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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Turbinenläufer, mit einem Turbinenlaufrad und einer Läuferwelle, für eine Abgasturbine und einen Abgasturbolader mit einem solchen Turbinenläufer sowie ein Verfahren zur Herstellung des Turbinenläufers.
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Ein solcher Turbinenläufer besteht aus einem Turbinenrad und einer Läuferwelle als bauliche Einheit und ist zum Beispiel Teil des Laufzeugs eines Abgasturboladers für die Verbrennungsmaschine eines Kraftfahrzeugs. Der Turbinenläufer dient in einem Abgasturbolader zur Umsetzung von im Abgas einer Verbrennungsmaschine enthaltener Abgasenergie in Rotationsenergie des Laufzeugs und zur Übertragung dieser Rotationsenergie auf ein mit dem Turbinenläufer verbundenes Verdichterrad. Mit Hilfe des Verdichterrads wiederum wird die Rotationsenergie zur Erzeugung eines erhöhten Druckes der Luftzufuhr der Verbrennungsmaschine genutzt und dient somit zur Steigerung der Leistung und Effizienz der Verbrennungsmaschine.
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Stattdessen kann beispielsweise auch ein Generator mit dem Turbinenläufer gekoppelt sein, mit dessen Hilfe die Rotationsenergie in elektrische Energie gewandelt wird, die wiederum vielseitig genutzt werden kann.
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Der derzeitige Hauptanwendungsbereich betrifft jedoch Abgasturbolader für Verbrennungsmotoren in Kraftfahrzeugen, weshalb im Weiteren in der Beschreibung auf Abgasturbolader Bezug genommen wird sofern zum besseren Verständnis nützlich.
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Abgasturbolader werden vermehrt zur Leistungssteigerung bei Kraftfahrzeug-Verbrennungsmotoren eingesetzt. Dies geschieht immer häufiger mit dem Ziel den Verbrennungsmotor bei gleicher oder gar gesteigerter Leistung in Baugröße und Gewicht zu reduzieren und gleichzeitig den Verbrauch und somit den CO2-Ausstoß, im Hinblick auf immer strenger werdende gesetzliche Vorgaben diesbezüglich, zu verringern. Das Wirkprinzip besteht darin, die im Abgasstrom enthaltene Energie zu nutzen um den Druck im Ansaugtrakt des Verbrennungsmotors zu erhöhen und so eine bessere Befüllung des Brennraumes mit Luft-Sauerstoff zu bewirken und somit mehr Treibstoff, Benzin oder Diesel, pro Verbrennungsvorgang umsetzen zu können, also die Leistung des Verbrennungsmotors zu erhöhen.
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Ein Abgasturbolader weist dazu eine im Abgasstrang des Verbrennungsmotors angeordnete Turbine mit einem durch den Abgasstrom angetriebenen Turbinenläufer und einen im Ansaugtrakt angeordneten Verdichter mit einem den Druck aufbauenden Verdichterlaufrad auf. Das Turbinenlaufrad und die Läuferwelle sind stoffschlüssig mit einander verbunden und bilden so eine bauliche Einheit. Das Verdichterlaufrad ist drehfest an dem, dem Turbinenlaufrad gegenüberliegenden Ende der Läuferwelle des Turbinenläufers befestigt, wobei die Läuferwelle in einer zwischen Turbine und Verdichter angeordneten Lagereinheit drehgelagert ist. Somit wird mit Hilfe des Abgasmassenstroms der Turbinenläufer und über die Läuferwelle wiederum das Verdichterlaufrad angetrieben und die Abgasenergie so zum Druckaufbau im Ansaugtrakt genutzt.
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Das Turbinenrad befindet sich im Betrieb im heißen Abgasstrom und ist somit sehr großen Temperaturschwankungen ausgesetzt wobei Spitzentemperaturen bis über 1000°C erreicht werden. Gleichzeitig rotiert der Turbinenläufer mit sehr hohen Drehzahlen von bis zu 300.000 U/min wodurch das Turbinenlaufrad und insbesondere die Turbinenradbeschaufelung sehr hohen mechanischen Beanspruchungen durch die auftretenden hohen Fliehkräfte ausgesetzt ist. Weiterhin ist insbesondere die Masse des Turbinenrades von großer Bedeutung für das dynamische Ansprechverhalten der Turbine, was einer den hohen Belastungen entsprechenden massiven Auslegung des Turbinenlaufrades entgegen steht.
