DE102004053424B4 - Turbinenwelle - Google Patents

Abstract

Turbinenwelle für einen Abgasturbolader, auf der ein Turbinenrad (14) und ein Verdichterrad (12) sitzen und die in einem Lagergehäuse des Abgasturboladers an Radial- und Axiallagerstellen gelagert ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (10) einen Kern (24) aus einem Material mit einer gegenüber dem Wellenmaterial erhöhten Wärmeleitfähigkeit aufweist.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Turbinenwelle für einen Abgasturbolader, auf der ein Turbinenrad und ein Verdichterrad sitzen und die in einem Lagergehäuse des Abgasturboladers an Radial- und Axiallagerstellen lagerbar ist, sowie einen Abgasturbolader mit einer derartigen Turbinenwelle.
• Bei dem Betrieb eines Abgasturboladers ist das Turbinenrad dem Abgasstrom und damit hohen Temperaturen ausgesetzt, während das Verdichterrad vergleichsweise kühl bleibt. Entlang der Turbinenwelle, an deren gegenüberliegenden Enden die Räder angeordnet sind, bildet sich daher ein Temperaturgradient aus, der einen Wärmetransport von dem Turbinenrad zum Verdichterrad bewirkt. Herkömmliche Turbinenwellen bestehen aus Vollmaterial, so dass das radiale Temperaturprofil über den Querschnitt nahezu konstant ist. Über die Wellenoberfläche wird auch Wärme auf die Wellenlager übertragen. Bestimmte Lagerarten, beispielsweise permanentmagnetische Lager, dürfen jedoch eine bestimmte Temperaturgrenze nicht überschreiten, da sie sonst beschädigt oder in ihrer Funktion gestört werden.
• Bei einem aus der US 5 087 176 A bekannten Turbolader wird vorgeschlagen, die Temperaturbelastung der Wellenlager dadurch zu reduzieren, dass die Turbinenwelle hohl ausgebildet und mit Kühlluft beaufschlagt ist. Dies erfordert jedoch erhebliche Veränderungen zumindest des Lagergehäuses um Lüftungskanäle zu schaffen. Darüber hinaus ist auf diese Weise nur eine vergleichsweise geringe Abkühlung zu erreichen, da einerseits Luft ein schlechter Wärmeleiter ist und andererseits der Kühlluftstrom bei der Durchleitung durch das Gehäuse erheblich vorgewärmt wird. Aus der US-PS 2 744 723 ist die Verwendung von flüssigem oder dampfförmigem Natrium als Kühlmittel in Turbinenschaufeln bekannt. Aus der DE-PS 528 898 ist die Kühlung umlaufender Wellen durch eine Beaufschlagung innerer Hohlräume der Welle mit einer Kühlflüssigkeit bekannt. Für Turbolader mit ihren sehr hohen Drehzahlen und häufigen, schnellen Lastwechseln kommt eine derartige Innenkühlung der Welle durch Flüssigkeiten nicht in Betracht, da hierzu ein Kühlkreislauf erforderlich ist, der aufwändige Dichtungsmaßnahmen erfordern würde.
• Ausgehend hiervon besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine Turbinenwelle der eingangs genannten Art bereitzustellen, die im Betrieb eine reduzierte Temperatur aufweist.
• Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die Merkmalskombination des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
• Die Erfindung geht vor allem von dem Gedanken aus, dass die Temperatur der Turbinenwelle im kritischen Bereich der Lagerstellen reduziert werden kann, wenn der Wärmefluß überwiegend auf den radial inneren Bereich der Welle konzentriert wird. Um dies zu erreichen wird gemäß der Erfindung vorgeschlagen, dass die Welle einen Kern aus einem Material mit einer gegenüber dem Wellenmaterial erhöhten Wärmeleitfähigkeit aufweist. Hierdurch werden in Axialrichtung der Turbinenwelle zwei thermische Leiter mit unterschiedlichen Wärmeleitfähigkeiten gleichsam parallel geschaltet, wobei der Leiter mit der höheren Leitfähigkeit den Kern bildet. Zweckmäßig erstreckt sich der Kern axial zumindest über den Bereich der Lagerstellen. Damit wird der Großteil der Wärme über den Kern an den Lagerstellen vorbei geleitet, so dass die Temperaturbelastung insbesondere des turbinenradseitigen Lagers reduziert wird. In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung besteht die Welle aus einem Cr-Ni-Stahl und der Kern aus Kupfer oder Natrium. Diese Materialkombinationen weisen die gewünschten Eigenschaften auf und sind wirtschaftlich vorteilhaft. Die Wärmeleitfähigkeit von Kupfer ist mehr als zehn mal höher als die der verwendeten Wellenstähle, so dass der Wärmetransport im Wesentlichen über den Kern erfolgt.
