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Die Erfindung betrifft ein Laufrad, insbesondere für eine Turbomaschine, mit einem Schaufeln aufweisenden Grundkörper, der wenigstens einen Hohlraum aufweist.
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Ferner betrifft die Erfindung eine Turbomaschine, insbesondere Abgasturbolader, mit einem derartigen Laufrad.
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Stand der Technik
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Laufräder für Turbomaschinen sind aus dem Stand der Technik bekannt. So offenbart beispielsweise die deutsche Offenlegungsschrift
DE 10 2005 055 320 A1 ein einstückiges Laufrad, mit einem Schaufeln aufweisenden Grundkörper, der einen geschlossenen Hohlraum mit einer darin befindlichen Stützstruktur aufweist. Durch den Hohlraum erhält das Laufrad ein niedriges Gewicht, jedoch ist die Herstellung eines derartigen, allseits geschlossenen Hohlraums aufwendig und entsprechend teuer in der Fertigung.
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Offenbarung der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Turbomaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat hingegen den Vorteil, dass das Laufrad trotz niedrigen Gewichts durch konventionelle günstige Herstellungsverfahren herstellbar ist. Erfindungsgemäß ist es hierzu vorgesehen, dass der Grundkörper an einer Stirnseite eine hinterschnittfreie, den Hohlraum bildende Axialvertiefung aufweist, und dass an der Stirnseite ein den Hohlraum verschließendes Zusatzelement befestigt ist. Erfindungsgemäß wird der Hohlraum somit nicht in einem einstückig, allseits geschlossenen Laufrad vorgesehen, sondern als randoffener Hohlraum, der durch das Zusatzelement verschlossen wird. Das Laufrad ist somit zweiteilig ausgebildet, wodurch sich der Hohlraum auf einfache Art und Weise gestalten lässt. Durch die hinterschnittfreie Ausbildung können – wie bereits erwähnt – auch konventionelle Verfahren und damit auch konventionelle Materialien, wie beispielsweise Stahl, für das Laufrad verwendet werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Zusatzelement einseitig fest mit dem Grundkörper und anderseitig drehfest mit einer Welle verbunden/verbindbar ist. Bei der Welle kann es sich beispielsweise um eine Turboladerwelle eines Abgasturboladers handeln, der eine Turbine mit einem Verdichter des Abgasturboladers verbindet. Das Zusatzelement dient dabei als Drehmomentübertragungseinrichtung, die das von der Turbine aufgenommene Drehmoment auf die Welle überträgt. Durch die zweiteilige Ausbildung des Laufrads findet dabei eine vorteilhafte Trennung der Funktionen statt, die die Herstellungskosten für das Laufrad weiter senken und eine optimale Ausbildung der einzelnen Elemente zulässt.
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Besonders bevorzugt ist das Zusatzelement mit dem Grundkörper verpresst, verschweißt und/oder verklebt. Besonders bevorzugt weist die Axialvertiefung eine einen Axialanschlag bildende Durchmesserverjüngung auf, sodass das Zusatzelement an den Axialanschlag in die Axialvertiefung einschiebbar, insbesondere einpressbar ist. Zweckmäßigerweise sind die Axialvertiefung und der Axialanschlag derart ausgebildet, dass das Zusatzelement den Hohlraum zumindest im Wesentlichen dicht verschließend eingepresst ist.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist das Zusatzelement als Scheibenelement ausgebildet. Dadurch weist das Zusatzelement entsprechend dem Laufrad einen kreisförmigen Querschnitt auf, wobei bevorzugt sein Außendurchmesser zusammen mit dem Innendurchmesser der Axialvertiefung im Bereich des Axialanschlags die bereits erwähnte Presspassung bildet.
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Vorzugsweise ist das Zusatzelement einstückig mit der Welle ausgebildet. Das Zusatzelement beziehungsweise das Scheibenelement bildet somit vorzugsweise das dem Laufrad zugewandte Ende der Welle. Dadurch erübrigen sich zusätzliche Verbindungsmittel, um das Zusatzelement mit der Abtriebswelle drehfest zu verbinden.
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Gemäß einer alternativen Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das Zusatzelement mit der Abtriebswelle verschweißt ist. Dadurch werden die Herstellungskosten aufgrund der einfacheren Teile weiter verringert.
