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Beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung betreffen einen abgasgetriebenen Turbolader und ein Zentrifugalkompressorrad zur Verwendung in einem Kompressor und insbesondere ein Zentrifugalkompressorrad aus Verbundwerkstoff zur Verwendung in einem Kompressor des Turboladers.
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Zentrifugalkompressoren werden in Turboladern, Superladern und dergleichen verwendet. Sie umfassen ein Zentrifugalkompressorrad, das eine Gruppierung aerodynamisch konturierter Laufradschaufeln aufweist, die durch einen Zentralnabenabschnitt gelagert sind. Die Nabe ist an einer drehbar angetriebenen Welle montiert, die in dem Fall eines Turboladers durch das Turbinenrad angetrieben wird. Für Turbolader weist der Nabenabschnitt allgemein eine zentrale axiale Bohrung auf, in die sich die Welle erstreckt und an der Nabe befestigt ist. Das Befestigen kann eine beliebige geeignete Ausgestaltung annehmen, wie die Verwendung eines Gewindeschaftes und einer Nabe, einer kerbverzahnten Nabe, oder alternativ kann sich eine Nase der Welle durch die Nabe erstrecken und daran unter Verwendung einer Mutter befestigt sein, um die Nabe gegen eine Schulter oder einen anderen diametral vergrößerten Aufbau festzuziehen, der mit der Welle drehbar ist. Die Welle treibt dadurch das Zentrifugalkompressorrad drehbar in einer Richtung an, so dass die konturierten Schaufeln axial Luft ziehen und diese Luft radial auswärts auf einem erhöhten Druckniveau in eine Kammer eines Kompressorgehäuses austragen. Die druckbeaufschlagte Luft wird dann von der Kammer an den Luftansaugkrümmer eines Verbrennungsmotors zum Mischen und zum Verbrennen mit Kraftstoff, alles auf eine gut bekannte Art und Weise, geliefert.
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Verbesserungen in der Kompressortechnologie und -konstruktion haben in erhöhten Kompressorwirkungsgraden, Strömungsbereichen und einem schnellen Übergangsansprechen durch sorgfältige Konstruktion der Kompressoren, insbesondere der Zentrifugalkompressorräder, resultiert. Beispielsweise weisen die Laufradschaufeln zusammengesetzte und hochkomplexe Krümmungen auf, die so ausgelegt sind, um einen Betriebswirkungsgrad und Strömungsbereich zu optimieren. Die komplexen Schaufelausgestaltungen werden allgemein durch Gießen einer Leichtmetalllegierung ausgebildet, die verschiedene Aluminiumlegierungen aufweist, die bezüglich ihrer relativ geringen Dichte gewählt sind, um die Rotationsträgheit zu senken und ein schnelles Ansprechen während Übergangsbetriebsbedingungen bereitzustellen.
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Während sie sich als effektiv erwiesen haben, sind gegossene Zentrifugalkompressorräder dieses Typs Gegenstand von Metallermüdung, die die Betriebslebensdauer des Turboladers begrenzt. Beispielsweise kann ein Zentrifugalkompressorrad bei Betriebsdrehzahlen bis zu etwa 100.000 U/min oder mehr gedreht werden. Dies führt zu einer relativ hohen radialen Zugbelastung; insbesondere in dem Nabenabschnitt des Rades, der die radiale Radmasse lagern muss. Diese radiale Zugbelastung ist während des Starts und des Betriebs des Verbrennungsmotors und des Fahrzeugs in dem Fall einer mobilen Anwendung, in die der Turbolader eingebaut ist, auch zyklischer Natur. Da die Nabe zyklisch beansprucht wird, sehen Einschlüsse, Hohlräume und andere Defekte in Verbindung mit dem Gussprozess Spannungserhöher vor, die in Ermüdungsprozessen resultieren, die die Betriebslebensdauer der Räder und Turbolader, die diese enthalten, begrenzen. Die Verwendung geschmiedeter oder gehämmerter Materialien zur Verbesserung der Betriebslebensdauern der Legierungen ist möglich, hat sich jedoch aufgrund der Kosten der Bearbeitung, die erforderlich ist, um die komplexen Ausgestaltungen in Verbindung mit der Nabe und den Schaufeln zu bilden, allgemein als nicht ausreichend wirtschaftlich erwiesen.
