DE3039961A1 - Exhaust turbocharger with ceramic turbine shaft - has ceramic shaft connected to metal compressor shaft with radial bearings - Google Patents
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Abstract
Description
Laufzeug für eine Gasturbinenanlage, insbeson- Rotary gear for a gas turbine plant, in particular
dere für einen Abgasturbolader eines Fahrzeugantriebs Die Erfindung bezieht sich auf ein Laufzeug für eine Gasturbinenanlage, insbesondere für einen Abgasturbolader eines Fahrzeugantriebs, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. those for an exhaust gas turbocharger of a vehicle drive. The invention relates to a rotor for a gas turbine plant, in particular for one Exhaust gas turbocharger of a vehicle drive, according to the preamble of the claim 1.
Um bei thermischen Strömungsmaschinen, wie zum Beispiel bei Gasturbinen und dabei insbesondere bei Abgasturboladern,zwecks Anhebung des Gesamtwirkungsgrades mit höheren Betriebstemperaturen arbeiten und durch Reduzierung des Massenträgheitsmomentes das Ansprechverhalten verbessern zu können, ist es bereits bekannt, die Turbinenräder aus keramischen Werkstoffen, wie zum Beispiel Siliziumnitrid oder 6iliziumkarbid,herzustellen. Für die Verbindung dieser keramischen Bauteile mit den üblicherweise aus metallischen Werkstoffen bestehenden zugehörigen Wellen sind auch schon Verbindungen mittels Lötung vorgeschlagen worden (Patentanmeldungen P 28 22 627.9 und P 28 45 716.1), die direkt oder unter Zwischenschaltung eines federnd elastischen Verbindungsteils zwischen einem dem keramischen Wellenteil zugehörigen Wellenzapfen und einem diesen umschließenden metallischen Wellenteil vorgesehen sind. Bei solchermaßen aufgebauten Laufzeufflen wird die Verbindung zwischen dem keramischen Turbinenrad und der metallischen Welle im heißen Bereich des Läufers zwischen dem turbinenseitigen Lager und dem Turbinenrad vollzogen. Die Verbindung muß daher hochtemperaturbeständig sein und zum Beispiel durch besondere Lötverfahren ausgeführt sein. Derartige Verbindungen sind jedoch wegen der unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten der keramischen und der mettallischen Werkstoffe problematisch.To with thermal turbomachines, such as gas turbines and especially in the case of exhaust gas turbochargers, in order to increase the overall efficiency work with higher operating temperatures and by reducing the mass moment of inertia To be able to improve the response behavior, it is already known, the turbine wheels from ceramic materials such as silicon nitride or silicon carbide. For the connection of these ceramic components with those usually made of metallic Associated shafts of existing materials are also already connections by means of Soldering has been proposed (patent applications P 28 22 627.9 and P 28 45 716.1), directly or with the interposition of a resiliently elastic connecting part between a shaft journal belonging to the ceramic shaft part and one of these surrounding metallic shaft part are provided. With such a structure The connection between the ceramic turbine wheel and the metallic shaft in the hot area of the rotor between the turbine-side Bearing and the turbine wheel completed. The connection must therefore be resistant to high temperatures and be carried out, for example, by special soldering processes. Such connections are due to the different expansion coefficients of the ceramic and the metallic materials problematic.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Laufzeug für eine Gasturbinenanlage der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem die Probleme der unterschiedlichen Ausnehmungskoeffizienten der metallischen und keramischen Werkstoffe weitgehend vermieden werden und bei dem Vorsorge dafür getroffen wird, daß keine für das keramische Bauteil kritischen Punktlasten auftreten.The invention is therefore based on the object of a rotor for a To create gas turbine plant of the type mentioned, in which the problems of different recess coefficients of the metallic and ceramic materials largely avoided and where precautions are taken that none critical point loads occur for the ceramic component.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt gemäß dem Kennzeichen des Patentanspruchs 1. Dadurch, daß die Lagerung der Turbinenwelle in dem Bereich des keramischen Wellenteils vorgenommen wird und die Verbindung zwischen dem keramischen und metallischen Wellenteil auf der dem Verdichterrad zugewandten Seite der Lager erfolgt, wird diese kritische Verbindungsstelle in den relativ kalten Bereich der Anlage verlegt, in dem wegen der niedrigeren Temperaturen kaum noch mit Schwierigkeiten aufgrund der unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten der keramischen und metallischen Werkstoffe zu rechnen ist. Dies ermöglicht es nun auch, die Verbindung nicht nur durch Löten, sondern vorzugsweise auch durch Kleben herzustellen, was bei einer Verbindung der Bauteile im Bereich des heißen, turbinenseitigen Endes der Turbinenwelle nicht möglich wäre.This problem is solved in accordance with the characterizing part of the patent claim 1. The fact that the bearing of the turbine shaft in the area of the ceramic shaft part is made and the connection between the ceramic and metallic shaft part takes place on the side of the bearings facing the compressor wheel, this becomes critical Connection point relocated to the relatively cold area of the system in which due to the lower temperatures hardly any more difficulties due to the different Expansion coefficients of the ceramic and metallic materials to be calculated is. This now also makes it possible to make the connection not just by soldering, but preferably also to be produced by gluing, which is the case when the components are connected would not be possible in the area of the hot, turbine-side end of the turbine shaft.