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Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass das Zusatzelement formschlüssig zur Drehmitnahme mit der Welle und/oder mit dem Grundkörper verbunden ist. So ist vorzugsweise vorgesehen, dass das Zusatzelement an seiner dem Grundkörper zugewandten Seite wenigstens ein Drehmitnahmevorsprung aufweist, der in eine entsprechende Drehmitnahmeaussparung des Laufrads eingreift. Alternativ ist der Drehmitnahmevorsprung an dem Laufrad und die Drehmitnahmevertiefung an dem Zusatzelement ausgebildet. Zweckmäßigerweise sind mehrere entsprechende Drehmitnahmevorsprünge und -aufnahmen über den Umfang von Grundkörper und Zusatzelement verteilt angeordnet. Eine entsprechende Verbindung ist vorzugsweise auch zwischen der Abtriebswelle und dem Zusatzelement vorgesehen, sofern diese nicht einstückig miteinander ausgebildet sind.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist das Laufrad in dem Hohlraum zumindest eine Versteifungsrippe auf. Zur hinterschnittfreien Ausbildung des Hohlraums erstreckt sich die Versteifungsrippe zweckmäßigerweise axial durch den Hohlraum. Zweckmäßigerweise sind mehrere Versteifungsrippen gleichmäßig über den Innenumfang des Hohlraums verteilt angeordnet.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Laufrad als Stahl- oder Titanbauteil ausgebildet ist. Trotz dem verhältnismäßig schweren Stahl lässt sich aufgrund der vorteilhaften Ausbildung des Laufrads ein geringes Gewicht und damit auch ein geringes Trägheitsmoment des Laufrads erzielen. Durch Verwendung von Titan wird das Gewicht weiter reduziert. Besonders bevorzugt ist das Laufrad als Turbinenrad oder als Verdichterrad ausgebildet.
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Die erfindungsgemäße Turbomaschine zeichnet sich durch ein Laufrad wie es obenstehend beschrieben wurde aus. Es ergeben sich dabei die zuvor genannten Vorteile.
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Im Folgenden soll die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert werden. Dazu zeigen:
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1 ein vorteilhaftes Laufrad einer Turbomaschine in einer Längsschnittdarstellung und
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2 eine vorteilhafte Weiterbildung des Laufrads in einer weiteren Längsschnittdarstellung.
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1 zeigt in einer Längsschnittdarstellung ein Laufrad 1, das vorliegend als Verdichterrad 2 für eine hier nicht näher dargestellte Turbomaschine ausgebildet ist. Das Laufrad 1 weist dazu einen im Wesentlichen kegelförmigen Grundkörper 3 auf, an dessen Außenseite eine Vielzahl von Schaufeln 4 ausgebildet sind. Das Laufrad 1 weist einen der Kegelform entsprechenden Hohlraum 5 auf, der durch eine Axialvertiefung 6 an der Stirnseite 7 des Grundkörpers 3 ausgebildet ist, die den größten Durchmesser der Kegelform aufweist. Der Hohlraum 5 ist somit zu der Stirnseite 7 hin offen ausgebildet. Vorteilhafterweise ist der Hohlraum 5 beziehungsweise die Axialvertiefung 6 hinterschnittfrei ausgebildet, sodass das Laufrad 1 durch konventionelle Herstellverfahren, beispielsweise durch ein Stahlgussverfahren mit einem entsprechend herausnehmbaren Kern fertigbar ist.
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Die Axialvertiefung 6 weist nahe zu der Stirnseite 7 eine Durchmesserverjüngung 8 auf, die einen Axialanschlag 9 bildet. Das Laufrad 1 weist weiterhin ein scheibenförmiges Zusatzelement 10 auf, das in die Axialvertiefung 6 bis an den den Axialanschlag 9 eingepresst ist. Dazu ist der Außendurchmesser des Zusatzelements 10 und der Innendurchmesser der Axialvertiefung zwischen dem Axialanschlag 9 und der Stirnseite 7 derart gewählt, dass eine Presspassung gebildet wird. Das Zusatzelement 10 verschließt damit den Hohlraum 5 des Laufrads 1.
