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WO2014005906A1 - Verfahren und vorrichtung zum verbinden eines turbinenrads mit einem zwischenstück - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum verbinden eines turbinenrads mit einem zwischenstück Download PDF

Info

Publication number
WO2014005906A1
WO2014005906A1 PCT/EP2013/063410 EP2013063410W WO2014005906A1 WO 2014005906 A1 WO2014005906 A1 WO 2014005906A1 EP 2013063410 W EP2013063410 W EP 2013063410W WO 2014005906 A1 WO2014005906 A1 WO 2014005906A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
intermediate piece
turbine wheel
contact surface
shaft
sintered
Prior art date
Application number
PCT/EP2013/063410
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Johannes Schmid
Bernd Reinsch
Klaus Czerwinski
Andreas Burghardt
Jochen Rager
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch Gmbh filed Critical Robert Bosch Gmbh
Priority to EP13732143.6A priority Critical patent/EP2870322B1/de
Publication of WO2014005906A1 publication Critical patent/WO2014005906A1/de

Links

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/02—Blade-carrying members, e.g. rotors
    • F01D5/025—Fixing blade carrying members on shafts
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2220/00—Application
    • F05D2220/40—Application in turbochargers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2230/00—Manufacture
    • F05D2230/20—Manufacture essentially without removing material
    • F05D2230/22—Manufacture essentially without removing material by sintering

Definitions

  • the present invention relates to a method for connecting a turbine wheel with an intermediate piece, to a corresponding device and to a rotor for a turbine.
  • a rotor for a turbine has a turbine wheel which is connected to a shaft for transmitting a rotational movement of the turbine wheel.
  • the shaft may be welded or brazed to the turbine wheel.
  • the turbine wheel which usually consists of a finely cast nickel-based alloy, can be joined to the steel shaft. This is now standard with methods such as soldering, welding or
  • the present invention provides a method for
  • a sintered material consists of a plurality of particles of one or a plurality of materials. Usually the material is with the
  • the sintered material is present in a starting form as a viscous powder.
  • the powder is mixed with a binder and can thus be introduced into a negative mold.
  • the sintered material is compacted to an intermediate product, a so-called green part.
  • the binder combines the particles of the powder under high pressure and / or heat.
  • the green part essentially already has an appearance of the finished sintered part when it is removed from the negative mold.
  • the green part has a higher volume than the finished sintered part.
  • the green part may be more porous than the finished sintered part.
  • the green part has a lower strength than the finished sintered part, since the particles of the powder adhere to one another only via the binder.
  • the green part can be mechanically processed by conventional methods.
  • the green part can also be produced by an injection molding process. For this purpose, so much binder is added to the sintered material that the mixture can be plasticized in order to be injected under high pressure and high temperature into an injection mold. This results in a green part, in which the spaces between the grains of the powder are filled with binder.
  • the green part is placed in an oven for sintering and heated. In the oven, the binder is largely expelled from the sintered part.
  • the particles of the sintered material connect, for example via diffusion processes between the particles.
  • a material component may have a lower
  • the low melting material component may embed other material components in a material matrix.
  • the invention is based on the recognition that the sintered material reduces its total volume during sintering.
  • One factor by which the sintered material contracts may be influenced by the binder.
  • two different sintered materials can be sintered together, with a first of the sintered materials having a greater shrinkage than the second of the sintered materials.
  • the sintered material having the larger shrinkage can be applied to the sintered material having the smaller shrinkage shrink.
  • a sintered material can also shrink to another material. When shrinking, a frictional connection between two components can be achieved.
  • a further material can be bonded to the sintered material during the sintering in a material-locking and / or form-fitting manner.
  • the further material can be connected by diffusion processes with the sintered material. Or the more material can be in
  • the present invention provides a method for connecting a
  • Turbine wheel with an intermediate piece at a connection point comprising the following steps:
  • the turbine wheel consists of a first material and has a first contact surface
  • the intermediate piece consists of a second material and a second
  • the present invention further provides an apparatus for connecting a turbine wheel to an interface at a joint, the apparatus comprising: means for providing the turbine wheel and the intermediate piece, the turbine wheel being made of a first material and a first one
  • Contact surface, and the intermediate piece consists of a second material and having a second contact surface, wherein the first material is different from the second material; a device for arranging the turbine wheel in a relative position to the intermediate piece, wherein the first contact surface is arranged in the region of the connection point facing the second contact surface; and means for tempering the turbine wheel and the intermediate piece to a sintering temperature, wherein the turbine wheel and / or the intermediate piece is sintered to connect the first contact surface and the second contact surface at the connection point.
  • the present invention provides a rotor for a turbine, the rotor having the following features: a turbine wheel, which consists of a first material and a first
  • a turbine wheel may be understood to mean a rotationally symmetrical basic body with, for example, radially oriented turbine blades.
  • the turbine blades may be streamlined in shape to convert energy from a fluid flowing over the turbine blades to a rotational movement of the turbine wheel about a main rotational axis of the turbine wheel.
  • An intermediate piece may be an annularly closed component, which as
  • the intermediate piece can be designed as a collar or insert.
  • the intermediate piece may have functional surfaces.
  • the intermediate piece may have sealing surfaces.
  • a joint may be a planned joint between the turbine wheel and the intermediate piece.
  • a first contact surface may be a first side of the Train joint.
  • a second contact surface may form a second side of the joint.
  • the contact surfaces can be a
  • the contour of the second contact surface may be incompletely imaged in the contour of the first contact surface.
  • one of the contact surfaces may have one or more recesses which are not shown in the other contact surface.
  • the contact surfaces can be arranged opposite to each other. There may be a gap between the contact surfaces before the tempering step.
  • Intermediate piece can rest in the step of arranging at other locations on the turbine wheel.
  • the turbine wheel and / or the intermediate piece may have guide surfaces for mutual positioning.
  • a sintering temperature can be high enough to allow the sintering process.
  • the first material and / or the second material can be irreversibly converted from a first state to a second state.
  • the first material or the second material may also undergo a heat treatment at the sintering temperature.
  • the turbine wheel and the intermediate piece can be firmly connected to each other.
  • the turbine wheel may be made of a sintered material and provided in an unsintered state, wherein the turbine wheel has a recess which forms the first contact surface at least on an inner side. At least one outer side of the intermediate piece may be the second
  • the intermediate piece can be arranged within the recess.
  • the turbine wheel and the intermediate piece can be heated to a sintering temperature of the turbine wheel and the turbine wheel can be shrunk onto the intermediate piece during the tempering.
  • the intermediate piece can be provided already finished sintered state.
  • the intermediate piece may also consist of a non-sintered material, and be heat-treated during the sintering of the turbine wheel.
  • the intermediate piece may be referred to as insert.
  • the turbine wheel may have a projection which forms the first contact surface at least on an outer side.
  • the intermediate piece may be made of a sintered material and provided in an unsintered state, wherein the intermediate piece has an annular shape and at least one inner side of the intermediate piece forms the second contact surface.
  • the projection can be arranged within the intermediate piece.
  • the turbine wheel and the intermediate piece can on a
  • the turbine wheel can already be provided in finished sintered state.
  • the turbine wheel may also be made of a non-sintered material and heat treated during sintering of the spacer. By placing the intermediate piece to be sintered on the turbine wheel, the turbine wheel can be firmly connected to the intermediate piece.
  • the spacer may be referred to as a ring or collar.
  • the turbine wheel and the intermediate piece may consist of a sintered material and be provided in each case in an unsintered state, wherein the turbine wheel has a recess which forms the first contact surface at least on an inner side, and at least one outer side of the intermediate piece forms the second contact surface.
  • the intermediate piece can be arranged within the recess.
  • the turbine wheel and the intermediate piece can be heated to a sintering temperature of the turbine wheel and the intermediate piece, and the turbine wheel and the intermediate piece can be co-sintered during the tempering.
  • the term "sintering" here is the joining of at least two parts during the
  • the intermediate piece may be referred to as insert.
  • the turbine wheel and the intermediate piece may be made of a sintered material and each provided in an unsintered state, wherein the turbine wheel has a projection which forms the first contact surface at least on an outer side, and the intermediate piece has an annular shape and at least one inner side of the intermediate piece forms second contact surface.
  • the projection can be within the
  • Intermediate piece can be arranged.
  • the turbine wheel and the intermediate piece can be heated to a sintering temperature of the turbine wheel and the intermediate piece and the turbine wheel and the intermediate piece can be co-sintered during the tempering.
  • the spacer may be referred to as a ring or collar.
  • Particle level arise, which can lead to a particularly durable connection.
  • the two sintered materials can shrink to varying degrees during sintering. As a result, additional mechanical stresses can arise in and between the turbine wheel and the intermediate piece, in order to enable a frictional connection.
  • the contact surface of the turbine wheel may have a contour for securing against rotation of the intermediate piece.
  • Intermediate piece may have a corresponding contour for securing against rotation of the turbine wheel.
  • the contour and the corresponding contour can be arranged in the correct position relative to one another, and the turbine wheel and the intermediate piece can be connected in a rotationally secure manner.
  • a contour for securing against rotation may be designed to achieve a positive connection between the turbine wheel and the intermediate piece when the intermediate piece is connected to the turbine wheel.
  • a contact surface may have at least one projection which is designed to engage in at least one recess of the other contact surface.
  • the contour can be executed neutral.
  • projections and / or recesses of a contour may have diametrically opposite Steiner portions with respect to the main axis of rotation.
  • a shaft made of another material may be further provided.
  • the shaft can be arranged in a recess of the intermediate piece.
  • the adapter can be shrunk onto the shaft.
  • Another material may be understood to mean a non-sintered crystalline material.
  • the shaft can also consist of a previously sintered sintered material.
  • the shaft can be aligned in the main axis of rotation of the turbine wheel. When shrinking the shaft can be rotatably connected to the intermediate piece and thus to the turbine wheel.
  • the shaft may have a Einstecktiefenbegrenzungs colour for limiting a depth of insertion of the shaft in the intermediate piece.
  • the intermediate piece may have a Eindring brieflyenbegrenzungs formulation for limiting a penetration depth of the shaft in the intermediate piece.
  • the Einstecktiefenbegrenzungs preparation can be arranged adjacent to a corresponding surface of the intermediate piece.
  • Penetration depth limiting surface can be arranged adjacent to a corresponding surface of the shaft.
  • Penetration depth limiting surface can be understood as a paragraph, for example, transverse to the main axis of rotation of the turbine wheel, which is designed to serve as a contact surface during the axial insertion of the shaft in the intermediate piece. Due to the limitation, a cavity can be formed between the turbine wheel and the shaft, which allows thermal isolation of the shaft from the turbine wheel, whereby a thermal load of bearings on the shaft can be reduced.
  • the intermediate piece may have a further contour for securing against rotation of the shaft.
  • the shaft may have a corresponding further contour for securing against rotation of the intermediate piece.
