DE4445297C1 - Laufrad für eine Strömungsmaschine - Google Patents
Laufrad für eine StrömungsmaschineInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Laufrad für eine Strömungs
maschine, insbesondere für einen Radialverdichter,
vorzugsweise mit über seiner Länge ungleicher
Massenverteilung und mit einer Nabe, die vorzugsweise
mittels eines Pressverbands auf einer sie durchgreifenden
Welle aufgenommen ist und im Bereich wenigstens einer
Stirnseite mit einer axial vorstehenden Stufe versehen ist,
die als Sitz für ein mit einer Gegenfläche
versehenes, umlaufendes Zentrierorgan dient.
Eine Anordnung dieser Art ist aus der DE 25 37 538 B2
bekannt. Mit Hilfe der Zentrierung soll verhindert
werden, daß die Nabe im Falle einer durch Fliehkräfte und
Erwärmung verursachten Dehnung den Kontakt mit der Welle
ganz oder teilweise verliert. Diese Gefahr ist vor allem
in dem Bereich mit einer größeren Massenanhäufung
gegeben. Bei der bekannten Anordnung besitzt der
nabenseitige Sitz eine zylindrische Sitzfläche.
Dementsprechend ist auch die Gegenfläche des
Zentrierorgans zylindrisch. Hierbei besteht die Gefahr,
daß, sofern die Zentrierung bereits im Stillstand oder im
Bereich niedriger Drehzahlen wirksam ist, bei höheren
Drehzahlen eine unzulässige Spannungskonzentration
auftreten kann. Wird aber eine derartige, unzulässige
Spannungskonzentration dadurch vermieden, daß im
Sitzbereich zunächst Spiel gegeben ist, wird die
Zentrierung erst im oberen Drehzahlbereich wirksam. Die
bekannte Anordnung erweist sich daher als nicht sicher
und zuverlässig genug.
Die DE-AS 10 36 273 offenbart ein fliegend gelagertes Laufrad, das auf
einem kegelförmigen Wellenstumpf mittels Mutter und zentraler Dehnschraube
befestigt ist. Eine Zentrierung mittels eines umlaufenden Zentrierorgans ist jedoch nicht vorgesehen.
Es ist die Aufgabe der
vorliegenden Erfindung, eine Anordnung eingangs erwähnter
Art mit einfachen und kostengünstigen Mitteln so zu
verbessern, daß bei allen Betriebszuständen eine
Zentrierung gegeben ist, ohne daß eine unzulässige
Spannungskonzentration zu befürchten wäre.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß in überraschend
einfacher Weise
durch die kennzeichnenden Merkmale
des Anspruchs 1 gelöst.
Hiermit lassen sich die eingangs geschilderten Nachteile
vollständig vermeiden. Der Erfindung liegt dabei die
Überlegung zugrunde, daß die Nabe aufgrund von
Fliehkräften und Erwärmung einer radialen Dehnung und
gleichzeitig einer axialen Querkontraktion unterliegt.
Die kegelförmige Sitzausbildung kann hieran angepaßt
werden und läßt so eine radiale Dehnung und axiale
Querkontraktion der Nabe zu, ohne daß das Zentrierorgan
dem folgen muß. Die aneinander anliegenden Kegelflächen
erfahren lediglich eine entsprechende Relativbewegung. Es
ist jedoch sichergestellt, daß die aneinander anliegenden
Kegelflächen im gesamten gegenseitigen Anlagebereich
gleichmäßig tragen, so daß unzulässige Spannungs
konzentrationen unterbleiben. Da die aneinander
anliegenden Kegelflächen bei allen Betriebszuständen
gleichmäßig tragen, können diese Kegelflächen in
vorteilhafter Weise so groß dimensioniert werden, daß
unzulässige Flächenpressungen vermieden werden. Außerdem
besteht hierbei die Möglichkeit, eine bereits im
Stillstand wirksame Vorspannung vorzusehen, was in allen
Betriebszuständen eine hohe Zuverlässigkeit ergibt.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und zweckmäßige
Fortbildungen der übergeordneten Maßnahmen sind in den
Unteransprüchen angegeben. So können der nabenseitige
Sitz und die diesem zugeordnete Gegenfläche einen
Steigungswinkel α aufweisen, der sich nach der Formel
α = arctan (Δr/Δl) berechnet, wobei Δr die unter dem
Einfluß der Fliehkräfte und Erwärmung sich ergebende
Dehnung der Nabe in radialer Richtung und Δl die
gleichzeitig erfolgende Querkontraktion der Nabe in
axialer Richtung sind. Mit diesen Maßnahmen ergibt sich
eine Optimierung der oben geschilderten Vorteile, da hier
der Verlauf der Kegelflächen exakt der Nabenbewegung
folgt.
