-
Die Erfindung bezieht sich auf eine Strömungsmaschine mit einem Verdichter- und/oder einem Turbinenrad, insbesondere auf einen Turbolader mit einem ein Verdichterrad und ein Turbinenrad aufweisenden Rotor, wobei zwischen einer Außenkontur von Schaufeln des Verdichter- oder Turbinenrades und einer Innenkontur eines zugeordneten Gehäuses ein Konturspalt vorgesehen ist.
-
Bei Strömungsmaschinen mit rotierenden Schaufelrädern zur Erzeugung oder Nutzung eines strömenden Fluides ist es für den Wirkungsgrad von entscheidender Bedeutung, dass an den Schaufelrädern möglichst keinerlei Bypassströmungen auftreten können. In jedem Falle muss eine gleichwohl auftretende Bypassströmung minimal gehalten werden.
-
Bei großen Strömungsmaschinen wie im Falle von Turbinen für große Flugzeuge oder stationären Gasturbinen für die elektrische Stromerzeugung sind typischerweise Axialverdichter und Axialturbinen vorgesehen. In der Regel werden die Schaufeln der Axialverdichterräder und der Axialturbinenräder an ihren radial äußeren Enden zur Versteifung und Stabilisierung von einem zur jeweiligen Rotationsachse konzentrischem Deckband umspannt, welches auf seiner Außenumfangsseite in Umfangsrichtung erstreckte Stege aufweist, die in entsprechende Nuten in der Innenumfangswand des zugeordneten Gehäuses hineinragen. Diese Innenumfangswand besitzt typischerweise im Bereich der Deckbänder eine Wabenstruktur, die zusammen mit den Umfangsstegen der Deckbänder eine labyrinthartige Dichtung bilden und eine Bypassströmung unterbinden.
-
In diesem Zusammenhang ist es bekannt, die Umfangsstege aus einem im Vergleich zur Wabenstruktur sehr harten Material auszubilden, so dass sich die Umfangsstege messerartig in die Wabenstruktur bei rotierendem Axialverdichterrad oder Axialturbinenrad nach Art von Messern eingraben können, wenn sich das Axialverdichterrad bzw. das Axialturbinenrad einerseits und der zugeordnete Gehäuseabschnitt der Wabenstruktur oder dergleichen andererseits bei instationären Betriebszuständen, etwa in der Anlaufphase der jeweiligen Strömungsmaschine ungleich stark erhitzen und dementsprechend ungleichförmig thermisch ausdehnen. Auf diese Weise kann bei den vorgenannten Strömungsmaschinen ein minimaler Bypassspalt sichergestellt werden.
-
Bei Strömungsmaschinen mit Radialverdichter- bzw. Radialturbinenrädern besitzen die zugehörigen Gehäuseteile im Gegensatz zu Strömungsmaschinen mit axialem Strömungsweg eine relativ komplizierte Innenraumkontur, die der Umfangskontur der Radialverdichter- bzw. Radialturbinenräder angepasst sein muss. Dementsprechend ist zwischen den Rädern und den zugeordneten Gehäuseinnenwandbereichen ein "Konturspalt" ausgebildet. Aus der
DE 2004 042 258 B3 ist es zur Optimierung des Konturspaltes bekannt, bei einer Strömungsmaschine, deren Rotor einerseits ein Radialverdichterrad und andererseits ein Radialturbinenrad umfasst, das Axialspiel der Rotorlagerung auszunutzen und den Konturspalt mittels Einschleifens der rotorseitigen und gehäuseseitigen Konturflächen aufeinander auszubilden, indem der Rotor einerseits in seiner einen axialen Endlage und andererseits in seiner anderen axialen Endlage zur Rotation gebracht wird. Im Ergebnis werden damit zueinander komplementäre Rotor- und Gehäusekonturen erzielt, so dass eine geringe Spaltbreite ermöglicht wird.
-
Jedoch ist der Herstellungsprozess vergleichsweise aufwändig, weil der Einschleifprozess der Konturflächen relativ zeitaufwändig ist.
