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Die Erfindung betrifft ein Laufrad für eine Turbine, speziell für eine Dampfturbine, insbesondere zur Abwärmenutzung einer Brennkraftmaschine.
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Stand der Technik
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Laufräder für Turbinen sind aus dem Stand der Technik bekannt, wie beispielsweise aus der
DE 10 2010 007 335 A1 . Das bekannte Laufrad umfasst eine Vielzahl von Laufschaufeln, an deren freien Ende ein Deckband bzw. ein Außenring angeordnet ist, wobei die Laufschaufeln und der Außenring monolithisch aus einem einzigen Werkstück hergestellt sind. Durch die Anordnung des Außenrings werden beim Betrieb des Laufrads Spaltverluste an den Laufschaufelspitzen vermieden und somit der Wirkungsgrad des Laufrads bzw. der Turbine erhöht.
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Bei hohen Drehzahlen wirkt sich der Außenring aufgrund seiner Massenträgheit und der daraus resultierenden Fliehkräfte jedoch nachteilig auf die Festigkeit des Laufrades, speziell in den Füßen der Laufschaufeln, aus.
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Offenbarung der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Laufrad für eine Turbine weist demgegenüber den Vorteil eines hohen Wirkungsgrads auf ohne eine gleichzeitige Reduzierung der Festigkeit bei hohen Drehzahlen.
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Dazu weist das Laufrad eine Vielzahl von Laufschaufeln auf, wobei an den Laufschaufeln radial nach außen gerichtet jeweils eine Schaufelstirnfläche ausgebildet ist. Ein Außenring ist auf die Laufschaufeln gepresst, wobei eine am Außenring ausgebildete Innenfläche mit den Schaufelstirnflächen zusammenwirkt. Dadurch bilden das Laufrad und der Außenring einen Pressverband. Bei hohen Drehzahlen wirken die aus der Masse des Außenrings resultierenden Fliehkräfte nicht als Zugkräfte auf die Laufschaufeln, sondern reduzieren lediglich die Flächenpressungen zwischen Innenfläche und Schaufelstirnflächen. Die besonders in den Füßen der Laufschaufeln auftretenden schädlichen Zugspannungen werden dadurch reduziert und somit die Lebensdauer der Laufschaufeln und damit auch des gesamten Laufrads erhöht.
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In besonders vorteilhaften Ausführungen ist der Pressverband aus Laufrad und Außenring so ausgelegt, dass aufgrund des Pressverbands Druckspannungen radial derart in die Laufschaufeln eingebracht werden, dass die örtliche Beanspruchung in den Laufschaufeln, speziell in den Füßen der Laufschaufeln, in Richtung einer Druckbeanspruchung verschoben wird. Dadurch kann die Festigkeit sogar gegenüber einem Laufrad ohne Außenring gesteigert werden.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Laufrads besteht der Außenring aus einem Faser-Kunststoff-Verbundwerkstoff mit Kohlenstofffasern und einem Bindemittel. Vorzugsweise ist das Bindemittel ein duroplastischer oder ein thermoplastischer Kunststoff. Der Faser-Kunststoff-Verbundwerkstoff weist im Vergleich zum Laufrad, das üblicherweise aus einem metallischen Werkstoff besteht, eine geringe Dichte auf. Dadurch erhöht der Außenring die Gesamtmasse des Verbunds aus Laufrad und Außenring – und damit auch die auftretenden Fliehkräfte und die potenzielle Unwucht – nur in einem relativ kleinen Maße. Weiterhin gewährleistet die hohe Zugfestigkeit der vorzugsweise in tangentialer Richtung angeordneten Kohlenstofffasern eine starke Armierung des Außenrings, wodurch der Pressverband aus Laufrad und Außenring sehr robust ausgeführt ist.
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In vorteilhaften Weiterbildungen des Laufrads ist der Außenring mehrteilig ausgeführt. Dadurch können die folgenden für den Pressverband aus Laufrad und Außenring wichtigen Eigenschaften des Außenrings erzielt werden: geringes Gewicht des Außenrings, hohe ertragbare Kontaktpressung an der Innenfläche, hohe Toleranzgenauigkeit der Innenfläche und eine hohe tangentiale Zugfestigkeit im gesamten Außenring.