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Die
DE 195 13 508 A1 offenbart einen Verdichter mit einem Verdichterrad, das eine mit Laufschaufeln bestückte Nabe aus Kunststoff aufweist, einer mit der Nabe verbundenen Welle und einem das Verdichterrad umgebenden Gehäuse. Dabei ist die Nabe des Verdichterrads aus einem mit Endlosfasern verstärkten Thermoplast gefertigt, wobei die Laufschaufeln aus einem mit Endlosfasern verstärkten Thermoplast separat vorgefertigt und formschlüssig mit der Nabe verbunden sind.
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen abgasgetriebenen Turbolader sowie ein Zentrifugalkompressorrad zu schaffen, die die erforderlichen Leistungscharakteristiken einschließlich hoher Festigkeit und geringer Rotationsträgheit wie auch reduzierte Anfälligkeit gegenüber Ermüdungsprozessen im Vergleich zu Guss-Rädern bereitstellen.
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Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der Ansprüche 1 und 9 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Bei einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein Zentrifugalkompressorrad für einen rotierbaren Kompressor offenbart.
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Das Zentrifugalkompressorrad weist eine sich axial erstreckende Nabe mit einem Einlassende, einem Auslassende, einer bogenförmigen Außenfläche und einer Wellenbohrung auf. Das Zentrifugalkompressorrad weist auch eine Schaufelgruppierung auf, die an der bogenförmigen Außenfläche der sich axial erstreckenden Nabe angeordnet ist, wobei die Schaufelgruppierung eine Mehrzahl um den Umfang beabstandeter, sich radial und axial erstreckender bogenförmiger Zentrifugallaufradschaufeln, die daran angeordnet sind, umfasst; wobei die sich axial erstreckende Nabe und die Schaufelgruppierung ein nicht verwobenes bzw. vliesartiges, mit diskontinuierlicher Faser gefülltes Polymermatrixverbundmaterial umfassen.
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Andere Aufgaben, Merkmale, Vorteile und Einzelheiten werden nur beispielhaft in der folgenden detaillierten Beschreibung der Ausführungsformen offensichtlich, wobei die detaillierte Beschreibung Bezug auf die Zeichnungen nimmt, in welchen:
- 1 eine schematische perspektivische Ansicht einer beispielhaften Ausführungsform eines Verbundwerkstoff-Zentrifugalkompressorrades ist, wie hier offenbart ist;
- 2 eine Schnittansicht des Verbundwerkstoff-Zentrifugalkompressorrades von 1 entlang eines Schnitts 2-2 ist;
- 3 eine Schnittansicht einer zweiten beispielhaften Ausführungsform eines Verbundwerkstoff-Zentrifugalkompressorrades, wie hier offenbart ist, ist; und
- 4 eine Schnittansicht einer dritten beispielhaften Ausführungsform des Verbundwerkstoff-Zentrifugalkompressorrades ist, wie hier offenbart ist.
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Gemäß beispielhafter Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, wie in den 1 bis 4 gezeigt ist, ist ein Zentrifugal-Zentrifugalkompressorrad 10 zur Verwendung als ein Zentrifugallaufrad in einem rotierbaren Kompressor 8 offenbart. Das Zentrifugalkompressorrad 10 ist zur Verwendung als ein Zentrifugallaufrad in vielen rotierbaren Anwendungen eines Kompressors 8 geeignet, einschließlich Kompressoren 8 für verschiedene abgasgetriebene Turbolader 4 oder dergleichen für Verbrennungsmotoren 6.
