DE102008045171B4

DE102008045171B4 - Radialschaufelrad und Verfahren zum Herstellen eines Radialschaufelrads für ein Laufzeug eines Abgasturboladers

Info

Publication number: DE102008045171B4
Application number: DE102008045171.1A
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing. Stephan (FH) Krätschmer; Dipl.-Ing. Schmid Wolfram; Dr.-Ing. Sladek Wolfgang; Dipl.-Ing. Sumser Siegfried
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2008-08-30
Filing date: 2008-08-30
Publication date: 2019-07-18
Anticipated expiration: 2028-08-31
Also published as: DE102008045171A1

Abstract

Radialschaufelrad, insbesondere Turbinenrad, für ein Laufzeug eines Abgasturboladers einer Brennkraftmaschine, mit einem einen Grundbereich (12) und einen Nabenbereich (14) aufweisenden Nabenkörper (10), an welchem eine Mehrzahl von Schaufeln (16) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass
• ein Verhältnis V₁ einer axialen Länge l_ax wenigstens einer Schaufel (16) und eines zweifachen Radius D₁ der wenigstens einen Schaufel (16) zumindest 0,30;
• ein Verhältnis V₂ der axialen Länge l_ax der wenigstens einen Schaufel (16) und einer radialen Länge l_a einer Schaufelaustrittskante (20) der wenigstens einen Schaufel zumindest 1,40; und
• ein Verhältnis V₃ eines Radius D_2N des Nabenbereichs (14) und eines Radius D_2a eines radial äußeren Eckpunkts (C) der Schaufelaustrittskante (20) der wenigstens einen Schaufel (16) zumindest 0,30 beträgt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Radialschaufelrad der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art für ein Laufzeug eines Abgasturboladers einer Brennkraftmaschine. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren der im Oberbegriff des Patentanspruchs 10 angegebenen Art zum Herstellen eines Radialschaufelrads für ein Laufzeug eines Abgasturboladers sowie ein Kraftfahrzeug der im Oberbegriff des Patentanspruchs 16 angegebenen Art.
Ein derartiges Radialschaufelrad sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung sind aus dem Stand der Technik allgemein bekannt. So zeigt die US 2006/0039791 A1 ein Radialschaufelrad, das einen einen Grundbereich und einen Nabenbereich aufweisenden Nabenkörper aufweist, an welchem eine Mehrzahl von Schaufeln angeordnet ist. Die Herstellung des Radialschaufelrads erfolgt üblicherweise mit Hilfe von Gießverfahren. Durch die kontinuierlich verschärften Emissionsgrenzwerte (z.B. EPA 10, Euro 6) werden die Anforderungen an Aufladesysteme von Brennkraftmaschinen hinsichtlich ihrer Fähigkeit, hohe Abgasrückführungs-Raten (AGR-Raten) mit ausreichenden Luftverhältniszahlen Lambda für den Verbrennungsprozess in den Motorzylindern bereitzustellen, weiter erhöht. Die Festlegung der Emissionsgrenzwerte wirkt sich dadurch direkt auf die Gestaltungen der Abgasturbolader aus, wobei hier der geometrischen Ausgestaltung der Radialschaufelräder eine große Bedeutung für das thermodynamische Verhalten und die mechanische Funktionsfähigkeit über eine geforderte Lebensdauer zukommt. Mit der Einführung von Turbocompound-Systemen und Abgasturboladern mit mehrflutigen asymmetrischen Turbinen ergeben sich insbesondere für die Turbinen merklich erhöhte Eintrittsdrücke bzw. Turbinendruckverhältnisse, die entsprechend erhöhte Beanspruchungen des als Turbinenrad ausgebildeten Radialschaufelrads nach sich ziehen. Neben Materialermüdungen (sog. „low cycle fatigue“-Beanspruchung) durch fortwährende Drehzahlwechsel des Laufzeugs, welches zwei über eine Lagerwelle drehfest miteinander verbundene Radialschaufelräder umfasst, bei den Betriebspunktwechseln der Brennkraftmaschine, spielt die Anregung der Schaufeln durch stromauf liegende Strömungsstörstellen - z. B. Gehäusemittelwandung oder Zungen - mit den zeitlich wechselnden Strangabgasdruckverhältnissen bei ein- oder mehrflutigen Turbinen eine entscheidende Rolle für die Lebensdauer der Radialschaufelräder.
