Laufrad für eine Fluidenergiemaschine

20-11-2014 дата публикации
Номер:
DE102013104922A1
Принадлежит: IHI Charging Systems International GmbH
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Номер заявки: 10-13-10204922
Дата заявки: 14-05-2013

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Die Erfindung betrifft ein Laufrad für eine Fluidenergiemaschine der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art.

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Fluidenergiemaschinen werden zwischenzeitlich in Form eines Verdichters und einer Turbine, welche in Verbindung einen Abgasturbolader bilden, im Verbund als Abgasturbolader nahezu jeder Verbrennungskraftmaschine zur Leistungssteigerung zugeordnet. Daher ist es anzustreben, dass diese Fluidenergiemaschinen eine mindestens der Verbrennungskraftmaschine entsprechende Lebensdauer aufweisen. Im Unterschied zu Verbrennungskraftmaschinen zeichnen sich diese Fluidenergiemaschinen, Insbesondere Fluidenergiemaschinen für Verbrennungskraftmaschinen von PKW-Fahrzeugen, allerdings durch eine extrem hohe Drehzahl aus, welche zwischenzeitlich weit über 200000 min–1 aufweisen. Dies erfordert aufgrund der im Betrieb auftretenden hohen Fliehkräfte große Ansprüche an die Spannungsfestigkeit der Laufräder der Fluidenergiemaschine.

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Aus der Offenlegungsschrift DE19912715DE 199 12 715 A1A1 geht ein Laufrad in Form eines Verdichterrades für eine Fluidenergiemaschine in Form eines Radialverdichters hervor. Dieses Laufrad weist mindestens eine von einem Medium, welches üblicherweise bei einem Radialverdichter überwiegend Frischluft ist, umströmbare Laufradschaufel auf, welche mit einem Nabenkörper des Verdichterrades fest verbunden ist. Im Gegensatz zu üblichen Verdichterrädern ist ein Stützelement in Form eines Stützringes zur Reduzierung von Spannungen in dem Nabenkörper vorgesehen. Der Stützring ist ausschließlich an dem Ende des Nabenkörpers mit dem größten Radius vorgesehen. Der Stützring ist kraftschlüssig allerdings nicht unlösbar mit dem Nabenkörper verbunden. Ein Versagen des Abgasturboladers infolge einer Lösung dieser kraftschlüssigen Verbindung bei hohen Temperaturen, wie sie beispielsweise in einem Abgasführungsabschnitt der Turbine aufgrund der Durchströmung mit Abgas vorliegen, und hohen Drehzahlen ist nicht auszuschließen.

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Aus der Patentschrift DE10253299DE 102 53 299 B4B4 kann ein Laufrad entnommen werden, welches zur Steigerung der Laufradfestigkeit eine Stützstruktur aufweist, wobei diese Stützstruktur als vorgefertigtes Stützelement ausgeführt und im Nabenkörper integriert ist.

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Mit Hilfe des Gießverfahrens, einem so genannten Urformverfahren, wird eine erste Form des Laufrades hergestellt, ein so genanntes Werkstück oder in diesem Zustand auch Rohling genannt. Dieses Werkstück wird in weiteren Verfahrensschritten bearbeitet, bis das aus diesem Werkstück entstehende Laufrad einen Endzustand erreicht hat, in welchem es in den Abgasturbolader einsetzbar und somit betriebsbereit ist.

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Zur Herstellung des Werkstücks mit Hilfe des Gießverfahrens wird eine Gießform genutzt, welche im Allgemeinen eine Negativform des Werkstücks darstellt. Sofern das Endprodukt, in diesem Fall das Laufrad, einen Hohlraum aufweist oder einen Platzhalter benötigt, da ein vom Werkstück unabhängig gefertigtes Bauteil in das Werkstück zu integrieren ist, kommen Einsatzelemente zum Tragen, welche für den Gießprozess an die Stelle des Hohlraums oder des Platzhalters in der Gießform zu positionieren sind. Diese Einsatzelemente können als so genannte verlorene Formen ausgebildet sein, das heißt, nach Fertigstellung des Werkstückes sind sie, im Gegensatz zu einer Dauerform, nicht mehr in ihrer ursprünglichen Form existent. Sie können daher nicht wieder benutzt werden und sind demzufolge kostenintensiv.

