DE102012011662A1

DE102012011662A1 - Turbinenrad für eine Turbine

Info

Publication number: DE102012011662A1
Application number: DE201210011662
Authority: DE
Inventors: Elias Chebli; Markus Müller; Siegfried Sumser; Cornel Gutmann; Gernot Hertweck; Andreas Volpert
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2012-06-13
Filing date: 2012-06-13
Publication date: 2012-12-13

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Turbinenrad (12) für eine Turbine eines Abgasturboladers, mit einem Grundkörper (14) und mit wenigstens einer, mit dem Grundkörper (14) verbundenen Laufradschaufel (10), welche eine Anströmkante (16) aufweist, über die die Laufradschaufel (10) zumindest im Wesentlichen in radialer Richtung des Turbinenrads (12) von die Turbine durchströmendem Abgas anströmbar ist, wobei sich die Anströmkante (16) bezogen auf die axiale Richtung von einem Radrücken (26) hin zum einem Austrittsbereich (28) des Turbinenrads (10) zumindest in einem Längenbereich in radialer Richtung von innen nach außen erstreckt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Turbinenrad für eine Turbine, insbesondere einer Radialturbine, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Eine solches Turbinenrad für eine Turbine eines Abgasturboladers ist beispielsweise der DE 103 41 415 A1 , der DE 102 53 299 B4 , der DE 10 2007 023 681 A1 und der DE 10 2006 029 542 A1 als bekannt zu entnehmen. Das Turbinenrad weist einen Grundkörper sowie eine Mehrzahl von Leitradschaufeln auf, welche mit dem Grundkörper verbunden sind.
Das Turbinenrad ist zumindest teilweise in einem zugeordneten Aufnahmeraum eines Turbinengehäuses der Turbine aufgenommen, wobei das Turbinenrad um eine Drehachse relativ zum Turbinegehäuse drehbar ist. Dazu ist das Turbinenrad beispielsweise über seinen Grundkörper mit einer Welle verbunden, die an einem Lagergehäuse des Abgasturboladers um die Drehachse drehbar gelagert ist.
Die Laufradschaufeln weisen jeweils eine Anströmkante auf, über die die Laufradschaufeln jeweils zumindest im Wesentlichen in radialer Richtung des Turbinenrads von die Turbine durchströmendem Abgas anströmbar sind. Dadurch wird das Turbinenrad angetrieben und kann im Abgas enthaltene Energie in mechanische Energie umwandeln.
Während des Betriebs der Turbine dreht sich das Turbinenrad mit sehr hohen Drehzahlen. Es hat sich gezeigt, dass es dabei, insbesondere an einem Radrücken des Turbinenrads, zu sehr hohen, mechanischen Belastungen resultierend aus Zentrifugalkräften kommen kann.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Turbinenrad für eine Turbine der eingangsgenannten Art derart weiterzuentwickeln, dass die auf das Turbinenrad, insbesondere an dessen Radrücken, wirkenden Belastungen besonders gering gehalten werden können bei gleichzeitiger Realisierung eines besonders hohen Wirkungsgrads der Turbine.
Diese Aufgabe wird durch ein Turbinenrad mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
Um ein Turbinenrad der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Art zu schaffen, bei welchem es während des Betriebs der Turbine nur zu besonders geringen Belastungen insbesondere an einem Radrücken des Turbinenrads kommt und welches gleichzeitig einen besonders hohen Wirkungsgrad der Turbine ermöglicht, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, das sich die Anströmkante bezogen auf die axiale Richtung von dem Radrücken hin zu einem Austrittsbereich des Turbinenrads zumindest in einem Längenbereich in radialer Richtung von innen nach außen erstreckt. Mit anderen Worten ist die Anströmkante zumindest in dem Längenbereich in Richtung des Radrückens zurück geschnitten oder abfallend ausgebildet. Dadurch lassen sich die aus Zentrifugalkräften am Radrücken entstehenden, mechanischen Spannungen reduzieren, ohne dass es zu deutlichen Beeinträchtigungen des Wirkungsgrads der Turbine kommt. Aus den nur geringen, auf das Turbinenrad wirkenden Belastungen resultiert eine sehr hohe Lebensdauer desselbigen.
Es hat sich als besonders vorteilhaft gezeigt, wenn der Längenbereich mit der axialen Richtung, das heißt mit der Drehachse, um die das Turbinenrad drehbar ist, einen Winkel einschließt, welcher größer als 0 Grad und maximal 80 Grad ist. Infolge dieser Ausgestaltung kommt es zu einer besonders vorteilhaften Strömungsumlenkung des die Laufradschaufel anströmenden Abgases, was sich positiv auf die Energieumsetzung von im Abgas enthaltener Energie in mechanische Energie durch das Turbinenrad auswirkt.
Die geschilderte, zurück geschnittene Ausgestaltung der Anströmkante hat sich insbesondere gegenüber anderweitigen Turbinenrädern als vorteilhaft erwiesen, bei denen die radiale Höhe des Radrückens zwischen jeweiligen Laufradschaufeln reduziert ist. Eine solche Höhenreduzierung führt im Gegensatz zu einem hochgezogenen Radrücken zu Strömungsverlusten und bringt somit eine Wirkungsgradbeeinträchtigung mit sich. Dies ist bei dem erfindungsgemäßen Turbinenrad vermieden.
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 Fig. 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.
Die Zeichnung zeigt in:
1 eine schematische Meridionalschnittansicht einer Laufradschaufel eines Turbinenrads für eine als Radialturbine ausgebildete Turbine, wobei die Laufradschaufel eine Anströmkante aufweist, welche bezogen auf die axiale Richtung des Turbinenrads ausgehend von einem Radrücken hin zu einem Austrittsbereichs des Turbinenrads zumindest in einem Längenbereich in radialer Richtung von innen nach außen verläuft;