Die Geometrien derzeit bekannter Radialschaufelräder wurden jedoch bereits vor der Verschärfung der Emissionsgrenzwerte konzipiert und ohne weitere Anpassungen übernommen. Dies führt zu entsprechenden Wirkungsgradverlusten eines zugeordneten Abgasturboladers bzw. der mit diesem versehenen Brennkraftmaschine. Nachträgliche Veränderungen der geometrischen Auslegung sind jedoch bislang nicht in zufriedenstellender Weise zu bewerkstelligen. Eine Anpassung an die heutigen Anforderungen der Abgasrückführungs-Beeinflussung durch turbinenseitige Radialschaufelräder erfolgt bei den meisten Abgasturboladern im wesentlichen durch eine Zurücknahme der Randkontur bei den bestehenden Radialschaufelrädern, wodurch die Schaufelaustrittskanäle der Radialschaufelräder auf die notwendigen reduzierten Strömungsflächen gebracht werden. Als Folge ergeben sich jedoch relativ dicke Radaußenkonturen bzw. eine relativ hohe Massenanhäufung der Schaufeln im radial äußeren Grundbereich des Nabenkörpers. Die Eigenfrequenzen der Schaufeln fallen hierdurch trotz kurzer Austrittsbeschauflung auf zu geringe Werte. Diese Werte der ersten Eigenfrequenz des Schaufelaustritts liegen somit häufig unterhalb der fünften Ordnung der Anregenden. Durch die mechanischen und thermodynamischen Belastungen während des Betriebs derartiger Radialschaufelräder kommt es daher zu einem erhöhten Schadens- und Ausfallrisiko.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Radialschaufelrad der eingangs genannten Art zu schaffen, welches verbesserte mechanische und thermodynamische Eigenschaften besitzt und kostengünstig herstellbar ist.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einer Radialschaufelrad mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 zum Herstellen eines Radialschaufelrads für ein Laufzeug eines Abgasturboladers sowie durch ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Patentanspruchs 16 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben, wobei vorteilhafte Ausgestaltungen des Radialschaufelrads - soweit anwendbar - als vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens bzw. des Kraftfahrzeugs und umgekehrt anzusehen sind.
Ein Radialschaufelrad, welches verbesserte mechanische und thermodynamische Eigenschaften besitzt und kostengünstig herstellbar ist, ist erfindungsgemäß dadurch geschaffen, dass ein Verhältnis V₁ einer axialen Länge l_ax wenigstens einer Schaufel und eines zweifachen Radius D₁ der wenigstens einen Schaufel zumindest 0,30, ein Verhältnis V₂ der axialen Länge l_ax der wenigstens einen Schaufel und einer radialen Länge l_a einer Schaufelaustrittskante der wenigstens einen Schaufel zumindest 1,40 und ein Verhältnis V₃ eines Radius D_2n des Nabenbereichs und eines Radius D_2a eines radial äußeren Eckpunkts der Schaufelaustrittskante der wenigstens einen Schaufel zumindest 0,30 beträgt. Eine Ausgestaltung des Radialschaufelrads unter Berücksichtigung der dimensionslosen geometrischen Verhältnisse V₁ - V₃ führt überraschenderweise zu mechanisch und thermodynamisch günstigen Radialschaufelrädern, die besonders in Verbindung mit Brennkraftmaschinen mit Abgasrückführungssystemen einen erhöhten Wirkungsgrad bei deutlich verlängerter Lebenserwartung besitzen. Ein weiterer überraschender Vorteil der erfindungsgemäßen geometrischen Ausgestaltung des Radialschaufelrads besteht darin, dass im Fall einer Herstellung über ein so genanntes Wachsausschmelzverfahren das dabei benötigte Wachsmodell des Radialschaufelrads mit Hilfe eines ungeteilten Kanalwerkzeugs hergestellt werden kann. Dies ermöglicht in Verbindung mit den vorteilhaften mechanischen und thermodynamischen Eigenschaften des Radialschaufelrads einen erheblichen Kostenvorteil.
Um auch bei hohen Drehzahlen des Radialschaufelrads einen besonders zuverlässigen Resonanzsicherheitsabstand der ersten Eigenfrequenz der wenigstens einen Schaufel, insbesondere der Schaufelaustrittskante, zur fünften Ordnung der Anregenden sicherzustellen, hat es sich in weiterer Ausgestaltung der Erfindung als vorteilhaft gezeigt, wenn das Verhältnis V₁ zumindest 0,33 und vorzugsweise zumindest 0,35 und/oder das Verhältnis V₂ zumindest 1,43 und vorzugsweise zumindest 1,45 und/oder das Verhältnis V₃ zumindest 0,33 und vorzugsweise 0,35 beträgt. Mit Hilfe des hierdurch überraschenderweise auf mindestens 10 % erhöhten Resonanzsicherheitsabstands zwischen der Eigenfrequenz und der fünften Ordnung der Anregenden können besonders hohe Lebensdauern des Radialschaufelrads gewährleistet werden.
