DE102013114094A1

DE102013114094A1 - Turborad- und Wellenbaugruppe

Info

Publication number: DE102013114094A1
Application number: DE102013114094.7A
Authority: DE
Inventors: Louis P. Begin; Huaxin Li
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2012-12-21
Filing date: 2013-12-16
Publication date: 2014-06-26
Also published as: CN103883359B; US20140178188A1; CN103883359A

Abstract

Es ist eine Turbinenrad- und Wellenbaugruppe für einen Turbolader vorgesehen, die ein Turbinenrad aufweist, das einen Körperabschnitt aufweist, der eine Mehrzahl von Schaufeln an einer ersten axialen Seite davon trägt. Eine Nabe erstreckt sich von einem Körperabschnitt an einer zweiten axialen Seite. Eine Welle ist an die Nabe an einer Schweißstelle geschweißt, die von der zweiten axialen Seite beabstandet ist. Die Schweißstelle ist axial von der zweiten axialen Seite um eine Distanz beabstandet, die ausreichend ist, um eine signifikante Reduzierung der Restspannungen in den geschweißten Teilen bereitzustellen. Diese Konstruktion ist dazu bestimmt, Probleme mit einer Unwucht des Turbinenrades zu mindern.

Description

GEBIET
Die vorliegende Offenbarung betrifft einen Turbolader für Motoren und insbesondere eine Turborad- und Wellenbaugruppe für eine verbesserte Leistungsfähigkeit des Turboladers.
HINTERGRUND UND ZUSAMMENFASSUNG
Dieser Abschnitt stellt Hintergrundinformation in Verbindung mit der vorliegenden Offenbarung dar, die nicht unbedingt Stand der Technik ist.
Turboaufgeladene Motoren verwenden komprimierte Luft, die darin resultiert, dass eine größere Luftmenge in den Motor getrieben wird, wodurch mehr Leistung erzeugt wird. Die Energie, die verwendet wird, um den Turbokompressor anzutreiben, wird von Abgasen entnommen. Wenn die Abgase den Motor verlassen, werden sie durch ein Turbinenrad geführt, das in der Abgasströmung angeordnet ist. Die Gase treiben das Turbinenrad an, das direkt über eine Welle mit einem Kompressorrad verbunden ist. Erhöhte Abgasströmungen treiben das Turbinenrad schneller an, wodurch dem Motor mehr Luft geliefert wird, wodurch mehr Leistung erzeugt wird. Daher verwendet der Turbolader die Entnahme von Energie von dem Abgas, um den Motorwirkungsgrad zu verbessern.
Turbolader werden gewöhnlich als Leistungssteigerung an Sportfahrzeugen gesehen, jedoch werden Turbolader heutzutage regelmäßiger dazu verwendet, ein größeres Drehmoment an Motoren mit kleinem Hubraum bereitzustellen. Die Vorteile der Verwendung eines turboaufgeladenen Motors umfassen eine verbesserte Kraftstoffwirtschaftlichkeit und reduzierte Abgasemissionen. Die Komponenten des Turboladers umfassen allgemein ein Gehäuse, das eine Kompressorkammer und eine Turbinenkammer definiert, wobei ein Kompressorrad in der Kompressorkammer angeordnet ist und ein Turbinenrad in der Turbinenkammer angeordnet ist. Eine Turbinenwelle ist zur Verwendung zwischen dem Turbinenrad und dem Kompressorrad vorgesehen.
Mit Bezug auf 4 ist eine herkömmliche Turbinenrad- und Wellenbaugruppe gezeigt, wobei das Turbinenrad einen Körperabschnitt 110 aufweist, der eine Mehrzahl von Flügeln 112 besitzt, die sich von einer ersten axialen Seite davon erstrecken. Eine Turbinenwelle 114 ist an die Rückfläche des Turbinenradkörpers 110 an einer Schweißstelle 118 geschweißt. Ein Problem mit gegenwärtigen Turbinenrad- und Wellenbaugruppen kann die Unwucht eines Turbinenrades sein, das Geräusch sowie Beschwerden von Kunden bewirken kann. Um das Problem einer Turbinenrad-Unwucht zu berücksichtigen, werden Turbinenräder und Wellenbaugruppen gewöhnlich gewuchtet, nachdem der Schweißprozess beendet ist, indem die Baugruppe auf einer Auswuchtmaschine gedreht wird, die die Unwuchten identifiziert, die durch Entfernung von Material an verschiedenen Stellen an dem Turbinenrad korrigiert werden können, um eine ausgeglichene Turbinenrad- und Wellenbaugruppe zu erhalten.
