DE19736333C1 - Befestigung eines Laufrades einer Strömungsmaschine an einer Welle - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Befestigung eines überwiegend radial durchströmten Verdichterlaufrades gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Üblicherweise wird eine derartige Befestigung eines Laufrades auf einer Antriebsweile direkt oder über eine Hülse hergestellt. Eine Befestigung dieser Art ist beispielsweise aus der DE 44 45 297 C1 bekannt. Das Laufrad weist eine über seine Länge ungleiche Massenverteilung auf. Dabei ist die Nabe des Laufrades mittels eines konischen Preßverbandes mit der Welle verbunden. Hierzu ist eine konische Hülse vorgesehen, die den Abstand zwischen der Nabenbohrung und einem konischen Abschnitt der Welle überbrückt. Das Laufrad ist mit einer verlängerten Nabe ausgeführt, so daß ein Zentrierorgan an der Verlängerung die Befestigung unterstützen kann.

Bei derartigen Laufrädern, wie sie beispielsweise bei Abgasturboladern mit einflutigen Radialverdichtern Verwendung finden, führen die bei hohen Drehzahlen auftretenden Fliehkräfte zu einer Dehnung der Nabe. Die Fliehkräfte und die Dehnung nehmen dabei mit zunehmender Drehzahl und mit zunehmendem Durchmesser zu. Die Folge davon ist die Gefahr des Kontaktverlustes von Nabe und Welle.

Im besonderen Maße trifft dies bei Laufrädern aus Leichtmetall, wie beispielsweise Aluminium, zu. Bei hohen Drehzahlen und Erwärmung treten bei solchen Laufrädern Auftweitungen der Naben auf, die dann zu Unwuchterscheinungen führen, bzw. die Nabe ganz oder teilweise von der Welle oder eingesetzten Hülse abhebt.

Wegen des im Vergleich zu Stahl niedrigeren Elastizitätsmoduls der Leichtmetalle ist es nicht möglich, eine eingesetzte konische oder zylindrische Hülse, die direkt auf der Welle gelagert ist, so stark vorzuspannen, daß ein Abheben der Nabe sicher vermeidbar ist.

Durch die Nabenverlängerung gemäß der DE 44 45 297 C1 in Verbindung mit dem Zentrierorgan kann zwar einer Dehnung der Nabe entgegengewirkt werden, jedoch ist diese Maßnahme mit einem höheren Platzbedarf verbunden und führt in manchen Fällen zu einer unerwünschten Vergrößerung des Abstandes zwischen dem Laufrad und dem Wellenlager.

Auch die US 4,060,337 behandelt eine Gasturbine mit einem Verdichter und einer Dichtanordnung, die ein auskragendes Ende einer Hülse umfaßt, die mit Preßsitz in der Nabe des Verdichterlaufrades sitzt. Das Vorsehen der Dichtanordnung ist wiederum mit einem vergleichsweise hohen Platzbedarf verbunden.

Hiervon ausgehend ist es daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Befestigung von Laufrädern eingangs erwähnter Art mit einfachen und kostengünstigen Mitteln so auszubilden, daß trotz kompakter Bauweise auch bei hohen Drehzahlen und Verwendung von Leichtmetallen, ein sicherer, unwuchtfreier Sitz zwischen Laufradnabe und Antriebswelle garantiert ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß in überraschend einfacher Weise durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Hiermit lassen sich die eingangs geschilderten Nachteile vollständig vermeiden. Es werden also mit der erfindungsgemäßen Verbindung größere Auslenkungen der Nabe gegenüber der Welle verhindert, bzw. sichergestellt, das auch bei der größten auftretenden Dehnung der Nabe eine Vorspannung zwischen Nabe und Hülse erhalten bleibt.

Gleichzeitig ist sichergestellt, daß die Hülse bei Verformung Energie aufnimmt und daher in vorteilhafterweise dämpfend auf elastische Stöße wirkt, so daß ein Aufschaukeln der Auslenkungen des Laufrades unterbleibt und damit ein ruhiger Lauf sowie eine Schonung des Sitzes erreicht werden.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und zweckmäßige Fortbildungen der übergeordneten Maßnahmen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Bei unsymmetrischen, insbesondere überwiegend radial durchströmten Laufrädern eines Verdichters, d. h. bei Laufrädern mit über die Länge ungleicher Massenverteilung, in der Weise, daß der Durchmesser in Strömungsrichtung zunimmt, ist in vorteilhafterweise der Teil der Hülse, der den Preßsitz für die Nabe bietet, im Bereich des kleineren Durchmessers des Laufrades angeordnet.

Eine weitere zweckmäßige Maßnahme kann darin bestehen, daß am Übergangsbereich vom Preßsitz für die Nabe zum preßsitzfreien Bereich der Hülse in der Nabenbohrung eine ringförmige Entlastungsnut eingebracht ist.