Eine zusätzliche Spannungsentlastung, insbesondere im Nabenbereich des Nabenkörpers des Radialschaufelrads, wird in weiterer Ausgestaltung dadurch erzielt, dass ein Kippwinkel ε der Schaufelaustrittskante der wenigstens einen Schaufel zumindest 1° und vorzugsweise zumindest 3° beträgt.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die wenigstens eine Schaufel gekrümmt ausgebildet ist und bezüglich einer vorgesehenen Drehrichtung das Radialschaufelrad zumindest im Bereich der Schaufelaustrittskante einen mittleren Rad-Schaufelaustrittswinkel β unterhalb von 40°, insbesondere unterhalb von 35° und vorzugsweise unterhalb von 33° aufweist. Ein derartiger mittlerer Rad-Schaufelaustrittswinkel β ermöglicht eine weitere Verbesserung der aerodynamischen Eigenschaften des Radialschaufelrads mit einer entsprechenden Verbesserung des Gesamtwirkungsgrads des zugeordneten Abgasturboladers. Zudem bleibt hierdurch im Fall der Verwendung eines Wachsausschmelzverfahrens zur Herstellung des Radialschaufelrads die Ziehfähigkeit eines einteiligen Kanalwerkzeugs bei der Erstellung eines Wachsmodells für den späteren Feingießschritt voll erhalten.
Zur weiteren Optimierung der Eigenfrequenz der Schaufel und der Gießbarkeit des Radialschaufelrads ist in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass ein Dickenfaktor f_d der wenigstens einen Schaufel zumindest 0,10 und vorzugsweise zumindest 0,13 beträgt. Der Dickenfaktor f_d errechnet sich dabei anhand der Formel: $f_{d} = (d_{n} - d_{a}) {/I}_{a}$
Dabei bezeichnen d_n eine Nabenkonturdicke der wenigstens einen Schaufel im Nabenbereich des Nabenkörpers und d_a eine Außenkonturdicke der wenigstens einen Schaufel im Grundbereich des Nabenkörpers. Zusätzlich zur optimierten Gießbarkeit kann mit Hilfe des derartig gewählten Dickenfaktors f_d auch der geforderte Resonanzsicherheitsabstand der Eigenfrequenz der wenigstens einen Schaufel zur fünften Ordnung der Anregungsfrequenz sicher gestellt werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Außenkonturdicke d_a der wenigstens einen Schaufel zwischen 0,4 mm und 0,8 mm, insbesondere zwischen 0,5 mm und 0,7 mm, und/oder die Nabenkonturdicke d_n der wenigstens einen Schaufel zwischen 0,5 mm und 5,0 mm, insbesondere zwischen 0,8 mm und 4,3 mm, beträgt. Hierdurch wird eine vorteilhafte Massenverteilung bei gleichzeitiger Sicherstellung der geforderten mechanischen und thermodynamischen Eigenschaften des Radialschaufelrads erzielt.
Indem das Radialschaufelrad zwischen acht und zwölf und vorzugsweise zehn Schaufeln umfasst und/oder eine mehrzählige Rotations-Symmetrie besitzt, werden besonders vorteilhafte aerodynamische Eigenschaften und eine damit einhergehende weitergehende Verbesserung des Wirkungsgrads des zugeordneten Abgasturboladers erzielt. Darüber hinaus kann hierdurch auch das Schwingungsverhalten des Radialschaufelrads zusätzlich verbessert werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass das Radialschaufelrad einstückig und/oder aus einem hochtemperaturfähigen Werkstoff, insbesondere einer Nickellegierung, und/oder als Gussteil ausgebildet ist. Auf diese Weise wird eine besonders hohe Verschleißfestigkeit des Radialschaufelrads sichergestellt und die geforderte Maßhaltigkeit gewährleistet. Durch ein einstückig ausgebildetes Radialschaufelrad wird insbesondere eine hohe mechanische Belastbarkeit erzielt. Bei Verwendung eines hochtemperaturfähigen Werkstoffs kann zudem die thermische Belastbarkeit des Radialschaufelrads vorteilhaft erhöht werden.