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Das Zentrifugalkompressorrad 10 weist eine sich axial erstreckende Nabe 12 AUF, die sich entlang einer Längsachse 14 erstreckt. Die sich axial erstreckende Nabe 12 weist ein Einlassende 16, ein Auslassende 18, eine bogenförmige Außenfläche 20 und eine Wellenbohrung 22 auf und ist zur lösbaren Befestigung an und zum Eingriff mit einer drehbaren Welle (nicht gezeigt) konfiguriert, wie einer Turbinenwelle eines Turboladers, die in einer Wellenbohrung 22 von dem Auslassende 18 aufgenommen ist. Das Zentrifugalkompressorrad 10 weist auch eine Schaufelgruppierung 24, 1, auf, die an der bogenförmigen Außenfläche 20 der sich axial erstreckenden Nabe 12 angeordnet ist. Die Schaufelgruppierung 24 weist eine Mehrzahl um den Umfang beabstandeter, sich radial und axial erstreckender bogenförmiger Zentrifugallaufradschaufeln („Laufradschaufeln“) 26 auf. Abhängig von den Konstruktionsanforderungen des Zentrifugalkompressorrades 10 kann eine beliebige geeignete Anzahl von Laufradschaufeln 26 in der Schaufelgruppierung 24 verwendet werden. Die Laufradschaufeln 26 können einen oder mehrere geeignete Umfangsabstände besitzen. Ähnlicherweise können sich die Laufradschaufeln 26 radial und axial in einem beliebigen gewünschten Ausmaß erstrecken und eine beliebige geeignete Ausgestaltung, insbesondere der Schaufelflächen 27 aufweisen. Die Laufradschaufeln 26 umfassen Airfoils bzw. Leitprofile, und die Schaufelflächen 27 umfassen Airfoil- bzw. Leitprofilflächen. Bei einer beispielhaften Ausführungsform kann die Ausgestaltung der Laufradschaufeln 26 durch eine Mehrzahl verbundener Sehnen beschrieben sein, die von der Außenfläche 20 der sich axial erstreckenden Nabe 12 auswärts in einer Sehnenrichtung 25, 1, vorragen. Wie hier verwendet ist, wird eine Sehne oder Sehnenrichtung 25 dazu verwendet, ein Liniensegment zu bezeichnen, das zwei Punkte einer Kurve verbindet, und umfasst die Breite der Laufradschaufeln 26, oder in dem Kontext der Laufradschaufeln 26 als Leitprofile ein gerades Liniensegment, das die vorausgehenden und nachlaufenden Ränder des Leitprofilabschnitts verbindet. Eine Richtung allgemein quer zu der Sehnenrichtung 25 kann als eine Trans- bzw. Quersehnenrichtung 29 definiert sein und erstreckt sich allgemein entlang der Länge der Laufradschaufeln, 1. Die Schaufelgruppierung 24 kann an der bogenförmigen Außenfläche 20 der Nabe 12 durch ein beliebig geeignetes Mittel oder ein beliebiges geeignetes Verfahren angeordnet sein, wird jedoch bevorzugt zusammen mit der sich axial erstreckenden Nabe 12 ausgebildet, so dass die Nabe 12 und die Schaufelgruppierung 24 eine einstückige Komponente ohne die Verwendung einer separat gebildeten Verbindung oder der Verwendung eines separaten Fügeverfahrens, um diese aneinander zu fügen, umfasst. Die spezifische Laufradschaufelkonturierung weist typischerweise eine Vorwärtsschaufelneigung 56 allgemein benachbart dem Einlassende 16 für zumindest einen Teil der Laufradschaufeln 14, wie in 1 gezeigt ist, und zumindest eine gewisse Rückwärtskrümmung 58 nahe der Peripherie der bogenförmigen Außenfläche 20 der sich axial erstreckenden Nabe 12 auf.