2 eine schematische Seitenansicht eines Turbinenrads für eine als Radialturbine ausgebildete Turbine eines Abgasturboladers, mit einer Mehrzahl von Laufradschaufeln gemäß 1;
3 eine schematische Perspektivansicht des Turbinenrads gemäß 2;
4 ein Schaubild zur Veranschaulichung einer Schaufelwinkelverteilung der Laufradschaufel gemäß 1; und
5 ein Schaubild zur Veranschaulichung einer Schaufeldickenverteilung der Laufradschaufel gemäß 1.
1 zeigt eine Laufradschaufel 10 für ein in 2 und 3 gezeigtes Turbinenrad 12 einer als Radialturbine ausgebildeten Turbine. Die Turbine kann als Turbine für einen Abgasturbolader einer Verbrennungskraftmaschine zum Antreiben eines Kraftwagens, insbesondere eines Personenkraftwagens verwendet.
Wie in Zusammenschau mit 2 und 3 zu erkennen ist, weist das Turbinenrad 12 einen Grundkörper 14 auf, welcher mit einer Mehrzahl von Laufradschaufeln 10 gemäß 1 verbunden ist. Vorliegend sind die Laufradschaufeln 10 und der Grundkörper 14 einstückig miteinander ausgebildet. Das im Folgenden und zuvor zur Laufradschaufel 10 gemäß 1 Geschilderte kann ohne weiteres auch auf die anderen Laufradschaufeln 10 des Turbinenrads 12 übertragen werden.
Die Laufradschaufel 10 weist eine Anströmkante 16 auf, über die die Laufradschaufel 10 zumindest im Wesentlichen in radialer Richtung des Turbinenrads 12 von die Turbine durchströmendem Abgas anströmbar ist. In 2 ist ausschnittsweise eine schematisch dargestelltes Turbinengehäuse 18 der Turbine erkennbar, wobei das Turbinengehäuse 18 einen Aufnahmeraum aufweist, in welchem das Turbinenrad 12 zumindest teilweise aufgenommen ist. Dabei ist das Turbinenrad 12 um eine Drehachse 19 relativ zum Turbinengehäuse 18 drehbar. Das Turbinengehäuse 18 weist zwei Fluten 20, 22 auf, welche von Abgas der Verbrennungskraftmaschine durchströmbar sind. Das die Fluten 20, 22 durchströmende Abgas ist über eine Düse 24 zumindest im Wesentlichen in radialer Richtung zu dem Turbinenrad 12 führbar.
Das so zu dem Turbinenrad 12 geführte und das Turbinenrad 12 über die Anströmkante 16 beziehungsweise über die jeweiligen Anströmkanten 16 anströmende Abgas treibt das Turbinenrad 12 um die Drehachse 19 an. Dabei kommt es zu sehr hohen Drehzahlen des Turbinenrades 12.
Um nun die insbesondere aus Zentrifugalkräften resultierenden und vor allem an einem Radrücken 26 des Turbinenrads 12 auftretenden, mechanischen Belastungen gering zu halten bei gleichzeitiger Realisierung eines besonders hohen Wirkungsgrads der Turbine bzw. des Turbinenrads 12 erstreckt sich die Anströmkante 16 bezogen auf die axiale Richtung von dem Radrücken 26 hin zu einem Austrittsbereich 28 des Turbinenrads 12 zumindest in einem Längenbereich in radialer Richtung von innen nach außen. Vorliegend erstreckt sich die gesamte Anströmkante 16, das heißt über ihre gesamte Erstreckung in axialer Richtung, in radialer Richtung von innen nach außen. Mit anderen Worten fällt die Anströmkante 16 in axialer Richtung hin zu dem Radrücken 26 schräg zur axialen Richtung in radialer Richtung nach innen ab und schließt mit der axialen Richtung, das heißt mit der Drehachse 19 einen Winkel γ ein, welcher größer als 0 Grad und kleiner als 80 Grad ist. Zur Realisierung eines besonders hohen Wirkungsgrads ist der Winkel γ größer als 0 Grad und kleiner oder gleich Grad. Ferner ist die Anströmkante 16 zumindest im Wesentlichen gerade ausgebildet. Eine weitere Ausführungsform der Anströmkante 16 kann gekrümmte Art ausgebildet sein. Durch diese entsprechende Ausgestaltung der Anströmkante 16 ist diese zurückgeschnitten, was als Cutback bezeichnet wird. Diese Ausgestaltung der Anströmkante 16 ist in 1 einer herkömmlichen Ausgestaltung der Anströmkante 16 gegenüber gestellt, die in 1 mit einer gestrichelten Linie dargestellt ist und welche zumindest im Wesentlichen parallel zur axialen Richtung und somit parallel zur Drehachse 19 verläuft.
Infolge des geschilderten Verlaufs der Anströmkante 16 kommt es zu einer sehr großen Strömungsumlenkung an einer Schaufelspitze 30 der Laufradschaufel 10, was sich positiv auf die Energieumsetzung im Turbinenrad 12 auswirkt. In 1 bis 3 ist zudem eine Abströmkante 32 der Laufradschaufel 10 erkennbar, über welche das Abgas das Turbinenrad 12 im Austrittsbereich 28 abströmt. Mit anderen Worten strömt das Abgas das Turbinenrad 12 über den Austrittsbereich 28 des Turbinenrads 12 ab.
4 veranschaulicht anhand von Verläufen 34a–c eine typische Schaufelwinkelverteilung der Laufradschaufel 10. Dabei bezieht sich der Verlauf 34a auf einen Schaufelfuß 36 der Laufradschaufel 10, während sich der Verlauf 34c auf die Schaufelspitze 30 bezieht.
5 zeigt eine Schaufeldickenverteilung der Laufradschaufel 10. Anhand von Verläufen 38, wobei sich ein Verlauf 38a auf den Schaufelfuß 36 und ein Verlauf 38b auf die Schaufelspitze 30 bezieht. Aus 5 kann abgeleitet werden, dass die Schaufeldicke an der Anströmkante 16, welche auch als Eintritt bezeichnet wird, trotz der geschilderten, zurückgeschnittenen Ausgestaltung der Anströmkante 16 besonders gering bleibt. Zusammen mit der geschilderten, sehr großen Strömungsumlenkung resultiert daraus ein sehr günstiges Strömungsverhalten des radialen Turbinenrads 12.
Bezugszeichenliste

