DE102015014031A1 - Turbinenrad für eine Turbine eines Abgasturboladers - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Turbinenrad (34) für eine Turbine eines Abgasturboladers, mit einem Nabenkörper (36) und mit wenigstens einer Turbinenschaufel (10), welche eine auf einem Eintrittsdurchmesser (D1) des Turbinenrads angeordnete Eintrittskante (12), über welche bei einem Betrieb der Turbine Abgas die Turbinenschaufel (10) anströmt, eine Austrittskante (14), über welche das Abgas bei dem Betrieb von der Turbinenschaufel (10) abströmt, und eine Schaufelwurzel (18) aufweist, an welcher die Turbinenschaufel (10) mit dem Nabenkörperm (36) verbunden ist, wobei sich die Austrittskante (14) von einem Austrittsdurchmesser (D2t) des Turbinenrads (34) bis zur Schaufelwurzel (18) erstreckt, wobei die Turbinenschaufel (10) einen relativen Überhang Ü aufweist, für den gilt:mit K > 0,25, wobei: – D2t Austrittsdurchmesser (D2t) und – D1 den Eintrittsdurchmesser (D1) bezeichnet.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Turbinenrad für eine Turbine eines Abgasturboladers gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
• Ein solches Turbinenrad für eine Turbine eines Abgasturboladers ist beispielsweise der DE 10 2008 045 171 A1 als bekannt zu entnehmen. Das Turbinenrad weist einen Nabenkörper und wenigstens eine Turbinenschaufel auf, welche mit dem Nabenkörper verbunden ist. Dabei kann die Turbinenschaufel einstückig mit dem Nabenkörper ausgebildet sein, wobei der Nabenkörper auch als Nabe des Turbinenrads bezeichnet wird. Die Turbinenschaufel weist eine auf einem Eintrittsdurchmesser des Turbinenrads angeordnete Eintrittskante auf, über welche bei einem Betrieb der Turbine Abgas die Turbinenschaufel anströmt. Ferner weist die Turbinenschaufel eine Austrittskante auf, über welche das Abgas bei dem Betrieb der Turbine von der Turbinenschaufel abströmt. Ferner weist die Turbinenschaufel eine Schaufelwurzel auf, an welcher die Turbinenschaufel mit dem Nabenkörper verbunden ist beziehungsweise in den Nabenkörper übergeht. Dabei erstreckt sich die Austrittskante von einem Austrittsdurchmesser des Turbinenrads bis zur Schaufelwurzel. Üblicherweise ist der Austrittsdurchmesser der in radialer Richtung äußerste Durchmesser, auf welchem die Austrittskante beziehungsweise ein Punkt der Austrittskante angeordnet ist und über welchen die Austrittskante von dem Abgas abgeströmt wird.
• Durch die fortwährende Entwicklung von Verbrennungskraftmaschinen in Richtung gesteigerter spezifischer Leistungen und durch die Nutzung der Turboaufladung ergeben sich sehr hohe Beanspruchungen von Laufrädern und von Abgasturboladern, insbesondere der Turbinenräder auf der heißen Abgasseite. Nachdem sich die Nutzfahrzeug-Aufladung durch zweiflutige, symmetrische und asymmetrische Zwillingsstrom-Turbinen seit längerer Zeit der Stoßaufladung zugewandt hat, befindet sich die Personenkraftwagen-Ottomotoren-Aufladung in der Phase, dass zur Agilitätserhöhung der Luftlieferung die Stoßeffekte mittels der laufenden Einführung von zweiflutigen Turbinen des Typs der Zwillingsstromturbine zu Nutze gemacht werden. Des Weiteren gibt es verstärkt Bestrebungen, die Vorteile der im Vergleich zur Zwillingsstromturbine vorliegende gesteigerten Pulsationsausbeute zur Momentensteigerung der Motoren durch Segmentturbinen in den zukünftigen Entwicklungen herauszuarbeiten. Unter diesem Gesichtspunkt werden die Festgeometrie-Segment-Turbinen, wie auch die variablen Segmentturbinen, die zum Beispiel nach dem Zungenschieber-Prinzip gestaltet werden, zunehmend betrachtet.