Es ist jedoch eine Entdeckung der vorliegenden Erfindung gewesen, dass, da die Naht zwischen dem Turbinenrad und der Turbinenwelle geschweißt ist, Restspannungen in dem Turbinenrad und der Welle gebildet werden. Diese Restspannungen stehen direkt mit der Wärme in Verbindung, die in die Komponenten während des Schweißprozesses zugeführt wird. Der Schweißvorgang wird unter Verwendung eines fokussierten Strahles, wie über Elektronenstrahlschweißen ausgeführt, obwohl auch Laserschweißen oder Reibungschweißen verwendet werden könnten. Nachdem der Schweißprozess beendet ist, kann ein defokussierter Strahl verwendet werden, um den Heizbetrieb zu verbreitern, um einige der Restspannungen, die auf das Turbinenrad und die Welle aufgebracht sind, zu entlasten. Jedoch werden die Turbinenräder und Wellenbaugruppen, die nach dem Schweißprozess richtig gewuchtet worden sind, zur Verwendung in einem Turbolader angeordnet, bei dem die Temperaturen 600°C überschreiten können. Die Erwärmung der Turbinenrad- und Wellenbaugruppe kann bewirken, dass sich die Restspannungen aus dem Schweißprozess entspannen, was in einer Radverzerrung resultieren kann. Gemäß der Theorie der Entdeckung der vorliegenden Anmeldung ist, da die Schweißstelle 118 so nah an dem Turbinenrad liegt, eine große Wärmemenge erforderlich, um die Restspannungen in der großen Masse des Turbinenrades angemessen zu entlasten.
Demgemäß ist es die Absicht der vorliegenden Anmeldung, die Schweißstelle weiter weg von der Masse des Turbinenradkörpers zu bewegen, so dass die Schweißnaht von der großen Masse des Turbinenrades wegbewegt wird und ein defokussierter Strahl die Restspannungen an der Schweißstelle leichter entlasten kann. Zusätzlich kann durch Wegbewegen der Schweißstelle von dem Körper des Turbinenrades die Schweißnaht an einer Stelle mit geringerer Betriebstemperatur angeordnet werden, um die Wirkungen einer Entspannung von Schweißrestspannung auf die Minderung der Radunwucht zu minimieren. Demgemäß sieht die vorliegende Offenbarung eine Turbinenrad- und Wellenbaugruppe für einen Turbolader vor, die ein Turbinenrad aufweist, das einen Körperabschnitt aufweist, der eine Mehrzahl von Schaufeln an einer ersten axialen Seite davon trägt. Eine Nabe erstreckt sich von dem Körperabschnitt an der zweiten axialen Seite. Die Nabe weist einen vorbestimmten Durchmesser und eine Länge auf. Eine Welle ist an die Nabe an einer Schweißstelle geschweißt, die von der axialen Seite beabstandet ist. Die Schweißstelle ist axial von der zweiten axialen Seite des Körperabschnitts um eine Distanz beabstandet, die zumindest 50 Prozent und bevorzugt zumindest 75 Prozent des Durchmessers der Nabe beträgt.
Weitere Anwendungsbereiche werden aus der hier vorgesehenen Beschreibung offensichtlich. Die Beschreibung und die besonderen Beispiele in dieser Zusammenfassung sind nur zu Veranschaulichungszwecken vorgesehen und sollen den Umfang der vorliegenden Offenbarung nicht einschränken.
ZEICHNUNGEN
Die hierin beschriebenen Zeichnungen dienen nur zu Veranschaulichungszwecken von ausgewählten Ausführungsformen und nicht allen möglichen Implementierungen und sollen den Umfang der vorliegenden Offenbarung nicht einschränken.
1 ist eine schematische Ansicht eines Motors, der einen Turbolader gemäß den Grundsätzen der vorliegenden Offenbarung verwendet;
2 ist eine Schnittansicht einer Turbinenrad- und Wellenbaugruppe gemäß den Grundsätzen der vorliegenden Offenbarung;
3 ist eine Schnittansicht einer Turbinenrad- und Wellenbaugruppe gemäß einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung; und
4 ist eine Schnittansicht einer Turbinenrad- und Wellenbaugruppe nach dem Stand der Technik.
Entsprechende Bezugszeichen geben über die verschiedenen Ansichten der Zeichnungen hinweg entsprechende Teile an.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Nun werden Beispielausführungsformen anhand der begleitenden Zeichnungen umfassender beschrieben.
Es sind beispielhafte Ausführungsformen vorgesehen, sodass diese Offenbarung vollständig ist und den Schutzumfang dem Fachmann vollständig vermittelt. Es sind zahlreiche spezifische Details dargestellt, wie Beispiele spezifischer Komponenten, Vorrichtungen und Verfahren, um ein vollständiges Verständnis der Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung bereitzustellen. Es ist dem Fachmann offensichtlich, dass spezifische Details nicht verwendet werden müssen, dass beispielhafte Ausführungsformen in vielen verschiedenen Formen ausgeführt werden können, und nicht so ausgelegt werden sollen, dass der Schutzumfang der Offenbarung beschränkt wird. Bei einigen beispielhaften Ausführungsformen sind gut bekannte Prozesse, gut bekannte Vorrichtungsstrukturen und gut bekannte Technologien nicht detailliert beschrieben.