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Die sich axial erstreckende Nabe 12 und die Schaufelgruppierung 24 sind aus einem vliesartigen, mit diskontinuierlichen Fasern gefüllten Polymermatrixverbundmaterial 28 ausgebildet. („Verbundmaterial“). Das Polymermatrixverbundmaterial 28 kann ein beliebiges geeignetes Polymermatrixverbundmaterial 28 umfassen, einschließlich einer thermoplastischen oder wärmehärtbaren bzw. duroplastischen Polymermatrix 30. Bei einer beispielhaften Ausführungsform kann die Polymermatrix 30 ein Epoxid-, Phenol-, Polyimid-, Polyamid-, Polypropylen- oder Polyetherketonharz aufweisen. Die Polymermatrix 30 weist eine Mehrzahl vliesartiger diskontinuierlicher Fasern 32 als ein verteiltes verstärkendes Füllmaterial auf, das eine festigende Phase zur Verstärkung der Polymermatrix bereitstellt, wie in den 2 bis 4 gezeigt ist. Die Polymermatrix 30 kann auch andere geeignete Füllmaterialien aufweisen, einschließlich verschiedener organischer und anorganischer Partikelfüllmaterialien und insbesondere Füllmaterialien mit verschiedenen Nanopartikelfüllmaterialien, einschließlich Kohlenstoffnanopartikeln, wie verschiedenen Typen von Kohlenstoff-Nanoröhren bzw. -Nanotubes. Das Polymermatrixverbundmaterial 28 kann eine Polymermatrix 30 und Fasern 32 in beliebigen geeigneten relativen Mengen aufweisen. Bei einer beispielhaften Ausführungsform ist die Menge der Fasern 32 so groß wie möglich, während dennoch eine Mischung bereitgestellt wird, die in die gewünschte Ausgestaltung des Zentrifugalkompressorrades 10 ausgebildet werden kann, um die maximale Menge oder Beladung an Fasern 32 in der Polymermatrix 30 bereitzustellen. Die Fasern 32 können in der Polymermatrix 30 in einer beliebigen geeigneten Art und Weise verteilt sein, einschließlich einer homogenen oder heterogenen Verteilung.
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Die Fasern 32 können aus einem beliebigen geeigneten vliesartigen Material mit diskontinuierlichen Fasern ausgebildet werden, einschließlich verschiedenen Metall-, Glas-, Polymer- oder Kohlenstofffasern oder einer Kombination daraus. Die Fasern 32 können eine beliebige geeignete Fasercharakteristik aufweisen, einschließlich Länge, Querschnittsausgestaltung und Querschnittsgröße (beispielsweise Faserdurchmesser für eine zylindrische Faser), und können eine Mischung aus vliesartigen diskontinuierlichen Fasern mit verschiedenen Charakteristiken aufweisen. Die Fasern 32 können individuelle Filamente, Tow- bzw. Werggarne oder nicht verdrillte Bündel diskontinuierlicher (beispielsweise zerhackter) Filamente oder Garne aufweisen.
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Das Zentrifugalkompressorrad 10 kann durch ein beliebiges geeignetes Verfahren zum Ausbilden ausgebildet werden, wird jedoch bevorzugt durch Verfahren ausgebildet, die das Rad als eine einteilige Komponente bereitstellen, wie hier beschrieben ist. Bei einer beispielhaften Ausführungsform kann das Zentrifugalkompressorrad 10 geformt werden. Das Formen kann unter Verwendung eines beliebigen geeigneten Verfahrens ausgeführt werden, einschließlich Verfahren mit offener Form, wie Aufsprühen, oder Verfahren mit geschlossener Form, wie Kompressionsformen, Transferpressen oder Spritzgießen. Die Formverbindungen aus Faserharzpolymerverbundwerkstoff umfassen eine Harzmatrix mit kurzen zufällig verteilten Fasern 32 ähnlich denen, die bei der Kunststoff-Formung verwendet werden. Bei einer beispielhaften Ausführungsform weist die Formverbindung für Verbundwerkstoffbearbeitung duroplastische Polymere auf. Da sie zum Formen ausgelegt sind, müssen sie in der Lage sein, in der Form zu fließen. Demgemäß werden sie allgemein vor der Formbearbeitung nicht gehärtet oder polymerisiert. Das Härten wird während oder nach einer endgültigen Formgebung oder beidem durchgeführt und kann ein Härten bei Raumtemperatur oder erhöhten Temperaturen, einschließlich Erhitzen in einem Autoklaven, aufweisen.
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Das hier beschriebene Zentrifugalkompressorrad 10 wird im Wesentlichen aus einem Kern 34 ausgebildet, der sowohl die Kernabschnitte der Laufradschaufeln 26 als auch die sich axial erstreckende Nabe 12 aufweist, die aus dem vliesartigen, mit diskontinuierlichen Fasern gefüllten Polymermatrixverbundmaterial ausgebildet sind. Jedoch kann bei einer anderen beispielhaften Ausführungsform die Verwendung kontinuierlicher oder semi- bzw. halb-kontinuierlicher Fasern in jeglicher Ausgestaltung, ob als einzelne Filamente, Roving bzw. Vorgarne oder Garne, und einschließlich in verschiedenen Geweben oder Filzen ebenfalls in Verbindung mit dem Kern 34 verwendet werden.