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Bei den Turbinenlaufrädern werden deshalb hochwarmfeste Metallegierungen eingesetzt um ein frühzeitiges Versagen im Betrieb zu vermeiden. Vermehrt werden dazu Titan-Aluminim-Legierungen (TiAl-Legierungen oder Titanaluminid) oder Nickel-Basislegierungen (Ni-Legierungen) eingesetzt, die sich insbesondere durch ihre hohe spezifische Festigkeit bei hoher Temperatur und ein gleichwohl niedriges spezifisches Gewicht auszeichnen. Darüber hinaus kommt der Wärmeausdehnungskoeffizient dieser hochwarmfesten Metalllegierungen dem von üblicherweise im Turbinenbau verwendeten Metallen sehr nahe, was Probleme aufgrund unterschiedlicher Wärmeausdehnung zu vermeiden hilft. Praktisch eingesetzt werden intermetallische Gemische mit einem Haupanteil an Titan und Aluminium oder Nickel. Wie beispielsweise auch aus der
DE 10 2007 048 789 A1 bekannt ist, können die konkreten Legierungszusammensetzungen durchaus variieren und auch weitere Bestandteile enthalten und sind typischerweise gekennzeichnet durch einen Titananteil zwischen von 50 und 60% (Gewichtsanteil) und einem Aluminiumanteil > 25% (Gewichtsanteil). Weitere Bestandteile können beispielsweise Cr, Nb, B, C oder Mo sein. TiAl-Legierungen bilden eine sogenannte γ-TiAl-Phase (Gamma-Titanaluminid) mit tetragonaler Kristallstruktur und werden je nach Anteil an weiteren unterschiedlichen Phasen als Gamma-, Duplex- oder Lammellare Legierungen bezeichnet.
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Bei den Ni-Basislegierungen handelt es sich beispielsweise um Inco 713 C, Inco 713 LC, MAR-M 246, MAR-M 247, B 1964, IN 100 oder GMR-235. In den folgenden Ausführungen werden all diese Legierungsgefüge übergreifend unter dem Begriff „hochwarmfeste Metalllegierungen“ zusammengefasst.
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Die Läuferwelle andererseits ist ein Teil des Lagerungssystems des Turbinenläufers und muss eine hohe Wechselbiegelast aufnehmen können und muss zumindest im Lagerungsbereich über eine ausreichend gehärtete Außenschicht verfügen, um ein Festfressen der Lager zu vermeiden. Andererseits ist die Läuferwellen nicht den extrem hohen Temperaturen ausgesetzt wie das Turbinenlaufrad.
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Für diesen Einsatz eignen sich dem entsprechend Werkstoffe wie Stahl, insbesondere Baustahl, niedrig- oder hochlegierter Vergütungsstahl, wie zum Beispiel 42CrMo4(1.7225), X22CrMoV12-1(1.4923) oder X19CrMoNbVN11-1(1.4913) oder auch Superlegierungen wie Inconel oder Incoloy (siehe auch
DE 10 2007 048 789 A1 ). Diese Materialien werden in den folgenden Ausführungen einfach und übergreifend als Stahl bezeichnet.
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Um die jeweiligen Vorteile der entsprechenden Materialien nutzen zu können werden die Turbinenläufer also aus den oben genannten Komponenten, Turbinenlaufrad aus hochwarmfester Metalllegierung und Läuferwelle aus Stahl, gefertigt und müssen in der Folge vorteilhaft zu einer hochbelastbaren Baueinheit zusammengefügt werden, wobei die Verbindung, je nach Baugröße mit bis zu 5 Nm Drehmoment und 1 kN Axialkraft belastbar sein muss.
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Aus dem Stand der Technik sind dazu stoffschlüssige Verbindungen bekannt. Dabei werden die Verbindungspartner mittels atomarer oder molekularer Kräfte zusammengehalten und sind nicht lösbare Verbindungen, die sich nur zerstörend wieder lösen lassen. Stoffschlüssige Verbindungen sind in diesem Zusammenhang insbesondere Schweißverbindungen und Lötverbindungen.
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Wie zum Beispiel aus der
DE 697 24 730 T2 bekannt, kann das in diesem Zusammenhang in Verbindung mit anderen Materialkombinationen bekannte Reibschweißverfahren nur beschränkt eingesetzt werden. Der Grund dafür ist, dass, wenn ein Reibschweißverfahren eingesetzt wird, die Transformation des Baustahls zur Zeit der Abkühlung vom Austenit zum Martensit eine Ausdehnung des Stahles verursacht, was eine Restspannung bewirkt, und auch wenn das TiAl eine hohe Steifigkeit besitzt, liegt die Formbarkeit bei Raumtemperatur ungefähr bei geringen 1% und deshalb kann ein Brechen der Räder aus TiAl auftreten. Des Weiteren tritt eine Reaktion von TiAl mit dem Kohlenstoff, C, in dem Baustahl auf wodurch Titancarbid an der Verbindungsschnittstelle gebildet wird, wodurch die Festigkeit an der Schnittstelle in kritischem Maße sinkt.
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Auch wird zum Beispiel in der
DE 697 24 730 T2 ein Lötverfahren vorgeschlagen, bei dem zwischen den beiden Verbindungspartnern Turbinenlaufrad und Läuferwelle ein Lotmaterial, das zum Beispiel ein austenitisches Gefüge aufweist eingefügt wird. Auch in der
WO 2008 039216 A2 wird ein solches Lötverfahren offenbart.