Die hier verwendete Terminologie dient nur dem Zweck der Beschreibung bestimmter beispielhafter Ausführungsformen und ist nicht zur Beschränkung bestimmt. Wie hier verwendet ist, können Singularformen ”ein”, ”eine” und ”der, die, das” dazu bestimmt sein, genauso die Pluralformen zu enthalten, sofern es der Kontext nicht anderweitig deutlich angibt. Die Begriffe ”umfassen”, ”umfassend”, ”einschließlich” und ”mit” sind inklusive und legen daher die Anwesenheit festgelegter Merkmale, Zahlen, Schritten, Betriebsabläufe, Elemente und/oder Komponenten fest, schließen jedoch nicht die Anwesenheit oder den Zusatz eines oder mehrerer anderer Merkmale, Zahlen, Betriebsabläufe, Elemente, Komponenten und/oder Gruppen daraus aus. Die Verfahrensschritte, Prozesse sowie Betriebsabläufe, die hier beschrieben sind, sind nicht so auszulegen, dass sie ihre Ausführung in der bestimmten Reihenfolge, die diskutiert oder veranschaulicht ist, unbedingt erfordern, sofern sie nicht als Reihenfolge der Ausführung speziell festgelegt ist. Es sei auch zu verstehen, dass zusätzliche oder alternative Schritte verwendet werden können.
Wenn ein Element oder eine Schicht als ”an”, ”in Eingriff mit”, ”verbunden mit” oder ”gekoppelt mit” einem anderen Element oder einer anderen Schicht beschrieben ist, kann sie sich direkt auf dem anderen Element oder der anderen Schicht, in Eingriff damit, verbunden damit oder gekoppelt damit befinden oder es können dazwischenliegende Elemente oder Schichten vorhanden sein. Im Gegensatz dazu braucht, wenn ein Element als ”direkt auf”, ”direkt in Eingriff mit”, ”direkt verbunden mit” oder ”direkt gekoppelt mit” einem anderen Element oder einer anderen Schicht beschrieben ist, keine dazwischenliegenden Elemente oder Schichten vorhanden sein. Ein anderer Wortlaut, der zur Beschreibung der Beziehung zwischen Elementen verwendet ist, sei auf eine ähnliche Weise zu interpretieren (beispielsweise ”zwischen” gegen über ”direkt zwischen”, ”benachbart” gegenüber ”direkt benachbart”, etc.). Der hier verwendete Begriff ”und/oder” umfasst jede und alle Kombinationen aus einem oder mehreren der zugeordneten aufgelisteten Objekte.
Mit Bezug auf 1 ist nun eine schematische Ansicht eines turboaufgeladenen Motors gemäß den Grundsätzen der vorliegenden Offenbarung beschrieben. Der Motor 10 weist einen Motoraufbau 12 auf, der einen Zylinder 14 darin besitzt. Ein Kolben 16 ist in dem Zylinder 14 vorgesehen und mit einer Kurbelwelle 18 verbunden, wie es in der Technik bekannt ist. Der Zylinder 14 definiert einen Brennraum 20, der in Kommunikation mit einem Ansaugkanal 22, einem Abgaskanal 24 und einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung 26 steht. Der Ansaugkanal 22 nimmt eine Strömung 30 komprimierter Luft von einem Kompressor 32 eines Turboladers 34 auf. Der Abgaskanal 24 steht in Kommunikation mit einem Motor-Abgasströmungsdurchgang 36, der in Kommunikation mit einer Turbine 38 des Turboladers 34 steht. Wenn die Motorabgasströmung 36 durch die Turbine 38 gelangt, wird ein Turbinenrad 40 in einem Turbinengehäuse 42 in Rotation versetzt und treibt eine Turbinenwelle 44 an, die mit einem Kompressorrad 46 des Kompressors 32 verbunden ist. Daher bewirkt die Abgasströmung 36 eine Rotation des Turbinenrades 40 und Kompressorrades 46 des Turboladers, das dann die Ansaugluft 48 komprimiert, die an den Lufteinlass 22 des Motors geliefert wird. Ein Kühler 49 für komprimierte Luft kann die komprimierte Luft, die an den Lufteinlass 22 geliefert wird, kühlen und kann ein Gebläse 50 aufweisen.
Gemäß den Grundsätzen der vorliegenden Offenbarung sind das Turbinenrad 40 und die Welle 44 auf eine einzigartige Weise zusammengebaut, die das Unwuchtproblem geschweißter Turborad- und Wellenbaugruppen beseitigt. Insbesondere weist, wie in 2 gezeigt ist, das Turbinenrad 40 einen Körperabschnitt 52 auf, der eine Mehrzahl von Schaufeln 54 an einer ersten axialen Seite 56 davon trägt. Eine Nabe 58 erstreckt sich von dem Körperabschnitt 52 an der zweiten axialen Seite 60. Die Nabe 58 weist einen vorbestimmten Durchmesser D auf. Die Welle 44 ist an die Nabe 58 an einer Schweißstelle 62 geschweißt, die von der zweiten axialen Seite 60 um eine Distanz d_w beabstandet ist. Gemäß