  • the further contour and the further corresponding contour can be arranged in the correct position relative to one another, and the intermediate piece can be connected to the shaft in a manner secured against rotation. By a further rotation, a torque from the turbine can be safely transmitted to the shaft.
  • 1 is a flowchart of a method for connecting a
  • FIG. 2 is a block diagram of an apparatus for connecting a turbine wheel to an adapter according to an embodiment of the present invention
  • FIG. FIGS. 3a, 3b, 3c show production steps of a method for connecting a turbine wheel with an intermediate piece and a shaft with the intermediate piece according to an exemplary embodiment of the present invention
  • FIGS. 4a, 4b show production steps of a method for connecting a turbine wheel with an intermediate piece and a shaft with the intermediate piece according to a further exemplary embodiment of the present invention
  • Figures 5a, 5b, 5c manufacturing steps of a further method for
  • Figures 6a, 6b, 6c manufacturing steps of a further method for
  • FIGS 7a, 7b, 7c, 7d, 7e, 7f, 7g, 7h representations of intermediate pieces with anti-rotation device according to embodiments of the present invention.
  • Fig. 8 is a sectional view through a detail of a rotor for a turbine according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 shows a flowchart of a method 100 for connecting a turbine wheel to an intermediate piece at a connection point in accordance with FIG Embodiment of the present invention.
  • the method comprises a step of providing 102, a step of arranging 104, and a tempering step 106.
  • Step 102 of providing the
  • Intermediate piece consists of a second material and a second
  • step 104 of the arrangement the intermediate piece is arranged in a relative position to the turbine wheel, wherein the second contact surface is arranged in the region of the connection point facing the first contact surface.
  • step 106 of the tempering the turbine wheel and the intermediate piece are heated to a sintering temperature, wherein the turbine wheel and, alternatively or additionally, the intermediate piece is sintered to connect the first contact surface and the second contact surface at the connection point.
  • FIG. 1 shows a method 100 for producing a
  • the transition piece allows a simple connection (welding, soldering) of the TR to the steel shaft, ensures a low heat transfer between TR and shaft and allows a simple balancing of the TR with shaft (rotor).
  • a transition piece in the form of an intermediate piece (annular or square, with grooves or springs) between TR and shaft is inserted.
  • the intermediate piece consists of a
  • An embodiment of the intermediate piece with corners, grooves or springs has the advantage of an additional radial fixation of the TR and the shaft.
  • the connection of the intermediate piece (ring) to the TR is by a
  • Turbine to be connected to a shaft such.
  • the device comprises a device 202 for providing, a device 204 for arranging and a device 206 for tempering.
  • the means 202 for providing is configured to provide the turbine wheel and the intermediate piece, wherein the turbine wheel consists of a first material and has a first contact surface, and the intermediate piece consists of a second material and has a second contact surface, the first material being different from the second material is.
  • the means 202 for providing may remove the turbine wheel from a first storage tank and the intermediate piece from a second storage tank and provide it in a work area.
  • the means 204 for arranging is configured to arrange the turbine wheel in a relative position to the intermediate piece. Likewise, the means 204 may arrange the intermediate piece in the relative position to the turbine wheel. In this case, the first contact surface is arranged in the region of the connection point facing the second contact surface.
  • Device 204 for arranging can receive, for example, the intermediate piece and / or the turbine wheel and arrange them relative to one another, so that the contact surfaces are connected to one another during the subsequent tempering become.
  • the means 206 for tempering is adapted to the
  • Turbine wheel and the intermediate piece to heat to a sintering temperature.
  • the turbine wheel and / or the intermediate piece is sintered to the first contact surface and the second contact surface on the
  • the tempering means 206 may be, for example, an oven or an autoclave. The tempering can be done using a predetermined temperature profile.
  • Tempering may include adjusting predetermined environmental conditions. For example, a pressure, a humidity, one or more gas concentrations can be adjusted. After heating, the sintering temperature can be maintained. Thereafter, the turbine wheel and spacer may be cooled from the sintering temperature to ambient temperature using a further predetermined temperature profile.
  • Figures 3a, 3b and 3c show manufacturing steps of a method for connecting a turbine wheel 300 with an intermediate piece 302 and a shaft 304 with the intermediate piece 302 according to an embodiment of the present invention. This results in a rotor 306 for a turbine according to an embodiment of the present invention, wherein the rotor 306, the turbine wheel 300, the intermediate piece 302 and the shaft 304 has.
  • the turbine wheel 300 is made of a first material and has a first one
  • the intermediate piece 302 consists of a second material and has a second contact surface and a recess.
  • the second material is different from the first material.
  • the second contact surface is connected to the first contact surface.
  • the shaft 304 is made of another material and is disposed in the recess of the intermediate piece 302.
  • the intermediate piece 302 is shrunk onto the shaft 304.
  • the intermediate piece 302 can also be designed without the recess, then the shaft 304 can be welded to the intermediate piece 302.
  • FIG. 3a shows the turbine wheel 300 and the intermediate piece 302 after the
  • the turbine wheel 300 already has its final dimensions.
  • the turbine wheel 300 may be made of a sintered material in a sintered state.
  • the turbine wheel 300 may be made of a different material, which has been shaped into its shape, for example by precision casting.
  • An axis of rotation of the turbine wheel 300 is oriented vertically.
  • the intermediate piece 302 is placed around a nozzle of the turbine wheel 300 as an annularly closed component. The nozzle is arranged coaxially with the axis of rotation.
  • the intermediate piece 302 is made of a sintered material and in an unsintered state.
  • the intermediate piece 302 is a green part.
  • Adapter 302 is larger in Fig. 3a than its finished dimensions. There is a gap between the contact surface of the intermediate piece 302 on an inner side of the ring and the contact surface of the turbine wheel 300 on an outer side of the nozzle. In other words, FIG. 3 a shows a unsintered intermediate piece 302 on a dense TR 300.
  • 3b shows the turbine wheel 300 and the intermediate piece 302 after the
  • the intermediate piece 302 is sintered. In this case, the intermediate piece 302 has disappeared and now has its finished dimensions. The contact surface of the intermediate piece 302 is shrunk onto the neck of the turbine wheel 300.
  • the intermediate piece 302 is fixedly connected to the turbine wheel 300.
  • Fig. 3b shows a tight intermediate piece 302 fixedly connected to the dense TR 300 by shrink-fitting by sintering.
  • Fig. 3c shows the rotor 306.
  • the shaft 304 is connected to the intermediate piece in
  • the shaft 304 may have been connected to the intermediate piece 302 by means of normal connection processes. Likewise, the shaft 304 may have been inserted into the recess of the intermediate piece 302 before the intermediate piece 302 and the turbine wheel 300 has cooled to room temperature to the intermediate piece 302 also on the
  • FIG. 3 c shows a finished rotor 306 after joining the shaft 304.
  • Figures 3a, 3b and 3c show a connection of a turbine wheel to a shaft by means of a sintering process.
  • the sintering of the TR 300 can be used for a connection to the shaft 304.
  • a titanium aluminide (TiAl) MIM-TR 300 may be sintered onto the shaft 304 directly or with an intermediate layer 302.
  • the MIM-TR 300 can be connected to the shaft 304 via a bush 304 by welding or soldering.
  • FIG. 3 shows an intermediate piece 302 produced by powder metallurgy, which in a sintering process is applied to a socket of the already dense TR 300
  • the TR 300 can be made by precision casting, eroding or powder metallurgy.
  • the TR 300 can be made by precision casting, eroding or powder metallurgy.
  • the intermediate piece 302 is preferably made of a nickel-base superalloy because its sintering temperature is lower than the melting temperature of TiAl and Ni materials can be well bonded to the steel shaft 304.
  • Figures 4a and 4b show the manufacturing steps of a method for connecting a turbine wheel 300 with an intermediate piece 302 and a shaft
  • FIG. 4a shows, as in FIG. 3a, the finished turbine wheel 300 and the unsintered one
  • FIG. 4 a shows a unsintered intermediate piece 302 on a dense TR 300 and a dense shaft 304.
  • Fig. 4b shows as in Fig. 3c the finished rotor 306.
  • the intermediate piece 302 is shrunk on sintering on the neck and on the shaft 304 at the same time.
  • the intermediate piece 302 thus forms a link between the shaft 304 and the turbine wheel 300. Due to the distance between the shaft 304 and the turbine wheel 300, the shaft 304 is thermally shielded from the turbine wheel 300.
  • Fig. 4b shows the finished rotor 306 after shrinking by sintering.
  • the already dense shaft 304 is positioned at the TR 300 during the sintering process so that the intermediate piece 302 shrinks on both the TR 300 and the shaft 304 to provide a connection.
  • This variant has the advantage that no subsequent joining step for connecting the TR 300 with the ring 302 to the shaft 304 must take place.
  • the shaft end may be cylindrical, angular or stepped to provide an additional radial
  • the intermediate piece 302 is preferably made of a nickel-base superalloy because its sintering temperature is lower than the melting temperature of TiAl.
  • FIGS. 5a, 5b and 5c show production steps of a further method for connecting a turbine wheel 300 with an intermediate piece 302 and a shaft 304 with the intermediate piece 302 according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 5a shows the turbine wheel 300 and the intermediate piece 302 after arranging the intermediate piece 302 around the nozzle of the turbine wheel 300.
  • the turbine wheel 300 like the intermediate piece 302
  • the turbine wheel 300 is made of a sintered material shown in an unsintered state.
  • the turbine wheel 300 and the intermediate piece 302 each have a larger volume than in the final state.
  • the TR 300 with the bushing 302 can be made directly via the 2-component metal powder injection molding or the bushing 304 is as a powder compact or injection molded part in a
  • bushing 302 and TR 300 are sintered together creating a strong bond between the two parts.
  • Fig. 5b shows the turbine wheel 300 and the intermediate piece 302 after sintering.
  • the intermediate piece 302 is co-sintered on the nozzle of the turbine wheel 300.
  • the turbine wheel 300 is fixedly connected to the intermediate piece 302. Both parts now have at least largely their finished dimensions.
  • Fig. 5b is a dense ring 302 fixedly connected to a dense TR 300 after co-sintering.
  • Fig. 5c shows the assembled rotor 306 consisting of the
  • Turbine 300 the intermediate piece 302 and the shaft 304.
  • the shaft 304 is fixed to the intermediate piece 302.
  • the shaft 304 may, for example, have been welded to the intermediate piece 302. Laser welding and friction welding provide good opportunities to secure shaft 304 to the adapter with a low heat affected zone.
  • a powder metallurgically produced intermediate piece 302 is connected to a powder metallurgically produced TR 300 and co-sintered.
  • the connection can be made by joining the unsintered parts (green parts) or by a 2-component injection molding.
  • the Grünteilhegen can be done by gluing without or with powdered additive in the adhesive, by thermal bonding without adhesive (melting of the binder) or by bonding after a chemical dissolution of binder components.