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Zur Reduzierung der Herstellungskosten ist das Stützelement bereits vor einem Einfüllen von Gießmaterial in die Gießform integriert, sodass es bereits im Werkstück integriert ist, nach Beendigung des Gießprozesses.

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Ein Problempunkt ist, dass die Integration des Stützelementes während des Gießprozesses bei Rotationsbauteilen, wie es ein Laufrad ist, aufgrund einer erforderlichen exakten Positionierung des Stützelementes zur Vermeidung von nicht korrigierbaren Unwuchten sehr kostenintensiv ist.

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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Laufrad für eine Fluidenergiemaschine zu entwickeln, welches eine sehr hohe Lebensdauer sowohl bei niedrigen als auch hohen Temperaturen sowie geringe Herstellungskosten aufweist.

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Diese Aufgabe wird durch ein Laufrad für eine Fluidenergiemaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nichttrivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

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Ein solches Laufrad für eine Fluidenergiemaschine umfasst einen Nabenkörper mit einer von einem die Fluidenergiemaschine durchströmenden Medium umströmbare Mehrzahl von Laufradschaufeln, wobei das Laufrad eine Drehachse und ein überwiegend im Nabenkörper integriert angeordnetes Stützelement aufweist.

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Erfindungsgemäß ist das Stützelement zur Fixierung während eines Herstellungsprozesses des Laufrades ein verlierbares Fixierelement aufweisend ausgebildet. Der Vorteil der Erfindung ist, dass eine Fixierung des Stützelementes in einer Gießform des Laufrades mit Hilfe des Fixierelementes vorgenommen werden kann, wobei das Fixierelement für die nachfolgenden Verfahrensschritte aufgrund seiner Verlierbarkeit nutzbar gemacht werden kann. Der Begriff der Verlierbarkeit ist hier in Anlehnung an den Begriff der verlorenen Form aus der Gießereitechnik gewählt, de es sich bei dem Fixierelement des erfindungsgemäßen Laufrades um ein Element handelt, welches am Endprodukt, das heißt am Laufrad selbst, als solches nicht mehr als Fixierelement erkennbar und/oder nicht mehr existent ist.

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Ein Vorteil dieses erfindungsgemäßen Laufrades ist, dass keine zusätzlichen Fixierelemente, das heißt unabhängig vom Stützelement ausgebildeten Fixierelemente, benötigt werden und somit eine kostengünstige Modellform für das Werkstück bereitstellbar ist.

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Ein weiterer Vorteil ist neben der ursprünglichen Aufgabe des Fixierelementes, der Fixierung des Stützelementes während des Gießverfahrens, eine mögliche Nutzbarmachung des Fixierelementes für den weiteren Herstellungsprozess des Laufrades. Diese weitere Nutzbarmachung wäre beispielsweise dadurch gegeben, dass des Fixierelement bei einem späteren Wuchtprozess des Laufrades als Wuchtmaterial herangezogen wird, welches abgetragen werden kann. Oder, zusätzlich zur Aufgabe eines möglichen Wuchtmaterials oder als Alleinstellungsmerkmal einer weiteren Nutzbarmachung, ist eine Spannfunktion des Fixierelementes zur Verspannung des Laufrades auf der Welle anzusehen.

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In einer Ausgestaltung ist das Fixierelement an einem Bereich des Stützelementes ausgebildet, welcher an einem Radrücken des Laufrades positioniert ist. Der Vorteil dieser Ausgestaltung ist, dass bei dem Wuchtprozess zur Erzielung einer gleichmäßigen Rotation des Laufrades, das Fixierelement als Wuchtmaterial dient, welches auf einfache Weise einem Werkzeug zur Beseitigung der Unwucht zugänglich ist. Üblicherweise wird beim Wuchten der Laufräder Material am Radrücken aufgetragen, so genannte Wuchtmarken gesetzt, oder abgetragen. Das erfindungsgemäße Laufrad weist am Radrücken des Laufrades das Fixierelement auf, welches im Rahmen des üblichen Wuchtprozesses auf einfache Weise, da in üblicher Weise, abgetragen werden kann.