Eine weitere zweckmäßige Maßnahme kann darin bestehen,
daß das Zentrierorgan als massiver Zentrierring
ausgebildet ist, der auf einem zylindrischen Abschnitt
der Welle aufgenommen ist und eine die Gegenfläche
aufweisende Auskragung aufweist. Diese Maßnahmen
ermöglichen eine einfache Herstellung und Montage.
Eine weitere, besonders zu bevorzugende Maßnahme kann
darin bestehen, daß wenigstens eine der im Bereich des
Sitzes aneinander anliegenden Kegelflächen als aus einem
verstärkten Kunststoff bestehende Gleitfläche ausgebildet
ist. Hierdurch ist nicht nur sichergestellt, daß die
auftretenden Kräfte aufgenommen werden können, sondern
auch, daß ein gegenseitiges Gleiten der aneinander
anliegenden Kegelflächen unter Druck ohne Fressen möglich
ist, wodurch eine zuverlässige Funktionsweise und hohe
Lebensdauer gewährleistet werden.
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 nachstehend beschriebene Zeichnung zeigt einen
Teillängsschnitt durch ein Radialverdichterrad eines
Abgasturboladers.
Der grundsätzliche Aufbau und die Wirkungsweise eines
Abgasturboladers sind an sich bekannt und bedürfen daher
im vorliegenden Zusammenhang keiner näheren Erläuterung
mehr. Ein Abgasturbolader der der Zeichnung zugrunde
liegenden Art besitzt eine in ihrem mittleren
Längsbereich in einem Gehäuse gelagerte Welle 1, die an
ihren über die Lagerung auskragenden Enden ein nicht
näher dargestelltes Turbinenrad und ein in der Zeichnung
schematisch dargestelltes Verdichterrad 2 trägt. Dieses
ist als einflutiges Radialverdichterrad ausgebildet. Das
Verdichterrad 2 besitzt eine umfangsseitig mit Schaufeln
3 versehene, auf der Welle 1 aufgenommene Nabe 4. Der
Durchmesser der Schaufeln 3 und Nabe 4 nimmt über der
Länge zu, so daß sich ein zur Mittelquerebene
unsymmetrischer Längsschnitt und dementsprechend auch eine
über der Länge zunehmende Massenverteilung ergeben.
Die Nabe 4 ist mittels eines konischen Pressverbands mit
der Welle 1 verbunden. Hierzu ist eine konische Büchse 5
vorgesehen, die den Abstand zwischen der Nabenbohrung und
einem konischen Abschnitt der Welle 1 überbrückt. Die
Büchse 5 ist von der Seite des kleineren
Laufraddurchmessers her eingepreßt. Die Länge der Büchse
5 ist kürzer als die Nabenlänge, so daß sich im Bereich
der dem größeren Laufraddurchmesser zugeordneten Seite
ein preßverbandfreier Bereich ergibt.
Im Bereich der inneren, d. h. dem größten Durchmesser
zugeordneten Stirnseite ist die Nabe 4 mit einer
umlaufenden, in axialer Richtung in eine stirnseitige
Ausnehmung 6 vorspringenden Stufe 7 versehen, an der ein
ebenfalls umlaufender, in die Ausnehmung 6 eingreifender
Zentrierring 8 anliegt. Die Umfangsfläche der Stufe 7 ist
als von der benachbarten Stirnseite aus ansteigende
Kegelfläche 9 ausgebildet. Diese bildet einen dem
Zentrierring 8 zugeordneten Kegelsitz. Der Zentrierring 8
ist mit einer die Stufe 7 übergreifenden Auskragung 10
versehen, die eine an der Kegelfläche 9 anliegende
Gegenkegelfläche 11 gleicher Steigung aufweist. Der
Zentrierring 8 ist mit seiner inneren Bohrung auf einem
zylindrischen Abschnitt 12 der Welle 1 aufgenommen und in
axialer Richtung gesichert, wie durch einen Anschlag 13
angedeutet ist. Der Zentrierring 8 bildet somit ein
massives, auf der Welle 1 geführtes, der Nabe 4
zugeordnetes Zentrierorgan.