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Löten ist, gemäß DIN 8505 „Löten“, ein thermisches Verfahren zum stoffschlüssigen Fügen von Werkstoffen, wobei eine flüssige Phase durch Schmelzen eines Lotes und eine Verbindung durch Diffusion des Lotes an den Grenzflächen entsteht. Ein weiterer wesentlicher Unterschied zum Schweißen besteht darin, dass die Solidustemperatur der Grundwerkstoffe der Verbindungspartner dabei nicht erreicht wird. Dennoch besteht eine Problematik darin, dass auch bei den niedrigeren Löttemperaturen die Austenittemperatur des für die Läuferwelle eingesetzten Stahls überschritten wird und dadurch eine Enthärtung des Stahls stattfindet. Eine erneute nachträgliche, kosten- und zeitintensive Nachbearbeitung sowie Härtung der Läuferwelle wird dadurch unumgänglich. Dies ist vor Allem für eine industrielle Großserien-Fertigung von Nachteil.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Turbinenläufer, bestehend aus einem Turbinenlaufrad und einer Läuferwelle, für eine Abgasturbine anzugeben, bei der eine hohe mechanische und thermische Belastbarkeit der Verbindung zwischen Turbinenlaufrad und Läuferwelle gegeben ist, insbesondere soll dies auch gewährleistet sein, wenn ein Turbinenrad aus einer hochwarmfesten Metalllegierung mit einer Läuferwelle aus Stahl kombiniert werden.
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Weiterhin besteht die Aufgabe darin einen Abgasturbolader mit erhöhter thermischer Belastbarkeit sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Turbinenläufers mit den oben genannten Eigenschaften anzugeben das kostengünstig industriell, in der Großserienfertigung einsetzbar ist.
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Diese Aufgabe wird durch einen Turbinenläufer mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 sowie durch einen Abgasturbolader gemäß dem nebengeordneten Anspruch und ein Verfahren zur Herstellung dieses Turbinenläufers mit den Merkmalen gemäß dem nebengeordneten Verfahrensanspruch gelöst. Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen, welche einzeln oder, sofern es sich nicht um sich gegenseitig ausschließende Alternativen handelt, in Kombination miteinander eingesetzt werden können, sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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In einer vorteilhaften Ausführung weist der erfindungsgemäße Turbinenläufer für eine Abgasturbine ein Turbinenlaufrad mit einer Laufradnabe und eine Läuferwelle mit einem der Laufradnabe zugewandten Läuferwellenende sowie eine den vorgenannten Teilen gemeinsame Turbinenläuferlängsachse auf. Das Turbinenlaufrad weist einen Grundkörper mit einer Beschaufelung auf der Vorderseite, sowie die konzentrisch zur Turbienläuferlängsachse auf der Rückseite des Grundkörpers angeordnete Laufradnabe auf, die zum Beispiel in Form eines Zylinderabschnittes ausgebildet sein kann. Die Laufradnabe und das Läuferwellenende sind mittels einer hier und im Folgenden als Dreh-Klemm-Verbindung bezeichneten Verbindung mit einander verbunden.
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Das Turbinenlaufrad besteht vorzugsweise aus einer hochwarmfesten Metalllegierung und ist beispielsweise in einem gebräuchlichen Feingussverfahren hergestellt.
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Die Läuferwelle besteht vorzugsweise aus Stahl und ist beispielsweise für den späteren Einsatz fertig bearbeitet und zumindest im Bereich der späteren Lagerstellen gehärtet.
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In einer Ausführung des Turbinenläufers weist die Laufradnabe eine Ausnehmung und das Läuferwellenende einen korrespondierenden Zapfen auf. Es ist jedoch umgekehrt auch eine Ausführung möglich, bei der die Laufradnabe einen Zapfen und das Läuferwellenende eine dazu korrespondierende Ausnehmung aufweist. Zapfen und Ausnehmung sind zentrisch auf der Laufradnabe und dem Läuferwellenende angeordnet und erstrecken sich entlang der Turbinenläuferlängsachse. Zapfen und Ausnehmung dabei geometrisch so ausgebildet und aufeinander abgestimmt, dass der jeweilige Zapfen in die korrespondierende Ausnehmung mit Spiel eingefügt werden kann und nach Verdrehen gegeneinander, um einen bestimmten Montagewinkel α, eine Dreh-Klemm-Verbindung ausgebildet ist. Dies hat den Vorteil, dass die beiden Einzelteile in Achsrichtung ohne besonderen Kraftaufwand bis auf einen Anschlag ineinander gefügt werden können, wodurch eine vorbestimmte Länge der montierten Baugruppe leicht vorgegeben und bei der Montage hergestellt werden kann.