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Alternativ oder zusätzlich ist in einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Laufrades das Fixierelement an einem einer Nabenöffnung des Laufrades zugewandt positionierten Bereich des Stützelementes ausgebildet. Der Vorteil ist, dass des Fixierelement bei einer späteren Verbindung des Laufrades mit einer Welle als Spannelement zur Erzeugung einer verbesserten Verspannung des Laufrades mit der Welle dienen kann.

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Das Stützelement ist als ein vom Nabenkörper unabhängiges Bauteil ausgebildet, welches während des Herstellungsprozesses des Laufrades dem Laufrad beigefügt wird, somit ein integriertes Bauteil des Laufrades darstellt. Somit ist das Stützelement aus einem Material herstellbar, welches unabhängig vom Material des Laufrades ist. Seine grundsätzliche Funktion ist die Erzielung einer Reduzierung von Spannungen im Nabenkörper. Idealerweise ist das Stützelement für ein Verdichterrad, welches aus Aluminium hergestellt ist, aus einer Eisen-Nickel-Verbindung, wie beispielsweise INVAR 36 oder INVAR 42, hergestellt. Die Vorzüge dieser Materialien sind ein geringer Ausdehnungskoeffizient bei niedrigen bis hohen Temperaturen. Das heißt, Bauteile, welche aus diesen Materialien hergestellt sind, weisen über einen breiten Temperaturbereich keine oder sehr geringe Verformungen aufgrund des hohen Nickelanteils auf. Im Gegensatz dazu weist das Laufrad einen höheren Verformungsgrad auf, insbesondere bei hohen Temperaturen. Diesen hohen Temperaturen sind bspw. Turbinenräder ausgesetzt, welche von Abgas der Verbrennungskraftmaschine angetrieben werden.

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Das Fixierelement, welches am Stützelement ausgebildet ist, kann somit als Spannelement aufgrund der unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten des Nabenkörpers und des Stützelementes eingesetzt werden. Dies führt zu einer verbesserten Betriebssicherheit des Abgasturboladers, da ein Loslösen des Laufrades von der Welle mit Hilfe des Fixierelementes verhindert wird.

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Zur effektiven Spannungsreduzierung und zur Verstärkung des Laufrades um Fliehkräfte, insbesondere in Gussmaterialien aus Aluminium- oder Aluminiumlegierungen, weist das Stützelement eine im Nabenkörper ausgebildete axiale Erstreckung auf, welche mindestens der Hälfte einer axialen Erstreckung der Laufradschaufeln entspricht. Insbesondere Radiallaufräder weisen Nabenkörper auf, welche sich aufgrund der Radialbauweise durch eine sich vom Radrücken ausgehende stetige Verjüngung des Nabendurchmessers kennzeichnen. Das bedeutet, dass mit zunehmendem Nabendurchmesser die Spannungen im Nabenkörper steigen, wobei gleichzeitig aufgrund des äußeren Durchmessers der Laufradschaufeln, welcher nicht linear mit dem Nabendurchmesser abnehmend ausgebildet ist, die Zugspannung im Bereich kleiner Nabendurchmesser ebenfalls ansteigt. Daher ist es vorteilhaft, dass das Stützelement über einen großen axialen Bereich des Laufrads ausgebildet ist.

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Zur optimierten Integration in den Nabenkörper ist das Stützelement hohlkörperförmig ausgebildet, sodass ein Teil des Nabenkörpers innerhalb des Stützelementes und ein Teil des Nabenkörpers das Stützelement umfassend angeordnet ist. Die Hohlkörperform ermöglicht, insbesondere bei einem als Verdichterrad ausgebildeten Laufrad, ein nach Herstellung des Laufrades direktes Montieren des Laufrades auf der Welle. Des Weiteren ist der Vorteil darin zu sehen, dass das Stützelement günstig als Tiefziehbauteil herzustellen ist.

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Zur weiteren Verbesserung der Spannungsreduzierung im Laufrad ist das Stützelement hohlkegelstumpfförmig ausgebildet. Da, wie bereits erwähnt, die Spannungen im Betrieb des Laufrades im Nabenkörper unterschiedlich ausgebildet sind, können mit Hilfe der hohlkegelstumpfförmigen Ausbildung des Stützelementes, einer Nabenkontur des Nabenkörpers nahezu angepasst, Spannungen im unmittelbaren bzw. nahen Bereich ihrer Lokalisierung reduziert werden.