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Vorteilhafterweise weist der Außenring ein Innenband und einen Ringkern auf, wobei das Innenband radial innenliegend und der Ringkern außenliegend angeordnet sind und wobei die Innenfläche am Innenband angeordnet ist. Dadurch kann für das Innenband ein Material verwendet werden, das eine hohe ertragbare Flächenpressung bzw. Druckfestigkeit und eine hohe Toleranzgenauigkeit besitzt; vorzugsweise ist dementsprechend das Innenband aus einem metallischen Werkstoff gefertigt. Und für den Ringkern kann ein Material verwendet werden, das eine hohe Zugfestigkeit bei geringer Dichte besitzt.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung des Laufrads ist das Innenband im Querschnitt als U-Träger ausgeführt und umfasst so den Ringkern an drei Seiten. Dadurch ist der Verbund aus Innenband und Ringkern robuster ausgeführt. Weiterhin wird die Montage des Außenrings auf das Laufrad durch diese Ausführung erleichtert, da ein axialer Montagestempel so auf eine vergrößerte Seitenfläche des Innenbands aufgesetzt werden kann.
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Vorteilhafterweise besteht das Innenband aus einem Leichtbau-Werkstoff, vorzugsweise aus einer Aluminium-Legierung. Dadurch wird das Gewicht des Außenrings möglichst gering gehalten.
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Weiterhin besteht vorteilhafterweise der Ringkern aus einem Faser-Kunststoff-Verbundwerkstoff mit Kohlenstofffasern und einem Bindemittel. Faser-Kunststoff-Verbundwerkstoffe weisen eine hohe Zugfestigkeit in Faserrichtung bei geringer Dichte auf. Vorzugsweise sind dementsprechend die Fasern in Umlaufrichtung, also tangential, anzuordnen.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung des Laufrads ist die Anzahl der Laufschaufeln größer als 25. Dadurch ist eine ausreichend hohe Zahl von Schaufelstirnflächen, vorzugsweise über den Umfang gleichverteilt angeordnet, so dass die Kontaktkraft im Pressverband zwischen Laufrad und Außenring über eine hinreichend große Gesamtfläche, nämlich über die Summe der Schaufelstirnflächen, übertragen werden kann. Die an den Schaufelstirnflächen auftretenden Flächenpressungen können somit vergleichsweise niedrig und homogen gehalten werden.
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Vorteilhafterweise ist das erfindungsgemäße Laufrad in einer Turbine angeordnet. In Turbinen finden Laufräder Anwendungen, die sehr hohen Drehzahlen und damit auch sehr hohen Fliehkräften ausgesetzt sind. Die Ausführungen des erfindungsgemäßen Laufrads weisen vor allem bei hohen Drehzahlen eine gegenüber bekannten Laufrädern erhöhte Lebensdauer auf.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung ist die Turbine eine Axialturbine. Besonders bei Axialturbinen ist der Einsatz eines Außenrings sinnvoll, da er die Spaltverluste an den Laufschaufelspitzen vermeidet. Spaltverluste würden auftreten, wenn die Laufschaufelspitzen an einer Gehäusewand abgleiten würden. Wird das erfindungsgemäße Laufrad in einer Axialturbine eingesetzt, so erzielt es einen hohen Wirkungsgrad der Turbine bei gleichzeitig erhöhter Lebensdauer.
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In vorteilhaften Ausführungen ist die Turbine eine Dampfturbine zur Abwärmenutzung einer Brennkraftmaschine. Speziell bei der Abwärmenutzung von Brennkraftmaschinen bei Fahrzeugen finden Turbinen Einsatz, die vergleichsweise klein gebaut sein müssen, dafür aber mit sehr hohen Drehzahlen betrieben werden. Das erfindungsgemäße Laufrad eignet sich dementsprechend gut für derartige Turbinen.
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Zeichnungen
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1 zeigt ein erfindungsgemäßes Laufrad mit einem aufgepressten Außenring.
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2 zeigt ein erfindungsgemäßes Laufrad vor Montage des Außenrings.
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3 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Außenrings des erfindungsgemäßen Laufrads im Querschnitt.
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4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Außenrings des erfindungsgemäßen Laufrads im Querschnitt.
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5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Außenrings des erfindungsgemäßen Laufrads im Querschnitt.
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Beschreibung
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1 zeigt eine Ausführung eines erfindungsgemäßen Laufrads 2 mit einem aufgepressten Außenring 5, wie es insbesondere für eine Turbine 1 verwendet werden kann.
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Das Laufrad 2 weist an seinem Außenumfang eine Vielzahl von Laufschaufeln 3 auf, die über den Umfang gleichmäßig verteilt sind. An jeder Laufschaufel 3 ist radial nach außen gerichtet eine Schaufelstirnfläche 4 ausgebildet, wie in 2 zu sehen ist. Alle Schaufelstirnflächen 4 liegen in einer Ebene eines zylindrischen Koordinatensystems, dessen z-Achse durch die Rotationsachse 20 des Laufrads 2 verläuft. Dadurch liegen alle Schaufelstirnflächen 4 auf einer zylindrischen Mantelfläche, wobei die Zylinderachse mit der Rotationsachse 20 des Laufrads 2 zusammenfällt.