10: Laufradschaufel
12: Turbinenrad
14: Grundkörper
16: Anströmkante
18: Turbinengehäuse
19: Drehachse
20: Flut
22: Flut
24: Düse
26: Radrücken
28: Austrittsbereich
30: Schaufelspitze
32: Abströmkante
34a–c: Verlauf
36: Schaufelfuß
38: Verläufe
38a: Verlauf
38b: Verlauf
γ: Winkel

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 10341415 A1 [0002]
DE 10253299 B4 [0002]
DE 102007023681 A1 [0002]
DE 102006029542 A1 [0002]

Claims

Turbinenrad (12) für eine Turbine eines Abgasturboladers, mit einem Grundkörper (14) und mit wenigstens einer, mit dem Grundkörper (14) verbundenen Laufradschaufel (10), welche eine Anströmkante (16) aufweist, über die die Laufradschaufel (10) zumindest im Wesentlichen in radialer Richtung des Turbinenrads (12) von die Turbine durchströmendem Abgas anströmbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Anströmkante (16) bezogen auf die axiale Richtung von einem Radrücken (26) hin zum einem Austrittsbereich (28) des Turbinenrads (10) zumindest in einem Längenbereich in radialer Richtung von innen nach außen erstreckt.
Turbinenrad (12) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Längenbereich mit der axialen Richtung einen Winkel (γ) einschließt, welcher größer als 0 Grad und maximal 80 Grad ist.
Turbinenrad (12) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Längenbereich zumindest im Wesentlichen gerade verläuft.
Turbinenrad (12) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Längenbereich gekrümmt verläuft.
Turbinenrad (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufradschaufel (10) und der Grundkörper (14) einstückig miteinander ausgebildet sind.
Turbine für einen Abgasturbolader, mit einem einen Aufnahmeraum aufweisenden Turbinengehäuse (18), in dessen Aufnahmeraum zumindest teilweise ein Turbinenrad (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche um eine Drehachse (19) relativ zu dem Turbinengehäuse (18) drehbar aufgenommen ist.