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Zusätzlich kann zur Gewährleistung eines ausreichenden Spiels oder zur Vergrößerung des Spiels zwischen Zapfen und Ausnehmung beim Ineinanderfügen das jeweilige Werkstück, das die Ausnehmung aufweist erwärmt werden und das Werkstück das den Zapfen aufweist gekühlt werden, wie dies auch beispielsweise bei einer Aufschrumpfmontage Anwendug findet. Dies ermöglicht eine engere Abstimmung der Toleranzen bis in den Bereich einer Übergangspassung zwischen Zapfen und Ausnehmung bei übereinstimmender Temperatur und somit eine erhöhte Klemmkraft der Dreh-Klemm-Verbindung bei erhöhten Temperaturen im Betrieb.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung der vorgenannten Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass der jeweilige Zapfen und die korrespondierende Ausnehmung jeweils eine koaxial zur Turbinenläuferlängsachse angeordnete kreiszylindrische Grundform aufweisen mit jeweils zumindest einer korrespondierenden Unrundheit auf dem Umfang der kreiszylindrischen Grundform.
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Dabei sind die kreiszylindrischen Grundformen von Zapfen und der korrespondierenden Ausnehmung maßlich so dimensioniert, dass sie mit Spiel ineinander gefügt werden können.
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Gleichzeitig sind die Unrundheiten des jeweiligen Zapfens und der korrespondierenden Ausnehmung maßlich so ausgelegt, dass die zueinander ausgerichteten Unrundheiten ebenfalls mit Spiel ineinander gefügt werden können. Dabei weisen die Unrundheiten jedoch ein Übermaß gegenüber der zylindrischen Grundform der jeweiligen Ausnehmung oder im umgekehrten Fall ein Untermaß gegenüber der zylindrischen Grundform des jeweiligen Zapfens auf. Daraus ergibt sich, dass wenn im montierten Zustand des Turbinenläufers Turbinenlaufrad und Läuferwelle mit Bezug auf die Unrundheiten um die Turbinenläuferlängsachse um einen bestimmten Montagewinkel α gegeneinander verdreht sind, eine Pressung/Klemmung mit der gegenüberliegenden zylindrischen Grundform und somit eine Dreh-Klemm-Verbindung ausgebildet ist.
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Dies ermöglicht es vorteilhaft, die beiden Bauteile Turbinenläufer und Läuferwelle zunächst ohne besonderen Kraftaufwand axial ineinander zu fügen und dann durch einfaches gegeneinander Verdrehen, ohne weitere Längenänderung oder übermäßige Erhitzung der Bauteile kraftschlüssig miteinander zu verbinden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Turbinenläufers weist die zylindrische Grundform des jeweiligen Zapfens und der korrespondierenden Ausnehmung zumindest drei korrespondierende Unrundheiten (10) auf, wobei die Unrundheiten (10) den gleichen Winkelabstand (β) zueinander aufweisen. Auf diese Weise ergibt sich im montierten Zustand des Turbinenläufers eine zentrierend wirkende Klemmkraftverteilung zwischen Zapfen und Ausnehmung und somit ein verbesserter Rundlauf des Turbinenläufers.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des Turbinenläufers ist dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung in der Laufradnabe oder im Läuferwellenende im Vergleich zur axialen Länge des korrespondierende Zapfens auf dem Läuferwellenende oder der Laufradnabe, eine größere axiale Tiefe aufweist, so dass im montierten Zustand des Turbinenläufers ein Hohlraum im Übergang zwischen Laufradnabe und Läuferwellenende ausgebildet ist, der als Wärmedrossel wirkt. Dies wirkt sich vorteilhaft auf die Wärmeleitung vom Turbinenlaufrad auf die Läuferwelle aus, do dass die Läuferwelle und insbesondere auch die Lageranordnung der Läuferwelle einer niedrigeren thermischen Belastung ausgesetzt sind, wodurch sich die Lebensdauer insbesondere der Lageranordnung des Turbinenläufers erhöht.
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Eine weitere Ausgestaltung des Turbinenläufers sieht vor, dass das Turbinenlaufrad aus einer hochwarmfesten Metalllegierung, wie zum Beispiel einer TiAl-Legierung oder einer Ni-Basislegierung besteht und dass die Läuferwelle aus einem Stahl, insbesondere einem niedriglegierten oder hochlegierten Vergütungsstahl oder einem austenitischen Stahl besteht. Der Vorteil dieser Ausgestaltung liegt darin, dass die Materialien, aus denen das Turbinenlaufrad und die Läuferwelle bestehen, bezüglich ihrer Eigenschaften speziell auf die Anforderungen des jeweiligen Arbeitsbereiches und die zu erfüllenden Funktionen angepasst sind.
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Die Merkmale aller vorgenannten Ausführungen können selbstverständlich einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander verwirklicht werden, sofern sie sich nicht als Alternativen gegenseitig ausschließen.