einem bevorzugten Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist die Schweißstelle 62 axial von der zweiten axialen Seite um eine Distanz d_w beabstandet, die zumindest 50 Prozent und bevorzugter zumindest 75 Prozent des Durchmessers D der Nabe 58 beträgt. Mit dieser bevorzugten Schweißdistanz, die von dem Körperabschnitt 52 des Turbinenrades 40 beabstandet ist, wird die Schweißstelle 62 weg von dem eine große Masse aufweisenden Abschnitt des Körpers 52 bewegt, so dass weniger Wärme in die Teile eingeführt und daher wenig Restspannung erzeugt wird. Ferner ist, wenn der Schweißbereich mit einem defokussierten Strahl erhitzt wird, die Spannungsentlastung in den Bereichen mit kleinerer Masse, die die Schweißstelle 62 umgeben, bei einer Entlastung der Restspannungen effektiver, die während des Schweißprozesses erzeugt worden sind. Ferner bewegt, da die Schweißstelle 62 um eine Distanz d_w weg von dem Körper 52 des Turbinenrades beabstandet ist, sich die Schweißstelle 62 zu einer Stelle mit geringerer Betriebstemperatur in dem Turbolader 34, um die Wirkungen einer Entspannung von Schweißrestspannung auf die Minderung der Radunwucht zu minimieren. Typischerweise ist eine Kolbenringdichtung benachbart der üblichen Schweißstelle angeordnet, die einen Austritt von Öl von dem Lagergehäuse verhindert. Ein Bewegen der Schweißstelle zu Position 62 bringt die Schweißnaht an der ölbenetzten Seite der Kolbenringdichtung 63 unter (in 1 schematisch gezeigt), wodurch die geschweißte Stelle 62 an einer signifikant kühleren Stelle angeordnet wird.
Um die Restspannungen weiter zu reduzieren, ist es auch vorteilhaft, die Masse der Welle 44 dadurch zu reduzieren, dass eine zylindrische Hohlwelle vorgesehen wird. Zusätzlich kann die Nabe 58 ebenfalls ausgehöhlt sein, um die Masse in dem Schweißbereich zu reduzieren, wodurch eine Verzerrung der Teile beseitigt wird. Es sei angemerkt, dass die Entfernung der zusätzlichen Masse durch Bereitstellung einer Hohlwelle 44 und eines hohlen Bereiches in der Nabe 58 optional ist, obwohl sie die Kühlraten der Teile erhöhen kann, während auch die Restspannungen reduziert werden, die während des Schweißprozesses erzeugt werden. Bei der in 2 gezeigten Ausführungsform ist die Welle 44 mit einem Ringflanschabschnitt 64 an ihrem Ende versehen, wo sie an den Nabenabschnitt 58 des Turbinenrades 40 geschweißt ist. Die Schweißstelle 62 ist an der Schnittstelle zwischen dem Flansch 64 und der Nabe 58 vorgesehen, wie gezeigt ist.
Gemäß einer alternativen Ausführungsform, wie in 3 gezeigt ist, kann die Schweißstelle 62' zwischen dem Nabenabschnitt 58 und dem flanschlosen Ende der Welle 44' vorgesehen sein. Es sei angemerkt, dass an dieser Stelle der Schweißdurchmesser auf den Durchmesser der Welle 44' reduziert sein kann, so dass weniger Umfangsfläche der Schweißung erforderlich ist, wodurch wenig Restspannung in den resultierenden geschweißten Teilen bereitgestellt wird. Es sei angemerkt, dass die Größe des hohlen Bereiches in der Nabe 58 in den Körperabschnitt 52 des Turbinenrades 40 ausgedehnt werden kann. Mit diesen zusätzlichen Modifikationen kann das Gewicht des Turbinenrades und der Welle reduziert werden, wodurch die Turbinenradträgheit weiter reduziert wird und eine Minderung der Radunwucht vorgesehen wird. Gemäß den Grundsätzen der vorliegenden Offenbarung können Probleme mit durch Unwucht bewirktem Geräusch durch die vorgeschlagenen Konstruktionskonfigurationen beseitigt oder signifikant reduziert werden, wodurch die Teilequalität und -leistungsfähigkeit signifikant verbessert wird.
Die vorstehende Beschreibung der Ausführungsformen ist zu Darstellungs- und Beschreibungszwecken vorgesehen worden. Sie soll nicht erschöpfend sein oder die Offenbarung einschränken. Einzelne Elemente oder Merkmale einer besonderen Ausführungsform sind im Allgemeinen nicht auf diese besondere Ausführungsform begrenzt, sondern sind, wo anwendbar, austauschbar und können in einer ausgewählten Ausführungsform verwendet werden, selbst wenn sie nicht speziell gezeigt oder beschrieben sind. Selbiges kann auch auf vielerlei Weisen verändert werden. Derartige Abwandlungen sind nicht als eine Abweichung von der Offenbarung anzusehen, und alle derartigen Modifikationen sollen im Umfang der Offenbarung enthalten sein.