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Idealerweise sind zur weiteren Vermeidung von Unwuchten das Laufrad und das Stützelement koaxial ausgebildet. Die Ausbildung einer Koaxialität von Stützelement und Laufrad reduziert eine Unwucht, welche aufgrund des Stützelementes herbeigeführt werden kann, wesentlich.

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In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Laufrades weist eine Mantelfläche des Stützelementes mindestens eine die Mantelfläche durchdringende Öffnung auf. Mit Hilfe der die Mantelfläche durchdringenden Öffnung ist eine weitere Fixierung des Stützelementes im Nabenkörper gegeben, da während des Gießprozesses das flüssige Material des Laufrades durch die Öffnungen hindurch mit dem Material im Inneren des Stützelementes eine Verbindung herstellen kann. Des Weiteren ist bei der Herstellung des Laufrades während des Gießprozesses darauf zu achten, dass das Gussmaterial möglichst gleichmäßig bis in eine äußerste Schaufelspitze der Laufradschaufeln fließen kann. Dem Herstellungsverfahren angepasst, ist es mit Hilfe des Stützelementes mit Öffnungen nun möglich, die Öffnungen im Bereich von Laufradschaufelenden, welche am Nabenkörper ausgebildet sind, vorzusehen, oder die Öffnungen im Bereich zwischen jeweils zwei Laufradschaufelenden anzuordnen. Somit kann zur Herstellung eines betriebssicheren Laufrades, dem Herstellungsverfahren angepasst, eine Füllgeschwindigkeit der Gieß- bzw. Gussform mit Hilfe des Stützelementes beeinflusst werden.

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Zur Herstellung eines besonders langlebigen Laufrades ist das Stützelement aus einem Material ausgebildet, welches einen niedrigeren Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist als das Material, aus welchem der Nabenkörper ausgebildet ist, wobei der Nabenkörper und die Laufradschaufeln im Wesentlichen aus Aluminium, insbesondere bei Verdichterrädern, zu Reduzierung des Gewichtes ausgebildet sind.

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Ist das Laufrad, wie in einer weiteren Ausgestaltung vorgesehen, im Wesentlichen aus Aluminium, einer Aluminiumlegierung oder dergleichen ausgebildet, ist neben der langen Lebensdauer eine Reduktion des Gewichtes des Laufrads und damit der gesamten Fluidenergiemaschine erwirkt. Diese Gewichtsreduzierung wirkt sich besonders vorteilhaft auf einen Kraftstoffverbrauch einer Verbrennungskraftmaschine aus.

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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

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Die Zeichnung zeigt in:

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1 in einem Längsschnitt ein Laufrad in Form eines Verdichterrades gemäß dem Stand der Technik;

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2 in einer perspektivischen Ansicht ein entlang einer Längsachse geschnittenes erfindungsgemäßes Laufrad in Form eines Verdichterrades mit einem Stützelement;

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3 in einer perspektivischen Ansicht ein Stützelement eines erfindungsgemäßen Laufrades;

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4 in einer perspektivischen Ansicht ein entlang einer Längsachse geschnittenes erfindungsgemäßes Laufrad in Form eines Verdichterrades mit einem Stützelement in einer ersten Variante;

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5 in einer perspektivischen Ansicht das entlang der Längsachse geschnittene erfindungsgemäße Laufrad gem. 4;

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6 in einem Längsschnitt das erfindungsgemäße Laufrad mit einem Stützelement in einer zweiten Variante;

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7 in einem Längsschnitt das erfindungsgemäße Laufrad mit einem Stützelement in einer dritten Variante; und

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8 in einem Längsschnitt das erfindungsgemäße Laufrad mit einer Stützelement in einer vierten Variante.

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Die 1 zeigt ein Laufrad 1 gemäß dem Stand der Technik, in Form eines Verdichterrades für einen nicht näher dargestellten Verdichter, insbesondere einen Radialverdichter, einer nicht näher dargestellten Fluidenergiemaschine, insbesondere ein Abgasturbolader, für eine nicht näher dargestellte Verbrennungskraftmaschine.