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Der erfindungsgemäße Abgasturbolader für einen Verbrennungsmotor weist eine Abgasturbine und einen Frischluftkompressor auf und zeichnet sich dadurch aus, dass seine Abgasturbine mit einem Turbinenläufer ausgestattet ist, der ein Turbinenlaufrad mit einer Laufradnabe und eine Läuferwelle mit einem der Laufradnabe zugewandten Läuferwellenende aufweist, wobei die Laufradnabe des Turbinenlaufrads und das Läuferwellenende der Läuferwelle mittels einer Dreh-Klemm-Verbindung mit einander verbunden sind.
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Weiterhin kann der Turbinenläufer des Abgasturboladers gemäß der vorgenannten Ausführungsformen ausgebildet oder weitergebildet sein.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Turbinenläufers für eine Abgasturbine, der ein Turbinenlaufrad mit einer Laufradnabe und eine Läuferwelle mit einem der Laufradnabe zugewandten Läuferwellenende sowie eine gemeinsame Turbinenläuferlängsachse aufweist, wobei die Laufradnabe und das Läuferwellenende mittels einer Dreh-Klemm-Verbindung mit einander verbunden sind, gemäß einer der vorgenannten Ausführungsformen, ist gekennzeichnet durch mehrere Verfahrensschritte. Dabei wird zunächst ein Turbinenlaufrad mit einer Laufradnabe bereitgestellt, wobei die Laufradnabe einen konzentrisch zur Turbinenläuferlangsachse angeordneten Zapfen oder eine Ausnehmung mit einer zylindrischen Grundform und zumindest einer darauf angeordneten Unrundheit aufweist. Weiterhin wird eine Läuferwelle bereitgestellt, die eine, zum Zapfen oder zur Ausnehmung des Turbinenlaufrades korrespondierende Ausnehmung beziehungsweise einen Zapfen mit einer zylindrischen Grundform und zumindest einer darauf angeordneten Unrundheit aufweist. In der Folge wird dann der Zapfen der Laufradnabe oder des Wellenendes und die korrespondierende Ausnehmung des Wellenendes bzw der Laufradnabe, bei übereinstimmender Winkellage der Unrundheiten, zusammengefügt. Abschließend erfolgt das Verdrehen der zusammengefügten Teile, Turbinenlaufrad und Läuferwelle, gegeneinander um einen Montagewinkel α, zur Herstellung der Dreh-Klemm-Verbindung.
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Zusätzlich kann vor dem Verfahrensschritt des Zusammenfügens von Zapfen und Ausnehmung zur Gewährleistung eines ausreichenden Spiels oder zur Vergrößerung des Spiels zwischen Zapfen und Ausnehmung beim Ineinanderfügen das jeweilige Werkstück, das die Ausnehmung aufweist erwärmt werden und das Werkstück das den Zapfen aufweist gekühlt werden, wie dies auch beispielsweise bei einer Aufschrumpfmontage Anwendung findet. Das Verdrehen der zusammengefügten Werkstücke erfolgt dann vorteilhaft auch bei den genannten unterschiedlichen Temperaturen von Zapfen und Ausnehmung. Dies hat einen reduzierten Kraftaufwand beim Verdrehen der beiden Werkstücke gegeneinander zur Folge und reduziert so die Gefahr von Deformierungen der Werkstücke durch die Einwirkung erhöhter Spann- und Verdrehkräfte bei der Montage. Dies ermöglicht ebenso eine engere Abstimmung der Toleranzen bis in den Bereich einer Übergangspassung zwischen Zapfen und Ausnehmung bei übereinstimmender Temperatur und somit eine erhöhte Klemmkraft der Dreh-Klemm-Verbindung bei erhöhten Temperaturen im Betrieb.
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Konkrete Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand der Darstellungen in der Zeichnung näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 eine vereinfachte schematische, nicht maßstäbliche Darstellung der Einzelteile einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Turbinenläufers vor dem Zusammenfügen.
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2 eine vereinfachte schematische, nicht maßstäbliche Darstellung der Einzelteile einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Turbinenläufers vor dem Zusammenfügen.
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3 eine vereinfachte schematische, nicht maßstäbliche Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Turbinenläufers nach dem Zusammenfügen der Einzelteile.
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4 die Darstellung eines Schnittes durch die Läuferwelle der Turbinenläufers im Bereich der Dreh-Klemm-Verbindung
- a) vor Erstellung der Dreh-Klemm-Verbindung und
- b) nach Erstellung der Dreh-Klemm-Verbindung.
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5a) bis e) je eine Darstellung eines Querschnittes von Zapfen bzw. Ausnehmungen mit unterschiedlicher Anordnung, Anzahl und Ausführung von Unrundheiten.
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6a) und b) je eine vereinfachte, nicht maßstäbliche Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Turbinenläufers mit Wärmedrossel
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7 eine schematische vereinfachte Schnittdarstelllung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Abgasturboladers.
