EP1704304B1 - Schaufellagerring eines turboladers eines kraftfahrzeug-verbrennungsmotors - Google Patents
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- F05D2220/40—Application in turbochargers
Definitions
- the invention relates to a blade bearing ring of a turbocharger with turbine blades adjustable in the blade bearing ring according to the preamble of patent claim 1.
- a suitably suitable material must have a sufficient creep resistance, high dimensional stability, by which a thermal distortion is avoided even at high temperatures on the blade bearing ring, a high wear resistance and a sufficient oxidation resistance. If it comes to delay, creep or a strong oxidation of a generic blade bearing ring, this can lead to the blocking of the turbine vanes, that is, the turbocharger cross-section can no longer be adapted to the driving condition of the engine by a vane adjustment.
- EP 1396620 discloses a turbocharger exhaust system including a vane bearing ring having improved heat resistance thanks to an alloy wherein the nonmetallic alloy components are not more than 0.1% by weight.
- the invention is concerned with the problem of designing generic blade bearing rings materially reliable for use at extremely high temperatures.
- a high creep resistance and high strength at temperatures above 850 ° C is desired.
- the mobility of the turbine blades in the generic blade bearing ring should be absolutely guaranteed.
- the invention is based on the general idea that in higher performance engines, in particular the creep resistance and strength of a blade bearing ring material, increased requirements are met by an austenitic iron material having a sulfur content causing a solid lubricant property to which high melting alloying elements are added, these alloying elements being present singly or in the presence several of these elements should occupy a proportion by weight of at least one percent by weight up to six percent by weight.
- This diagram shows the coefficient of thermal expansion of alloys A and B as a function of temperature.
- the ordinate represents the hot hardness (in HV10) as a function of the temperature for alloys A and B.
- the ordinate shows the hardness (in HB 2.5 / 187.5) of the alloys A and B after 2 hours aging and air cooling as a function of the temperature.
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Description
- Die Erfindung betrifft einen Schaufellagerring eines Turboladers mit in dem Schaufellagerring verstellbaren Turbinenschaufeln nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
- Bei modernen Hochleistungsmotoren werden an einen dauerhaft funktionsfähigen Schaufellagerring, wie er beispielsweise als Bauteil 38 bei einem Turbolader nach
US 4,643,640 eingesetzt ist, äußerst hohe Materialanforderungen gestellt. Ein entsprechend geeignetes Material muss einen ausreichenden Kriechwiderstand, eine hohe Maßstabilität, durch die ein thermischer Verzug auch bei hohen Temperaturen an dem Schaufellagerring vermieden wird, eine hohe Verschleißfestigkeit sowie eine ausreichende Oxidationsbeständigkeit besitzen. Falls es zu Verzug, Kriechen oder einer starken Oxidation eines gattungsgemäßen Schaufellagerringes kommt, so kann dies zum Blockieren der Turbinen-Leitschaufeln führen, das heißt der Turboladerquerschnitt kann nicht mehr an den Fahrzustand des Motors durch eine Leitschaufelverstellung angepasst werden. - Als Schaufellagerringe werden bisher hauptsächlich ferritische Werkstoffe, die einen hohen Anteil an Chrom und Chromkarbiden enthalten, eingesetzt. Bei thermisch höher belasteten Schaufellagerringen werden austenitische Materialien, die Chromkarbide enthalten, verwendet. Eine derartige Legierung enthält beispielsweise folgende Anteile in jeweils Gewichtsprozent angegeben: C = 0,4 - 0,7, Cr = 18 - 21, Ni = 12 - 14, S = 0,2 - 0,4, Si = 1,8 - 2,2 mit Rest Eisen und unspezifizierten Legierungsbestandteilen bzw. Verunreinigungen bis zu 3 %. Eine solche Legierung wird nachfolgend als Legierung PL 23 bezeichnet.
-
EP 1396620 offenbart eine Turboladerauspuffanlage samt Schaufellagerring mit verbesserter Wärmebeständigkeit dank einer Legierung wobei die nichtmetallischen Legierungskomponenten nicht mehr als 0,1% - Gewicht betragen. - Die Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, gattungsgemäße Schaufellagerringe werkstoffmäßig für einen Einsatz bei extrem hohen Temperaturen funktionssicher auszulegen. Insbesondere wird ein hoher Kriechwiderstand und eine hohe Festigkeit bei Temperaturen von oberhalb 850° C angestrebt. Insbesondere bei derart hohen Temperaturen soll die Beweglichkeit der Turbinenschaufeln in dem gattungsgemäßen Schaufellagerring absolut sichergestellt sein.
- Gelöst wird diese Aufgabe durch einen gattungsgemäßen Schaufellagerring mit einer Legierungszusammensetzung nach dem kennzeichnenden Merkmal des Anspruchs 1.
- Besonders vorteilhafte Schaufellagerlegierungen sind Gegenstand der Unteransprüche, wobei sich die Legierungen nach den Ansprüchen 3 und 4 als eine besonders gute Lösung herausgestellt haben.
- Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, die bei leistungsgesteigerten Motoren an insbesondere die Kriechbeständigung und Festigkeit eines Schaufellagerringmaterials gestiegenen Anforderungen durch einen austenitischen Eisenwerkstoff mit einem eine feste Schmierstoffeigenschaft bewirkenden Schwefelanteil zu erfüllen, dem hochschmelzende Legierungselemente zugesetzt sind, wobei diese Legierungselemente einzeln oder bei einem Vorhandensein mehrerer dieser Elemente einen Gewichtsanteil zwischen mindestens einem Gewichtsprozent bis zu sechs Gewichtsprozenten einnehmen sollen.
- Eine erfindungsgemäß erreichbare, erhöhte Kriechbeständigkeit des Schaufellagerringwerkstoffes bedingt bei höheren Temperaturen eine hohe Maßstabilität der Schaufellagerringe. Durch die Festschmierstoffwirkung, die von dem Schwefelanteil innerhalb der Legierung ausgeht, besteht eine gute Schmierung an insbesondere der Kontaktfläche zwischen dem Schaufellagerring und einer in diesem gelagerten Turbinenschaufel. Bei einem erfindungsgemäßen Materialeinsatz wird ein Blockieren der Turbinenschaufeln, das heißt der Leitschaufeln, bei hohen Temperaturen sicher vermieden.
- In der Zeichnung sind einige Eigenschaftsdiagramme für erfindungsgemäße Schaufellagerringmaterialien angegeben. Die in den einzelnen Diagrammen angegebenen Kurven betreffen soweit sie mit A bezeichnet sind, einen Werkstoff nach Anspruch 3 und soweit sie mit B bezeichnet sind, einen Werkstoff nach Anspruch 4.
- Diese Diagramme zeigen das Kriechverhalten der Legierungen A und B bei einer stufenförmigen Belastung eine Probe in Schritten von 2 MPa, einer Haltedauer von 35 sec und bei einer Messung der Kriechrate in den letzten 5 sec der Haltedauer und zwar in Teil a für ein Kriechverhalten bei 700° C und in Teil b für ein Kriechverhalten bei 900° C.
- In diesem Diagramm sind aufgetragen der Elastizitätsmodul E sowie der Schubmodul G der Legierungen A und B in Abhängigkeit der Temperatur.
- Dieses Diagramm zeigt den thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Legierungen A und B in Abhängigkeit der Temperatur.
- Bei diesem Diagramm ist in der Ordinate die Warmhärte (in HV10) in Abhängigkeit der Temperatur bei den Legierungen A und B aufgetragen.
- Auf der Ordinate ist die Härte (in HB 2,5/187,5) der Legierungen A und B nach einer Auslagerung von jeweils 2 Stunden und einer Luftabkühlung in Abhängigkeit der Temperatur gezeigt.
- Diese Fig. enthält eine Tabelle in der für die Legierungen A und B jeweils bei Raumtemperatur angegeben sind Werte für p = Dichte, λ = Wärmeleitfähigkeit, Rp02 = Dehngrenze, Rm = Zugfestigkeit, E = Elastizitätsmodul.
- Alle in der Beschreibung und in den nachfolgenden Ansprüchen dargestellten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Form miteinander erfindungswesentlich sein.
Claims (3)
- Schaufellagerring eines Turboladers mit variabler Turbinengeometrie und hierzu in dem Schaufellagerring verstellbaren Turbinenschaufeln eines Kraftfahrzeug-Verbrennungsmotors, bestehend aus einer austenitischen Eisenmatrix-Legierung- mit einem zur Erzielung einer Feststoffschmierwirkung an seinen Lagerflächen ausreichenden Schwefelanteil und,- mit einem Anteil von 1 bis 6 Gewichts-% eines oder mehrerer der Legierungselemente Wolfram (W), Cobald (Co), Niob (Nb), Rhenium (Re), Molybdän (Mo), Tantal (Ta), Vanadium (V), Hafnium (Hf), Yttrium (Y), Zirconium (Zr) und/oder vergleichbar hochschmelzender Legierungselemente,und mit der folgenden Legierungszusammensetzung mit Angaben der einzelnen Legierungselemente jeweils in Gewichts-%
C = 0,4 - 0,6 Cr = 18 - 27 Nb = 1,4 - 1,8 Ni = 12 - 22 S = 0,2 - 0,5 Si = 2,9 - 3,2 W = 2,4 - 2,8 Rest = Eisen - Schaufellagerring nach Anspruch 1, mit der folgenden Legierungszusammensetzung mit Angaben der einzelnen Legierungselemente jeweils in Gewichts-%
C = 0,4 - 0,6 Cr = 18,5 - 20,5 Nb = 1,4 - 1,8 Ni = 12,5 - 14 S = 0,25 - 0,45 Si = 2,9 - 3,15 W = 2,4 - 2,8 Rest = Eisen - Schaufellagerring nach Anspruch 1, mit der folgenden Legierungszusammensetzung mit Angaben der einzelnen Legierungselemente jeweils in Gewichts-%
C = 0,4 - 0,6 Cr = 24,5 - 26,5 Nb = 1,4 - 1,8 Ni = 19,5 - 21,5 S = 0,25 - 0,45 Si = 2,9 - 3,15 W = 2,4 - 2,8 Rest = Eisen
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