-
Deshalb ist es Aufgabe der Erfindung, bei einer Strömungsmaschine der eingangs angegebenen Art eine neue Möglichkeit zur Anpassung der Gehäuse- und Rotorkonturen aneinander zu schaffen.
-
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Verdichter- und/oder das Turbinenrad als Schneidwerkzeug mit spanabhebend wirksamen Schneidkanten an der Außenkontur ausgebildet und die Innenkontur des Gehäuses mit einem davon spanabhebend bearbeitbaren Werkstoff ausgekleidet ist oder daraus besteht.
-
Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, den Rotor als Werkzeug zur Bearbeitung der Innenkontur des Gehäuses einzusetzen. Mit der Erfindung wird die Möglichkeit geschaffen, bei der Montage der Strömungsmaschine einen äußerst geringen Spalt zwischen den Rädern des Rotors und dem zugeordneten Gehäusewänden vorzusehen, derart, dass der Rotor beim Start einer ersten Betriebsphase ohne weiteres rotieren kann. Soweit nun in der nachfolgenden instationären Betriebsphase, die einer normalen stationären Betriebsphase mit üblichen Betriebstemperaturen vorausgeht, eine ungleichförmige thermische Ausdehnung des Rotors einerseits und des Gehäuses andererseits auftreten sollte, schafft sich der Rotor mittels der Schneidkanten einen hinreichenden Bewegungsraum, wobei vorteilhaft ist, dass immer äußerst dünne Schichten spanabhebend abgetragen werden. Dies kann ohne Störung des Betriebes durchgeführt werden. Die erfindungsgemäße Strömungsmaschine ist also nach ihrer Montage sofort einsatzfertig und stellt beim Erstbetrieb den Konturspalt auf ein geringst mögliches Maß ein.
-
Bei der Erfindung ist vorteilhaft, dass für Schneidwerkzeuge geeignete Materialien grundsätzlich auch für Radialverdichter- bzw. Radialturbinenräder von Strömungsmaschinen geeignet sind. Darüber hinaus können für die spanabhebend zu bearbeiteten Gehäusewandungen ohne weiteres vergleichsweise weiche Materialien eingesetzt werden. Die Wandmaterialien müssen lediglich thermisch hinreichend widerstandsfähig sein, um den Beanspruchungen beim Betrieb der Strömungsmaschine Stand zu halten.
-
Die Geometrie der Schneidkanten der Schaufeln des Radialturbinen- bzw. Radialverdichterrades kann in prinzipiell gleicher Weise wie bei Werkzeugen von Werkzeugmaschinen ausgebildet sein.
-
Im Übrigen wird hinsichtlich bevorzugter Merkmale der Erfindung auf die Ansprüche und die nachfolgende Erläuterung der Zeichnung verwiesen, anhand der besonders bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung näher beschrieben werden.
-
Schutz wird nicht nur für angegebene oder dargestellte Merkmalskombinationen sondern auch für prinzipiell beliebige Kombinationen der angegebenen oder dargestellten Einzelmerkmale beansprucht.
-
In der Zeichnung zeigt
-
1 eine perspektivische Darstellung eines Radialverdichterrades gemäß der Erfindung,
-
2 eine perspektivische Darstellung einer Förderschaufel dieses Verdichterrades,
-
3 eine Endansicht der Schaufel der 2 sowie ein Schnittbild im Bereich der Schneidkante, und
-
4 Schnittbilder unterschiedlich ausgebildeter Schneidkanten.
-
Das in 1 dargestellte Radialverdichterrad 1 besitzt in grundsätzlich bekannter Weise radiale Förderschaufeln 2, zwischen denen vergleichsweise kleine Stromteilerschaufeln 3 angeordnet sind, wobei die Förderschaufeln 2 ein axial entsprechend dem Pfeil 4 zuströmendes pneumatisches Medium nach radial auswärts befördern, während die Stromteilerschaufeln 3 im Wesentlichen nur zur Erzielung einer möglichst laminaren Strömung dienen. Das Verdichterrad 1 ist in bekannter Weise in einem (nicht dargestellten) Gehäuse angeordnet, dessen Innenseite eine zu den radialen Außenkanten 5 der Förderschaufeln 2 komplementäre Kontur aufweist, wobei zwischen der Gehäuseinnenseite und den vorgenannten Kanten 5 nur ein sogenannter Konturenspalt verbleibt.