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8 eine Ablaufdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines Turbinenläufers.
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Funktions- und Benennungsgleiche Gegenstände sind in den Figuren mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet.
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In 1 sind die Einzelteile eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Turbinenläufer 1 in vereinfachter Darstellung gezeigt. Es handelt sich dabei um ein Turbinenlaufrad 2 mit einer Laufradnabe 2a und einer Ausnehmung 6 in der Laufradnabe 2a, wobei die Ausnehmung 6 durch einen Teilschnitt im Bereich der Laufradnabe 2a sichtbar gemacht ist. Das Turbinenlaufrad 2 ist vorzugsweise in einem gebräuchlichen Feingussverfahren aus einer TiAl-Legierung hergestellt und weist einen Grundkörper mit einer Beschaufelung 2b auf der Vorderseite (in der Figur rechts), sowie eine Laufradnabe 2a in Form eines konzentrisch auf der Rückseite (in der Figur links) des Grundkörpers angeordneten Zylinderabschnittes auf. Weiterhin ist eine Läuferwelle 3 mit einem Läuferwellenende 3a und einem zur Ausnehmung 6 der Laufradnabe korrespondierenden Zapfen 8 dargestellt. Das Turbinenlaufrad 2 und die Läuferwelle 3 sind auf der gemeinsamen Turbinenläuferachse 4 getrennt voneinander angeordnet und die Fügerichtung, in der der Zapfen 8 des Läuferwellenendes 3a in die Ausnehmung 6 der Laufradnabe 2a eingeführt wird ist mit einem Pfeil dargestellt.
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2 zeigt die Einzelteile eines alternativen Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Turbinenläufers in gleicher Weise wie 1. Bei diesem Ausführungsbeispiel weist das Turbinenlaufrad 2 einen Zapfen 5 auf und das Läuferwellenende 3a weist die zum Zapfen 5 der Laufradnabe 2a korrespondierende Ausnehmung 7 auf. Hier ist das Läuferwellenende 3a in einem Teilschnitt gezeigt um die Ausnehmung 7 sichtbar zu machen. Auch in 2 sind das Turbinenlaufrad 2 und die Läuferwelle 3 auf der gemeinsamen Turbinenläuferachse 4 getrennt voneinander angeordnet und die Fügerichtung, in der der Zapfen 5 der Laufradnabe in die Ausnehmung 7 des Läuferwellenendes 3a eingeführt wird ist mit einem Pfeil dargestellt.
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3 zeigt den Turbinenläufer aus 2 in zusammengebautem Zustand. Dabei wird der Verdrehwinkel α um den das Turbinenlaufrad 2 gegenüber der Läuferwelle 3 zur Erstellung der Dreh-Klemm-Verbindung verdreht ist mit einem gebogenen Pfeil symbolisiert. Weiterhin ist eine Schnitteben A-A eingezeichnet, die in 4a und 4b dargestellt ist.
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4a zeigt den Schnitt A-A durch das Läuferwellenende 3a und den darin eingefügten Zapfen 5 der Laufradnabe unmittelbar nach den axialen Zusammenfügen der beiden Einzelteile und vor der Verdrehung gegeneinander. Weiterhin zu erkennen sind, hier beispielhaft dargestellt, drei Unrundheiten die im gleichen Winkelabstand β sowohl auf dem Zapfen 5 der Laufradnabe als auch in der Ausnehmung 7 des Läuferwellenendes 3a angeordnet sind. Im Bereiche der Unrundheiten ist der Radius gegenüber einer dem Zapfen und der Ausnehmeung zugrundeliegenden Zylinderform vergrößert. Auf diese Weise ist eine Art "Dreieckoval" ausgebildet. Beim axialen Zusammenfügen der beiden Einzelteile sind die Unrundheiten von Zapfen 5 und Ausnehmung 7 in übereinstimmender Winkellage ausgerichtet wobei Zapfen 5 und Ausnehmung 7 auch im Bereich der Unrundheiten so dimensioniert sind, dass ein geringes, definiertes Spiel (in der 4a nicht zu erkennen) vorhanden ist, sodass der Zapfen 5 ohne besonderen Kraftaufwand axial in die Ausnehmung 7 eingeführt werden kann.