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Bei einer beispielhaften Ausführungsform weisen die Laufradschaufeln 26 und die sich axial erstreckende Nabe 12 eine Außenschicht 36 aus kontinuierlichen oder halb-kontinuierlichen Fasern 38 auf, die an dem Kern 34 angeordnet sind, der das vliesartige, mit diskontinuierlichen Fasern gefüllte Polymermatrixverbundmaterial 28 umfasst. Die kontinuierlichen oder halb-kontinuierlichen Fasern 38 können beliebige geeignete Fasern aufweisen, einschließlich Metall-, Glas-, Polymer- oder Kohlenstofffasern oder eine Kombination daraus.
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Die Außenschicht 36 kann dazu dienen, die Außenfläche 41 des Zentrifugalkompressorrades 10 zu verstärken oder auszusteifen. Die Außenschicht 36 kann an einer Außenfläche 40 des Kerns 34 des Zentrifugalkompressorrades 10 angeordnet sein. Die Außenfläche 40 kann Schaufelflächen 27 oder die Nicht-Schaufel-Außenfläche 41 der sich axial erstreckenden Nabe 20 oder eine Kombination daraus aufweisen. Dir Außenschicht 36 muss sich nicht an der Außenfläche 41 des Zentrifugalkompressorrades 10 befinden, sondern kann sich benachbart der Außenfläche 41 befinden und ist bevorzugt durch das Polymermatrixmaterial 30 imprägniert und in dieses eingebettet. Die kontinuierlichen oder halb-kontinuierlichen Fasern 38 können in einer beliebigen geeigneten Richtungsorientierung oder einem beliebigen geeigneten Muster über die Außenflächen 40 aufgetragen sein, wie hier beschrieben ist. Bei einer beispielhaften Ausführungsform weist die Schicht kontinuierlicher oder halb-kontinuierlicher Fasern 38 eine Mehrzahl von Faser-Werggarnen oder -Vorgarnen auf, die in einer ersten Richtung orientiert sind. Die erste Richtung kann im Wesentlichen eine Sehnenrichtung 25, 2, oder im Wesentlichen eine Quersehnenrichtung 29, 3, sein. Bei einer anderen beispielhaften Ausführungsform weist die Schicht kontinuierlicher oder halb-kontinuierlicher Fasern 38 eine erste Mehrzahl von Fasern, die Filamente, Vorgarne oder Garne oder eine Kombination daraus aufweisen, die in einer ersten Richtung orientiert sind, und eine zweite Mehrzahl von Fasern auf, die Filamente, Vorgarne oder Garne oder eine Kombination daraus aufweisen, die in einer zweiten Richtung orientiert sind. Beispielsweise kann die erste Richtung eine Sehnenrichtung 25 aufweisen, und die zweite Richtung kann eine Quersehnenrichtung 29 aufweisen. Jede Kombination von Sehnen- oder Quersehnenanordnungen kontinuierlicher oder halb-kontinuierlicher Fasern 38 kann für die Außenschicht 36 verwendet werden. Die kontinuierlichen oder halb-kontinuierlichen Fasern 38 können auch in anderen Richtungen orientiert sein, einschließlich Richtungen, die in verschiedenen Graden von den Sehnen-25- und Quersehnen-29-Richtungen vorgespannt sind.