Eine besonders zweckmäßige Ausgestaltung der Verbindungsstelle ergibt sich gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung dadurch, daß vorzugsweise im metallischen Teil Ringnuten angebracht sind. Dadurch wird erreicht, daß einerseits genügend Verbindungsmittel, beispielsweise Klebstoff, in die Verbindung eingebracht werden kann und andererseits eine genaue Zentrierung beider Teile bei Einhaltung relativ enger Toleranzen ermöglicht wird.A particularly expedient configuration of the connection point results according to a further feature of the invention characterized in that preferably in the metallic Part of the ring grooves are attached. This ensures that, on the one hand, sufficient fasteners for example glue, can be introduced into the connection and on the other hand allows precise centering of both parts while maintaining relatively tight tolerances will.
Um zu verhindern, daß das Verdichterrad bei seiner Montage direkt gegen eine Schulter des keramischen Wellenteils gespannt wird, was ungünstige Belastungen der Keramik sowie der Verbindungsstelle zwischen dem keramischen und dem metallischen Werkstoff zur Folge hätte, und um besonders große Lagerdurchmesser zu vermeiden, ist gemäß einem weiteren Vorschlag der Erfindung eine an einem vor dem hülsenförmigen Endbereich liegenden Wellenabsatz des metallischen Wellenteils anliegende Haltebuchse vorgesehen, gegen die das Verdichterrad bei der Montage spannbar ist. Diese Haltebuchse kann zweckmäßigerweise auch eine Ringnut zum Eingriff einer gegenüber dem feststehenden Gehäuse fixierten Axiallagerscheibe aufweisen, so daß gleichzeitig die Funktion des rotierenden Teils des Axiallagers übernommen wird.In order to prevent the compressor wheel during its assembly directly is tensioned against a shoulder of the ceramic shaft part, causing unfavorable loads the ceramic and the junction between the ceramic and the metallic Material, and in order to avoid particularly large bearing diameters, is according to a further proposal of the invention one at a front of the sleeve-shaped End area lying shaft shoulder of the metallic shaft part abutting retaining bush provided against which the compressor wheel can be clamped during assembly. This retaining sleeve can expediently also have an annular groove for engaging one opposite to the stationary one Housing fixed axial bearing washer, so that at the same time the function of the rotating part of the axial bearing is taken over.
In der Zeichnung ist anhand eines Längsschnittes durch das Laufzeug eines Abgasturboladers für einen Kraftfahrzeugantrieb die Erfindung einem beispielhaft dargestellt. Dabei ist die aus/metallischen Wellenteil und einem keramischen Wellenteil 2 zusammengesetzte Turbinenwelle des Abgasturboladers gezeigt, die im Bereich des keramischen Wellenteils 2 mittels zweier Wadiallager 3 und 4 auf einem gehäusefesten Lagerbock 23 gelagert ist. 5 stellt das mit dem keramischen Wellenteil 2 aus einem Stück hergestellte Turbinenrad dar, während 6 ein metallisches. Radialverdichterrad bezeichnet, das zum Zwecke der Befestigung auf der Turbinenwelle eine zentrische Durchgangsbohrung 7 aufweist. Die Befestigung des Verdichterrades erfolgt dabei mittels einer Spannmutter 8, die auf einem am Ende des metallischen Wellenteils 1 angebrachten Gewinde gehalten ist und das Verdichterrad gegen einen Wellenabsatz 15 spannt.The drawing is based on a longitudinal section through the running gear an exhaust gas turbocharger for a motor vehicle drive, the invention is an example shown. It is made of a metallic shaft part and a ceramic shaft part 2 composite turbine shaft of the exhaust gas turbocharger shown, which is in the area of ceramic shaft part 2 by means of two Wadiallager 3 and 4 on a fixed housing Bearing block 23 is mounted. 5 represents the one with the ceramic shaft part 2 Piece made turbine wheel, while 6 is a metallic. Centrifugal compressor wheel referred to, which for the purpose of fastening on the turbine shaft a centric Has through hole 7. The compressor wheel is attached by means of a clamping nut 8, which is on one at the end of the metallic shaft part 1 attached thread is held and the compressor wheel against a shaft shoulder 15 cocks.