Claims

Motor, umfassend: einen Motoraufbau, der eine Mehrzahl von Zylindern definiert, die einen jeweiligen Kolben darin aufnehmen und Einlass- und Auslassdurchgänge in Kommunikation mit jedem der Zylinder besitzen; einen Turbolader, umfassend: ein Gehäuse, das einen Einlass zur Aufnahme einer Motorabgasströmung von den Abgasdurchgängen, eine Turbinenkammer und einen Auslass für Abgasaustrag aufweist; eine Turbinenrad- und Wellenbaugruppe, die in der Turbinenkammer angeordnet ist und ein Turbinenrad, das einen Körperabschnitt, der eine Mehrzahl von Schaufeln an einer ersten axialen Seite davon trägt, sowie eine Nabe besitzt, die sich von dem Körperabschnitt an einer zweiten axialen Seite, die der ersten axialen Seite entgegengesetzt ist, erstreckt, wobei die Nabe einen Durchmesser besitzt, sowie eine Welle aufweist, die an die Nabe an einer Schweißstelle, die von der zweiten axialen Seite beabstandet ist, geschweißt ist, wobei die Schweißstelle axial von der zweiten axialen Seite des Körperabschnitts um eine Distanz beabstandet ist, die zumindest 50 Prozent des Durchmessers beträgt.
Motor nach Anspruch 1, wobei die Welle einen zylindrischen Körper und einen sich radial erstreckenden Flanschabschnitt an einem Ende davon aufweist, der an die Nabe des Turbinenrades geschweißt ist.
Motor nach Anspruch 1, wobei die Welle hohl ist.
Motor nach Anspruch 1, wobei die Nabe einen hohlen Abschnitt darin aufweist.
Motor nach Anspruch 1, ferner mit einem Kompressorrad, das an einem zweiten Ende der Welle befestigt und in einer Kompressorkammer angeordnet ist.
Motor nach Anspruch 5, wobei die Kompressorkammer in Kommunikation mit einem Lufteinlass und einem Auslass für komprimierte Luft steht, der in Kommunikation mit den Einlassdurchgängen der Zylinder steht.
Motor nach Anspruch 1, ferner mit einer Dichtung, die zwischen der zweiten axialen Seite des Turbinenrades und der Schweißstelle angeordnet ist.