Der Preßsitz der Hülse auf der Welle (Bereich b) kann mittels zylindrischer Welle und zylindrischer Hülsenbohrung erfolgen, also durch eine kraftschlüssige Verbindung hergestellt sein. Zum gleichen Zweck kann die Welle abschnittsweise konisch ausgeführt sein und mit entsprechender komplementär konischer Hülsenbohrung zusammenwirken.

Eine weitere zweckmäßige Maßnahme kann darin bestehen, den Preßsitz der Hülse auf der Welle dadurch zu realisieren, ein Keilverbindung herzustellen, in dem eine zusätzliche konische Hülse zwischen der die Nabenbohrung durchgreifenden Hülse und der Welle eingepreßt wird.

Der Preßsitz der Nabe auf der Hülse (Bereich a) zur Drehmomentübertragung kann ebenfalls infolge der Verspannung der Hülse mittels einer Reibschlußverbindung realisiert sein. Dazu kann die Oberfläche des entsprechenden Hülsenteils entweder zylindrisch oder auch konisch geformt sein und mit einer entsprechend komplementär geformten zylindrischen oder konischen Innenfläche der Nabenbohrung zusammenwirken.

In weiterer Fortbildung der übergeordneten Maßnahmen kann die Drehmomentübertragung von der Welle zum Laufrad auch mittels eines Formschlußes zwischen Welle und Hülse und zwischen Hülse und Nabe des Laufrades zusätzlich gesichert werden.

Eine bevorzugte Ausbildung dieser Fortbildung ist eine Mitnehmerverbindung. Dazu weist das Wellenendstück, das für den Preßsitz der Hülse vorgesehen ist, einen keilwellenförmigen Ansatz auf, der in den Teil der Hülsenbohrung, deren Ummantelung für den Preßsitz der Nabe auf der Hülse vorgesehen ist, hineinragt. Ein koaxial zur Hülsenbohrung verlaufendes hülsenförmiges Mitnehmerelement weist beispielsweise eine Anzahl von Nuten auf, in die eine entsprechende Anzahl Leisten des keilwellenförmigen Ansatzes der Welle eingreifen. Am aus der Hülse austretenden Ende des Mitnehmerelementes ist ein klauenartiger Ansatz vorgesehen, dessen Klauen in entsprechende Ausnehmungen im Laufrad einlegbar sind.

Durch die erfindungsgemäße Befestigung des Laufrades an der Welle wird sichergestellt, daß auch bei der größten auftretenden Dehnung der Nabe eine Vorspannung, d. h. eine kraftschlüssige Verbindung erhalten bleibt.

Durch die fortbildenden Maßnahmen wird erreicht, daß das Laufrad auch bei hohen Drehzahlen formschlüssig mit der Welle verbunden bleibt, ohne daß die Baulänge, insbesondere der Abstand zum Lager vergrößert wird. Außerdem wird das Gewicht der Welle und der Elemente zur Drehmomentübertrgung und Befestigung eines fliegend angeordneten Laufrades auf der dem Lager gegenüberliegenden Seite reduziert, womit die biegekritische Drehzahl des gesamten Rotors ansteigt.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und zweckmäßige Fortbildungen der übergeordneten Maßnahmen sind in den restlichen Unteransprüchen angegeben und aus der nachstehenden Beispielsbeschreibung anhand der Zeichnung entnehmbar.

Die Zeichnung zeigt:

Fig. 1: einen Teillängsschnitt durch einen Abgasturbolader mit einflutigen Radialverdichterlaufrad,

Fig. 2: einen weiteren Teillängsschnitt durch einen Abgasturbolader gemäß der Fig. 1, in der ein Formschluß zwischen Laufrad und Welle vorgesehen ist,

Fig. 3: ein Diagram zur Darstellung der Vorspannung zwischen Laufrad und Hülse.

Der grundsätzliche Aufbau und die Wirkungsweise eines Abgasturboladers sind ansich bekannt und bedürfen daher im vorliegenden Zusammenhang keiner näheren Erläuterung mehr. Der der Zeichnung gemäß Fig. 1 und 2 zugrunde liegende Abgasturbolader besitzt eine in ihrem mittleren Längsbereich im Maschinengehäuse gelagerte Welle 2, die an ihrem über die Lagerung auskragenden Enden einerseits an hier nicht näher dargestelltes Turbinenlaufrad und andererseits ein Verdichterlaufrad 3 trägt. Dieses ist hier als Radialverdichterlaufrad ausgebildet, das eine zentrale Nabe 4, 11 und auf dieser angeordnete Schaufeln 5 aufweist.