  • the intermediate piece 302 is preferably made of an alarm Ti-base alloy whose sintering temperature is adjusted by adding Nb, Mo, Zr, V, W, Hf, Ta to the sintering temperature of the TR 300.
  • the intermediate piece 302 is preferably made of a Ni-base alloy, which does not form ⁇ '-precipitates and thus is more weldable.
  • Figures 6a, 6b and 6c show manufacturing steps of a further method for connecting a turbine wheel 300 with an intermediate piece 302 and a shaft 304 with the intermediate piece 302 according to another
  • FIG. 6a shows the turbine wheel 300 made of a sintered material in the unsintered state.
  • the intermediate piece 302 is either already sintered or made of a non-sintered material.
  • the turbine wheel 300 has a recess, the inside of which forms at least part of the contact surface of the turbine wheel 300.
  • the intermediate piece 302 is formed as a disk.
  • the intermediate piece 302 is balanced and balance neutral.
  • the contact surface of the intermediate piece 302 is at least partially formed on a circumferential surface.
  • the intermediate piece 302 is disposed in the recess of the turbine wheel 300.
  • Fig. 6b shows the turbine wheel 300 and the intermediate piece 302 in the connected state after tempering.
  • the turbine wheel 300 has disappeared and shrunk onto the intermediate piece 302.
  • the two contact surfaces have been connected.
  • Fig. 6c shows the assembled rotor 306.
  • the shaft 304 has been connected to the intermediate piece 302.
  • Fig. 6 is a powder metallurgically produced TR 300 in a
  • the intermediate piece 302 preferably consists of an alarm Ti-base alloy with alloys (V, Sn, Zr, Mo, Fe, Nb), since their melting point is usually higher than the sintering temperature of the TR 300.
  • alloys V, Sn, Zr, Mo, Fe, Nb
  • Intermediate piece 302 preferably made of an Fe-based alloy or a Ni
  • Base alloy without ⁇ '-precipitates whose melting point is higher than the sintering temperature of the TR material.
  • connection between adapter 302 and shaft 304 can be made via conventional joining techniques (welding, soldering), which is particularly advantageous in difficult to weld TR materials, z.
  • welding, soldering a joining technique
  • Example in titanium aluminide or nickel-based alloys with ⁇ '-precipitates.
  • connection of the shaft 304 can be made frontally or radially in the intermediate piece 302.
  • different geometries are conceivable, which lead to an additional radial locking of the TR 300 and the shaft 304.
  • the powder metallurgy production of the intermediate piece 302 also allows the cost-effective
  • TR 300 and shaft 304 leads ("heat choke” 804 in Fig. 8)
  • the approach presented here is the possibility of balancing the rotor 306 (TR 300 with shaft 304) by removing material at the intermediate piece 302, thus avoiding the direct balancing of the difficult to machine TiAl-TR 300, and the application of circumferential
  • FIGS 7a, 7b, 7c, 7d, 7e, 7f, 7g and 7h show illustrations of
  • the intermediate pieces 302 have a body as a base
  • Fig. 7a shows a basic shape of the intermediate piece 302. At least a part of an inner side of the intermediate piece 302 may serve as a contact surface to a
  • Turbine wheel as shown in Figures 3 to 5, be formed.
  • the contact surface may be disposed on the outside of the intermediate piece 302, for example when the intermediate piece 302 in a
  • the illustrated intermediate piece 302 may have an increased surface roughness on the contact surface, which upon connection may result in micro-toothing with a surface of the turbine wheel and / or the shaft.
  • Fig. 7b shows an intermediate piece 302 with a thickening 700 on a
  • the thickening 700 has the shape of a
  • FIG. 7c shows an intermediate piece 302 with four uniformly distributed diametrically opposite projections 702 on the inside of the intermediate piece 302.
  • the projections 702 have a semi-cylindrical shape.
  • FIG. 7 d shows an intermediate piece 302 which has four uniformly distributed recesses 704 distributed diametrically over the inside.
  • the recesses 704 have a semi-cylindrical shape.
  • Fig. 7e shows an intermediate piece 302, which has a square inner contour.
  • the inner contour is aligned concentrically to an outer contour of the intermediate piece 302.
  • Fig. 7f shows an intermediate piece 302, which has a hexagonal inner contour.
  • Fig. 7g shows an intermediate piece 302 which has an elliptical inner contour.
  • Fig. 7h shows an intermediate piece 302 with two diametrically opposed thickenings 706 of the wall, as shown in Fig. 7b.
  • FIG. 8 shows a sectional view through a detail of a rotor 306 for a turbine according to an embodiment of the present invention.
  • the rotor 306 is composed of a turbine wheel 300, an intermediate piece 302 and a shaft 304. Shown is a transition region of the rotor 306 from the turbine wheel 300 to the intermediate piece 302 and of the
  • Adapter 302 on the shaft 304 The turbine 300 has a nozzle 800 on. Around this neck 800 around the intermediate piece 302 is arranged. The nozzle 800 and the intermediate piece 302 have matching anti-rotation 802.
  • the anti-rotation device 802 is a recess in a base body of the nozzle 800 or the intermediate piece 302, with a projection of the nozzle 800 and the intermediate piece 302
  • the shaft 304 is inserted in the intermediate piece 302. Between the shaft 304 and the intermediate piece an anti-rotation device 802 is also arranged, which acts as described above. Between the turbine wheel 300 and the shaft 304, a gap (cavity) 804 is arranged, which has a defined size and acts as a heat choke.
  • the Shaft 304 has at least one insertion depth limiting surface 400, which is oriented perpendicular to a rotational axis of rotor 306, and supports shaft 302 on an axial surface of intermediate piece 302.
  • the intermediate piece has at least one Eindringtiefenbegrenzungs colour 806, which is also aligned perpendicular to the axis of rotation of the rotor 306, and the shaft 302 is supported.
  • the contact surfaces between the intermediate piece 302 and the turbine wheel 300 also have Eindringtiefenbegrenzungs vom
  • Fig. 8 shows a variant of the
  • an exemplary embodiment comprises a "and / or" link between a first feature and a second feature, then this is to be read so that the embodiment according to one embodiment, both the first feature and the second feature and according to another embodiment either only first feature or only the second feature.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren (100) zum Verbinden eines Turbinenrads (300) mit einem Zwischenstück (302) an einer Verbindungsstelle, wobei das Verfahren (100) einen Schritt (102) des Bereitstellens, einen Schritt (104) des Anordnens und einen Schritt (106) des Temperierens aufweist. Im Schritt des Bereitstellens (102) werden das Turbinenrad (300) und das Zwischenstück (302) bereitgestellt, wobei das Turbinenrad (300) aus einem ersten Material besteht und eine erste Kontaktfläche aufweist, und das Zwischenstück (302) aus einem zweiten Material besteht und eine zweite Kontaktfläche aufweist, wobei sich das erste Material und das zweite Material unterscheiden. Im Schritt des Anordnens (104) wird das Zwischenstück (302) in einer Relativposition zu dem Turbinenrad (300) angeordnet, wobei die zweite Kontaktfläche im Bereich der Verbindungsstelle der ersten Kontaktfläche zugewandt angeordnet wird. Im Schritt des Temperierens (106) werden das Turbinenrad (300) und das Zwischenstück (302) auf eine Sintertemperatur temperiert, wobei das Turbinenrad (300) und/oder das Zwischenstück (302) gesintert wird, um die erste Kontaktfläche und die zweite Kontaktfläche an der Verbindungsstelle zu verbinden.

Description

Beschreibung
Titel
Verfahren und Vorrichtung zum Verbinden eines Turbinenrads mit einem Zwischenstück
Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Verbinden eines Turbinenrads mit einem Zwischenstück, auf eine entsprechende Vorrichtung sowie auf einen Läufer für eine Turbine.
Ein Läufer für eine Turbine weist ein Turbinenrad auf, das mit einer Welle zum Weiterleiten einer Drehbewegung des Turbinenrads verbunden ist. Die Welle kann beispielsweise an das Turbinenrad geschweißt oder gelötet sein.
Die DE 10 2008 059 617 A1 beschreibt einen Rotor für einen Abgasturbolader.
Im herkömmlichen Abgasturbolader kann das Turbinenrad, das meist aus einer feingegossenen Nickelbasislegierung besteht, an die Stahlwelle gefügt werden. Dies wird heutzutage standardmäßig mit Verfahren wie Löten, Schweißen oder
Reibschweißen bewerkstelligt.
Offenbarung der Erfindung Vor diesem Hintergrund wird mit der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum
Verbinden eines Turbinenrads mit einem Zwischenstück, eine entsprechende Vorrichtung sowie ein Läufer für eine Turbine gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Ein Sinterwerkstoff besteht aus einer Vielzahl von Partikeln aus einem Material oder einer Mehrzahl von Materialien. Zumeist ist das Material mit den
Eigenschaften, die es als Sinterwerkstoff aufweist, mit herkömmlichen Verfahren, wie beispielsweise Gießen schwer oder nicht zu verarbeiten. Der Sinterwerkstoff liegt in einer Ausgangsform als bildsames Pulver vor. Das Pulver wird mit einem Bindemittel vermengt und kann so in eine Negativform eingebracht werden. In der Negativform wird der Sinterwerkstoff zu einem Zwischenprodukt, einem sogenannten Grünteil verdichtet. In der Negativform verbindet das Bindemittel die Partikel des Pulvers unter hohem Druck und/oder Wärme. Das Grünteil weist im Wesentlichen bereits ein Aussehen des fertigen Sinterteils auf, wenn es aus der Negativform entnommen wird. Das Grünteil weist ein höheres Volumen auf, als das fertige Sinterteil. Das Grünteil kann poröser sein, als das fertige Sinterteil. Das Grünteil weist eine geringere Festigkeit auf, als das fertige Sinterteil, da die Partikel des Pulvers lediglich über das Bindemittel aneinander haften. Das Grünteil kann mit herkömmlichen Methoden mechanisch bearbeitet werden. Das Grünteil kann auch durch einen Spritzgussprozess hergestellt werden. Dazu wird dem Sinterwerkstoff soviel Bindemittel beigemengt, dass das Gemisch plastifiziert werden kann, um unter hohem Druck und hoher Temperatur in eine Spritzgussform injiziert zu werden. Dabei entsteht ein Grünteil, bei dem die Zwischenräume zwischen den Körnern des Pulvers mit Bindemittel gefüllt sind.
Das Grünteil wird zum Sintern in einen Ofen eingebracht und erhitzt. Im Ofen wird das Bindemittel großteils aus dem Sinterteil ausgetrieben. Die Partikel des Sinterwerkstoffs verbinden sich beispielsweise über Diffusionsprozesse zwischen den Partikeln. Ebenso kann ein Materialbestandteil einen niedrigeren
Schmelzpunkt als andere Materialbestandteile aufweisen. Dann kann der niedrigschmelzende Materialbestandteil andere Materialbestandteile in einer Materialmatrix einbetten. Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass der Sinterwerkstoff beim Sintern sein Gesamtvolumen verringert. Ein Faktor, um den sich der Sinterwerkstoff zusammenzieht, kann mittels des Bindemittels beeinflusst werden.