• Es hat sich aus herstellungstechnischen Gründen als vorteilhaft erwiesen, wenn die Welle einen mit dem Turbinenrad verbundenen Wellenstumpf und eine mit dem Wellenstumpf verbundene Hohlwellenpartie aufweist, die sich bis zu dem Verdichterrad erstreckt und die den Kern enthält. Eine hinreichende Verbindung zwischen der Hohlwellenpartie und dem Wellenstumpf wird dann erreicht, wenn diese miteinander verschweißt sind.
• Verdichterradseitig kann die Welle entweder mit einer Außengewindepartie in eine Innengewindepartie in einer axialen Bohrung des Verdichterrads eingeschraubt sein oder das Verdichterrad weist eine axial durchgehende Bohrung und die Welle einen Absatz als Anschlag für das Verdichterrad auf und die Welle tritt durch das Verdichterrad hindurch, wobei die Außengewindepartie das Verdichterrad überragt und eine Mutter trägt.
• Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt:
• 1 eine vereinfachte Schnittdarstellung einer Turbinenwelle für einen Abgasturbolader mit einem Verdichterrad, einem Turbinenrad und zwei Radiallagern, wobei die Welle einen Kern aus einem hochwärmeleitfähigen Material aufweist; und
• 2 ein Diagramm der Temperatur als Funktion des Ortes entlang einer herkömmlichen Turbinenwelle und einer Turbinenwelle mit einem Kern mit hoher Wärmeleitfähigkeit.
• 1 zeigt eine Turbinenwelle 10, an deren Enden ein Verdichterrad 12 und ein Turbinenrad 14 angeordnet sind. Die Welle 10 ist in einem nicht dargestellten Lagergehäuse eines Abgasturboladers in Radiallagern 16, 18 drehbar gelagert. An dem Turbinenrad ist ein Wellenstumpf 20 angeordnet, der Stirnseitig mit einer Hohlwellenpartie 22 der Welle verschweißt ist. Die Welle 10 besteht somit zunächst aus zwei Teilen, wobei die Hohlwellenpartie 22 durch Aufbohren des Wellenkörpers geschaffen wird. In den Hohlraum wird dann ein zylindrischer Kern 24 aus beispielsweise Kupfer eingepaßt. Alternativ ist es auch möglich, den Hohlraum mit flüssigem Kernmaterial auszugießen. Die Verschweißung der Wellenteile 20, 22 kann beispielsweise durch Reibschweißen erfolgen. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel weist das Verdichterrad 12 eine durchgehende Axialbohrung auf, durch die die Welle 10 hindurchtritt. Die Endpartie der Welle 10 ist mit einem das Verdichterrad 12 überragenden Außengewinde versehen, auf das zur Befestigung des Verdichterrades 12 eine Mutter 26 aufgeschraubt ist. Die Welle 10 weist einen Absatz 28 auf, der als Anschlag für das Verdichterrad dient. Die Hohlwellenpartie 22 bzw. der Kern 24 endet in geringem Abstand vor dem Absatz 28.
