CH716015A2 - Kühlung von Rotor- und Statorkomponenten eines Turboladers mit Hilfe von additiv gefertigten bauteilinternen Kühlkanälen. - Google Patents

Kühlung von Rotor- und Statorkomponenten eines Turboladers mit Hilfe von additiv gefertigten bauteilinternen Kühlkanälen. Download PDF

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CH716015A2
CH716015A2 CH00223/20A CH2232020A CH716015A2 CH 716015 A2 CH716015 A2 CH 716015A2 CH 00223/20 A CH00223/20 A CH 00223/20A CH 2232020 A CH2232020 A CH 2232020A CH 716015 A2 CH716015 A2 CH 716015A2
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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Turbolader mit einer Turbine und einem Verdichter die jeweils einen Rotor (21) und einen Stator aufweisen, wobei zumindest einer der jeweiligen Rotoren (21) und/oder Statoren zumindest einen innenliegenden Strömungskanal (4), der zumindest teilweise oder vollständig von einer Wandung (10) umgeben ist, zur Kühlung aufweist und wobei der jeweilige zumindest eine Strömungskanal (4) aufweisende Rotor (21) und/oder Stator zumindest teilweise mittels einer additiven Fertigung hergestellt ist. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Turboladers.

Description

[0001] Die Erfindung betrifft einen Turbolader mit einer Turbine und einem Verdichter, die jeweils einen Rotor und einen Stator aufweisen und zumindest einer der jeweiligen Rotoren und/oder Statoren zumindest einen innenliegenden Strömungskanal zur Kühlung aufweist. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Turboladers.
[0002] Die Kühlung von Turboladern mit einer Turbine, die einen Verdichter antreibt, erfolgt nach aktuellem Stand der Technik mittels Führung von Kühlungsmedien durch lange Bohrungen oder großvolumige Kavitäten einer Gussform. Aufgrund der angewendeten Fertigungstechnologien/Herstellungsverfahren sind die anwendbaren Kühlkonzepte aktuell stark eingeschränkt. Eine interne Kühlung und eine Filmkühlung von Rotor- und Statorkomponenten, die entsprechend in Gasturbinen und Luftfahrtturbinen eingesetzt werden, sind aufgrund der komplexen Geometrie der Kühlkanäle mit diesen Herstellungsverfahren nicht durchführbar. Nachteilig an diesen Kühlkonzepten für Turbolader ist auf der einen Seite die hohe thermische Belastung der Komponenten des Turboladers und auf der anderen Seite, dass eine weitere Wirkungsgradoptimierung dieser Bauteile nicht möglich ist. Ein geeignetes Kühlkonzept bietet dennoch erhebliches Verbesserungspotential des Wirkungsgrads des Turboladers.
[0003] Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Turbolader sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Turboladers bereit zu stellen, der mittels eines geeigneten Kühlkonzepts die thermische Belastung der Komponenten des Turboladers verringert und dabei den Wirkungsgrad weiter optimiert.
[0004] Diese Aufgabe wird durch die Merkmalskombination gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
[0005] Erfindungsgemäß wird daher ein Turbolader mit einer Turbine und einem Verdichter, die jeweils einen Rotor und einen Stator aufweisen, vorgeschlagen. Dabei weist zumindest einer der jeweiligen Rotoren und/oder Statoren zumindest einen innenliegenden Strömungskanal zur Kühlung auf, der zumindest teilweise oder vollständig von einer Wandung umgeben ist. Der jeweilige zumindest einen Strömungskanal aufweisende Rotor und/oder Stator ist zumindest teilweise mittels einer additiven Fertigung hergestellt. Mittels des additiven Fertigungsverfahrens kann der Strömungskanal optimal zur Kühlung der entsprechenden Komponente ausgebildet werden. Dadurch wird eine intensivere Kühlung der Turboladerbauteile ermöglicht, was wiederum eine Verbesserung der Lebensdauer von thermisch belasteten Komponenten von Verdichter und Turbine zur Folge hat. Weiter vorteilhaft ist, dass dies zu einer intensiveren Kühlung der am Verdichterprozess beteiligten Oberflächen führt. Dadurch Verbessert sich der Verdichtungswirkungsgrad. Folglich ist dies besonders vorteilhaft für Anwendungen mit hohen Energiedichten und hohen Anforderungen an den Turboladerwirkungsgrad.