Die Strömung wird durch das Laufrad 3 von der axialen Richtung in die radiale Richtung umgelenkt. Dem entsprechend nimmt der Durchmesser der Nabe 4, 11 und der Schaufeln 5 in Strömungsrichtung zu, so daß sich ein zur Mittelquerachse des Laufrades 3 unsymmetrischer Längsschnitt und damit auch ein hierzu unsymmetrische Massenverteilung mit einer Massenanhäufung im Bereich des von der Einlaßseite abgewandten Endes der Nabe 4, 11 ergibt.

Die Nabe 4, 11 ist mittels eines Preßsitzes mit der Welle 2 verbunden. Hierzu ist eine zylindrische Hülse 6, 12 vorgesehen, die in ihrer Länge in drei Bereiche a, b und c aufgeteilt ist. Im Nabenbereich des kleineren Durchmessers des Laufrades bietet ein erster Teil (Bereich a) der Hülse 6, 12 einen Preßsitz für die Nabe 4, 11. Im zweiten, wellenlagernahen Teil (Bereich b) der Hülse 6, 12 ist diese mittels Preßsitz von der Welle 2 aufgenommen. Ein dritter Teilbereich (Bereich c) der Hülse 6, 12, der Teil a mit Teil b verbindet, ist sowohl bezüglich der Nabe 4, 11, als auch bezüglich der Welle 2 preßsitzfrei.

Die Hülse 6 (Fig. 1) weist an ihrem Außenumfang über einen Teil ihrer Länge, der den Teil b für den Preßsitz auf der Welle 2 und den preßsitzfreien Bereich c der Hülse umfaßt, eine den Außendurchmesser verringernde Stufe auf, mit dieser ein Abstand 7 zwischen der Innenfläche der Nabe 4 und dem Außenumfang der Hülse 6 erzielt wird, so daß sich dort zur Innenfläche der Nabe 4 ein preßsitzfreier Bereich ergibt. Selbstverständlich wäre dieser Abstand 7 zwischen der Innenfläche der Nabe 4 und dem Außenumfang der Hülse 6 mittels einer den Innendurchmesser der Nabenbohrung vergrößernde Stufe erzielbar.

Am Übergangsbereich von der Preßverbindung der Nabe 4, 11 mit Hülse 6, 12 (Bereich a) zum preßsitzfreien Bereich c der Hülse 6, 12 ist in der Nabenbohrung eine ringförmige Entlastungsnut 8 eingebracht.

Auf das freie Ende der Nabe 4 (Fig. 1) ist ein deckelartiges Ansatzstück 9, vorzugsweise mittels einer Dehnschraube 10, die in die Stirnseite des freien Wellenzapfens 2 greift, geschraubt, so daß das Ansatzstück 9 das Laufrad 3 gegen eine Verdickung 1 der Welle 2 oder ein anderes mit der Welle 2 rotierendes Bauelement preßt, um eine Axialverschiebung des Laufrades 3 einschließlich Hülse 6 auf dem Wellenzapfen 2 zu verhindern.

In Fig. 2 ist ein Laufrad 3 gemäß der Fig. 1 gezeigt, dessen Preßsitz auf der Welle 2 mittels einer analog zur Fig. 1 in drei Bereiche a, b und c aufgeteilten Hülse 12 realisiert ist (gleiche Teile sind analog zur Fig. 1 bezeichnet), wobei allerdings der Preßsitz (Bereich a) der Nabe 11 auf der Hülse 12 eine konische Preßsitzausbildung aufweist, während die Nabenbohrung im Bereich b und c der Hülse 12 mit einem leicht kegeligem Verlauf ausgeführt ist, so daß zwischen der Innenfläche der Nabe 11 und dem Außenumfang der Hülse 12 ein Abstand 7 analog zum Ausführungsbeispiel gemäß der Fig. 1 erzielt wird.

Zur erfindungsgemäßen Preßsitzverbindung von Welle 2 und Nabe 11 hinzukommend ist zur Drehmomentübertragung ein Formschluß zwischen Welle 2 und Hülse 12 und zwischen Hülse 12 und Nabe 11 des Laufrades 3 vorgesehen.

Dazu weist das Wellenendstück 2 einen keilwellenförmigen Ansatz 13 auf, der in den Teil der Hülsenbohrung, deren Ummantelung (Bereich a) für den Preßsitz der Nabe 11 auf der Hülse 12 vorgesehen ist, hineinragt. Ein koaxial zur Hülsenbohrung verlaufendes hülsenförmiges Mitnehmerelement 14 weist eine Anzahl von Leisten 21 auf, die in eine entsprechende Anzahl von Nuten 20 des keilförmigen Ansatzes 13 der Welle 2 eingreifen. Am aus der Hülse 12 austretenden Ende des Mitnehmerelementes 14 ist ein klauenartiger Ansatz 15 vorgesehen, dessen Klauen 16 in entsprechende Ausnehmungen in der Laufradnabe 10 eingreifen.