-
Erfindungsgemäß sind die Außenkanten 5 als Schneidkanten ausgebildet, so dass sie bei Kontakt mit der umgebenden Gehäusewandung diese spanabhebend bearbeiten können. Die Wandung des Gehäuses ist aus einem entsprechend bearbeitbaren Material hergestellt. Um zu ermöglichen, dass die spanabhebende Bearbeitung der Gehäuseinnenseiten durch die Schneidkanten 5 beim Betrieb der Strömungsmaschine, hier des Verdichterrades 1, erfolgen kann, wird der Rotor der Strömungsmaschine, bzw. insbesondere das Verdichterrad, bei der Herstellung der Strömungsmaschine rotationsfähig montiert, wobei zwischen der Innenfläche des Gehäuses und den Kanten 5 ein durch die Herstellungstoleranzen vorgegebener minimaler Spalt verbleibt.
-
Damit kann der Betrieb der Strömungsmaschine bzw. des Radialverdichters ohne weiteres mit Solldrehzahl aufgenommen werden. Beim Betrieb werden sich das Gehäuse und der Rotor bzw. das Verdichterrad während einer anfänglichen instationären Betriebsphase unterschiedlich stark erwärmen, mit der Folge, dass sich der Spalt zwischen den Kanten 5 und der Gehäuseinnenseite verengt. Dies beruht darauf, dass die Temperatur des Verdichterrades bzw. Rotors zunächst stärker bzw. schneller ansteigt als die Temperatur des regelmäßig gekühlten Gehäuses. Damit erfährt das Verdichterrad eine stärkere thermische Ausdehnung als das Gehäuse, wobei sich der Spalt zunehmend verengt und die Schneidkanten 5 spanabhebend wirksam werden.
-
Da das Gehäuse regelmäßig wirksamer als der Rotor der Strömungsmaschine gekühlt werden kann, wird auf die thermische Ausdehnung des Gehäuses während einer nachfolgenden im Wesentlichen stationären Betriebsphase geringer bleiben als die Ausdehnung des Rotors bzw. Verdichterrades 1. Aufgrund der spanabhebenden Wirkung der Schneidkanten 5 schafft sich das Verdichterrad 1 jedoch jeweils den für seine Arbeit notwendigen Freiraum, wobei nur ein minimaler Spalt zwischen Gehäuseinnenseite und den Kanten 5 entsteht, das heißt es wird praktisch ein "Nullspalt" erzielt, mit der vorteilhaften Folge, dass zwischen den Kanten 5 und der zugewandten Gehäuseinnenseite praktisch keinerlei Bypassströmung auftreten kann, die den Wirkungsgrad des Verdichterrades vermindern würde.
-
In 2 ist eine Förderschaufel 2 mit ihrer spanabhebend als Schneidwerkzeug wirksame Außenkante 5 vergrößert dargestellt. Im Übrigen zeigt 3 einen möglichen Querschnitt der Außen- bzw. Schneidkanten 5. Gegenüber einer die Rotorachse enthaltenden Axialebene, welche die Schneidkante 5 durchsetzt, ist die in Umlaufrichtung ω weisende Frontseite der Schneidkante vorzugsweise geneigt angeordnet, derart, dass sich ein Spanwinkel δ ergibt. Im Übrigen ist die nach radial auswärts gerichtete Randfläche der jeweiligen Schaufel 2 gegenüber der in der Schneidkante berührten Innenumfangsfläche des Gehäuses geneigt angeordnet, so dass sich ein Freiwinkel φ ergibt. Dementsprechend ist der Keilwinkel β der Schneidkante 5 deutlich kleiner als ein rechter Winkel, so dass seine gute Schälwirkung erreicht wird.