[0006] In einer vorteilhaften Ausführungsvariante ist vorgesehen, dass der Strömungskanal und/oder die den jeweiligen Strömungskanal umgebende Wandung vollständig mittels einer additiven Fertigung hergestellt ist oder erzeugt wurde. An der Ausbildung des Strömungskanals mittels additiver Fertigung ist günstig, dass der Strömungskanal und somit auch das verwendete Kühlmedium durch komplexe Bauteilgeometrien geführt werden können.
[0007] Vorzugsweise ist der Turbolader so ausgebildet, dass der jeweilige Strömungskanal einen komplexen, mehrere oder eine Vielzahl von Strömungsrichtungsänderungen aufweisenden Verlauf beschreibt. Auf diese Weise wird die Kühlung der entsprechenden Komponente weiter verbessert.
[0008] In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vorgesehen, dass der jeweilige Strömungskanal zumindest abschnittsweise einen wandnahen Verlauf in einer den Strömungskanal zumindest teilweise oder vollständig umgebenden Wandung innerhalb des entsprechenden Rotors und/oder Stators aufweist. Aufgrund der somit ermöglichten wandnahen Kühlmedienführung wird ein hoher Wärmetauschgrad erreicht und der Wirkungsgrad des Turboladers weiter gesteigert.
[0009] Ferner ist eine Ausführung günstig, bei der der Rotor der Turbine eine Turbinennabe und zumindest eine Turbinenschaufel aufweist. Der Strömungskanal verläuft innerhalb der Turbinennabe zumindest axial sowie innerhalb der Turbinenschaufel. Dies ist besonders vorteilhaft, um die Materialtemperatur dieser Komponenten zu senken oder um Sperrkühlungsluft oder Filmkühlungsluft einzubringen.
[0010] In einer weiteren vorteilhaften Variante weist der Rotor des Verdichters ein Verdichterrad und zumindest eine Verdichterschaufel auf. Der Strömungskanal verläuft dabei innerhalb des Verdichterrads und der zumindest einen Verdichterschaufel. Dadurch lässt sich die Materialtemperatur in dem Verdichterrad und in den Verdichterschaufeln weiter absenken oder auch dem Verdichtungsprozess Wärme entziehen. Um die Kühlwirkung und somit auch den Wirkungsgrad des Turboladers weiter zu verbessern kann die Führung des Kühlmediums innerhalb des Rotors von dem Verdichter und der Turbine kombiniert werden.
[0011] Der erfindungsgemäße Turbolader ist in einer Ausführungsform ausgebildet, dass der Turbolader ein Gehäuse aufweist und der Strömungskanal innerhalb des Gehäuses verläuft. Das Gehäuse ist dabei zumindest teilweise oder vollständig mittels einer additiven Fertigung hergestellt. Durch eine zusätzliche Kühlung des Turboladergehäuses bzw. von Statorbauteilen lässt sich die Materialtemperatur der Gehäusebauteile bzw. der Statorbauteile oder des Verdichterrades reduzieren und gleichzeitig Wärme aus dem Verdichtungsprozess abführen.
[0012] Weiter vorteilhaft ist es, wenn der Strömungskanal einen Eintritt, der eine Öffnung zur Aufnahme eines Kühlfluids in den Strömungskanal ausbildet, und einen Austritt, der eine Öffnung zum Auslass des Kühlfluids aus dem Strömungskanal ausbildet, aufweist. Auf diese Weise kann ein Kühlmedium an der gewünschten Position in den Strömungskanal ein- bzw. ausgeführt werden. Eine geeignete Positionierung von Eintritt und Austritt eines Strömungskanals hat großen Einfluss auf dessen Ausbildung und Führung durch das entsprechende Bauteil und folglich auch auf die Kühlleistung. Aufgrund der additiven Fertigung lassen sich Eintritt und Austritt, beliebig positionieren und somit kann der Wirkungsgrad verbessert werden.