Weitere Vorteile ergeben sich, indem zumindest ein radial äußerer Längenbereich eines Schaufelfußes der wenigstens einen Schaufel radial entlang des Grundbereichs angeordnet ist. Durch diese radiale Anordnung wird abhängig davon, ob das Radialschaufelrad als Turbinen- oder als Verdichterrad ausgebildet ist, eine entsprechend radiale Ein- bzw. Ausströmung des Arbeitsmediums mit einer entsprechenden Minimierung der mechanischen Beanspruchung der wenigstens einen Schaufel erzielt. Darüber hinaus ist hierdurch eine weitere Reduzierung von Strömungsverlusten mit der damit verbundenen Wirkungsgradsteigerungen gegeben.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Radialschaufelrads für ein Laufzeug eines Abgasturboladers einer Brennkraftmaschine mittels eines Gießverfahrens, wobei erfindungsgemäß vorgesehen ist, dass wenigstens eine Schaufel des Radialschaufelrads nach dem Gießen zumindest im Bereich ihrer Schaufelaustrittskante, vorzugsweise unter Ausbildung eines Hinterschnitts, umgeformt wird. Hierdurch ist ein kostengünstiges Herstellungsverfahren gegeben, mittels welchem ein Radialschaufelrad mit verbesserten mechanischen und thermodynamischen Eigenschaften geschaffen werden kann. Mit Hilfe des zusätzlichen Umformungsschritts lassen sich Strömungsgrenzschichten im Bereich der Schaufelaustrittskante positiv für eine Wirkungsgradanhebung beeinflussen. Darüber hinaus können auf einfache und kostengünstige Weise reproduzierbare Hinterschnitte erzeugt werden, ohne dass ein erhöhter und kostspieliger Werkzeugaufwand - beispielsweise mehrteilige Kanalwerkzeuge und dergleichen - erforderlich wäre.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Radialschaufelrad mit einem Verhältnis V₁ einer axialen Länge l_ax wenigstens einer Schaufel und eines zweifachen Radius D₁ der wenigstens einen Schaufel von zumindest 0,30, einem Verhältnis V₂ der axialen Länge l_ax der wenigstens einen Schaufel und einer radialen Länge l_a einer Schaufelaustrittskante der wenigstens einen Schaufel von zumindest 1,40 und einem Verhältnis V₃ eines Radius D_2n des Nabenbereichs und eines Radius D_2a eines radial äußeren Eckpunkts der Schaufelaustrittskante von zumindest 0,30 hergestellt wird. Die sich hieraus ergebenden Vorteile sind den vorhergehenden Beschreibungen zu entnehmen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass als Gießverfahren ein Wachsausschmelzverfahren verwendet wird. Hierdurch kann den aus betriebsdynamischen Gesichtspunkten vorteilhaften Aspekten einer einstückigen, maßhaltigen und hochbelastbaren Ausbildung des Radialschaufelrads auf einfache Weise und mit geringen Kosten Rechnung getragen werden.
Dabei hat es sich als vorteilhaft gezeigt, wenn zum Durchführen des Wachsausschmelzverfahrens zunächst mittels einer Modelleinrichtung ein Wachsmodell des Radialschaufelrads hergestellt wird, wobei im Bereich zumindest einer Schaufelaustrittskante einer Schaufel des Wachsmodells ein mittlerer Rad-Schaufelaustrittswinkel β erzeugt wird, der in Abhängigkeit eines zur Herstellung von Schaufelkanälen verwendeten Kanalwerkzeugs der Modelleinrichtung so klein wie möglich gewählt wird. Mit anderen Worten ist vorgesehen, das zur Durchführung des Wachsausschmelzverfahrens benötigte Wachsmodell, dessen Geometrie mit der späteren Geometrie des Radialschaufelrads korrespondiert, mit dem minimal möglichen mittleren Rad-Schaufelaustrittswinkel β zu gestalten, der durch die Ziehfähigkeit des Kanalwerkzeugs für den späteren Feingussvorgang als Randbedingung gegeben ist. Der Schaufelkanal des späteren Radialschaufelrads besitzt auf diese Weise zunächst keinerlei Hinterschnitte, so dass das Kanalwerkzeug entlang einer Geraden oder Kurve ohne Kollision mit der Beschaufelung frei nach außen gezogen werden kann. Etwaige Hinterschnitte können im Anschluss an den folgenden Gießschritt durch den erfindungsgemäßen Umformungsschritt erzeugt werden.
Weitere Vorteile ergeben sich, indem eine für das Gießverfahren verwendete Gussform vor dem Eingießen von geschmolzenem Werkstoff zumindest bereichsweise mit einem Keimbildner, insbesondere einem Magnesiumoxid, versehen wird. Mit Hilfe des Keimbildners kann ein besonders vorteilhaftes und feines Gefüge im Oberflächenbereich des Radialschaufelrads erzeugt werden. Dies führt zu einer Senkung der Streuung der Eigenfrequenzen der Beschaufelung, so dass der angestrebte Resonanzsicherheitsabstand zuverlässig erzielt werden kann und die erste Eigenfrequenz der Schaufeln auch bei maximaler Drehzahl des Radialschaufelrads oberhalb der fünften Ordnung der Anregenden liegt.