• Da die Turbinenräder der Zwillingsstromturbinen sich in vielen Fällen in den Bereichen der Grenzanforderungen hinsichtlich ihrer mechanischen Funktionalität befinden, ist die einfache Nutzung der herkömmlichen Turbinenräder der Zwillingsstromturbinen oder Monoscroll-Turbinen aufgrund der Zusatzbeanspruchungen durch verstärkte Pulsationen und Strangdruckverhältnisse der Segmentbeaufschlagung zueinander in der Segmentturbine nicht ohne weiteres möglich. Erfahrungen bei Nutzfahrzeug-Anwendungen haben gezeigt, dass Turbinenräder, die die Lebensanforderungen als dauerfeste Komponente in Zwillingsstromturbinen erfüllen, beim Einsatz in Segmentturbinen jedoch nach wenigen zehn Stunden Ermüdungsbrüche im Radaustritt der Beschaufelungen zeigen. Um die Dauerfestigkeit der Turbinenrad-Beschaufelungen zu erzielen, wurden für die Nutzfahrzeug-Anwendungen erfolgreich Dickschaufler-Turbinen entwickelt, mit denen von der Wirkungsgradseite jedoch gewisse Abschläge hinzunehmen sind. Bei der Personenkraftwagen-Aufladung wird zudem noch die Agilität durch die erhöhten polaren Massen-Trägheitsmomente der Abgasturbolader-Rotoren mit Dickschaufler-Turbinenrädern beim Ladedruckaufbau merklich gedämpft.
• Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Turbinenrad der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, dass eine besonders hohe Robustheit des Turbinenrads sowie ein besonders effizienter Betrieb der Turbine und somit des Abgasturboladers insgesamt realisierbar sind.
• Diese Aufgabe wird durch ein Turbinenrad mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
• Um ein Turbinenrad der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art derart weiterzuentwickeln, dass eine besonders hohe Robustheit des Turbinenrads sowie ein besonders effizienter Betrieb und somit ein hoher Wirkungsgrad der Turbine und somit des Abgasturboladers insgesamt realisierbar sind, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Turbinenschaufel einen Überhang Ü aufweist, für den gilt:

  

  mit K > 0,25. Dabei bezeichnet D_2t den Austrittsmesser des Turbinenrads, wobei D₁ den Eintrittsdurchmesser des Turbinenrads bezeichnet. Der Erfindung liegt insbesondere die Erkenntnis zugrunde, dass von der Werkstoffseite her mittelfristig keine bedeutenden Fortschritte für die Bewältigung der Festigkeitsanforderungen und der Steigerung der Schwingsteifigkeit des Turbinenrads zu erwarten sind, so dass die Realisierung einer hinreichenden Dauerfestigkeit mit wirkungsgradgünstigen, neuen und gegebenenfalls filigranen Radbeschaufelungen durch gezielte Geometrie-Merkmale erreicht werden müssen.
• Die Beeinflussung der Steigerung der Schaufel-Eigenfrequenz soll nicht durch das einfache Anschleifen vorhandener Radaustrittsbeschaufelungen unter einem bestimmten Neigungswinkel erfolgen, da diese modifizierte Austrittskante weder wirkungsgradoptimal, noch optimal von der Schaufeldickenverteilung zur Fliehkraftreduktion und Spannungsminimierung der kritischen Schaufelwurzeln des Radaustrittsbereichs angesehen wird. Ein solches gezieltes Geometrie-Merkmal ist der Überhang Ü, für den vorzugsweise gilt:

  

  wobei X_AK den geringsten axialen Abstand zwischen der Austrittskante und der Eintrittskante und X_ue die axiale Erstreckung, das heißt die Erstreckung der Austrittskante in streng axialer Richtung bezeichnet.