[0013] In einer Weiterbildung der Erfindung des vorliegenden Turboladers ist ferner vorgesehen, dass der Eintritt und der Austritt eine Vielzahl von Öffnungen in den Strömungskanal aufweisen, die zueinander beabstandet angeordnet sind. Dadurch wird ein gleichmäßiger Eintritt bzw. Austritt des Kühlmediums gewährleistet und aufgrund der verbesserten Strömung des Kühlmediums bzw. der verbesserten Kühlleistung wird der Wirkungsgrad des Turboladers optimiert.
[0014] Erfindungsgemäß wird ferner ein Verfahren zur Herstellung eines vorstehend beschriebenen Turboladers vorgeschlagen, bei dem der jeweilige den innenliegenden Strömungskanal aufweisende Rotor bzw. Stator zur Ausbildung des entsprechenden Strömungskanals mittels additiver Fertigung insbesondere mittels eines 3D-Druckverfahrens hergestellt wird. Mittels additiver Fertigungsverfahren lässt sich der Strömungskanal genau an die Anforderungen der optimalen Kühlung der Turboladerkomponenten anpassen. Deshalb kann die Kühlleistung exakt an den jeweiligen Anwendungsfall angepasst werden und sämtliche Turbolader und Turboladeranwendungen können von dem dadurch optimierten Thermalhaushalt profitieren.
[0015] In einer vorteilhaften Ausführungsvariante des Verfahrens ist vorgesehen, dass das Gehäuse oder Statorbauteile mittels additiver Fertigung insbesondere mittels 3D-Druck hergestellt werden. An einer zusätzlichen Herstellung des Gehäuses mittels einer additiven Fertigung ist günstig, dass dadurch die Anzahl der anwendbaren Kühlkonzepte erweitert wird. Durch die zusätzliche Kühlung des Gehäuses bzw. von Statorbauteilen lässt sich zusätzlich Wärme aus dem Verdichtungsprozess abführen. Ferner wird die Materialtemperatur der Gehäusebauteile bzw. der Statorbauteile oder des Verdichterrades reduzieren.
[0016] Vorzugsweise wird das Verfahren so durchgeführt, dass der jeweilige Strömungskanal des Rotors, des Stators bzw. des Gehäuses, abhängig von der benötigten Kühlleistung, durch eine Vielzahl von Strömungskanalabschnitten mit unterschiedlicher Strömungsrichtung ausgebildet wird. Mit dieser Gestaltung des Strömungskanals kann dessen Kühlleistung für die entsprechende Turboladerkomponente genau an die entsprechende Anforderung angepasst werden.
[0017] Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet bzw. werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführung der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigen: <tb>Fig. 1<SEP>eine Schnittansicht eines Rotors mit additiv gefertigter Kühlluftführung in die Turbine, <tb>Fig. 2<SEP>eine Schnittansicht eines Rotors mit additiv gefertigter Kühlluftführung in den Verdichter, <tb>Fig. 3<SEP>eine perspektivische Ansicht eines Stators einer Axialturbine mit additiv gefertigter Kühlluftführung und <tb>Fig. 4<SEP>eine Schnittansicht eines Turboladergehäuses mit additiv gefertigter Kühlluftführung.
[0018] In Figur 1 ist eine Schnittansicht eines Rotors 21 einer Turbine 2 mit einem additiv gefertigten Strömungskanal 4 in die Turbine 2 dargestellt. Dabei ist der innenliegende Strömungskanal 4 vollständig von einer Wandung 14 umgeben. Sowohl der Strömungskanal 4 als auch die Wandung 14 sind vollständig mittels einer additiven Fertigung hergestellt. Ferner umfasst der Rotor 21 der Turbine 2 eine Turbinennabe 5 und eine Vielzahl von Turbinenschaufeln 6.