Bei der erfindungsgemäßen Anordnung erfolgt die Verspannung des Verdichterrades jedoch nicht direkt an dem Wellenabsatz 15, sondern unter Zwischenschaltung einer Distanzhülse 10 an dem Haltebund 13 einer Haltebuchse 12, die ihrerseits mit einem radial nach innen abstehenden Ringbund 14 an dem Absatz 15 der metallischen Welle 1 anliegt. Es sei jedoch darauf hingewiesen, daß die Distanzhülse 10 auch entfallen könnte, so daß das Verdichterrad direkt gegen einen stirnseitigen Bund der Haltebuchse 12 gespannt werden könnte. Die Haltebuchse weist eine umlaufende Ringnut 18 zum Eingriff einer Axiallagerscheibe 17 auf, die an dem feststehenden Gehäuse 20 und 23 festgelegt ist. Bei der hier gezeigten Ausführung ist dazu eine Federscheibe 19 vorgesehen,/mllt ihrem radial äußeren Rand zwischen einem an dem feststehenden Gehäuse 20 gehaltenen Stützring 21 und einem Sicherungsring 22 festgelegt ist und mit ihrem radial inneren Rand gegen die Stirnfläche der Lagerscheibe 17 drückt, so daß diese an der Stirnfläche 24 des mit dem Gehäuse 20 verbundenen Lagerbockes 23 zur Anlage kommt. In der Zeichnung nicht dargestellt sind im übrigen noch vorgesehene axiale Sicherungsstifte, die zwischen der Lagerscheibe und dem Lagerbock 24 vorgesehen sind. Die Lagerscheibe 17 dient also der Übertragung der an der Turbinenwelle auftretenden Axialkräfte auf das feststehende Gehäuse und ist in besonders raumsparender Bauweise in einem Bereich angeordnet, der über der Verbindungsstelle zwischen dem keramischen und dem metallischen Wellenteil der Turbinenwelle liegt.In the arrangement according to the invention, the compressor wheel is braced but not directly on the shaft shoulder 15, but with the interposition of a Spacer sleeve 10 on the retaining collar 13 of a retaining sleeve 12, which in turn with a radially inwardly protruding annular collar 14 on shoulder 15 of the metallic shaft 1 is present. It should be noted, however, that the spacer sleeve 10 is also omitted could so that the compressor wheel directly against an end collar of the retaining sleeve 12 could be stretched. the Retaining sleeve has a circumferential Annular groove 18 for engaging a thrust bearing washer 17, which is attached to the stationary Housing 20 and 23 is set. In the version shown here, there is a Spring washer 19 is provided / mllt its radially outer edge between one on the fixed housing 20 held support ring 21 and a locking ring 22 set and with its radially inner edge against the end face of the bearing disk 17 presses so that this on the end face 24 of the bearing block connected to the housing 20 23 comes to the plant. Not shown in the drawing are also provided axial locking pins which are provided between the bearing washer and the bearing block 24 are. The bearing washer 17 is used to transmit those occurring on the turbine shaft Axial forces on the fixed housing and is particularly space-saving design arranged in an area above the junction between the ceramic and the metallic shaft part of the turbine shaft.
Mit 11 ist eine Dichtung bezeichnet, die gegenüber dem an der Haltebuchse 12 vorgesehenen Ringbund 13 eine Abdichtung des mit Öl gefüllten Lagerraums gegenüber dem Luftraum, in dem das Verdichterrad 6 umläuft, bildet.11 with a seal is referred to, the opposite to that on the retaining sleeve 12 provided annular collar 13 a seal of the oil-filled storage space opposite the air space in which the compressor wheel 6 rotates forms.