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4b zeigt den Schnitt A-A durch das Läuferwellenende 3a und den darin eingefügten Zapfen 5 der Laufradnabe nach der Verdrehung gegeneinander, also nach Erstellung der Dreh-Klemm-Verbindung. Der Zapfen 5 ist zusammen mit dem Turbinenlaufrad gegenüber der Ausnehmung 7 des Läuferwellenendes um den eingezeichneten Montagewinkel α verdreht. In diesem Beispiel entspricht der Montagewinkel α der Hälfte des Winkelabstandes β zwischen den angeordneten Unrundheiten. Das heißt die einen größeren Radius aufweisenden Unrundheiten des Zapfens 5 sind bis in die Mitte zwischen den Unrundheiten der Ausnehmung 7 des Läuferwellenendes 3a also in den Bereich des kleineren Radius der Ausnehmung 7 verdreht. Dadurch kommt es zu einem Übermaß 11 des Zapfens 5 gegenüber der zylindrischen Grundform der Ausnehmung 7 an dieser Stelle und somit zu einer Pressung oder Klemmung des Zapfens 5 in der Ausnehmung 7 durch Drehung des Zapfens 5 in der Ausnehmung 7, also zur Ausbildung einer Dreh-Klemm-Verbindung. Es ist dabei nicht erforderlich, dass der Montagewinkel α genau die Hälfte des Winkelabstandes β zwischen den Unrundheiten beträgt. Der Montagewinkel α ist so zu wählen, dass die Klemmkraft zwischen Zapfen 5 und Ausnehmung 7 groß genug ist, um das Turbinenlaufrad 2 gegen die im Betrieb von außen aufgebrachten Kräfte gegenüber der Läuferwelle zu fixieren. Besonders Vorteilhaft erscheint es dabei, wenn die Verdrehung des Zapfens 5 gegenüber der Ausnehmung 7 in Richtung des im Betrieb auf das Turbinenlaufrad 2 wirkenden Drehmoments erfolgt und der Montagewinkel α um ein bestimmtes Maß kleiner ist als die Hälfte des Winkelabstands β. Da die der Verdrehung entgegenwirkende Kraft bis zur Hälfte des Winkels β ansteigt, darüber hinaus jedoch wieder rapide abnimmt, ergibt sich daraus eine erhöhte Sicherheit gegen ein Überdrehen und somit Lösen oder Versagen der Dreh-Klemm-Verbindung im Betrieb.
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Der zuvor zu den 4a und 4b erläuterte Sachverhalt gilt in gleicher Weise auch für die Ausführungsvariante des Turbinenläufers mit dem Zapfen 8 am Läuferwellenende 3a und der Ausnehmung 6 in der Laufradnabe 2a, gemäß 1. Ebenfalls beschränkt sich der erläuterte Sachverhalt nicht auf eine Ausführung von Zapfen 5, 8 und Ausnehmung 6, 7 mit einer Anordnung von drei Unrundheiten, sondern gilt genauso für Ausführungen mit weniger oder mehr als drei Unrundheiten.
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Ein paar Beispiele zur Anordnung von Unrundheiten 10 auf einer koaxial zur Turbinenläuferlängsachse 4 angeordnete kreiszylindrische Grundform 9 zeigt 5a) bis e). Es wird hierbei Bezug genommen auf den jeweiligen Zapfen 5, 8 wobei die jeweils korrespondierende kreiszylindrische Grundform der zugehörigen Ausnehmung 6, 7 der Zapfenform mit entsprechendem Übermaß zur Gewährleistung eines ausreichenden Fügespiels entspricht. Die zugrundeliegende kreiszylindrische Grundform 9 ist in den 5a) bis e) durch eine gestrichelte Linie und die im Mittelpunkt liegende Turbinenläuferlängsachse 4 dargestellt.
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5a) zeigt die zylindrische Grundform mit nur einer darauf angeordneten Unrundheit, wobei sich im Bereich der Unrundheit der Radius des Zapfens 5, 8 langsam zunehmend bis zu einem Scheitelpunkt hin vergrößert um dann im selben Maß wieder abzunehmen.
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5b) zeigt eine Anordnung von drei Unrundheiten 10 auf der kreiszylindrischen Grundform 9, die ebenfalls jeweils Übermaß gegenüber der kreiszylindrischen Grundform 9 aufweisen und langsam bis zu einem Scheitelpunkt zunehmen um dann im selben Maß wieder abnehmen, was dem in 4 gezeigten Beispiel entspricht. Die Scheitelpunkte der Unrundheiten 10 haben jeweils den gleichen Winkelabstand β zueinander (aus Gründen der Übersichtlichkeit hier nicht dargestellt). Dies hat den Vorteil, dass die in radialer Richtung wirkenden Klemmkräfte zentrierend auf den Zapfen 5, 8 in der jeweiligen Ausnehmung 6, 7 wirken.
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Die 5c) und d) zeigen Anordnungen von 6 und 4 Unrundheiten 10, die ebenfalls in äquidistantem Winkelabstand β zueinander auf der jeweiligen kreiszylindrischen Grundform 9 angeordnet sind, Übermaß gegenüber der kreiszylindrischen Grundform 9 aufweisen und langsam bis zu einem Scheitelpunkt zunehmen um dann im selben Maß wieder abnehmen. Durch die Gleichverteilung der Unrundheiten über den Umfang ergibt sich auch hier eine zentrierende Wirkung auf den jeweiligen Zapfen 5, 8.