Indem die wenigstens eine Schaufel des Radialschaufelrads beim Entfernen einer für das Gießverfahren verwendeten Gussform umgeformt wird, ist eine besonders schnelle und einfache Möglichkeit zum reproduzierbaren Umformen bzw. zur reproduzierbaren Hinterschnitterzeugung ohne teueren Werkzeugaufwand gegeben. Da die Gussform, die auch als Grünform bezeichnet wird, zur Entnahme des Rohgusses ohnehin zerstört werden muss, entstehen zudem keine erhöhten Herstellungskosten.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit einer Brennkraftmaschine, welche einen Abgasturbolader mit einem Laufzeug aufweist, wobei das Laufzeug zwei über eine Lagerwelle drehfest miteinander verbundene Schaufelräder umfasst. Dabei ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass wenigstens ein Radialschaufelrad gemäß einem der vorhergehenden Ausführungsbeispiele ausgebildet und/oder mittels eines Verfahrens gemäß einem der vorhergehenden Ausführungsbeispiele hergestellt ist. Die sich hieraus ergebenden Vorteile sind den entsprechenden Beschreibungsteilen zu entnehmen.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich anhand der nachfolgenden Beschreibungen von Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen, in welche gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit identischen Bezugszeichen versehen sind. Dabei zeigen:

1 eine perspektivische Frontalansicht eines Radialschaufelrads gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel;
2 eine perspektivische Seitenansicht des Radialschaufelrads;
3 eine perspektivische Schrägansicht des Radialschaufelrads;
4 eine schematische Frontalansicht des Radialschaufelrads;
5 ein Campbell-Diagramm des Radialschaufelrads;
6 eine schematische Meridionaldarstellung einer Schaufel des Radialschaufelrads;
7 eine schematische Drahtgitteransicht zweier benachbarter Schaufeln des Radialschaufelrads;
8 eine schematische Drahtgitteraufsicht der in 7 gezeigten Schaufeln des Radialschaufelrads;
9 ein Diagramm der Konturdickenverteilung einer Schaufel des Radialschaufelrads;
10 eine perspektivische Schrägansicht des Radialschaufelrads gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel; und
11 ein schematisches Diagramm der Eigenfrequenzen der Schaufeln des in 10 gezeigten Radialschaufelrads.

1 zeigt eine perspektivische Frontalansicht eines ersten Ausführungsbeispiels eines Radialschaufelrads für ein Laufzeug eines Abgasturboladers einer Brennkraftmaschine und wird im Folgenden in Zusammenschau mit 2-4 erläutert werden. Dabei zeigen 2 eine perspektivische Seitenansicht des Radialschaufelrads, 3 eine perspektivische Schrägansicht des Radialschaufelrads und 4 eine schematische Frontalansicht des Radialschaufelrads. Das Radialschaufelrad, welches vorliegend als Turbinenrad des Abgasturboladers ausgebildet ist, umfasst einen Nabenkörper 10 mit einem im Wesentlichen scheibenförmigen Grundbereich 12 und einem Nabenbereich 14. Grundsätzlich kann auch vorgesehen sein, dass das Radialschaufelrad als Verdichterrad ausgebildet ist bzw. verwendet wird. An einer Vorderseite des Radialschaufelrads befinden sich zehn Schaufeln 16, die sich ausgehend vom Nabenbereich 14 bis zum Außenumfang des Grundbereichs 12 des Nabenkörpers 10 erstrecken. Eine Drehachse DA des Radialschaufelrads stellt dabei gleichzeitig eine zehnzählige Rotationssymmetrieachse dar. Die Rückseite 18 des Radialschaufelrads ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel - mit Ausnahme des rückwärtigen Nabenbereichs 14, welcher zum Anbinden einer Lagerwelle des Laufzeugs dient - eben ausgebildet. Alternativ kann vorgesehen sein, dass die lagerseitige Rückseite 18 konisch ausgebildet ist, wodurch die Festigkeit und die Eigenfrequenz f_e des Radialschaufelrads gezielt beeinflusst werden können. Das gezeigte Radialschaufelrad ist vorliegend einstückig als Feingussteil aus einer hochtemperaturfähigen Nickellegierung ausgebildet und mittels eines Wachsausschmelzverfahrens hergestellt, welches nachstehend näher erläutert werden wird. Als Nickellegierung wird Inconell 713 LC verwendet. Es können grundsätzlich jedoch auch andere Nickellegierungen - beispielsweise Hastelloy- oder Monel-Legierungen -, Kobaltlegierungen oder sonstige hochtemperaturfähigen Legierungen vorgesehen sein. Die während eines Betriebs des Radialschaufelrads vorgesehene Drehrichtung ist in 4 mit dem Pfeil DR angedeutet.
Im in 5 gezeigten Campbell-Diagramm des Radialschaufelrads sind die drehzahlabhängigen Schwingungsfrequenzen erkennbar, denen kritische Schaufelbereiche des Radialschaufelrads während des Betriebs ausgesetzt sind. Als kritische Schaufelbereiche sind insbesondere die Schaufelaustrittskanten 20 der einzelnen Schaufeln 16 anzusehen. Dabei ist zu beachten, dass die Schaufelaustrittskanten 20 im Fall eines als Verdichterrads ausgebildeten Radialschaufelrads als Eintrittskanten fungieren. Neben den Eigenfrequenzen f_e der Schaufelaustritte 20 der Schaufeln 16 ist zusätzlich der drehzahlabhängige Anregungsfächer mit den ersten zwölf Ordnungen der Anregungsschwingung dargestellt. Die Eigenfrequenzen f_e besitzen eine gewisse statistische Streuung und bilden daher ein Frequenzband. Damit das Radialschaufelrad mechanisch und thermodynamisch für die geforderten Abgasrückführungsraten und angestrebten Luftmengen der zugeordneten Brennkraftmaschine optimiert ist und die Schaufelaustrittskanten 20 der einzelnen Schaufeln 16 gleichzeitig Eigenfrequenzen f_e aufweisen, die bei der maximalen Laufzeugdrehzahl n_max = 110000 1/min dennoch einen Resonanzsicherheitsabstand Δf von etwa 10 % zur fünften Ordnung der Anregungsfrequenz besitzen, besitzt das Radialschaufelrad spezifische geometrische Verhältnisse V₁ - V₃ sowie einen entsprechenden Dickenfaktor f_d der einzelnen Schaufeln 16.