-
Zur Erzielung des Spanwinkels δ kann in der in Umlaufrichtung ω weisenden Frontseite der Förderschaufel 2 eine entsprechende Vertiefung 6 ausgebildet sein, welche im Beispiel der 3 einen dreiecksförmigen Querschnitt besitzt. Stattdessen ist es gemäß dem Bild B der 4 auch möglich, diese Vertiefung nach Art eines Kreis- oder Bogenprofils auszubilden. Gegebenenfalls kann der Spanwinkel δ auch verschwindende Werte annehmen, wie es im Bild A der 4 dargestellt ist. Dadurch kann eine besonders stabile und mechanisch hochbelastbare Schneidkante 5 beschaffen werden.
-
Schließlich ist es gemäß den Bildern B und D der 4 auch möglich, die nach radial auswärts weisende Randfläche der Schaufel 2 mit einem Konkavprofil auszubilden. Dies kann die Herstellung der Schneidkante 5 erleichtern.
-
Anstelle der im Bild D der 4 gezeigten gerundeten Vertiefung 6 auf der in Umlaufrichtung ω weisenden Frontseite der Schaufel 2 kann gegebenenfalls der Randbereich der Schaufel 2 auch entsprechend gewölbt ausgeformt sein, so dass sich eine der Vertiefung 6 entsprechende frontseitige Form der Schaufel 2 ergibt.
-
Bei allen oben beschriebenen Ausführungsformen ist vorgesehen, dass das Radialverdichter- bzw. Radialturbinenrad innerhalb des zugeordneten Gehäuses in einem Temperaturbereich unterhalb der typischen Betriebstemperatur frei drehbar ist und erst bei Annäherung an die Betriebstemperatur in Kontakt mit der Innenumfangswand des zugeordneten Gehäuses kommt, so dass die jeweilige Schneidkante 5 spanabhebend wirksam wird und einerseits eine passende Gehäuseinnenkontur herstellt und andererseits dabei eine verschwindende Spaltbreite im Sinne eines "Nullspaltes" ermöglicht. Hierbei wird die Tatsache ausgenutzt, dass sich das regelmäßig gekühlte Gehäuse bei Annäherung an die Betriebstemperatur weniger stark ausdehnt als das praktisch ungekühlte Radialverdichter- bzw. Radialturbinenrad.
-
Um die spanabhebende Wirkung der Schneidkanten 5 zu begünstigen, ist die dem Radialverdichter- bzw. dem Radialturbinenrad zugeordnete Gehäuseinnenumfangsfläche vorzugsweise aus einem Material hergestellt bzw. mit einem Material beschichtet, welches einer spanabhebenden Bearbeitung nur einen geringen Widerstand entgegensetzt, beispielhaft sei auf "Teflon" (Polytetrafluorethylen) verwiesen.
-
Da die spanabhebende Wirkung der Schneidkante 5 im Wesentlichen nur bei der erstmaligen Inbetriebnahme der Strömungsmaschine während der Zeitspanne zwischen Start und Erreichen der Betriebstemperatur wirksam wird, genügt für die Schneidkanten 5 eine im Vergleich zu echten Schneidwerkzeugen geringe Belastbarkeit. Dementsprechend können die Schaufeln 2, wie auch das gesamte Rad 1, beispielsweise aus Aluminium oder Titan, gegebenenfalls sogar aus Kunststoff, gefertigt sein, wobei jeweils eine durch Hart-Anodisierung hergestellte Beschichtung vorteilhaft ist.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Verdichterrad
- 2
- Förderschaufeln
- 3
- Stromteilerschaufeln
- 4
- Pfeil
- 5
- Außen- bzw. Schneidkanten
- 6
- Vertiefung
- β
- Keilwinkel
- δ
- Spanwinkel
- φ
- Freiwinkel
-
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
-