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5e) zeigt, im Gegensatz zu den zuvor gezeigten Beispielen, die Anordnung einer Unrundheit 10, die durch ein Untermaß des Zapfens und der Ausnehmung gegenüber der kreiszylindrischen Grundform 9 des Zapfens 5, 8 erzeugt ist. Hier nimmt der Radius des Zapfens 5, 8 und der Ausnehmung langsam bis zu einem Tiefpunkt ab um dann im selben Maß wieder zuzunehmen.
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Analog zu den Beispielen der 5b) bis d) können auch mehrere solcher Unrundheiten über den Umfang der kreiszylindrischen Grundform 10 angeordnet sein.
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Die gezeigten Anordnungen von Unrundheiten 10 sind als Ausführungsbeispiele zu verstehen und es können auch andere Anzahlen, Anordnungen und Ausformungen von Unrundheiten 10 gewählt werden.
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6a) und b) zeigt nochmals die Ausführungsformen bezüglich Zapfen 5, 8 und Ausnehmung 6, 7 wie in den 1 und 2 dargestellt, in montiertem Zustand. Zusätzlich weist hier bei diesen beiden Beispielen die Ausnehmung 6, 7 im Vergleich zur axialen Länge des korrespondierende Zapfens 5, 8 eine größere axiale Tiefe auf, so dass ein Hohlraum 12 im Übergang zwischen Laufradnabe 2a und Läuferwellenende 3a ausgebildet ist, der durch die aufgebrochene Darstellung der Laufradnabe bzw. des Läuferwellenendes sichtbar gemacht ist. Dieser Hohlraum 12 wirkt als Wärmedrossel zwischen Turbinenlaufrad 2 und Läuferwelle 3. Dadurch wird der Wärmeübertrag vom Turbinenlaufrad 2 auf die Läuferwelle 3 und somit die thermische Belastung der Läuferwelle 3 selbst und auch der Lagereinheit 15 der Läuferwelle 3 erheblich reduziert.
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7 zeigt eine schematische, vereinfachte Schnittdarstelllung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Abgasturboladers, der im Wesentlichen aus einer Abgasturbine 13, einem Frischluftkompressor 14 und einer dazwischen angeordneten Lagereinheit 15 aufgebaut ist. Der Abgasturbolader ist mit einem Turbinenläufer 1 ausgestattet, der aus dem Turbinenlaufrad 2 und der Läuferwelle 3 zusammengesetzt ist, wobei Turbinenlaufrad 2 und Läuferwelle 3 mittels einer Dreh-Klemm-Verbindung miteinander verbunden sind. Auf der dem Turbinenlaufrad 2 gegenüberliegenden Seite der Läuferwelle ist ein Kompressorlaufrad 14a befestigt, das im Betrieb durch den Turbinenläufer angetrieben wird. Im Betrieb wird ein Abgasmassenstrom AM von einer Verbrennungsmaschine über das Turbinenlaufrad 2 geleitet (durch Pfeile gekennzeichnet), der den Turbinenläufer 1 mit hoher Drehzahl antreibt. Der Turbinenläufer 1 wiederum treibt das Kompressorlaufrad 14a mit gleicher Drehzahl an, wodurch das Kompressorlaufrad 14a einen Frischluftmassenstrom FM (durch Pfeile dargestellt) bei gleichzeitiger Druckerhöhung zur Verbrennungsmaschine fördert.
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8 zeigt schließlich ein vereinfachtes Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines Turbinenläufers 1. Dabei wird in einem ersten Verfahrensschritt S1.2 ein Turbinenlaufrad 2 bereitgestellt, das an seiner Laufradnabe 2a einen Zapfen 5 oder eine Ausnehmung 6 mit einer zylindrischen Grundform 9 und zumindest einer darauf angeordneten Unrundheit 10 aufweist. Parallel dazu wird in einem Schritt 1.1 eine Läuferwelle 3 bereitgestellt, die eine, zum Zapfen 5 oder der Ausnehmung 6 der Laufradnabe 2a, korrespondierende Ausnehmung 7 oder einen korrespondierenden Zapfen 8 mit einer zylindrischen Grundform 9 und zumindest einer darauf angeordneten Unrundheit 10 aufweist. In dem darauffolgenden Verfahrensschritt S2 erfolgt das Ineinanderfügen des Zapfens 5, 8 in die korrespondierende Ausnehmung 6, 7, bei zueinander übereinstimmender Winkellage der Unrundheiten 10. Abschließend erfolgt dann im Verfahrensschritt S3 das Verdrehen von Turbinenlaufrad 2 und Läuferwelle 3, also des Zapfens 5, 8 in der Ausnehmung 6, 7 gegeneinander um einen Montagewinkel α, wodurch die angestrebte Dreh-Klemm-Verbindung hergestellt wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007048789 A1 [0008, 0011]
- DE 69724730 T2 [0014, 0015]
- WO 2008039216 A2 [0015]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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