Beispielsweise können zwei verschiedene Sinterwerkstoffe zusammen gesintert werden, wobei ein erster der Sinterwerkstoffe einen größeren Schwund aufweist, als der zweite der Sinterwerkstoffe. Somit kann der Sinterwerkstoff mit dem größeren Schwund auf den Sinterwerkstoff mit dem kleineren Schwund aufschrumpfen. Ein Sintermaterial kann auch auf ein anderes Material aufschrumpfen. Beim Aufschrumpfen kann ein Kraftschluss zwischen zwei Bauteilen erreicht werden. Ebenso kann ein weiteres Material beim Sintern stoffschlüssig und/oder formschlüssig mit dem Sintermaterial verbunden werden. Beispielsweise kann das weitere Material durch Diffusionsvorgänge mit dem Sintermaterial verbunden werden. Oder das weitere Material kann in
schmelzflüssigem Zustand in eine Struktur des Sintermaterials eindringen.
Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren zum Verbinden eines
Turbinenrads mit einem Zwischenstück an einer Verbindungsstelle, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
Bereitstellen des Turbinenrads und des Zwischenstücks, wobei das Turbinenrad aus einem ersten Material besteht und eine erste Kontaktfläche aufweist, und das Zwischenstück aus einem zweiten Material besteht und eine zweite
Kontaktfläche aufweist, wobei das erste Material verschieden von dem zweiten Material ist;
Anordnen des Zwischenstücks in einer Relativposition zu dem Turbinenrad, wobei die zweite Kontaktfläche im Bereich der Verbindungsstelle der ersten Kontaktfläche zugewandt angeordnet wird; und
Temperieren des Turbinenrads und des Zwischenstücks auf eine
Sintertemperatur, wobei das Turbinenrad und/oder das Zwischenstück gesintert wird, um die erste Kontaktfläche und die zweite Kontaktfläche an der
Verbindungsstelle zu verbinden.
Die vorliegende Erfindung schafft ferner eine Vorrichtung zum Verbinden eines Turbinenrads mit einem Zwischenstück an einer Verbindungsstelle, wobei die Vorrichtung die folgenden Merkmale aufweist: eine Einrichtung zum Bereitstellen des Turbinenrads und des Zwischenstücks, wobei das Turbinenrad aus einem ersten Material besteht und eine erste
Kontaktfläche aufweist, und das Zwischenstück aus einem zweiten Material besteht und eine zweite Kontaktfläche aufweist, wobei das erste Material verschieden von dem zweiten Material ist; eine Einrichtung zum Anordnen des Turbinenrads in einer Relativposition zu dem Zwischenstück, wobei die erste Kontaktfläche im Bereich der Verbindungsstelle der zweiten Kontaktfläche zugewandt angeordnet wird; und eine Einrichtung zum Temperieren des Turbinenrads und des Zwischenstücks auf eine Sintertemperatur, wobei das Turbinenrad und/oder das Zwischenstück gesintert wird, um die erste Kontaktfläche und die zweite Kontaktfläche an der Verbindungsstelle zu verbinden.
Ferner schafft die vorliegende Erfindung einen Läufer für eine Turbine, wobei der Läufer die folgenden Merkmale aufweist: ein Turbinenrad, das aus einem ersten Material besteht und eine erste
Kontaktfläche aufweist; ein Zwischenstück, das aus einem zweiten Material besteht und eine zweite Kontaktfläche sowie eine Aussparung aufweist, wobei das zweite Material verschieden von dem ersten Material ist, und die zweite Kontaktfläche mit der ersten Kontaktfläche verbunden ist; und eine Welle, die aus einem weiteren Material besteht und in der Aussparung des Zwischenstücks angeordnet ist, wobei das Zwischenstück auf die Welle aufgeschrumpft ist.
Unter einem Turbinenrad kann ein rotationssymmetrischer Grundkörper mit beispielsweise radial ausgerichteten Turbinenschaufeln verstanden werden. Die Turbinenschaufeln können strömungsgünstig geformt sein, um Energie aus einem Fluid, das über die Turbinenschaufeln strömt, in eine Drehbewegung des Turbinenrads um eine Hauptrotationsachse des Turbinenrads umzuwandeln. Ein Zwischenstück kann ein ringförmig geschlossenes Bauteil sein, das als
Verbindungselement ausgelegt ist. Das Zwischenstück kann als Manschette oder Einlegestück ausgestaltet sein. Das Zwischenstück kann Funktionsflächen aufweisen. Beispielsweise kann das Zwischenstück Dichtflächen aufweisen. Eine Verbindungsstelle kann eine geplante Fügestelle zwischen dem Turbinenrad und dem Zwischenstück sein. Eine erste Kontaktfläche kann eine erste Seite der Verbindungsstelle ausbilden. Eine zweite Kontaktfläche kann eine zweite Seite der Verbindungsstelle ausbilden. Die Kontaktflächen können eine
zueinanderpassende Kontur aufweisen, wobei eine Kontur der ersten
Kontaktfläche unvollständig in einer Kontur der zweiten Kontaktfläche abgebildet sein kann. Ebenso kann die Kontur der zweiten Kontaktfläche unvollständig in der Kontur der ersten Kontaktfläche abgebildet sein. Beispielsweise kann eine der Kontaktflächen eine oder mehrere Aussparungen aufweisen, die in der anderen Kontaktfläche nicht abgebildet sind. Im Schritt des Anordnens können die Kontaktflächen einander gegenüberliegend angeordnet werden. Zwischen den Kontaktflächen kann vor dem Schritt des Temperierens ein Spalt sein. Das
Zwischenstück kann im Schritt des Anordnens auch an weiteren Stellen auf dem Turbinenrad aufliegen. Beispielsweise kann das Turbinenrad und/oder das Zwischenstück Führungsflächen zum gegenseitigen Positionieren aufweisen. Eine Sintertemperatur kann so hoch sein, um den Sinterprozess zu ermöglichen. Dabei kann das erste Material und/oder das zweite Material irreversibel von einem ersten Zustand in einen zweiten Zustand umgewandelt werden. Das erste Material oder das zweite Material kann bei der Sintertemperatur auch eine Wärmebehandlung erfahren. Während des Sinterns oder nach dem Sintern, beim Abkühlen können das Turbinenrad und das Zwischenstück miteinander fest verbunden werden.
Das Turbinenrad kann aus einem Sintermaterial bestehen und in einem ungesinterten Zustand bereitgestellt werden, wobei das Turbinenrad eine Aussparung aufweist, die zumindest an einer Innenseite die erste Kontaktfläche ausbildet. Zumindest eine Außenseite des Zwischenstücks kann die zweite
Kontaktfläche ausbilden. Das Zwischenstück kann innerhalb der Aussparung angeordnet werden. Das Turbinenrad und das Zwischenstück können auf eine Sintertemperatur des Turbinenrads erwärmt werden und das Turbinenrad während des Temperierens auf das Zwischenstück aufgeschrumpft werden. Das Zwischenstück kann bereits in fertig gesintertem Zustand bereitgestellt werden.
Das Zwischenstück kann auch aus einem Nicht-Sintermaterial bestehen, und während des Sinterns des Turbinenrads wärmebehandelt werden. Durch ein Einsetzen des Zwischenstücks in das zu sinternde Turbinenrad kann das Turbinenrad fest mit dem Zwischenstück verbunden werden. Das Zwischenstück kann als Einlegeteil bezeichnet werden. Das Turbinenrad kann einen Vorsprung aufweisen, der zumindest auf einer Außenseite die erste Kontaktfläche ausbildet. Das Zwischenstück kann aus einem Sintermaterial bestehen und in einem ungesinterten Zustand bereitgestellt werden, wobei das Zwischenstück eine ringförmige Gestalt aufweist und zumindest eine Innenseite des Zwischenstücks die zweite Kontaktfläche ausbildet. Der Vorsprung kann innerhalb des Zwischenstücks angeordnet werden. Das Turbinenrad und das Zwischenstück können auf eine
Sintertemperatur des Zwischenstücks erwärmt werden und das Zwischenstück während des Temperierens auf das Turbinenrad aufgeschrumpft werden. Das Turbinenrad kann bereits in fertig gesintertem Zustand bereitgestellt werden. Das Turbinenrad kann auch aus einem Nicht-Sintermaterial bestehen, und während des Sinterns des Zwischenstücks wärmebehandelt werden. Durch ein Aufsetzen des zu sinternden Zwischenstücks auf das Turbinenrad kann das Turbinenrad fest mit dem Zwischenstück verbunden werden. Das Zwischenstück kann als Ring oder Manschette bezeichnet werden.
Das Turbinenrad und das Zwischenstück können aus einem Sintermaterial bestehen und jeweils in einem ungesinterten Zustand bereitgestellt werden, wobei das Turbinenrad eine Aussparung aufweist, die zumindest an einer Innenseite die erste Kontaktfläche ausbildet, und zumindest eine Außenseite des Zwischenstücks die zweite Kontaktfläche ausbildet. Das Zwischenstück kann innerhalb der Aussparung angeordnet werden. Das Turbinenrad und das Zwischenstück können auf eine Sintertemperatur des Turbinenrads und des Zwischenstücks erwärmt werden und das Turbinenrad und das Zwischenstück können während des Temperierens co-gesintert werden. Unter dem Begriff„Co- sintern" ist hierbei das Verbinden zumindest zweier Teile während des
Sinterprozesses gemeint. Das Zwischenstück kann als Einlegeteil bezeichnet werden. Das Turbinenrad und das Zwischenstück können aus einem Sintermaterial bestehen und jeweils in einem ungesinterten Zustand bereitgestellt werden, wobei das Turbinenrad einen Vorsprung aufweist, der zumindest auf einer Außenseite die erste Kontaktfläche ausbildet, und das Zwischenstück eine ringförmige Gestalt aufweist und zumindest eine Innenseite des Zwischenstücks die zweite Kontaktfläche ausbildet. Der Vorsprung kann innerhalb des
Zwischenstücks angeordnet werden. Das Turbinenrad und das Zwischenstück können auf eine Sintertemperatur des Turbinenrads und des Zwischenstücks erwärmt werden und das Turbinenrad und das Zwischenstück können während des Temperierens co-gesintert werden. Das Zwischenstück kann als Ring oder Manschette bezeichnet werden. Durch ein gemeinsames Sintern können zwischen dem Zwischenstück und dem Turbinenrad Verbindungen auf
Partikelebene entstehen, was zu einer besonders dauerhaften Verbindung führen kann. Die zwei Sintermaterialien können beim Sintern unterschiedlich stark schrumpfen. Dadurch können zusätzlich mechanische Spannungen in und zwischen dem Turbinenrad und dem Zwischenstück entstehen, um einen Kraftschluss zu ermöglichen.