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Der Abgasturbolader umfasst einen nicht näher dargestellten durchströmbaren Luftführungsabschnitt, einen nicht näher dargestellten durchströmbaren Abgasführungsabschnitt sowie einen nicht näher dargestellten Lagerabschnitt, welcher den Luftführungsabschnitt mit dem Abgasführungsabschnitt verbindbar ausgebildet ist. Das heißt mit anderen Worten, der Lagerabschnitt ist zwischen dem Abgasführungsabschnitt und dem Luftführungsabschnitt, die beiden Abschnitte miteinander verbindend, positioniert.

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Des Weiteren umfasst der Abgasturbolader ein so genanntes, nicht näher dargestelltes Laufzeug, bestehend aus dem Verdichterrad 1, einem nicht näher dargestellten Turbinenrad und einer das Verdichterrad 1 mit dem Turbinenrad drehfest verbindenden, nicht näher dargestellten Welle. Das Verdichterrad 1 ist in einer Radkammer des Luftführungsabschnittes drehbar positioniert. Im Lagerabschnitt ist die Welle in einer Lagervorrichtung des Lagerabschnitts drehbar aufgenommen. Der Abgasführungsabschnitt weist eine weitere Radkammer zur Aufnahme des Turbinenrades auf, wobei das Turbinenrad im Abgasführungsabschnitt drehbar aufgenommen ist.

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Der Verdichter, umfassend den Luftführungsabschnitt und das Verdichterrad, ist dabei auf einer, im Wesentlichen Frischluft ansaugenden, Frischluftseite der Verbrennungskraftmaschine angeordnet, wobei mit Hilfe des Verdichterrades 1 eine von der Verbrennungskraftmaschine angesaugte Luft verdichtbar ist. Eine Rotationsbewegung des Verdichterrades 1 ist in der Regel abhängig von einer Abgasanströmung des Turbinenrades. Zur Abgasanströmung ist eine Turbine, umfassend den Abgasführungsabschnitt und das Turbinenrad, in einem nicht näher dargestellten Abgasabschnitt der Verbrennungskraftmaschine positioniert, so dass das aus der Verbrennungskraftmaschine über Auslasskanäle ausströmende Abgas in den durchströmbaren Abgasführungsabschnitt einströmen kann, um dort das Turbinenrad zu beaufschlagen. Durch diese Beaufschlagung wird das Turbinenrad in eine Rotationsbewegung versetzt, so dass das Verdichterrad 1 mit Hilfe der über die Welle hergestellten drehfesten Verbindung ebenfalls in eine Rotationsbewegung versetzt wird. Bei dieser Rotationsbewegung treten abhängig von einer Rotationsgeschwindigkeit unterschiedlich hohe Fliehkräfte auf, welche im Laufrad 1, das heißt im Verdichterrad oder Turbinenrad, zu Spannungen führen, die bei entsprechender Höhe ein Versagen des Laufrades zur Folge haben können.

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Das Laufrad 1, hier in Form des Verdichterrads beispielhaft angeführt, weist einen Nabenkörper 2 sowie eine Mehrzahl von Laufradschaufeln 3 auf, welche fest mit dem Nabenkörper 2 verbunden sind. Der Nabenkörper 2 weist eine Nabenöffnung 4 auf, mit Hilfe derer das Verdichterrad 1 auf der nicht näher dargestellten Welle des Abgasturboladers anzuordnen und mit der Welle drehfest verbindbar ist, so dass das Verdichterrad 1 über die Welle von dem Turbinenrad zum Verdichten der Luft antreibbar ist. Die Laufradschaufeln 3 und der Nabenkörper 2 sind einstückig miteinander ausgebildet.

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Im Betrieb des Verdichterrads 1 strömt die von der Verbrennungskraftmaschine angesaugte Luft das Verdichterrad 1 über einen Radeintritt 9 an, wobei die Laufradschaufeln 3 umströmt werden. Über einen Radaustritt 10 strömt die Luft in einen überwiegend diffusorartig ausgebildeten nicht näher dargestellten Kanal eines durchströmbaren Luftführungsabschnitts des Abgasturboladers, wobei die Luft verdichtet wird.

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Es entstehen im Betrieb des Abgasturboladers im Nabenkörper 2 vom Radeintritt 9 hin zum Radaustritt 10 ansteigende Spannungen aufgrund der Fliehkräfte, so dass es die Spannungen im Nabenkörper 2 zu reduzieren gilt.