• Die Austrittskante erstreckt sich dabei beispielsweise von einem auf dem Austrittsdurchmesser angeordneten ersten Punkt bis zu einem an der Schaufelwurzel angeordneten und somit in radialer Richtung weiter innen als der erste Punkt liegenden, zweiten Punkt, wobei der zweite Punkt in axialer Richtung weiter von der Eintrittskante entfernt ist als der erste Punkt. Mit anderen Worten sind der erste Punkt und der zweite Punkt in axialer Richtung voneinander beabstandet, wobei die axiale Erstreckung X_ue der Austrittskante der streng in axialer Richtung verlaufende Abstand zwischen dem ersten Punkt und dem zweiten Punkt ist. Der Abstand X_AK zwischen der Eintrittskante und der Austrittskante ist ferner der streng in axialer Richtung verlaufende Abstand zwischen dem ersten Punkt und dem Punkt der Eintrittskante, der in axialer Richtung am nächsten zur Austrittskante angeordnet ist. Hierdurch kann eine hinreichende Dauerfestigkeit von Turbinenradbeschaufelungen, insbesondere einer Radialturbine oder Halbaxialturbine, realisiert werden bei gleichzeitiger Realisierung eines besonders vorteilhaften Wirkungsgrads, da durch das genannte Geometrie-Merkmal der wirkungsgradsensible Radaustrittsbereich beeinflusst wird. Die Austrittskante ist somit vorzugsweise profiliert und weist besonders vorzugsweise eine elliptische Profilierung auf und besitzt gegenüber aus dem Stand der Technik bekannten Austrittskanten, welche gegebenenfalls geneigt sind, einen gesteigerten Überhang bei abgesenkter, ziehender Schaufelmasse über der Schaufelwurzel des Schaufelaustritts, wobei dieser Überhang durch den dimensionslosen Überhang Ü beschrieben wird.
• Vorzugsweise weist die Austrittskante in ihrer Meridian-Ansicht einen degressiven Verlauf über X_ue von dem zweiten Punkt am Nabenkörper zu dem ersten Punkt auf. Als besonders vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn K > 0,35, insbesondere > 0,45 ist.
• 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 Figuren 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 Seitenansicht einer Turbinenschaufel eines Turbinenrads, wobei die Turbinenschaufel eine Austrittskante mit einem Überhang aufweist, und eine schematische Darstellung der Dicke der Turbinenschaufel;
• 2 ein Drahtgittermodell einer Ansicht längs der Drehachse einer ersten Ausführungsform des Turbinenrads;
• 3 ein Drahtgittermodell einer Ansicht senkrecht zur Drehachse einer zweiten Ausführungsform des Turbinenrads;
• 4 ausschnittsweise eine schematische Schnittansicht einer Turbine gemäß einer ersten Ausführungsform; und
• In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
• 1 zeigt in einer schematischen Seitenansicht, insbesondere in einer Meridian-Ansicht eine Turbinenschaufel 10 für ein Turbinenrad einer Turbine eines Abgasturboladers. Das Turbinenrad ist dabei als Radialturbinenrad ausgebildet, so dass die Turbinenschaufel 10 Teil einer Radialturbinenrad-Beschaufelung ist. Das Turbinenrad weist einen in 1 nicht erkennbaren Nabenkörper auf, welcher auch als Nabe bezeichnet wird. Die Turbinenschaufel 10 weist eine auf einem Eintrittsdurchmesser D₁ angeordnete Eintrittskante 12 auf, über welche die Turbinenschaufel 10 während eines Betriebs der Turbine von Abgas angeströmt wird. Da die Turbine vorliegend als Radialturbine ausgebildet ist, strömt das Abgas die Turbinenschaufel 10 zumindest im Wesentlichen in radialer Richtung an.
• Die Turbinenschaufel 10 weist ferner eine Austrittskante 14 auf, über welches das Abgas bei dem Betrieb der Turbine von der Turbinenschaufel 10 abströmt. Im fertig hergestellten Zustand der Turbine ist das Turbinenrad in einem Turbinengehäuse der Turbine angeordnet und dabei um eine Drehachse 16 relativ zu dem Turbinengehäuse drehbar. Aus 1 ist erkennbar, dass sich die Eintrittskante 12 parallel zur axialen Richtung der Turbine und somit des Turbinenrads und somit parallel zur Drehachse 16 erstreckt.