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Bei einer anderen beispielhaften Ausführungsform weist die sich axial erstreckende Nabe 12 eine Basisschicht 44 aus kontinuierlichen oder halb-kontinuierlichen Fasern 38 auf, die an dem Kern 34 angeordnet sind, der ein vliesartiges, mit diskontinuierlichen Fasern gefülltes Polymermatrixverbundmaterial 28 umfasst. Die Basisschicht 44 kann dazu dienen, die Basisfläche 48 des Zentrifugalkompressorrades 10 zu verstärken oder auszusteifen. Die Basisfläche 48 kann an der Basisschicht 44 des Kerns 34 neben dem Auslassende 18 angeordnet sein. Die Basisfläche 48 muss nicht einteilig mit der Basisfläche 48 des Zentrifugalkompressorrades 10 sein, sondern kann auch neben der Basisfläche 48 liegen und ist bevorzugt mit der Polymermatrix 30 imprägniert oder in dieser eingebettet. Jede Kombination von Anordnungen kontinuierlicher oder halb-kontinuierlicher Fasern 38 kann für die Basisschicht 44 verwendet werden. Die Fasern 38 können beispielsweise radial oder um den Umfang oder eine Kombination daraus oder in anderen Richtungen orientiert sein, einschließlich Richtungen, die in variierenden Graden von Radial- und Umfangsrichtungen vorgespannt sind. Die kontinuierlichen oder halb-kontinuierlichen Fasern 38 können in einer beliebigen geeigneten Richtungsorientierung oder einem beliebigen geeigneten Muster über der Basisschicht 44 aufgetragen werden, wie hier beschrieben ist. Die kontinuierlichen oder halb-kontinuierlichen Fasern 38 der Außenschicht 36 und der Basisschicht 44 können sich in einem beliebigen Ausmaß gleich erstrecken, einschließlich Fasern, die sich kontinuierlich zwischen Schichten erstrecken oder in einer überlappten Anordnung überlappen, oder können nicht gleich erstreckend sein (d.h. zwei separate Schichten).
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Die Außenschicht 36, die Basisschicht 44 oder beide können kontinuierliche oder halb-kontinuierliche Fasern 38 aufweisen, die als ein gewobenes Gewebe oder Stoff ausgebildet sind. Ein Gewebe, das für die Außen schicht 36 beispielsweise verwendet wird, kann verwobene Fasern 38 aufweisen, die in einer ersten und zweiten Richtung orientiert sind, wobei die erste Richtung eine Sehnenrichtung 25 umfasst und die zweite Richtung eine Quersehnenrichtung 29 umfasst, oder umgekehrt. Die üblichste Ausbildung einer kontinuierlichen Faser ist ein Stoff oder ein Gewebe aus verwobenen Garnen. Ähnlich einem Stoff ist ein verwobenes Roving bzw. Vorgarn oder Tow- bzw. Werggarn, ein Gewebe, das aus nicht verdrillten Filamenten anstatt aus Garnen besteht. Verwobene Vorgarne können in ungleichen Anzahlen von Strängen in den beiden Richtungen erzeugt werden, so dass sie eine größere Festigkeit in einer Richtung besitzen. Derartige unidirektionale verwobene Vorgarne sind oftmals in laminierten faserverstärkten Polymerverbundwerkstoffen bevorzugt. Die kontinuierlichen oder halb-kontinuierlichen Fasern 38 können auch in einer Mattenausgestaltung vorliegen, wie einem Filz, der aus zufällig orientierten kurzen Fasern besteht, die mit einem Binder lose aneinandergehalten werden. Matten sind üblicherweise als Tücher mit verschiedenen Gewichten, Dicken und Breiten verfügbar. Die Matten können zur Verwendung als Vorformen in einigen der Prozesse mit geschlossener Form geschnitten und ausgestaltet werden. Während des Formens imprägniert das Harz die Vorform und härtet dann, um die Außenschicht 36 oder Basisschicht 44 zu definieren.
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Der Kern 34 kann auch zumindest eine Innenschicht 50 aufweisen, die kontinuierliche oder halb-kontinuierliche Fasern 38 umfasst, die im Wesentlichen quer zu der Längsachse 14 und Wellenbohrung 22, 4, angeordnet sind. Die Innenschicht 50 kann auch eine Mehrzahl von Schichten 50 aufweisen. Die Innenschicht 50 verstärkt und versteift den Zentrifugalkompressor 10, insbesondere die sich axial erstreckende Nabe 12. Die Innenschicht 50 kann aus kontinuierlichen oder halb-kontinuierlichen Fasern 38 auf dieselbe Weise wie die Außenschicht 36 oder Basisschicht 44 ausgebildet sein. Die Fasern 38 können beispielsweise radial oder um den Umfang oder eine Kombination daraus oder in anderen Richtungen orientiert sein, einschließlich Richtungen, die in variierenden Graden von Radial- und Umfangsrichtungen vorgespannt sind.
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Die Fasern 38 können auch ein verwobenes Vorgarn oder Gewebe aufweisen.