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2 zeigt in einer perspektivischen Ansicht ein erfindungsgemäßes Laufrad 1 in Form des Verdichterrades in einem Längsschnitt entlang einer Drehachse 5 des Laufrades 1. Das Laufrad 1 weist ein Stützelement 6 auf, welches im Nabenkörper 2 integriert angeordnet ist, wobei das Laufrad 1 und das Stützelement 6 koaxial ausgebildet sind.

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Zur Fixierung des Stützelementes 6 während eines Herstellungsprozesses des Laufrades 1 ist ein Fixierelement 7 am Stützelement 6 ausgebildet. Ein gemäß 3 ausgestaltetes Stützelement 6 weist das Fixierelement 7 an einem einem Radrücken 8 des Laufrades 1 zugewandt zu positionierenden Bereich des Stützelementes 6 auf. Das Stützelement 6 kann mit Hilfe des Fixierelementes 7 in einer nicht näher dargestellten Gießform während des Gießprozesses fixiert werden. Das Fixierelement 7 ist in diesem Ausführungsbeispiel kreisringförmig ausgebildet, so dass ein in der Gießform ausgebildetes Aufnahmeelement, welches nicht näher dargestellt ist, idealerweise ebenfalls korrespondierend kreisringförmig ausgestaltet ist. Ebenso könnte das Fixierelement 7 auch kreisabschnittsartig ausgebildet sein, wobei zur gesicherten Fixierung an der Gießform das dort ausgebildete Aufnahmeelement ebenfalls kreisabschnittsartig auszugestalten ist.

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Das Stützelement 6 ist hohlkörperförmig, kegelstumpfartig ausgebildet. Die kegelstumpfartige Ausführung des Stützelementes 6 ist besonders geeignet Fliehkräfte des Laufrades 1 zu reduzieren. Das Fixierelement 7 und das Stützelement 6 sind einteilig ausgebildet.

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Ein gemäß den 4 und 5 hohlzylindrisch ausgebildetes Stützelement 6 eignet sich insbesondere für Laufräder 1, deren Eintritts- und Austrittsdurchmesser gleich groß bzw. nahezu gleich groß ausgestaltet sind, wie beispielsweise bei Axialrädern. Aufgrund der hohlzylindrischen Form des Stützelementes 6 werden die im Betrieb des Abgasturboladers entstehenden Spannungen im Nabenkörper 2 in einem Bereich reduziert, welcher von der Drehachse 5 in einem konstanten radialen Abstand ausgebildet ist.

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Das Fixierelement 7 ist an einem der Nabenöffnung 4 des Laufrades 1 zugewandt positionierten Bereich des Stützelementes 6 ausgebildet. In diesem Ausführungsbeispiel ist das Fixierelement 7 an einem Ende des Stützelementes 6 ausgebildet, welches nahe dem Radeintritt 9 des Laufrades 1 positioniert ist. Das Fixierelement 7 dient hier neben der Fixierung des Stützelementes 6 während des Gießprozesses des Laufrades der Verspannung des Laufrades 1 mit der hier nicht näher dargestellten Welle.

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Zur optimierten Spannungsreduzierung weist das Stützelement 6 eine im Nabenkörper 2 ausgebildete axiale erste Erstreckung Eax auf, welche mindestens der Hälfte einer axialen zweiten Erstreckung LSax der Laufradschaufeln 3 entspricht. Somit kann wirkungsvoll über den nahezu gesamten Nabenbereich eine Spannungsreduzierung herbeigeführt werden.

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Eine Mantelfläche 11 des Stützelementes 6 weist mindestens eine die Mantelfläche 11 vollständig durchdringende Öffnung 12 auf. Diese Öffnung 12 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel in Form eines Langlochs und quer zu einer Längsachse 13 des Stützelementes 6 ausgebildet. Die Öffnung 12 könnte allerdings auch beispielsweise kreisförmig oder rechteckig oder nieren- oder tropfenförmig ausgebildet sein.

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Weitere mögliche Ausführungsbeispiele des Stützelementes 6 mit dem Fixierelement 7 sind in den 6 bis 8 dargestellt.

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Das Stützelement 6 ist aus einem Material ausgebildet, welches einen niedrigeren Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist als das Material, aus welchem der Nabenkörper 2 ausgebildet ist, wobei der Nabenkörper 2 und die Laufradschaufeln 3 im Wesentlichen aus Aluminium ausgebildet sind.

