich direkt in Form einer konischen Bohrung 24 im Verdichterrad 3 angeordnet ist. Auch hier genügt ein einziges konisches geschlitztes Spannelement 23. Alle übri­gen Details entsprechen jener der Figur 2 bzw. Figur 3.
  • Die Figuren 5 und 6 zeigen im Längs- und Querschnitt die ge­schlitzte Hülse, wie sie in den Ausführungen der Figuren 1, 2, 3 und 4 dargestellt ist. Vorzugsweise sind im Spannbe­reich S drei Schlitze 6 angebracht. Es können auch zwei oder mehr als drei Schlitze vorgesehen sein.
  • Auf ihrer dem Vierkant 12 gegenüberliegenden Seite weist die Hülse 5 in bekannter Art diverse Einrichtungen, z.B. eine Nut 26 zur Aufnahme einer Dichtung auf.

Claims (5)

1. Laufzeug bestehend aus einem Radialturbinenkeramikro­tor (1) mit integrierter Keramikwelle (2) und einem nicht-keramischen Verdichterrad (3), das mit der Keramikwelle (2) durch eine lösbare, mechanische Kupplung (4) drehfest verbunden ist, derart, daß die lösbare mechanische Kupplung (4) innerhalb des Verdichterrades (3) angeordnet ist.
2. Laufzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kupplung (4) aus einer zylindrischen geschlitzten Hülse (5) besteht, welche zum einen in eine zylindrische Passbohrung (7) im Verdichterrad (3) eingepaßt ist und zum anderen das Ende (8) der Keramikwelle (2) in einer Passbohrung (9) aufnimmt, einen Zuganker (10) mit Schraubengewinde (11) und ein Paar von Konus-Spannele­menten (15, 16) zwischen der zylindrischen Hülse (5) und dem Verdichterrad (3) aufweist.
3. Laufzeug nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Paar von Konus-Spannelementen (15, 16) durch einen Abstandsring (17) in den mittigen Spannbereich S gelegt ist (a=b).
4. Laufzeug nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß es ein Konus-Spannelement (22) aufweist, das mit einer im Verdichterrad (3) eingegossenen konischen Buchse (21) korrespondiert.
5. Laufzeug nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß es ein Konus-Spannelement (23) aufweist, das direkt in ei­ner konischen Bohrung (24) im Verdichterrad (3) korres­pondiert.
EP89108473A 1988-05-17 1989-05-11 Laufzeug mit mechanischer Kupplung Withdrawn EP0342520A1 (de)

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