Im Betrieb unterliegt die Nabe 4 aufgrund von an ihr
angreifenden Fliehkräften und aufgrund von Erwärmung
einer Dehnung in radialer Richtung, wie durch den Pfeil
Δr angedeutet ist. Gleichzeitig unterliegt die Nabe 4
einer Querkontraktion in axialer Richtung wie durch den
Pfeil Δl angedeutet ist. Der Steigungswinkel α der
Kegelfläche 9 bzw. Gegenkegelfläche 11 ist an das
Verhältnis von Δr zu Δl angepaßt. Für den Winkel α
ergibt sich dabei die Formel α = arctan (Δr/Δl).
Diese Dimensionierung des Winkels L stellt sicher, daß
bei allen Betriebszuständen im Bereich des Kegelsitzes
eine exakte gegenseitige Anlage und damit eine
gleichmäßige Kraftverteilung auf die gesamte jeweils
wirksame Fläche gewährleistet sind. Hierdurch wird
erreicht, daß die Nabe 4 durch den Zentrierring 8 in
radialer Richtung in allen Betriebspunkten des gesamten
Drehzahlfeldes wirksam gestützt und zentriert wird.
Hierdurch ist sichergestellt, daß Schlackerbewegungen des
Laufrads 2 aufgrund eines ungleichmäßigen Kraftangriffs
und ein Aufschaukeln dieser Schlackerbewegungen aufgrund
fehlender Zentrierung insbesondere im Bereich des
größeren Durchmessers unterbleiben.
Diese Wirkung wird dadurch begünstigt, daß die
Kegelfläche 9 und/oder die dieser zugeordnete
Gegenkegelfläche 11 als Gleit- und Druckfläche
ausgebildet ist, bzw. sind. Als hierfür geeigneter
Werkstoff kommt verstärkter Kunststoff, beispielsweise
glasfaser- und/oder kohlefaserverstärkter Kunststoff in
Frage. Im dargestellten Beispiel soll einfach der ganze
Zentrierring 8 aus derartigem Werkstoff bestehen, so daß
die an diesen angeformte Gegenfläche 11 automatisch die
gewünschten Gleit- und Trageigenschaften aufweist, so daß
ein Gleiten unter Druck ohne Fressen und gleichzeitig
eine zuverlässige Kraftübertragung gewährleistet sind.
Claims (6)
1. Laufrad für eine Strömungsmaschine, insbesondere für einen Radialverdichter,
vorzugsweise mit über seiner Länge ungleicher Massenverteilung und mit einer
Nabe (4), die vorzugsweise mittels eines Preßverbandes auf einer sie
durchgreifenden Welle (1) aufgenommen ist und im Bereich wenigstens einer
Stirnseite mit einer axial vorstehenden Stufe (7) versehen ist, die als Sitz für ein
mit einer Gegenfläche versehenes umlaufendes Zentrierorgan dient,
dadurch gekennzeichnet, daß der Sitz der Stufe (7) als zur Stirnseite
ansteigende Kegelfläche (9) und die Gegenfläche des Zentrierorgans als
Gegenkegelfläche (11) gleicher Steigung ausgebildet ist, der Steigungswinkel α
von Kegel- und Gegenkegelfläche (9, 11) sich nach der Formel α = arctan
(Δr/Δl) berechnet, wobei Δr die unter dem Einfluß von Fliehkräften und
Erwärmung sich ergebende Dehnung der Nabe (4) in radialer Richtung und Δl
die gleichzeitig erfolgende Querkontraktion der Nabe (4) in axialer Richtung sind.
2. Laufrad nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß das Zentrierorgan als
massiver Zentrierring (8) ausgebildet ist, der auf
einem zylindrischen Abschnitt (12) der Welle (1)
aufgenommen ist und eine die Gegenkegelfläche (11)
aufweisende Auskragung (10) aufweist.
3. Laufrad nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß das Zentrierorgan mit
Vorspannung an der nabenseitigen Kegelfläche (9)
anliegt.
4. Laufrad nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine der
aneinander anliegenden Kegelflächen (9, 11) als
Gleit- und Tragfläche ausgebildet ist.
5. Laufrad nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß
die Gleit- und Tragfläche aus verstärktem,
vorzugsweise faserverstärktem Kunststoff besteht.
6. Laufrad nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß
der Zentrierring (8) zumindest an seiner Gleitfläche
aus verstärktem, vorzugsweise faserverstärktem
Kunststoff besteht.
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Date | Code | Title | Description |
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8100 | Publication of the examined application without publication of unexamined application | ||
D1 | Grant (no unexamined application published) patent law 81 | ||
8364 | No opposition during term of opposition | ||
8327 | Change in the person/name/address of the patent owner |
Owner name: MAN DIESEL SE, 86153 AUGSBURG, DE |
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R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee |
Effective date: 20110701 |