Fig. 3 zeigt qualitativ wie die Vorspannung sich entsprechend der Nabendehnung im Vergleich des Preßsitzes mit herkömmlicher Befestigung mit der erfindungsgemäßen Befestigung des Laufrades auf der Welle ändert. Die Abszisse steht für die radiale Dehnung der Nabe, auf der Ordinate ist der Fugendruck auf die Nabe aufgetragen.

Eine massive Welle ist sehr steif, was zur Folge hat, daß ausgehend von einer Vorspannung entsprechend dem Wert A1 schon bei einer Dehnung der Nabe um den Wert B1 und darüber die Vorspannung verschwindet.

Gemäß der Erfindung wird eine Hülse verwendet, die auf einem Teil ihrer Länge das Laufrad trägt, mit einem anderen Teil ihrer Länge auf der Welle gelagert ist und bei der mittels eines dazwischen liegenden Teiles ihrer Länge, der weder mit der Nabe des Laufrades noch mit der Welle direkt in Verbindung steht, die unter Außendruck und unter Innendruck stehenden Teile überbrückt werden.

Mit dieser Hülse läßt sich durch die Wahl der Wandstärke die Neigung einer Geraden A2-B2 in der Weise beeinflußen, da auch bei der größten auftretenden Dehnung der Wert B2 nicht erreicht wird und eine Vorspannung erhalten bleibt.

Claims (9)

1. Befestigung eines überwiegend radial durchströmten Verdichterlaufrades für eine Strömungsmaschine, das eine über die Länge ungleiche Massenverteilung, in der Weise, daß der Durchmesser in Strömungsrichtung zunimmt, aufweist, an einem Wellenzapfen, dessen Nabe mittels eines Preßsitzes auf dem sie durchgreifenden Wellenzapfen aufgenommen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Preßsitz zwischen Wellenzapfen (2) und Nabe (4, 11) des Laufrades (3) mittels einer in der Länge und innerhalb der Nabe (4, 11) in mindestens drei Bereiche (a, b und c) aufgeteilten Hülse (6, 12) hergestellt ist, derart, daß einerseits ein erster Teil ihrer Länge (Bereich a) im Bereich des kleineren Durchmessers des Laufrades (3) einen Preßsitz für die Nabe (4, 11) bietet, andererseits ein zweiter wellenlagernaher Teil ihrer Länge (Bereich b) mittels Preßsitz vom Wellenzapfen (2) aufgenommen ist und ein dritter dazwischen liegender, sowohl bezüglich der Nabe (4, 11) als auch bezüglich dem Wellenzapfen (2) preßsitzfreier Teil (Bereich c) vorgesehen ist, der den Hülsenteil (a) für den Preßsitz der Nabe (4, 11) und den Hülsenteil (b) für den Preßsitz auf dem Wellenzapfen (2) verbindet.

2. Befestigung eines Laufrades nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Preßsitz der Hülse (6, 12) auf der Welle (2) eine zylindrische Preßsitzausbildung aufweist.

3. Befestigung eines Laufrades nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Preßsitz der Hülse auf der Welle eine konische Preßsitzausbildung aufweist.

4. Befestigung eines Laufrades nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse (6) an ihrem Außenumfang über einen Teil ihrer Länge, der den Bereich (b) für den Preßsitz auf der Welle (2) und den preßsitzfreien Bereich (c) umfaßt, eine den Außendurchmesser verringernde Stufe zur Bildung eines Abstandes (7) zwischen der Innenfläche der Nabe (4) und dem Außenumfang der Hülse (6) aufweist.

5. Befestigung eines Laufrades nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Preßsitz der Nabe (4) auf der Hülse (6) eine zylindrische Preßsitzausbildung aufweist.

6. Befestigung eines Laufrades nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Preßsitz der Nabe (11) des Laufrades (3) auf der Hülse (12) eine konische Preßsitzausbildung aufweist.

7. Befestigung eines Laufrades nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Formschluß zwischen Welle (2) und Hülse (12) und zwischen Hülse (12) und Nabe (11) des Laufrads (3) zur Drehmomentübertragung vorgesehen ist.

8. Befestigung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Formschluß zwischen Welle (2) und Laufrad (3) als eine Mitnehmerverbindung (13 bis 16) mit Formschluß zur Welle (2) und Laufrad (3) ausgebildet ist (Fig. 2).

9. Befestigung eines Laufrades nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß am Übergangsbereich vom Preßsitz für die Nabe (4, 11) (Bereich a) zum preßsitzfreien Bereich (c) der Hülse (6, 12) in der Nabenbohrung eine ringförmige Entlastungsnut (8) vorgesehen ist.