6 zeigt zur Verdeutlichung der geometrischen Verhältnisse V₁ - V₃ eine schematische Meridionaldarstellung einer der Schaufeln 16 des Radialschaufelrads. Dabei beträgt ein Verhältnis V₁ = l_ax /D₁ einer axialen Länge l_ax der Schaufel 16 und eines zweifachen Radius D₁ zumindest 0,35, ein Verhältnis V₂ = l_ax / l_a der axialen Länge l_a der Schaufel 16 und einer radialen Länge l_a ihrer Schaufelaustrittskante 20 zumindest 1,45 und ein Verhältnis V₃ = D_2N / D₂ , eines Radius D_2n des Nabenbereichs 14 und eines Radius D_2a eines radial äußeren Eckpunkts C der Schaufelaustrittskante zumindest 0,35. Zusätzlich beträgt ein Kippwinkel ε der Schaufelaustrittskante 20 der Schaufel 16 im gezeigten Ausführungsbeispiel mindestens 3°, wodurch eine zusätzliche Spannungsentlastung im Nabenbereich 14 des Nabenkörpers 10 erzielt wird. Darüber hinaus lässt sich auf diese Weise der Bereich der Ziehfähigkeit eines zur Herstellung eines Wachsmodells des Radialschaufelrads verwendeten Kanalwerkzeugs einer entsprechenden Modelleinrichtung zu kleineren mittleren Rad-Schaufelaustrittswinkel β (siehe 7) einstellen. Zur Erhöhung der Eigenfrequenz f_e des Radeintritts 22 sind die Schaufelfüße 24 der Schaufeln 16 über einen radial äußeren Längenbereich radial entlang des Grundbereichs 12 angeordnet, wodurch eine radiale Einströmung des Arbeitsmediums in die Schaufelkanäle zwischen den Schaufeln 16 erfolgen kann. Darüber hinaus besitzt der scheibenförmige Grundbereich 12 zur weiteren Erhöhung der Eigenfrequenz f_e einen Durchmesser von 2*D₁. Die dimensionslosen geometrischen Verhältnisse V₁ - V₃ führen zu mechanisch und thermodynamisch günstigen Radialschaufelrädern bzw. Turbinenrädern, die auch an mit AGR-Systemen versehenen Brennkraftmaschinen hervorragende Ergebnisse erbringen.
7 zeigt eine schematische Drahtgitteransicht zweier benachbarter Schaufeln 16 des Radialschaufelrads und verdeutlicht insbesondere die Gestaltung des zwischen den Schaufeln 16 liegenden Schaufelkanals sowie den minimierten mittleren Rad-Schaufelaustrittswinkel β. Damit die Anforderung einer Hinterschnittfreiheit des Radialschaufelrads gegeben ist, müssen als notwendige Bedingung alle Oberflächenpunkte des Schaufelkanals, der durch den in der Papierebene verlaufenden Nabenkörper 10, die mit Pfeil VII gekennzeichnete Druckseite der unteren Schaufel 16 und die mit Pfeil VIII (s. 8) gekennzeichnete Saugseite der oberen Schaufel 16 gebildet wird, frei sichtbar sein. Die kritischen Stellen, die gerade noch die gewünschte Hinterschnittfreiheit bestätigen können, sind die markierten Eckpunkte A, B und C der jeweiligen Schaufel 16. Die Lage des Eckpunkts C lässt sich vorteilhaft über die Vergrößerung des Kippwinkels ε zur Hinterschnittfreiheit bringen, womit auch eine Spannungsentlastung des Nabenbereichs 14 einher geht. Der minimale Rückwärtskrümmungswinkel ß gegenüber der Umfangsrichtung ergibt sich in diesem Beispiel mit 33° durch die gerade noch aufrecht erhaltene Ziehfähigkeit des einteiligen Kanalwerkzeugs der zur Herstellung des Wachsmodells verwendeten Modelleinrichtung.