Die Kontaktfläche des Turbinenrads kann eine Kontur zum Sichern gegen ein Verdrehen des Zwischenstücks aufweisen. Die Kontaktfläche des
Zwischenstücks kann eine korrespondierende Kontur zum Sichern gegen ein Verdrehen des Turbinenrads aufweisen. Die Kontur und die korrespondierende Kontur können lagerichtig zueinander angeordnet werden, und das Turbinenrad und das Zwischenstück verdrehsicher verbunden werden. Eine Kontur zum Sichern gegen ein Verdrehen kann dazu ausgebildet sein, einen Formschluss zwischen dem Turbinenrad und dem Zwischenstück zu erreichen, wenn das Zwischenstück mit dem Turbinenrad verbunden ist. Beispielsweise kann eine Kontaktfläche zumindest einen Vorsprung aufweisen, der dazu ausgebildet ist, in zumindest eine Ausnehmung der anderen Kontaktfläche einzugreifen. Die Kontur kann schwerpunktneutral ausgeführt sein. Beispielsweise können Vorsprünge und/oder Aussparungen einer Kontur gegengleiche Steineranteile bezüglich der Hauptrotationsachse aufweisen.
Im Schritt des Bereitstellens kann ferner eine Welle aus einem weiteren Material bereitgestellt werden. Die Welle kann in einer Aussparung des Zwischenstücks angeordnet werden. Das Zwischenstück kann auf die Welle aufgeschrumpft werden. Unter einem weiteren Material kann ein kristallines Nicht-Sintermaterial verstanden werden. Die Welle kann auch aus einem zuvor bereits fertig gesinterten Sintermaterial bestehen. Die Welle kann in der Hauptrotationsachse des Turbinenrads ausgerichtet werden. Beim Aufschrumpfen kann die Welle drehfest mit dem Zwischenstück und damit mit dem Turbinenrad verbunden werden. Die Welle kann eine Einstecktiefenbegrenzungsfläche zum Begrenzen einer Einstecktiefe der Welle in das Zwischenstück aufweisen. Alternativ oder ergänzend kann das Zwischenstück eine Eindringtiefenbegrenzungsfläche zum Begrenzen einer Eindringtiefe der Welle in das Zwischenstück aufweisen. Die Einstecktiefenbegrenzungsfläche kann an einer korrespondierenden Fläche des Zwischenstücks anliegend angeordnet werden. Die
Eindringtiefenbegrenzungsfläche kann an einer korrespondierenden Fläche der Welle anliegend angeordnet werden. Unter einer
Einstecktiefenbegrenzungsfläche und/oder einer
Eindringtiefenbegrenzungsfläche kann ein Absatz beispielsweise quer zu der Hauptrotationsachse des Turbinenrads verstanden werden, der dazu ausgebildet ist, als Anlagefläche beim axialen Einführen der Welle in das Zwischenstück zu dienen. Durch die Begrenzung kann zwischen dem Turbinenrad und der Welle ein Hohlraum ausgebildet werden, der eine thermische Isolation der Welle vom Turbinenrad ermöglicht, wodurch eine thermische Belastung von Lagerstellen auf der Welle verringert werden kann.
Das Zwischenstück kann eine weitere Kontur zum Sichern gegen ein Verdrehen der Welle aufweisen. Die Welle kann eine korrespondierende weitere Kontur zum Sichern gegen ein Verdrehen des Zwischenstücks aufweisen. Die weitere Kontur und die weitere korrespondierende Kontur können lagerichtig zueinander angeordnet werden, und das Zwischenstück verdrehsicher mit der Welle verbunden werden. Durch eine weitere Verdrehsicherung kann ein Drehmoment vom Turbinenrad sicher auf die Welle übertragen werden. Die
Schrumpfverbindung wird so nicht auf Scherung belastet.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Verbinden eines
Turbinenrads mit einem Zwischenstück gemäß einem
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 ein Blockschaltbild einer Vorrichtung zum Verbinden eines Turbinenrads mit einem Zwischenstück gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; Die Figuren 3a, 3b, 3c Herstellungsschritte eines Verfahrens zum Verbinden eines Turbinenrads mit einem Zwischenstück und einer Welle mit dem Zwischenstück gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Die Figuren 4a, 4b Herstellungsschritte eines Verfahrens zum Verbinden eines Turbinenrads mit einem Zwischenstück und einer Welle mit dem Zwischenstück gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Die Figuren 5a, 5b, 5c Herstellungsschritte eines weiteren Verfahrens zum
Verbinden eines Turbinenrads mit einem Zwischenstück und einer Welle mit dem Zwischenstück gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Die Figuren 6a, 6b, 6c Herstellungsschritte eines weiteren Verfahrens zum
Verbinden eines Turbinenrads mit einem Zwischenstück und einer Welle mit dem Zwischenstück gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Die Figuren 7a, 7b, 7c, 7d, 7e, 7f, 7g, 7h Darstellungen von Zwischenstücken mit Verdrehsicherung gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung; und
Fig. 8 eine Schnittdarstellung durch ein Detail eines Läufers für eine Turbine gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
In der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren
dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche
Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
Fig. 1 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 100 zum Verbinden eines Turbinenrads mit einem Zwischenstück an einer Verbindungsstelle gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Verfahren weist einen Schritt des Bereitstellens 102, einen Schritt des Anordnens 104 und einen Schritt des Temperierens 106 auf. Im Schritt 102 des Bereitstellens werden das
Turbinenrad und das Zwischenstück bereitgestellt, wobei das Turbinenrad aus einem ersten Material besteht und eine erste Kontaktfläche aufweist, und das
Zwischenstück aus einem zweiten Material besteht und eine zweite
Kontaktfläche aufweist, wobei das erste Material verschieden von dem zweiten Material ist. Im Schritt 104 des Anordnens wird das Zwischenstück in einer Relativposition zu dem Turbinenrad angeordnet, wobei die zweite Kontaktfläche im Bereich der Verbindungsstelle der ersten Kontaktfläche zugewandt angeordnet wird. Im Schritt 106 des Temperierens werden das Turbinenrad und das Zwischenstück auf eine Sintertemperatur erwärmt, wobei das Turbinenrad und alternativ oder ergänzend das Zwischenstück gesintert wird, um die erste Kontaktfläche und die zweite Kontaktfläche an der Verbindungsstelle zu verbinden.
Mit anderen Worten zeigt Fig. 1 ein Verfahren 100 zur Herstellung eines
Verbundes zwischen einem Turbinenrad (TR) und einem Übergangsstück, wobei mindestens eine Komponente als Grünkörper vorgelegt und durch einen
Sinterprozess verdichtet wird, sodass spätestens in der Endphase des
Sinterprozesses eine stoff- und formschlüssige Verbindung erreicht wird. Das Übergangsstück erlaubt eine einfache Verbindung (Schweißen, Löten) des TR an die Stahlwelle, gewährleistet einen geringen Wärmeübergang zwischen TR und Welle und ermöglicht eine einfache Wuchtung des TR mit Welle (Läufer).
Um die Anbindung des gesinterten oder feingegossenen TR an die Welle unabhängig von der Werkstoffwahl des TR zu machen, wird ein Übergangsstück in Form eines Zwischenstücks (ringförmig oder eckig, mit Nuten oder Federn) zwischen TR und Welle eingefügt. Das Zwischenstück besteht aus einem
Werkstoff, der sich gut mit der Welle verbinden lässt, z. B. durch Schweißen oder
Löten. Eine Ausführung des Zwischenstücks mit Ecken, Nuten oder Federn hat den Vorteil einer zusätzlichen radialen Fixierung des TR und der Welle. Die Anbindung des Zwischenstücks (Ringes) an das TR wird durch einen
Sinterprozess erreicht. Dies setzt voraus, dass mindestens einer der beiden Komponenten— TR oder Zwischenstück— pulvermetallurgisch (PM) hergestellt wurde. Die gewählte Anordnung Zwischenstück/Turbinenrad hat Vorteile hinsichtlich Wärmeübertragung, mechanischen Eigenschaften und Unwucht.
Vorteilhaft ist, dass insbesondere bei hochsinternden TR-Werkstoffen wie TiAl (Sintertemperatur im Bereich von 1420-1520°C) Zwischenstückwerkstoffe verwendet werden können, deren Schmelztemperaturen unterhalb der
Sintertemperatur des TR-Werkstoffes liegen. Dies erweitert die Werkstoffauswahl für das Zwischenstück deutlich.
Der hier vorgestellte Ansatz kann am Produkt durch Betrachtung,
metallografische Schnitte und chemische Analyse (SEMEDX) erkannt werden.
Der hier vorgestellte Ansatz kann überall dort eingesetzt werden, wo ein
Turbinenrad mit einer Welle verbunden werden soll wie z. B. im Abgasturbolader, bei Durchflussmessern, bei Triebwerken oder in Drehmomentwandlern.
Fig. 2 zeigt ein Blockschaltbild einer Vorrichtung zum 200 Verbinden eines Turbinenrads mit einem Zwischenstück an einer Verbindungsstelle gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Vorrichtung weist eine Einrichtung 202 zum Bereitstellen, eine Einrichtung 204 zum Anordnen und eine Einrichtung 206 zum Temperieren auf. Die Einrichtung 202 zum Bereitstellen ist dazu ausgebildet, das Turbinenrad und das Zwischenstück bereitzustellen, wobei das Turbinenrad aus einem ersten Material besteht und eine erste Kontaktfläche aufweist, und das Zwischenstück aus einem zweiten Material besteht und eine zweite Kontaktfläche aufweist, wobei das erste Material verschieden von dem zweiten Material ist. Beispielsweise kann die Einrichtung 202 zum Bereitstellen das Turbinenrad aus einem ersten Vorratsbehälter und das Zwischenstück aus einem zweiten Vorratsbehälter entnehmen und in einem Arbeitsbereich bereitstellen. Die Einrichtung 204 zum Anordnen ist dazu ausgebildet, das Turbinenrad in einer Relativposition zu dem Zwischenstück anzuordnen. Ebenso kann die Einrichtung 204 das Zwischenstück in der Relativposition zu dem Turbinenrad anordnen. Dabei wird die erste Kontaktfläche im Bereich der Verbindungsstelle der zweiten Kontaktfläche zugewandt angeordnet. Die
Einrichtung 204 zum Anordnen kann beispielsweise das Zwischenstück und/oder das Turbinenrad aufnehmen und relativ zueinander anordnen, sodass die Kontaktflächen beim nachfolgenden Temperieren miteinander verbunden werden. Die Einrichtung 206 zum Temperieren ist dazu ausgebildet, das
Turbinenrad und das Zwischenstück auf eine Sintertemperatur zu erwärmen. Beim Temperieren wird das Turbinenrad und/oder das Zwischenstück gesintert, um die erste Kontaktfläche und die zweite Kontaktfläche an der
Verbindungsstelle zu verbinden. Die Einrichtung 206 zum Temperieren kann beispielsweise ein Ofen oder ein Autoklav sein. Das Temperieren kann unter Verwendung eines vorbestimmten Temperaturverlaufs erfolgen. Das
Temperieren kann ein Einstellen von vorbestimmten Umweltbedingungen umfassen. Beispielsweise können ein Druck, eine Feuchtigkeit, eine oder mehrere Gaskonzentrationen eingestellt werden. Anschließend an das Erwärmen kann die Sintertemperatur gehalten werden. Danach können das Turbinenrad und das Zwischenstück von der Sintertemperatur unter Verwendung eines weiteren vorbestimmten Temperaturverlaufs bis auf Umgebungstemperatur abgekühlt werden.