[0019] Der in Figur 1 dargestellte Strömungskanal 4 weist einen komplexen, mehrere Strömungsrichtungsänderungen aufweisenden Verlauf auf. Dieser Strömungskanal 4 bildet im Bereich der Turbinennabe 5 einen Eintritt 10 mit einer entsprechenden Öffnung 11 zur Aufnahme eines Kühlfluids in den Strömungskanal 4 aus. Von dieser Öffnung 11 aus verläuft der Strömungskanal 4 zunächst radial in Richtung einer Mittelachse des Rotors 21 und beschreibt anschließend einen bogenförmigen Verlauf, sodass eine den Strömungskanal 4 begrenzende Wandung 14 im Bereich der Mittelachse angeordnet ist. Der Strömungskanal 4 verläuft von diesem bogenförmigen Abschnitt weiter innerhalb der Turbinennabe 5 im Wesentlichen parallel zur Mittelachse in axialer Richtung des Rotors 21. An diesen Abschnitt schließt sich ein S-förmig verlaufender Abschnitt des Strömungskanals 4 an, der innerhalb der Turbinenschaufeln 6 verläuft, bis der Strömungskanal 4 an einer Kante einer Turbinenschaufel 6 einen Austritt 12 aufweist, der wiederum eine Öffnung 13 zum Auslass des Kühlfluids aus dem Strömungskanal 4 ausbildet. Darüber hinaus weist der Strömungskanal 4 abschnittsweise einen wandnahen Verlauf an einer den Strömungskanal 4 vollständig umgebenden Wandung 14 innerhalb der Turbinenschaufeln 6 auf.
[0020] Figur 2 zeigt eine Schnittansicht eines Rotors 31 mit additiv gefertigter Kühlluftführung innerhalb eines Verdichters 3, der ein Verdichterrad 7 und mehrere Verdichterschaufeln 8 aufweist. Dabei verläuft der Strömungskanal 4 innerhalb des Verdichterrads 7 und zumindest einer Verdichterschaufel 8. Ausgehend von einem Eintritt 10 im Bereich der Verdichternabe, der eine Öffnung 11 zur Aufnahme eines Kühlfluids in den Strömungskanal 4 ausbildet, weist der Strömungskanal 4 einen komplexen, mehrere Strömungsrichtungsänderungen beschreibenden Verlauf auf. In Figur 2 entspricht der Verlauf des Strömungskanals 4 zunächst in etwa der Geometrie der Verdichterschaufeloberfläche, da der Strömungskanal 4 einen wandnahen Verlauf innerhalb einer den Strömungskanal 4 vollständig umgebenden Wandung 14 aufweist. An diesen Abschnitt schließt sich ein Teil des Strömungskanals 4 an, der axial und parallel zur Mittelachse des Rotors 31 zurück zur Verdichternabe verläuft und abschließend einen Bogen beschreibt und nach radial außen hin zu einem Austritt 12 mit einer Öffnung 13 zum Auslassen des Kühlfluids aus dem Strömungskanal 4 verläuft.
[0021] In Figur 3 ist eine perspektivische Ansicht eines Stators 32 einer Axialturbine mit additiv gefertigter Kühlluftführung dargestellt. Der Strömungskanal 4 weist in einem Kantenbereich der Turbinenschaufel 6 einen Eintritt 10 auf, an dem eine Vielzahl von zueinander beabstandet Öffnungen 11 in den Strömungskanal 4 zur Aufnahme eines Kühlfluids angeordnet ist. Anschließend an die jeweilige Öffnung 11 verläuft der Strömungskanal 4 komplex mit mehreren Strömungsrichtungsänderungen und abschnittsweise wandnah in einer den Strömungskanal 4 vollständig umgebenden Wandung 14 innerhalb des Stators 32. Der Strömungskanal 4 endet an einem Austritt 12, der wiederum eine Vielzahl von zueinander beabstandeten Öffnungen 13 zum Auslass des Kühlfluids aus dem Strömungskanal 4 aufweist.
[0022] Figur 4 zeigt eine Schnittansicht eines Turboladers mit einem Gehäuse 9, das eine additiv gefertigte Kühlluftführung aufweist. Ferner umfasst der Turbolader ein Verdicherrad 7 und mehrere Verdichterschaufeln 8. Ein Strömungskanal 4 verläuft dabei innerhalb des Gehäuses 9.
[0023] Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf die vorstehend angegebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht.