• 2 zeigt einen Vergleich zweier Simulationsrechnungen für die Temperaturverteilung entlang einer herkömmlichen Welle aus Cr-Ni-Stahl (obere Kurve) und einer Welle aus dem gleichen Grundmaterial mit einem Kern aus Kupfer (untere Kurve). Die Wärmeleitfähigkeit des Stahls beträgt etwa 25 W/Km, während die Wärmeleitfähigkeit von Kupfer etwa 350 W/Km beträgt, mithin vierzehn mal größer ist. Der Nullpunkt der Ortsachse entspricht dem äußeren Ende des Verdichterrads 12. Bei beiden Wellenvarianten herrscht dort eine Temperatur von etwa 40 °C. Die Temperatur im Bereich des verdichterradseitigen Lagers 16 beträgt in beiden Fällen bereits etwa 280 °C. Die Temperatur steigt in beiden Fällen linear in Richtung des heißen Turbinenrads an, wobei der Effekt des Kupferkerns sich insbesondere im Bereich des turbinenradseitigen Lagers bemerkbar macht, wo die Temperaturbelastung um etwa 100 °C reduziert ist. Im Bereich des Wellenstumpfs 20 gleichen sich die Temperaturen erwartungsgemäß wieder aneinander an. Die Orte der Lager 16 und 18 sind in 2 mit A und B gekennzeichnet, der Übergang der Hohlwellenpartie 22 zum Wellenstumpf 20 mit C. Insgesamt zeigt 2 deutlich, wie die Oberflächentemperatur der Welle durch den Einsatz des Kerns 24 insbesondere beim kritischen Radiallager 18 erheblich vermindert werden kann.
• Zusammenfassend ist folgendes festzuhalten: Die Erfindung betrifft eine Turbinenwelle für einen Abgasturbolader, auf der ein Turbinenrad 14 und ein Verdichterrad 12 sitzen und die in einem Lagergehäuse des Abgasturboladers an Radial- und Axiallagerstellen gelagert ist. Um die Oberflächentemperatur im Bereich der Lagerstellen 16, 18 zu reduzieren, wird gemäß der Erfindung vorgeschlagen, dass die Welle 10 einen Kern 24 aus einem Material mit einer gegenüber dem Wellenmaterial erhöhten Wärmeleitfähigkeit aufweist. Bevorzugt ist ein Kupferkern in einer Hohlwellenpartie 22 aus Cr-Ni-Stahl angeordnet.

Claims (10)

1. Turbinenwelle für einen Abgasturbolader, auf der ein Turbinenrad (14) und ein Verdichterrad (12) sitzen und die in einem Lagergehäuse des Abgasturboladers an Radial- und Axiallagerstellen gelagert ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (10) einen Kern (24) aus einem Material mit einer gegenüber dem Wellenmaterial erhöhten Wärmeleitfähigkeit aufweist.
2. Turbinenwelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (10) aus einem Cr-Ni-Stahl und der Kern (24) aus Kupfer oder Natrium besteht.
3. Turbinenwelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Kern (24) axial zumindest über den Bereich der Lagerstellen (16, 18) erstreckt.
4. Turbinenwelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (10) einen mit dem Turbinenrad (14) verbundenen Wellenstumpf (20) und eine mit dem Wellenstumpf verbundene Hohlwellenpartie (22) aufweist, die sich bis zu dem Verdichterrad (12) erstreckt und die den Kern (24) enthält.
5. Turbinenwelle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlwellenpartie (22) mit dem Wellenstumpf (20) verschweißt ist.
6. Turbinenwelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Endpartie der Welle eine verdichterradseitige Außengewindepartie aufweist.
7. Turbinenwelle nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdichterrad (12) eine axiale Bohrung mit einer Innengewindepartie aufweist, in die die Außengewindepartie der Welle eingeschraubt ist.
8. Turbinenwelle nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdichter (12) eine axial durchgehende Bohrung aufweist und dass die Welle (10) einen Absatz (28) als Anschlag für das Verdichterrad (12) aufweist und durch das Verdichterrad hindurchtritt, wobei die Außengewindepartie das Verdichterrad überragt und eine Mutter (26) trägt.
9. Turbinenwelle nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Kern (24) von dem Wellenstumpf (20) bis zum Absatz (28) der Welle erstreckt.
10. Abgasturbolader mit einer Turbinenwelle nach einem der Ansprüche 1 bis 9.