Für die Realisierung eines Zwischenstücks 302, das fest mit einem Stutzen am Fußbereich eines Turbinenrades 300 verbunden wird, das mit herkömmlichen Fügetechniken (z. B. Löten, Schweißen) oder durch eine Sinterung schwer mit der Welle 304 verbunden werden kann, existieren mehrere Varianten.
Die Figuren 3a, 3b und 3c zeigen Herstellungsschritte eines Verfahrens zum Verbinden eines Turbinenrads 300 mit einem Zwischenstück 302 und einer Welle 304 mit dem Zwischenstück 302 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Dabei entsteht ein Läufer 306 für eine Turbine gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, wobei der Läufer 306 das Turbinenrad 300, das Zwischenstück 302 und die Welle 304 aufweist. Das Turbinenrad 300 besteht aus einem ersten Material und weist eine erste
Kontaktfläche auf. Das Zwischenstück 302 besteht aus einem zweiten Material und weist eine zweite Kontaktfläche sowie eine Aussparung auf. Das zweite Material ist verschieden von dem ersten Material. Die zweite Kontaktfläche ist mit der ersten Kontaktfläche verbunden. Die Welle 304 besteht aus einem weiteren Material und ist in der Aussparung des Zwischenstücks 302 angeordnet. Das Zwischenstück 302 ist auf die Welle 304 aufgeschrumpft. Das Zwischenstück 302 kann auch ohne die Aussparung ausgeführt sein, dann kann die Welle 304 an das Zwischenstück 302 angeschweißt sein. Fig. 3a zeigt das Turbinenrad 300 und das Zwischenstück 302 nach dem
Anordnen und vor dem Temperieren. Das Turbinenrad 300 weist bereits seine endgültigen Maße auf. Das Turbinenrad 300 kann aus einem Sintermaterial in gesintertem Zustand sein. Das Turbinenrad 300 kann aus einem anderen Werkstoff sein, der beispielsweise über Feinguss in seine Form gebracht worden ist. Eine Rotationsachse des Turbinenrads 300 ist senkrecht ausgerichtet. Das Zwischenstück 302 ist als ringförmig geschlossenes Bauteil um einen Stutzen des Turbinenrads 300 gelegt. Der Stutzen ist koaxial zu der Rotationsachse angeordnet. Das Zwischenstück 302 ist aus einem Sintermaterial und in einem ungesinterten Zustand. Das Zwischenstück 302 ist ein Grünteil. Das
Zwischenstück 302 ist in Fig. 3a größer als seine Fertigmaße. Zwischen der Kontaktfläche des Zwischenstücks 302 auf einer Innenseite des Rings und der Kontaktfläche des Turbinenrads 300 auf einer Außenseite des Stutzens besteht ein Spalt. Mit anderen Worten zeigt Fig. 3a ein ungesintertes Zwischenstück 302 auf einem dichten TR 300.
Fig. 3b zeigt das Turbinenrad 300 und das Zwischenstück 302 nach dem
Temperieren. Das Zwischenstück 302 ist gesintert. Dabei ist das Zwischenstück 302 geschwunden und weist jetzt seine Fertigmaße auf. Die Kontaktfläche des Zwischenstücks 302 ist auf den Stutzen des Turbinenrads 300 aufgeschrumpft.
Damit ist das Zwischenstück 302 fest mit dem Turbinenrad 300 verbunden. Mit anderen Worten zeigt Fig. 3b ein dichtes Zwischenstück 302 fest verbunden mit dem dichten TR 300 durch ein Aufschrumpfen durch Sintern. Fig. 3c zeigt den Läufer 306. Die Welle 304 ist mit dem Zwischenstück in
Verlängerung der Rotationsachse verbunden. Dabei kann die Welle 304 mittels normaler Verbindungsprozesse mit dem Zwischenstück 302 verbunden worden sein. Ebenso kann die Welle 304 in die Aussparung des Zwischenstücks 302 eingeführt worden sein, bevor das Zwischenstück 302 und das Turbinenrad 300 auf Raumtemperatur abgekühlt ist, um das Zwischenstück 302 ebenfalls auf die
Welle 304 aufzuschrumpfen. Mit anderen Worten zeigt Fig. 3c einen fertigen Läufer 306 nach einem Fügen der Welle 304.
Mit anderen Worten zeigen die Figuren 3a, 3b und 3c eine Anbindung eines Turbinenrades an eine Welle mithilfe eines Sinterprozesses. Im Falle des Turbinenrades (TR) 300, das über einen Metallpulverspritzguss (MIM) hergestellt wurde, kann die Sinterung des TR 300 für eine Anbindung an die Welle 304 genutzt werden. Beispielsweise kann ein MIM-TR 300 aus Titanaluminid (TiAl) direkt oder mit einer Zwischenschicht 302 auf die Welle 304 gesintert werden. Das MIM-TR 300 kann über eine Buchse 304 mittels Schweißen oder Löten an die Welle 304 angebunden werden.
Die Fig, 3 zeigt ein pulvermetallurgisch hergestelltes Zwischenstück 302, das in einem Sinterprozess auf einen Stutzen des bereits dichten TR 300
aufgeschrumpft wird. Das TR 300 kann mittels Feinguss, Erodieren oder auch pulvermetallurgisch hergestellt worden sein. Vorteilhafterweise stimmt die
Sintertemperatur dem Zwischenstück 302 und die
Wärmebehandlungstemperatur des TR 300 überein, um die Sinterung des Zwischenstücks 302 und die Wärmebehandlung des TR 300 in einen Schritt zusammenzufassen. Bei TR 300 aus TiAl besteht das Zwischenstück 302 vorzugsweise aus einer Nickelbasis-Superlegierung, da deren Sintertemperatur niedriger als die Schmelztemperatur von TiAl liegt und Ni-Werkstoffe sich gut mit der Stahlwelle 304 verbinden lassen.
Die Figuren 4a und 4b zeigen die Herstellungsschritte eines Verfahrens zum Verbinden eines Turbinenrads 300 mit einem Zwischenstück 302 und einer Welle
304 mit dem Zwischenstück 302 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Turbinenrad 300, das Zwischenstück 302 und die Welle 304 entsprechen dabei der Beschreibung in Fig. 3. Fig. 4a zeigt wie in Fig. 3a das fertige Turbinenrad 300 und das ungesinterte
Zwischenstück 302, das um den Stutzen angeordnet ist. Zusätzlich ist die Welle 304 bereits jetzt in die Aussparung des Zwischenstücks 302 eingesetzt. Die Welle weist zumindest eine Tiefenanschlagfläche 400 auf, der verhindert, dass die Welle 304 beim Einführen in die Aussparung des Zwischenstücks 302 so tief eingeführt wird, dass die Welle 304 das Turbinenrad 300 direkt berührt. Mit anderen Worten zeigt Fig. 4a ein ungesintertes Zwischenstück 302 auf einem dichten TR 300 und einer dichten Welle 304.
Fig. 4b zeigt wie in Fig. 3c den fertigen Läufer 306. Das Zwischenstück 302 ist beim Sintern auf den Stutzen und auf die Welle 304 gleichzeitig aufgeschrumpft. Das Zwischenstück 302 bildet so ein Bindeglied zwischen der Welle 304 und dem Turbinenrad 300. Durch den Abstand zwischen der Welle 304 und dem Turbinenrad 300 ist die Welle 304 gegenüber dem Turbinenrad 300 thermisch abgeschirmt. Mit anderen Worten zeigt Fig. 4b den fertigen Läufer 306 nach einem Aufschrumpfen durch Sintern.
In Fig. 4 wird die bereits dichte Welle 304 während des Sinterprozesses so am TR 300 positioniert, dass das Zwischenstück 302 sowohl auf das TR 300 als auch auf die Welle 304 aufschrumpft und so eine Verbindung schafft. Diese Variante hat den Vorteil, dass kein nachfolgender Fügeschritt zur Verbindung des TR 300 mit dem Ring 302 an die Welle 304 erfolgen muss. Das Wellenende kann zylindrisch, eckig oder stufig ausgeführt sein, um eine zusätzliche radiale
Fixierung zu erreichen. Bei TR 300 aus TiAl besteht das Zwischenstück 302 vorzugsweise aus einer Nickelbasis-Superlegierung, da deren Sintertemperatur niedriger als die Schmelztemperatur von TiAl liegt.
Die Figuren 5a, 5b und 5c zeigen Herstellungsschritte eines weiteren Verfahrens zum Verbinden eines Turbinenrads 300 mit einem Zwischenstück 302 und einer Welle 304 mit dem Zwischenstück 302 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Fig. 5a zeigt wie Fig. 3a das Turbinenrad 300 und das Zwischenstück 302 nach dem Anordnen des Zwischenstücks 302 um den Stutzen des Turbinenrads 300. Im Gegensatz zu den Figuren 3a und 4a ist das Turbinenrad 300 ebenso wie das Zwischenstück 302 hier aus einem Sintermaterial und in einem ungesinterten Zustand dargestellt. Das Turbinenrad 300 und das Zwischenstück 302 weisen je ein größeres Volumen auf, als im Endzustand. Das TR 300 mit der Buchse 302 kann direkt über den 2-Komponenten-Metallpulverspritzguss hergestellt werden oder die Buchse 304 wird als Pulverpressling oder Spritzgießteil in eine
Aussparung im TR 300 eingelegt. In jedem Fall werden Buchse 302 und TR 300 gemeinsam gesintert, wobei eine feste Verbindung zwischen den beiden Teilen entsteht.
Fig. 5b zeigt das Turbinenrad 300 und das Zwischenstück 302 nach dem Sintern. Das Zwischenstück 302 ist auf den Stutzen des Turbinenrads 300 co-gesintert. Das Turbinenrad 300 ist fest mit dem Zwischenstück 302 verbunden. Beide Teile weisen jetzt zumindest großteils ihre fertigen Maße auf. Mit anderen Worten zeigt Fig. 5b einen dichten Ring 302 fest verbunden mit einem dichten TR 300 nach einem Co-sintern.
Fig. 5c zeigt den zusammengefügten Läufer 306 bestehend aus dem
Turbinenrad 300, dem Zwischenstück 302 und der Welle 304. Die Welle 304 ist an dem Zwischenstück 302 befestigt. Dazu kann die Welle 304 beispielsweise mit dem Zwischenstück 302 verschweißt worden sein. Laserschweißen und Reibschweißen bieten gute Möglichkeiten, um die Welle 304 mit einer geringen Wärmeeinflusszone an dem Zwischenstück zu befestigen.