[52]

Das erfindungsgemäße Laufrad 1 ist mit Hilfe eines Gießverfahrens herstellbar. Insbesondere ist das Laufrad 1 aus beispielsweise dem Werkstoff Inconel 713C, Inconel 718, MAR M 246 oder TiAl herzustellen, wobei das Stützelement 6 mit dem Fixierelement 7 bevorzugt aus dem Werkstoff INVAR 36 bzw. INVAR 45 einzusetzen ist. Bei hohen Temperaturen, denen Turbinenräder im Betrieb des Abgasturboladers ausgesetzt sind, ist das Stützelement 6 bevorzugt aus einem Material mit geringfügig höherem Wärmeausdehnungskoeffizient, wie bspw. KOVAR, eine Eisen-Nickel-Cobalt-Legierung, herzustellen. Auch technische Keramiken, Aluminiumoxid, -nitrid oder generell Materialien mit einem geringeren Wärmeausdehnungskoeffizienten als ihn das Gussmaterial, beispielsweise Mar M 246, aufweist, sind denkbar.

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Es sei daraufhin gewiesen, dass die Gestaltung eines Laufrades 1 beispielhaft für ein Laufrad in Form eines Verdichterrades beschrieben ist, wobei allerdings ebenso ein Turbinenrad entsprechend ausgestaltet sein kann. Allerdings ist hier der Radeintrittsbereich des Turbinenrades gemäß dem Radaustrittsbereich des Verdichterrades zu gestalten, da im Turbinenrad die größeren Spannungen am Radeintritt auftreten.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG

[54]

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Zitierte Patentliteratur

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  • DE 19912715 A1 [0003]
  • DE 10253299 B4 [0004]



Die Erfindung betrifft ein Laufrad für eine Fluidenergiemaschine, mit einem Nabenkörper (2) und mit einer von einem die Fluidenergiemaschine durchströmenden Medium umströmbaren Mehrzahl von Laufradschaufeln (3), wobei das Laufrad (1) eine Drehachse (5) aufweist, und mit einem überwiegend im Nabenkörper (2) integriert angeordneten Stützelement (6). Erfindungsgemäß ist das Stützelement (6) zur Fixierung während eines Herstellungsprozesses des Laufrades (1) ein verlierbares Fixierelement (7) aufweisend ausgebildet.



Laufrad für eine Fluidenergiemaschine, mit einem Nabenkörper (2) und mit einer von einem die Fluidenergiemaschine durchströmenden Medium umströmbaren Mehrzahl von Laufradschaufeln (3), wobei das Laufrad (1) eine Drehachse (5) aufweist, und mit einem überwiegend im Nabenkörper (2) integriert angeordneten Stützelement (6), dadurch gekennzeichnet, dass das Stützelement (6) zur Fixierung während eines Herstellungsprozesses des Laufrades (1) ein verlierbares Fixierelement (7) aufweisend ausgebildet ist.

Laufrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Fixierelement (7) in einem einem Radrücken (8) des Laufrades (1) zugewandt positionierten Bereich des Stützelementes (6) ausgebildet ist.

Laufrad nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Fixierelement (7) an einem einer Nabenöffnung (4) des Laufrades (1) zugewandt positionierten Bereich des Stützelementes (6) ausgebildet ist.

Laufrad nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Stützelement (6) eine im Nabenkörper (2) ausgebildete axiale Erstreckung (Eax) aufweist, welche mindestens der Hälfte einer axialen Erstreckung (LSax) der Laufradschaufeln (3) entspricht.

Laufrad nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Stützelement (6) hohlkörperförmig ausgebildet ist.

Laufrad nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Stützelement (6) hohlkegelstumpfförmig ausgebildet ist.

Laufrad nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Laufrad (1) und das Stützelement (6) koaxial ausgebildet sind.

Laufrad nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mantelfläche (11) des Stützelementes (6) mindestens eine die Mantelfläche (11) vollständig durchdringende Öffnung (12) aufweist.

Laufrad nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Stützelement (6) aus einem Material ausgebildet ist, welches einen niedrigeren Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist als das Material, aus welchem der Nabenkörper (2) ausgebildet ist.

Laufrad nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Nabenkörper (2) und die Laufradschaufeln (3) im Wesentlichen aus Aluminium ausgebildet sind.