8 zeigt zur weiteren Veranschaulichung der drei Eckpunkte A, B und C eine schematische Drahtgitteraufsicht der in 7 gezeigten Schaufeln 16 in Blickrichtung längs der Drehachse DA des Radialschaufelrads. Darüber hinaus ist in 8 schematisch angedeutet, wie die Schaufelaustrittskanten 20 der Schaufeln 16 nach dem Gießen des Radialschaufelrads im Bereich der jeweiligen Eckpunkte C gemäß Pfeil H unter Ausbildung eines Hinterschnitts in Richtung der Druckseite VII umgeformt werden. Das Umformen erfolgt dabei im vorliegenden Ausführungsbeispiel beim Entfernen einer aus Keramik gefertigten Guss- bzw. Grünform, die durch Sandstrahlen abgetragen wird, und kann daher schnell, kostengünstig und reproduzierbar durchgeführt werden. Alternativ kann die Hinterschnittserzeugung durch geeignete Wahl der Prozessparameter des Umformschritts bei Bedarf natürlich auch vermieden werden. Mittels des Hinterschnitts lässt sich während des Betriebs des Radialschaufelrads die Strömungsgrenzschicht im Spaltkanalbereich positiv für eine Wirkungsgradanhebung beeinflussen. Mit Hilfe dieser einfacher Maßnahme der ohnehin notwendigen Gussform-Entfernung ergibt sich ein sehr kostengünstiges Verfahren der nachträglichen, gegebenenfalls mit einer Hinterschnitterzeugung verbundenen Umformung, ohne dass ein teuerer Werkzeugaufwand hinsichtlich mehrteiliger Kanalwerkzeugen getätigt werden müsste.
9 zeigt ein Diagramm der Konturdickenverteilung entlang den Skelettlinien einer Schaufel 16 des Radialschaufelrads. Die Außenkonturdicke d_a der Schaufel 16 wird im Hinblick auf die Giessbarkeit zu kleinsten Werten hin optimiert und entlang der gesamten Kontur auf sehr niederen Werten gehalten (0,5 mm-0.7 mm). Die Nabenkonturdicke d_n steht - wie bereits erwähnt - mit dem Resonanzsicherheitsabstand Δf zur fünften Ordnung der Anregenden in Zusammenhang (s. 5). In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel besitzt die Schaufel 16 einen konstanten Dickenanzug von der Außenkonturdicke d_a (=0,50 mm) bis zur Nabendicke d_n (=4,00 mm). Dabei definiert der Dickenfaktor f_d=(d_n-d_a)/1_a> 0,13 den maßgebenden Auslegungsbereich für die Absicherung der notwendigen Eigenfrequenz f_e der Schaufelaustrittskanten 20.
10 zeigt eine perspektivische Schrägansicht des Radialschaufelrads gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel. Der grundlegende Aufbau ist dabei bereits aus den vorhergehenden Beschreibungen zu entnehmen. Um während des Gießverfahrens sicherzustellen, dass die Eigenfrequenzen f_e der Schaufeln 16 eine geringstmögliche Streuung aufweisen, wird eine anhand des Wachsmodells des Radialturbinenrads erstellte, keramische Gussform, in die später der Hochtemperaturwerkstoff (Inconell 713 LC) gegossen wird, durch Zumischen von Keimbildner aktiviert. Die Keimbildner, bei denen es sich beispielsweise um Magnesiumoxid handeln kann, führen zu einem feinen Gefüge im Oberflächenbereich des Radialverdichterrads. In 10 ist das feine Oberflächengefüge des angeäzten Turbinenrades, das in der mit den Keimbildnern versehenen, keramischen Gussform gegossen wurde, erkennbar. Dieses feine Gefüge ergibt eine merklich Reduktion der Eigenfrequenzverteilung aller Schaufeln 16 des Radialschaufelrads.
11 zeigt hierzu ein schematisches Diagramm der Eigenfrequenzen f_e der Schaufeln 16 des in 10 gezeigten Radialschaufelrads. Die gemessene Eigenfrequenzverteilung der Schaufelaustrittskanten 20 der zehn Schaufeln 16 besitzt einen sehr geringen Wert. Ohne den Keimbildner sind Streuungen der Eigenfrequenzen f_e bis ±10% der Soll-Eigenfrequenz f_e der Schaufeln 16 feststellbar, so dass mit Hilfe dieses Verfahrens eine besonders vorteilhafte Wirkung für den angestrebten Resonanzsicherheitsabstand Δf zur fünften Ordnung der Anregenden erzielt werden kann.

Claims

Radialschaufelrad, insbesondere Turbinenrad, für ein Laufzeug eines Abgasturboladers einer Brennkraftmaschine, mit einem einen Grundbereich (12) und einen Nabenbereich (14) aufweisenden Nabenkörper (10), an welchem eine Mehrzahl von Schaufeln (16) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass • ein Verhältnis V₁ einer axialen Länge l_ax wenigstens einer Schaufel (16) und eines zweifachen Radius D₁ der wenigstens einen Schaufel (16) zumindest 0,30; • ein Verhältnis V₂ der axialen Länge l_ax der wenigstens einen Schaufel (16) und einer radialen Länge l_a einer Schaufelaustrittskante (20) der wenigstens einen Schaufel zumindest 1,40; und • ein Verhältnis V₃ eines Radius D_2N des Nabenbereichs (14) und eines Radius D_2a eines radial äußeren Eckpunkts (C) der Schaufelaustrittskante (20) der wenigstens einen Schaufel (16) zumindest 0,30 beträgt.
Radialschaufelrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis V₁ zumindest 0,33 und vorzugsweise zumindest 0,35 und/oder das Verhältnis V₂ zumindest 1,43 und vorzugsweise zumindest 1,45 und/oder das Verhältnis V₃ zumindest 0,33 und vorzugsweise zumindest 0,35 beträgt.
Radialschaufelrad nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kippwinkel ε der Schaufelaustrittskante (20) der wenigstens einen Schaufel (16) zumindest 1° und vorzugsweise zumindest 3° beträgt.
Radialschaufelrad nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Schaufel (16) gekrümmt ausgebildet ist und bezüglich einer vorgesehenen Drehrichtung (DR) des Radialschaufelrads zumindest im Bereich der Schaufelaustrittskante (20) einen mittleren Rad-Schaufelaustrittswinkel β unterhalb von 40°, insbesondere unterhalb von 35° und vorzugsweise unterhalb von 33° aufweist.
Radialschaufelrad nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Dickenfaktor f_d der wenigstens einen Schaufel (16) zumindest 0,10 und vorzugsweise zumindest 0,13 beträgt.
Radialschaufelrad nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Außenkonturdicke d_a der wenigstens einen Schaufel (16) zwischen 0,4 mm und 0,8 mm, insbesondere zwischen 0,5 mm und 0,7 mm, und/oder eine Nabenkonturdicke d_n der wenigstens einen Schaufel (16) zwischen 0,5 mm und 5,0 mm, insbesondere zwischen 0,8 mm und 4,3 mm beträgt.
Radialschaufelrad nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass dieses zwischen 8 und 12 und vorzugsweise 10 Schaufeln (16) umfasst und/oder eine mehrzählige Rotations-Symmetrie besitzt.
Radialschaufelrad nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass dieses einstückig und/oder aus einem hochtemperaturfähigen Werkstoff, insbesondere einer Nickellegierung, und/oder als Gussteil ausgebildet ist.
Radialschaufelrad nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein radial äußerer Längenbereich eines Schaufelfußes (24) der wenigstens einen Schaufel (16) radial entlang des Grundbereichs (12) angeordnet ist.
Verfahren zum Herstellen eines Radialschaufelrads für ein Laufzeug eines Abgasturboladers einer Brennkraftmaschine, bei welchem das Radialschaufelrad mit einem einen Grundbereich (12) und einen Nabenbereich (14) aufweisenden Nabenkörper (10), an welchem eine Mehrzahl von Schaufeln (16) angeordnet sind, mittels eines Gießverfahrens hergestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Schaufel (16) des Radialschaufelrads nach dem Giessen zumindest im Bereich ihrer Schaufelaustrittskante (20), vorzugsweise unter Ausbildung eines Hinterschnitts, umgeformt wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Radialschaufelrad mit • einem Verhältnis V₁ einer axialen Länge l_ax wenigstens einer Schaufel (16) und eines zweifachen Radius D₁ der wenigstens einen Schaufel (16) von zumindest 0,30; • einem Verhältnis V₂ der axialen Länge l_ax der wenigstens einen Schaufel (16) und einer radialen Länge l_a einer Schaufelaustrittskante (20) der wenigstens einen Schaufel (16) von zumindest 1,40; und • einem Verhältnis V₃ eines Radius D_2N des Nabenbereichs (14) und eines Radius D_2a eines radial äußeren Eckpunkts (C) der Schaufelaustrittskante (20) von zumindest 0,30 hergestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass als Gießverfahren ein Wachsausschmelzverfahren verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass zum Durchführen des Wachsausschmelzverfahrens zunächst mittels einer Modelleinrichtung ein Wachsmodell des Radialschaufelrads hergestellt wird, wobei im Bereich zumindest einer Schaufelaustrittskante einer Schaufel des Wachsmodells ein mittlerer Rad-Schaufelaustrittswinkel β erzeugt wird, der in Abhängigkeit eines zur Herstellung von Schaufelkanälen verwendeten Kanalwerkzeugs der Modelleinrichtung so klein wie möglich gewählt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine für das Gießverfahren verwendete Gussform vor dem Eingießen von geschmolzenem Werkstoff zumindest bereichsweise mit einem Keimbildner, insbesondere einem Magnesiumoxid, versehen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Schaufel (16) des Radialschaufelrads beim Entfernen einer für das Gießverfahren verwendeten Gussform umgeformt wird.
Kraftfahrzeug mit einer Brennkraftmaschine, welche einen Abgasturbolader mit einem Laufzeug aufweist, wobei das Laufzeug zwei über eine Lagerwelle drehfest miteinander verbundene Radialschaufelräder umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Radialschaufelrad gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 ausgebildet und/oder mittels eines Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 10 bis 15 hergestellt ist.