DE4445297C1 - Laufrad für eine Strömungsmaschine - Google Patents

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.