Bezugszeichenliste:
[0024] 1 Turbolader 2 Turbine 3 Verdichter 21 Rotor Turbine 31 Rotor Verdichter 22 Stator Turbine 32 Stator Verdichter 4 Strömungskanal 5 Turbinennabe 6 Turbinenschaufel 7 Verdichterrad 8 Verdichterschaufel 9 Gehäuse 10 Eintritt 11 Öffnung 12 Auslass 13 Öffnung

Claims (12)

1. Turbolader (1) mit einer Turbine (2) und einem Verdichter (3), die jeweils einen Rotor (21, 31) und einen Stator (22, 32) aufweisen, wobei zumindest einer der jeweiligen Rotoren (21, 31) und/oder Statoren (22, 32) zumindest einen innenliegenden Strömungskanal (4), der zumindest teilweise oder vollständig von einer Wandung (14) umgeben ist, zur Kühlung aufweist und wobei der jeweilige zumindest eine Strömungskanal (4) aufweisende Rotor (21, 31) und/oder Stator (22, 32) zumindest teilweise mittels einer additiven Fertigung hergestellt ist.
2. Turbolader (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungskanal (4) und/oder die den jeweiligen Strömungskanal (4) umgebende Wandung (14) vollständig mittels einer additiven Fertigung hergestellt ist oder erzeugt wurde.
3. Turbolader (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der jeweilige Strömungskanal (4) einen komplexen, mehrere oder eine Vielzahl von Strömungsrichtungsänderungen aufweisenden Verlauf aufweist.
4. Turbolader (1) gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der jeweilige Strömungskanal (4) zumindest abschnittsweise einen wandnahen Verlauf in einer den Strömungskanal (4) zumindest teilweise oder vollständig umgebenden Wandung (14) innerhalb des entsprechenden Rotors (21, 31) und/oder Stators (22, 32) aufweist.
5. Turbolader (1) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (21) der Turbine (2) eine Turbinennabe (5) und zumindest eine Turbinenschaufel (6) aufweist, wobei der Strömungskanal (4) innerhalb der Turbinennabe (5) zumindest axial und innerhalb der Turbinenschaufel (6) verläuft.
6. Turbolader (1) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (31) des Verdichters (3) ein Verdichterrad (7) und zumindest eine Verdichterschaufel (8) aufweist, wobei der Strömungskanal (4) innerhalb des Verdichterrads (7) und der zumindest einen Verdichterschaufel (8) verläuft.
7. Turbolader (1) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Turbolader (1) ein Gehäuse (9) aufweist, wobei der Strömungskanal (4) innerhalb des Gehäuses (9) verläuft und das Gehäuse (9) zumindest teilweise oder vollständig mittels einer additiven Fertigung hergestellt ist.
8. Turbolader (1) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungskanal (4) einen Eintritt (10), der eine Öffnung (11) zur Aufnahme eines Kühlfluids in den Strömungskanal (4) ausbildet, und einen Austritt (12), der eine Öffnung (13) zum Auslass des Kühlfluids aus dem Strömungskanal (4) ausbildet, aufweist.
9. Turbolader (1) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Eintritt (10) und der Austritt (11) eine Vielzahl von Öffnungen (11, 13) in den Strömungskanal (4) aufweisen, die zueinander beabstandet angeordnet sind.
10. Verfahren zur Herstellung eines Turboladers (1) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der jeweilige den innenliegenden Strömungskanal (4) aufweisende Rotor (21, 31) bzw. Stator (22, 32) zur Ausbildung des entsprechenden Strömungskanals (4) mittels additiver Fertigung insbesondere mittels eines 3D-Druckverfahrens hergestellt wird.
11. Verfahren zur Herstellung eines Turboladers (1) gemäß Anspruch 10 mit einem Gehäuse (9), dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (9) mittels additiver Fertigung insbesondere mittels 3D-Druck hergestellt wird.
12. Verfahren zur Herstellung eines Turboladers (1) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der jeweilige Strömungskanal (4) des Rotors (21, 31), des Stators (22, 32) bzw. des Gehäuses (9) durch ein Vielzahl an Strömungskanalabschnitten mit unterschiedlicher Strömungsrichtung abhängig von der benötigten Kühlleistung ausgebildet wird.
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