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Das Zentrifugalkompressorrad 10 weist auch eine Wellenbohrung 22 auf. Die Wellenbohrung 22 kann sich vollständig, 1 bis 3, oder teilweise, 4, durch die sich axial erstreckende Nabe 12 erstrecken. Die Wellenbohrung 22 kann so bemessen sein, dass sie eine angetriebene Welle (nicht gezeigt) aufnimmt. Das Zentrifugalkompressorrad 10 kann auch einen Wellenbohrungseinsatz 52 aufweisen. Der Wellenbohrungseinsatz 52 verstärkt die Wellenbohrung 22. Bei gewissen Ausführungsformen kann der Wellenbohrungseinsatz auch mit Gewinde zum Eingriff mit einer angetriebenen Gewindewelle (nicht gezeigt), wie einer Turbinenwelle, versehen sein. Der Wellenbohrungseinsatz 52 kann ein beliebiges geeignetes Einsatzmaterial aufweisen. Bei einer beispielhaften Ausführungsform kann der Wellenbohrungseinsatz 52 ein Metall aufweisen, wie Aluminium oder eine Aluminiumlegierung. Der Wellenbohrungseinsatz 52 kann sich zusammen hängend mit der Wellenbohrung 22 erstrecken oder kann sich nur teilweise in der Wellenbohrung 22 erstrecken. Ähnlicherweise kann sich der Wellenbohrungseinsatz 52 weiter entlang der Längsachse 14 als die Wellenbohrung 22 erstrecken. Die beschriebene Konstruktion sieht ein Zentrifugalkompressorrad 10 vor, das ein geringes Gewicht besitzt und eine relativ geringe Rotationsträgheit für ein schnelles Betriebsansprechen auf Übergangsbedingungen besitzt.
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Das Verbundwerkstoff-Zentrifugalkompressorrad 10 dieser Erfindung kann wesentliche Verbesserungen hinsichtlich der Ermüdungslebensdauer gegenüber herkömmlichen Zentrifugalkompressorrädern des Typs, der in Turboladern, Superladern oder dergleichen verwendet ist, ohne ein Opfern von Wirkungsgrad und Strömungsbereich gemäß einer bevorzugten aerodynamischen Konturierung der Laufradschaufeln 26 bereitstellen.
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Diese Laufradkonturierung umfasst komplexe und zusammengesetzte Schaufelkrümmungen, die eine Herstellung der Schaufeln durch ein von einem Formprozess verschiedenes Mittel wirksam verhindern. Anders gesagt macht diese komplexe Schaufelkonturierung andere Ausbildungstechniken, wie Schmieden, manuelles Bearbeiten und dergleichen, unmöglich oder wirtschaftlich nicht durchführbar. Demgemäß sind in der Vergangenheit Zentrifugalkompressorräder für Turbolader aus einem einheitlichen Gussstück ausgebildet worden, bei dem die Schaufeln einteilig mit einer Radnabe gegossen sind, durch die eine zentrale Axialbohrung ausgebildet ist, wie durch Bohren, um eine Montage an der rotierenden Welle eines Turboladers oder dergleichen zu erlauben, alles auf gut bekannte Weise. Um eine Rotationsträgheit des Zentrifugalkompressorrades zu minimieren und dadurch ein gewünschtes schnelles Ansprechen auf Übergangsbetriebsbedingungen zu erreichen, wird das Gussrad normalerweise aus Aluminium oder einer leichten Aluminiumlegierung ausgebildet.
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Wenn das Zentrifugalkompressorrad 10 in Rotation versetzt wird, wird jedes interne Inkrement desselben einer radialen Zugbelastung ausgesetzt, deren Größe gemäß der Drehzahl des Rades und ferner gemäß der Radmasse variiert, die radial auswärts von diesem Inkrement angeordnet ist. Die vorliegende Erfindung sieht ein wesentlich verbessertes Zentrifugal-Zentrifugalkompressorrad 10 durch Ausbildung von Bereichen mit hoher Spannung der sich axial erstreckenden Nabe 12 aus Polymermatrixmaterial 30 vor, das mit vliesartigen diskontinuierlichen Fasern 32 gefüllt ist.