In Fig. 5 wird ein pulvermetallurgisch hergestelltes Zwischenstück 302 mit einem pulvermetallurgisch hergestellten TR 300 verbunden und co-gesintert. Die Verbindung kann durch Fügen der ungesinterten Teile (Grünteile) erfolgen oder durch einen 2-Komponenten-Spritzguss erreicht werden. Das Grünteilfügen kann durch Kleben ohne oder mit pulverförmigem Zusatz im Klebstoff, durch thermisches Kleben ohne Klebstoff (Anschmelzen des Binders) oder durch Verkleben nach einem chemischen Anlösen von Binderkomponenten erfolgen. Bei TR 300 aus TiAl besteht das Zwischenstück 302 vorzugsweise aus einer Alarmen Ti - Basislegierung, deren Sintertemperatur durch Zulegieren von Nb, Mo, Zr, V, W, Hf, Ta an die Sintertemperatur des TR 300 angepasst ist. Bei TR 300 aus einer Ni-Basislegierung mit γ'-Ausscheidungen besteht das Zwischenstück 302 vorzugsweise aus einer Ni-Basislegierung, die keine γ'-Ausscheidungen ausbildet und somit besser schweißbar ist. Die Figuren 6a, 6b und 6c zeigen Herstellungsschritte eines weiteren Verfahrens zum Verbinden eines Turbinenrads 300 mit einem Zwischenstück 302 und einer Welle 304 mit dem Zwischenstück 302 gemäß einem weiteren
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Fig. 6a zeigt wie Fig. 5a das Turbinenrad 300 aus einem Sintermaterial in ungesintertem Zustand. Im Gegensatz zu Fig. 5a ist das Zwischenstück 302 entweder bereits fertig gesintert oder aus einem Nicht-Sintermaterial. Das Turbinenrad 300 weist eine Aussparung auf, deren Innenseite zumindest einen Teil der Kontaktfläche des Turbinenrads 300 ausbildet. Das Zwischenstück 302 ist als Scheibe ausgeformt. Das Zwischenstück 302 ist ausgewuchtet und schwerpunktneutral. Die Kontaktfläche des Zwischenstücks 302 ist zumindest teilweise auf einer umlaufenden Mantelfläche ausgebildet. Das Zwischenstück 302 ist in der Aussparung des Turbinenrads 300 angeordnet.
Fig. 6b zeigt das Turbinenrad 300 und das Zwischenstück 302 in verbundenen Zustand nach dem Temperieren. Das Turbinenrad 300 ist geschwunden und auf das Zwischenstück 302 aufgeschrumpft. Dabei sind die beiden Kontaktflächen verbunden worden.
Fig. 6c zeigt den zusammengesetzten Läufer 306. Die Welle 304 ist mit dem Zwischenstück 302 verbunden worden.
In Fig. 6 wird ein pulvermetallurgisch hergestelltes TR 300 in einem
Sinterprozess auf das bereits dichtes Zwischenstück 302 aufgeschrumpft.
Voraussetzung hierfür ist, dass die Schmelztemperatur des
Zwischenstückwerkstoffes höher liegt als die Sintertemperatur des TR 300. Bei
TR 300 aus TiAl besteht das Zwischenstück 302 vorzugsweise aus einer Alarmen Ti-Basislegierung mit Zulegierungen (V, Sn, Zr, Mo, Fe, Nb), da deren Schmelzpunkt in der Regel höher als die Sintertemperatur des TR 300 ist. Bei TR 300 aus einer Ni-Basislegierung mit γ'-Ausscheidungen besteht das
Zwischenstück 302 vorzugsweise aus einer Fe-Basislegierung oder einer Ni-
Basislegierung ohne γ'- Ausscheidungen, deren Schmelzpunkt höher als die Sintertemperatur des TR-Werkstoffes ist.
Die Anbindung zwischen Zwischenstück 302 und Welle 304 kann über herkömmliche Verbindungstechniken (Schweißen, Löten) erfolgen, was besonders bei schwer schweißbaren TR-Materialien vorteilhaft ist, z. B. bei Titanaluminid oder Nickelbasislegierungen mit γ'-Ausscheidungen. Je nach Größe von Zwischenstück 302 und Welle 304 und des gewählten
Anbindungsverfahrens kann die Anbindung der Welle 304 stirnseitig oder radial in dem Zwischenstück 302 erfolgen. Für die Innenform des Zwischenstücks 302 sind verschiedene Geometrien denkbar, die zu einer zusätzlichen radialen Arretierung des TR 300 und der Welle 304 führen. Die pulvermetallurgische Herstellung des Zwischenstücks 302 erlaubt zudem die kostengünstige
Darstellung von Geometrien, die eine definierte Kavität zwischen TR 300 und Welle 304 ermöglichen, welche zu einem verringerten Wärmeübergang zwischen
TR 300 und Welle 304 führt („Wärmedrossel" 804 in Fig. 8). Weitere Vorteile des hier vorgestellten Ansatzes sind die Möglichkeit, das Auswuchten des Läufers 306 (TR 300 mit Welle 304) durch Materialabtrag an dem Zwischenstück 302 vorzunehmen, wodurch das direkte Auswuchten des schwer zu bearbeitenden TiAI-TR 300 vermieden wird, und das Anbringen von umlaufenden
Dichtungsriefen o.ä. an dem Zwischenstück 302, wodurch die Wellengeometrie vereinfacht wird.
Die Figuren 7a, 7b, 7c, 7d, 7e, 7f, 7g und 7h zeigen Darstellungen von
Zwischenstücken 302 mit Verdrehsicherung gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung. Die Zwischenstücke 302 weisen als Grundkörper einen
Hohlzylinder auf. Um eine verdrehsichernde Wirkung zu entfalten, wird ein Gegenstück benötigt, das eine Kontur der Verdrehsicherung invertiert abbildet. Wenn ein, an der Verdrehsicherung beteiligtes Bauteil im Schritt des Anordnens noch nicht gesintert ist, und damit noch mehr Volumen als nach dem Sintern aufweist, dann ist es erforderlich, einen Volumenschwund in den Maßen der
Verdrehsicherung des ungesinterten Teils zu berücksichtigen, also um eine Schwindmaßzugabe größer auszuführen. Im Schritt des Anordnens wird das Gegenstück in die Verdrehsicherung axial zu dem Zwischenstück 302 in gleicher Lage, also lagerichtig eingeführt.
Fig. 7a zeigt eine Grundform des Zwischenstücks 302. Zumindest ein Teil einer Innenseite des Zwischenstücks 302 kann als Kontaktfläche zu einem
Turbinenrad, wie es in den Figuren 3 bis 5 dargestellt ist, ausgebildet sein.
Ebenso kann die Kontaktfläche auf der Außenseite des Zwischenstücks 302 angeordnet sein, beispielsweise wenn das Zwischenstück 302 in eine
Aussparung wie in Fig. 6 eingesetzt wird. Das dargestellte Zwischenstück 302 kann auf der Kontaktfläche eine erhöhte Oberflächenrauigkeit aufweisen, die beim Verbinden eine Mikroverzahnung mit einer Oberfläche des Turbinenrads und/oder der Welle ergeben kann.
Fig. 7b zeigt ein Zwischenstück 302 mit einer Verdickung 700 auf einer
Innenseite des Hohlzylinders. Die Verdickung 700 weist die Form eines
Kreissegments auf. Die Verdickung ist einseitig angeordnet. Fig. 7c zeigt ein Zwischenstück 302 mit vier gleichmäßig verteilten, diametral gegenüberliegenden Vorsprüngen 702 auf der Innenseite des Zwischenstücks 302 auf. Die Vorsprünge 702 weisen eine halbzylindrische Form auf.
Fig. 7d zeigt ein Zwischenstück 302, die vier gleichmäßig verteilte, diametral über die Innenseite verteilte Aussparungen 704 aufweist. Die Aussparungen 704 weisen eine halbzylindrische Form auf.
Fig. 7e zeigt ein Zwischenstück 302, das eine quadratische Innenkontur aufweist. Die Innenkontur ist konzentrisch zu einer Außenkontur des Zwischenstücks 302 ausgerichtet.
Fig. 7f zeigt ein Zwischenstück 302, das eine hexagonale Innenkontur aufweist.
Fig. 7g zeigt ein Zwischenstück 302, das eine elliptische Innenkontur aufweist.
Fig. 7h zeigt ein Zwischenstück 302 mit zwei diametral gegenüberliegenden Verdickungen 706 der Wand, wie sie in Fig. 7b gezeigt ist.
Fig. 8 zeigt eine Schnittdarstellung durch ein Detail eines Läufers 306 für eine Turbine gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der Läufer 306 ist aus einem Turbinenrad 300, ein Zwischenstück 302 und einer Welle 304 zusammengesetzt. Gezeigt ist ein Übergangsbereich des Läufers 306 von dem Turbinenrad 300 auf das Zwischenstück 302 und von dem
Zwischenstück 302 auf die Welle 304. Das Turbinenrad 300 weist einen Stutzen 800 auf. Um diesen Stutzen 800 herum ist das Zwischenstück 302 angeordnet. Der Stutzen 800 und das Zwischenstück 302 weisen zueinanderpassende Verdrehsicherungen 802 auf. Die Verdrehsicherung 802 ist eine Aussparung in einem Grundkörper des Stutzens 800 oder des Zwischenstücks 302, die mit einem Vorsprung des Stutzens 800 bzw. des Zwischenstücks 302
korrespondiert. Der Vorsprung greift in die Aussparung ein und unterbindet so eine Verdrehung der beiden Teile. Die Welle 304 ist in das Zwischenstück 302 eingesetzt. Zwischen der Welle 304 und dem Zwischenstück ist ebenfalls eine Verdrehsicherung 802 angeordnet, die wie oben beschrieben wirkt. Zwischen dem Turbinenrad 300 und der Welle 304 ist ein Zwischenraum (Kavität) 804 angeordnet, der eine definierte Größe aufweist und als Wärmedrossel wirkt. Die Welle 304 weist zumindest eine Einstecktiefenbegrenzungsfläche 400 auf, die senkrecht zu einer Rotationsachse des Läufers 306 ausgerichtet ist, und die Welle 302 auf einer axialen Fläche des Zwischenstücks 302 abstützt. Ebenso weist das Zwischenstück zumindest eine Eindringtiefenbegrenzungsfläche 806 auf, die ebenfalls senkrecht zu der Rotationsachse des Läufers 306 ausgerichtet ist, und die Welle 302 abstützt. In diesem Ausführungsbeispiel weisen die Kontaktflächen zwischen dem Zwischenstück 302 und dem Turbinenrad 300 ebenso Eindringtiefenbegrenzungsflächen bzw.
Einstecktiefenbegrenzungsflächen auf. Da der Stutzen 800 hier weiter aus dem Turbinenrad 300 hervorsteht, als in den Figuren 3 bis 5.