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Das Vorsehen des Hohlraums 5 hat den Vorteil, dass das Trägheitsmoment des Laufrads 1 sowie sein Gewicht verhältnismäßig klein sind, was sich positiv auf Drehzahländerungen im Betrieb auswirkt. Die verringerte Masse des Laufrads wirkt sich dabei positiv auf die Eigenfrequenzen einer Welle-Laufradkombination aus, wenn das Laufrad mit einer Welle, die insbesondere mit dem Laufrad einer Turbine verbunden ist, verbunden ist.
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Wie bereits erwähnt, können konventionelle Herstellverfahren, wie Spritzen, Fräsen und Gießen verwendet werden, um das Laufrad 1 herzustellen. Die einzelnen Komponenten des Laufrads 1, also der Grundkörper 3 und das Zusatzelement 10 können jeweils mit konventionellen, optimierten Herstellungsmethoden hergestellt werden. Bevorzugt sind der Grundkörper 3 und das Zusatzelement 10 aus Stahl oder Titan gefertigt.
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Der Grundkörper 3 wird bevorzugt durch Gießen, Spritzgießen, Fräsen, Kaltschlagen oder auch durch Lasersintern oder Pulverspritzgießen (MiM) hergestellt. Ebenfalls ist eine Kombination einzelner Verfahren denkbar.
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Gemäß einem weiteren, hier nicht dargestellten Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass der Hohlraum 5 nicht als durchgängiges Volumen ausgeführt ist. Stattdessen ist vorgesehen, dass in dem Hohlraum 5 eine Stützstruktur, insbesondere in Form einer oder mehrerer Versteifungsrippen, vorgesehen ist. Die Anzahl und Ausbildung der Versteifungsrippen wird dabei in Abhängigkeit der jeweils zu erwartenden Belastung gewählt. Zweckmäßigerweise erstrecken sich die Versteifungsrippen dabei im Inneren des Hohlraums 5 in axialer Richtung, sodass der Hohlraum 5 weiterhin hinterschnittsfrei ausgebildet ist.
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Das Zusatzelement 10 ist ein einfaches Bauteil, das ebenfalls durch konventionelle Verfahren, insbesondere durch Stanzen, Fräsen, Drehen oder Kaltschlagen hergestellt wird. Auch hier ist eine Kombination der einzelnen Verfahren denkbar.
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Das Zusatzelement 10 und der Grundkörper 3 werden bevorzugt miteinander verschweißt, beispielsweise durch Laserschweißen, Reibschweißen oder Widerstandsschweißen. Die Schweißverbindung kann zusätzlich oder alternativ zu der zuvor beschriebenen Pressverbindung vorgesehen werden. In speziellen Fällen, beispielsweise bei geringer Temperaturbelastung, ist auch eine Klebeverbindung ausreichend.
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Durch das Einbringen des Hohlraums 5 in das Laufrad 1 reduziert sich die Masse und das Teilkreismoment, wie bereits erwähnt. Bei einem konstanten Antriebsmoment M ist bei einer Drehbewegung – nach der Bewegungsgleichung M = J·α – die benötigte Zeit t für eine konstante Drehzahländerung von Δω proportional zum Trägheitsmoment J. Dadurch ergibt sich zum Beispiel bei einer Halbierung des Trägheitsmoments eine Halbierung der Zeit für eine Geschwindigkeits- beziehungsweise Drehzahländerung Δω.
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2 zeigt eine vorteilhafte Weiterbildung des Laufrads 1, wobei aus 1 bereits bekannte Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind und insofern auf die obenstehende Beschreibung verwiesen wird.
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Im Unterschied zu dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel ist bei dem Laufrad 1 gemäß 2 das Zusatzelement 10 einstückig mit einer Welle 11 verbunden, die je nachdem, ob es sich bei dem Laufrad um ein Verdichterrad oder ein Turbinenrad handelt, eine Antriebswelle oder Abtriebswelle darstellt. Durch die einstückige Ausbildung mit dem Zusatzelement lässt sich ein Drehmoment von Laufrad 1 auf die Welle 11 oder andersherum sicher übertragen. Die Herstellung des Zusatzelements 10 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel erfolgt wie zuvor beschrieben. Um höhere Drehmomente zu übertragen, ist bevorzugt vorgesehen, dass zwischen dem Grundkörper 3 und dem Zusatzelement 10 wenigstens ein Formschluss zur Drehmitnahme ausgebildet ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102005055320 A1 [0003]