Die Verbindung zwischen dem metallischen Wellenteil 1 und dem keramischen Wellenteil 2 erfolgt erfindungsgemäß auf der dem Verdichterrad 6 zugewandten Seite der Lager 3 und 4. Dazu umgreift ein mit einer Sacklochbohrung 26 versehener Endbereich 16 der metallischen Welle 1 einen im Durchmesser entsprechend ausgebildeten Wellenzapfen 25 des keramischen Wellenteils 2, wobei in'dem Ringspalt zwischen dem Wellenzapfen 25 und dem hohlzylindrischen, hülsenförmigen Endbereich 16 ein Verbindungsmittel 27 in Form eines Klebe- oder Lötmittels vorgesehen ist. Vorzugsweise kann dabei eine Klebung vorgesehen werden, da die Verbindungsstelle auf der kalten Seite der Turbinenwelle vorgenommen wird. Bei einer Lötung könnte gegebenenfalls hier auch entsprechend dem Vorschlag der Patentanmeldung P 28 45 716 ein radial und axial federnd elastisches, ringförmiges Verbindungsteil eingeschaltet sein.The connection between the metallic shaft part 1 and the ceramic Shaft part 2 takes place according to the invention on the side facing the compressor wheel 6 of the bearings 3 and 4. For this purpose, an end area provided with a blind hole 26 engages around 16 of the metallic shaft 1 has a shaft journal with a corresponding diameter 25 of the ceramic shaft part 2, with in'dem the annular gap between the shaft journal 25 and the hollow cylindrical, sleeve-shaped end region 16 a connecting means 27 is provided in the form of an adhesive or solder. Preferably can A glue should be provided as the connection point is on the cold side of the Turbine shaft is made. In the case of soldering, this could also be used here according to the proposal of the patent application P 28 45 716 a radial and axial be switched on resilient, annular connecting part.
Mit 28 sind vorzugsweise an dem Innenumfang des hohlzylindrischen, hülsenförmigen Endbereichs 16 der metallischen Turbinenwelle 1 angeordnete Ringnuten zur Aufnahme des Verbindungsmittels, insbesondere des Klebers, vorgesehen, die bei zur Verfügungstellung einer ausreichenden Menge an Verbindungsmaterial eine relativ enge Passung zwischen den beiden miteinander zu verbindenden Bauteilen ermöglichen. Gegebenenfalls könnte es auch zweckmäßig sein, im Bereich der Verbindungsstelle einen konischen Verlauf des Wellenzapfens 25 bzw. der Innenkontur des hülsenförmigen Endbereichs 16 der metallischen Welle 1 vorzusehen.With 28 are preferably on the inner circumference of the hollow cylindrical, sleeve-shaped end region 16 of the metallic turbine shaft 1 arranged annular grooves for receiving the connecting means, in particular the adhesive, provided that at providing a sufficient amount of connecting material a relative Allow a tight fit between the two components to be connected. If necessary, it could also be useful in the area of the connection point a conical shape of the shaft journal 25 or the inner contour of the sleeve-shaped Provide end region 16 of the metallic shaft 1.
Die an dem Wellenabsatz 15 der metallischen Welle anliegende Haltebuchse 12 verhindert bei der Verspannung des Verdichterrades eine direkte Berührung des metallischen Verdichterrades mit dem keramischen Wellenteil, so daß Punktlasten in der Keramik und zusätzliche, etwa aus der Verspannung des Verdichterrades auf der Welle herrührende Belastungen der Metall-Keramik-Verbindung vermieden werden. Darüberhinaus dient die Haltebuchse zur Aufnahme des Axiallagers, das ebenso wie die zwischen dem Lagerraum und dem Verdichterradraum vorgesehene Dichtung im Bereich der Verbindungsstelle zwischen dem keramischen und dem metallischen Wellenteil vorgesehen sind.The retaining bush resting on the shaft shoulder 15 of the metallic shaft 12 prevents direct contact with the compression of the compressor wheel metallic compressor wheel with the ceramic shaft part, so that point loads in the ceramic and additional, for example from the bracing of the compressor wheel Loads on the metal-ceramic connection caused by the shaft can be avoided. In addition, the retaining sleeve is used to accommodate the axial bearing, which as well as the seal provided between the storage space and the compressor wheel space in the area the connection point between the ceramic and the metallic shaft part is provided are.
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Claims (7)
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| 8120 | Willingness to grant licences paragraph 23 | ||
| 8127 | New person/name/address of the applicant |
Owner name: VOLKSWAGEN AG, 3180 WOLFSBURG, DE |
|
| 8110 | Request for examination paragraph 44 | ||
| 8139 | Disposal/non-payment of the annual fee |