Mit anderen Worten zeigt Fig. 8 eine Ausführungsvariante der
Zwischenstückgeometrie zur Einstellung einer definierten Kavität 804 am Beispiel des Zwischenstücks 302 aus Fig. 7h.
Die beschriebenen und in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele sind nur beispielhaft gewählt. Unterschiedliche Ausführungsbeispiele können vollständig oder in Bezug auf einzelne Merkmale miteinander kombiniert werden. Auch kann ein Ausführungsbeispiel durch Merkmale eines weiteren Ausführungsbeispiels ergänzt werden.
Ferner können erfindungsgemäße Verfahrensschritte wiederholt sowie in einer anderen als in der beschriebenen Reihenfolge ausgeführt werden.
Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine„und/oder"-Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so ist dies so zu lesen, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.

Claims

Ansprüche
1 . Verfahren (100) zum Verbinden eines Turbinenrads (300) mit einem
Zwischenstück (302) an einer Verbindungsstelle, wobei das Verfahren (100) die folgenden Schritte aufweist:
Bereitstellen (102) des Turbinenrads (300) und dem Zwischenstück (302), wobei das Turbinenrad (300) aus einem ersten Material besteht und eine erste Kontaktfläche aufweist, und das Zwischenstück (302) aus einem zweiten Material besteht und eine zweite Kontaktfläche aufweist, wobei sich das erste Material und das zweite Material unterscheiden;
Anordnen (104) des Zwischenstücks (302) in einer Relativposition zu dem Turbinenrad (300), wobei die zweite Kontaktfläche im Bereich der
Verbindungsstelle der ersten Kontaktfläche zugewandt angeordnet wird; und
Temperieren (106) des Turbinenrads (300) und des Zwischenstücks (302) auf eine Sintertemperatur, wobei das Turbinenrad (300) und/oder das Zwischenstück (302) gesintert wird, um die erste Kontaktfläche und die zweite Kontaktfläche an der Verbindungsstelle zu verbinden.
2. Verfahren (100) gemäß Anspruch 1 , bei dem im Schritt (102) des
Bereitstellens ein Turbinenrad (300) bereitgestellt wird, das aus einem Sintermaterial besteht und in einem ungesinterten Zustand bereitgestellt wird, wobei das Turbinenrad (300) eine Aussparung aufweist, die zumindest an einer Innenseite die erste Kontaktfläche ausbildet, und im Schritt (102) des Bereitstellens ein Zwischenstück bereitgestellt wird, bei der zumindest eine Außenseite des Zwischenstücks (302) die zweite Kontaktfläche ausbildet, wobei im Schritt (104) des Anordnens das Zwischenstück (302) innerhalb der Aussparung angeordnet wird, und im Schritt (106) des Temperierens das Turbinenrad (300) und das Zwischenstück (302) auf eine
Sintertemperatur des Turbinenrads (300) erwärmt werden und das Turbinenrad (300) während des Temperierens auf das Zwischenstück (302) aufgeschrumpft wird.
Verfahren (100) gemäß Anspruch 1 , bei dem im Schritt (102) des
Bereitstellens ein Turbinenrad (300) bereitgestellt wird, das einen Vorsprung (800) aufweist, der zumindest auf einer Außenseite die erste Kontaktfläche ausbildet, und im Schritt (102) des Bereitstellens ein Zwischenstück bereitgestellt wird, bei dem das Zwischenstück (302) aus einem
Sintermaterial besteht und in einem ungesinterten Zustand bereitgestellt wird, wobei das Zwischenstück (302) eine ringförmige Gestalt aufweist und zumindest eine Innenseite des Zwischenstücks (302) die zweite
Kontaktfläche ausbildet, wobei im Schritt (104) des Anordnens der
Vorsprung (800) innerhalb des Zwischenstücks (302) angeordnet wird, und im Schritt (106) des Temperierens das Turbinenrad (300) und das
Zwischenstück (302) auf eine Sintertemperatur des Zwischenstücks (302) erwärmt werden und das Zwischenstück (302) während des Temperierens auf das Turbinenrad (300) aufgeschrumpft wird.
Verfahren (100) gemäß Anspruch 1 , bei dem im Schritt (102) des
Bereitstellens ein Turbinenrad (300) und ein Zwischenstück (302) bereitgestellt werden, die aus einem Sintermaterial bestehen und jeweils in einem ungesinterten Zustand bereitgestellt werden, wobei das Turbinenrad (300) eine Aussparung aufweist, die zumindest an einer Innenseite die erste Kontaktfläche ausbildet, und zumindest eine Außenseite des
Zwischenstücks (302) die zweite Kontaktfläche ausbildet, wobei im Schritt (104) des Anordnens das Zwischenstück (302) innerhalb der Aussparung angeordnet wird, und im Schritt (106) des Temperierens das Turbinenrad (300) und das Zwischenstück (302) auf eine Sintertemperatur des
Turbinenrads (300) und des Zwischenstücks (302) erwärmt werden und das Turbinenrad (300) und das Zwischenstück (302) während des Temperierens co-gesintert werden.
Verfahren (100) gemäß Anspruch 1 , bei dem im Schritt (102) des
Bereitstellens ein Turbinenrad (300) und ein Zwischenstück (302) bereitgestellt werden, die aus einem Sintermaterial bestehen und jeweils in einem ungesinterten Zustand bereitgestellt werden, wobei das Turbinenrad (300) einen Vorsprung (800) aufweist, der zumindest auf einer Außenseite die erste Kontaktfläche ausbildet, und das Zwischenstück (302) eine ringförmige Gestalt aufweist und zumindest eine Innenseite des
Zwischenstücks (302) die zweite Kontaktfläche ausbildet, wobei im Schritt (104) des Anordnens der Vorsprung (800) innerhalb des Zwischenstücks (302) angeordnet wird, und im Schritt (106) des Temperierens das
Turbinenrad (300) und das Zwischenstück (302) auf eine Sintertemperatur des Turbinenrads (300) und des Zwischenstücks (302) erwärmt werden und das Turbinenrad (300) und das Zwischenstück (302) während des
Temperierens co-gesintert werden.
Verfahren (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem im Schritt (102) des Bereitstellens ein Turbinenrad (300) und ein Zwischenstück (302) bereitgestellt werden, bei dem die Kontaktfläche des Turbinenrads (300) eine Kontur (700, 702, 704, 706) zum Sichern gegen ein Verdrehen des Zwischenstücks (302) aufweist, und die Kontaktfläche des
Zwischenstücks (302) eine korrespondierende Kontur (700, 702, 704, 706) zum Sichern gegen ein Verdrehen des Turbinenrads (300) aufweist, wobei im Schritt (104) des Anordnens die Kontur (700, 702, 704, 706) und die korrespondierende Kontur (700, 702, 704, 706) lagerichtig zueinander angeordnet werden, und im Schritt (106) des Temperierens das Turbinenrad (300) und das Zwischenstück (302) verdrehsicher verbunden werden.
Verfahren (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem im Schritt (102) des Bereitstellens ferner eine Welle (304) aus einem weiteren Material bereitgestellt wird, wobei im Schritt (104) des Anordnens die Welle (304) in einer Aussparung des Zwischenstücks (302) angeordnet wird, wobei im Schritt (106) des Temperierens das Zwischenstück (302) auf die Welle (304) aufgeschrumpft wird.
Verfahren (100) gemäß Anspruch 7, bei dem im Schritt (102) des
Bereitstellens eine Welle (304) bereitgestellt wird, die eine
Einstecktiefenbegrenzungsfläche (400) zum Begrenzen einer Einstecktiefe der Welle (304) in das Zwischenstück (302) aufweist und/oder ein
Zwischenstück (302) bereitgestellt wird, die eine
Eindringtiefenbegrenzungsfläche (806) zum Begrenzen einer Eindringtiefe der Welle (304) in das Zwischenstück (302) aufweist, wobei im Schritt (104) des Anordnens die Einstecktiefenbegrenzungsfläche (400) an einer korrespondierenden Fläche des Zwischenstücks (302) anliegend angeordnet wird und/oder die Eindringtiefenbegrenzungsfläche (806) an einer korrespondierenden Fläche der Welle (304) anliegend angeordnet wird.
Verfahren (100) gemäß einem der Ansprüche 7 bis 8, bei dem im Schritt (102) des Bereitstellens ein Zwischenstück (302) bereitgestellt wird, die eine weitere Kontur (700, 702, 704, 706) zum Sichern gegen ein Verdrehen der Welle (304) aufweist, und eine Welle (304) bereitgestellt wird, die eine korrespondierende weitere Kontur (700, 702, 704, 706) zum Sichern gegen ein Verdrehen des Zwischenstücks (302) aufweist, wobei im Schritt (104) des Anordnens die weitere Kontur (700, 702, 704, 706) und die weitere korrespondierende Kontur (700, 702, 704, 706) lagerichtig zueinander angeordnet werden, wobei das Zwischenstück (302) verdrehsicher mit der Welle (304) verbunden wird.
0. Vorrichtung (200) zum Verbinden eines Turbinenrads (300) mit einem
Zwischenstück (302) an einer Verbindungsstelle (304), wobei die Vorrichtung (200) die folgenden Merkmale aufweist: eine Einrichtung (202) zum Bereitstellen des Turbinenrads (300) und des Zwischenstücks (302), wobei das Turbinenrad (300) aus einem ersten Material besteht und eine erste Kontaktfläche aufweist, und das
Zwischenstück (302) aus einem zweiten Material besteht und eine zweite Kontaktfläche aufweist, wobei sich das erste Material und das zweite Material unterscheiden; eine Einrichtung (204) zum Anordnen des Zwischenstücks (302) in einer Relativposition zu dem Turbinenrad (300), wobei die erste Kontaktfläche im Bereich der Verbindungsstelle der zweiten Kontaktfläche zugewandt angeordnet wird; und eine Einrichtung (206) zum Temperieren des Turbinenrads (300) und des Zwischenstücks (302) auf eine Sintertemperatur, wobei das Turbinenrad (300) und/oder das Zwischenstück (302) gesintert wird, um die erste Kontaktfläche und die zweite Kontaktfläche an der Verbindungsstelle zu verbinden. Läufer (306) für eine Turbine, wobei der Läufer (306) die folgenden
Merkmale aufweist: ein Turbinenrad (300), das aus einem ersten Material besteht und eine erste Kontaktfläche aufweist; ein Zwischenstück (302), das aus einem zweiten Material besteht und eine zweite Kontaktfläche sowie eine Aussparung aufweist, wobei das zweite Material verschieden von dem ersten Material ist, und die zweite
Kontaktfläche mit der ersten Kontaktfläche verbunden ist; und eine Welle (304), die aus einem weiteren Material besteht und in der Aussparung des Zwischenstücks (302) angeordnet ist, wobei das
Zwischenstück (302) auf die Welle (304) aufgeschrumpft ist.
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