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Auf das Laufrad 2 ist der Außenring 5 aufgepresst, wobei eine am Außenring 5 ausgebildete Innenfläche 6 mit den Schaufelstirnflächen 4 zusammenwirkt. Dabei sind die Innenfläche 6 und die Schaufelstirnflächen 4 mit einem Übermaß zueinander versehen, wie das auch bei herkömmlichen Pressverbänden üblicher Welle-Nabe-Verbindungen der Fall ist.
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Die Breite des Außenrings 5, also das Außenringmaß in Richtung der Rotationsachse 20, ist nahezu gleich der Breite der Laufschaufeln 3, so dass die Laufschaufeln 3 über ihre ganze Breite vom Außenring 5 überdeckt sind. Diese Ausführung eignet sich besonders gut für den Gebrauch des Laufrads 2 in einer Axialturbine, da hierfür die Laufschaufeln 3 axial angeströmt werden müssen, also in Richtung der Rotationsachse 20; die Anströmung erfolgt dabei in der Regel durch eine nicht dargestellte Lavaldüse. Der aufgepresste Außenring 5 dreht sich mit dem Laufrad 2, so dass es zu keinen Spaltverlusten an den Spitzen der Laufschaufeln 3 kommt.
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2 zeigt das Laufrad 2 vor der Montage des Außenrings 5. Hier ist die Anordnung der Schaufelstirnflächen 4 der Laufschaufeln 3 gut zu erkennen: alle Schaufelstirnflächen 4 liegen in einer zylindrischen Mantelfläche.
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3 zeigt ein Ausführungsbeispiel des Außenrings 5 im Querschnitt. In diesem Ausführungsbeispiel besteht der Außenring 5 aus einem Faser-Kunststoff-Verbundwerkstoff 10, wobei im Faser-Kunststoff-Verbundwerkstoff 10 Kohlenstofffasern 11 in eine Kunststoffmatrix bzw. in ein Bindemittel 12 eingelegt sind. In dieser Ausführungsform stellt der Faser-Kunststoff-Verbundwerkstoff 10 einen kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff (CFK) dar. Das Bindemittel 12 besteht üblicherweise aus einem Duroplast oder einem Thermoplast. In einer alternativen Ausführungsvariante werden anstelle von Kohlenstofffasern Aramidfasern verwendet. Die Innenfläche 6 ist in den Ausführungsvarianten gemäß der 3 auf der Innenseite des Faser-Kunststoff-Verbundwerkstoffs 10 angeordnet.
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4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des Außenrings 5 im Querschnitt. Der Außenring 5 ist in diesem Ausführungsbeispiel zweiteilig ausgeführt und umfasst ein Innenband 7 und einen Ringkern 10, wobei innerhalb des Außenrings 5 das Innenband 7 radial innenliegend und der Ringkern 10 radial außenliegend angeordnet sind. Die Innenfläche 6 ist demzufolge auf der Innenseite des Innenbands 7 ausgebildet. Im Querschnitt weisen sowohl das Innenband 7 als auch der Ringkern 10 eine rechteckige Form auf, wobei an den Kanten selbstverständlich Verrundungen vorgesehen werden können. Der Ringkern 10 umfasst analog zum Ausführungsbeispiel der 3 einen Faser-Kunststoff-Verbundwerkstoff 10, bestehend aus Kohlenstofffasern 11 – oder alternativ Aramidfasern – und einem Bindemittel 12. Das Innenband 7 besteht vorzugsweise aus einem Leichtbau-Werkstoff, beispielsweise aus einer Aluminiumlegierung. Die für einen Pressverband wichtigen Größen Maßhaltigkeit und gegebenenfalls auch Rauheit der Innenfläche 6 können dadurch prozesssicherer eingehalten werden.
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5 zeigt noch ein weiteres Ausführungsbeispiel des Außenrings 5 im Querschnitt. Analog zum Ausführungsbeispiel der 4 ist der Außenring 5 zweiteilig ausgeführt und umfasst ein Innenband 7 und einen Ringkern 10. Im Ausführungsbeispiel der 5 weist das Innenband 7 jedoch keinen rechteckförmigen Querschnitt auf, sondern die Form eines U-Trägers. Im Innenraum des U-Trägers ist der rechteckförmige Ringkern 10 angeordnet, so dass das Innenband 7 den Ringkern 10 an drei Seiten umgibt. Analog zu den vorangegangenen Ausführungsbeispielen der 3 und 4 umfasst der Ringkern 10 einen Faser-Kunststoff-Verbundwerkstoff 10, bestehend aus Kohlenstofffasern 11 – oder alternativ Aramidfasern – und einem Bindemittel 12.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010007335 A1 [0002]