• Die Turbinenschaufel 10 wird auch als Laufradschaufel bezeichnet und weist eine Schaufelwurzel 18 auf, an welcher die Turbinenschaufel 10 mit dem Nabenkörper verbunden ist. Dabei ist die Turbinenschaufel 10 beispielsweise einstückig mit dem Nabenkörper ausgebildet. In 1 ist ferner eine Kontur der Nabe mit 20 bezeichnet, wobei die Kontur 20 auch als Nabenkontur bezeichnet wird. Aus 1 ist ferner erkennbar, dass sich die Austrittskante 14 von einem Austrittsdurchmesser D₂ des Turbinenrads bis zur Schaufelwurzel 18 erstreckt. Vorliegend ist der Austrittsdurchmesser D₂ der Durchmesser des Turbinenrads, auf welchem der in radialer Richtung äußerste Punkt der Austrittskante 14 angeordnet ist. Dieser Punkt ist in 1 mit T bezeichnet.
• Der Punkt T ist somit ein erster Punkt der Austrittskante 14. Mit anderen Worten ist der Austrittsdurchmesser D_2t der in radialer Richtung äußerste Durchmesser, auf welchem das Turbinenrad beziehungsweise die Austrittskante 14 von dem Abgas abgeströmt wird.
• In 1 ist ferner ein zweiter Punkt N der Austrittskante 14 erkennbar, wobei der zweite Punkt N an der Schaufelwurzel 18 angeordnet ist. Die Austrittskante 14 erstreckt sich somit von dem ersten Punkt T zu dem zweiten Punkt N, wobei der zweite Punkt N in axialer Richtung weiter von der Eintrittskante 12 beabstandet ist, als der erste Punkt T.
• Der Eintrittsdurchmesser D₁ ist beispielsweise der in radialer Richtung äußerste Durchmesser, auf welchem das Turbinenrad beziehungsweise die Eintrittskante 12 von dem Abgas angeströmt wird. In 1 ist der Punkt der Eintrittskante 12, der in axialer Richtung am nächsten zur Eintrittskante 12 angeordnet ist, mit E bezeichnet. Ferner ist der Punkt der Eintrittskante 12, welcher in axialer Richtung am weitesten von der Austrittskante 14 beabstandet ist, in 1 mit F bezeichnet, so dass sich also die Eintrittskante 12 von dem Punkt F zu dem Punkt E beziehungsweise umgekehrt erstreckt. Die Punkte E und F sind dabei auf demselben Durchmesser in Form des Eintrittsdurchmessers D₁ angeordnet, da die Eintrittskante 12 parallel zur axialen Richtung beziehungsweise zur Drehachse 16 verläuft. Ferner ist in 1 ein Punkt NT gezeigt. Der Punkt NT befindet sich an der Schaufelwurzel 18, wobei die Punkte T und NT auf einer gemeinsamen, in radialer Richtung beziehungsweise parallel zur radialen Richtung verlaufenden Geraden 22 liegen. Die Gerade 22 ist somit die Radiale, auf der die Punkte T und NT liegen. Mit anderen Worten befindet sich der Punkt NT in radialer Richtung genau unterhalb des Punkts T der vorliegend geneigten Schaufelspitze, welche auch als Tip bezeichnet wird.
• In 1 ist mit X_AK der streng in axialer Richtung verlaufende Abstand zwischen den Punkten E und T bezeichnet, wobei dieser streng in axialer Richtung verlaufende Abstand X_AK der geringste axiale Abstand zwischen der Eintrittskante 12 und der Austrittskante 14 ist. Ferner ist mit X_ue ein Überhang der Austrittskante 14 bezeichnet, wobei der Überhang X_ue auch der axiale Abstand zwischen den Punkten T und N und somit die axiale Erstreckung, das heißt die streng in axialer Richtung verlaufende Erstreckung der Austrittskante 14 ist.
• Um nun eine besonders hohe Robustheit des Turbinenrads und somit eine hinreichende Dauerfestigkeit zu realisieren sowie gleichzeitig einen besonders effizienten Betrieb der Turbine mittels des Turbinenrads realisieren zu können, ist es vorgesehen, dass die Turbinenschaufel 10 einen dimensionslosen Überhang Ü aufweist, für den gilt:

  

  wobei K > 0,25, insbesondere K > 0,35, vorzugsweise K > 0,45, ist. Ü ist somit ein relativer, dimensionsloser Überhang, wobei die axiale Erstreckung beziehungsweise der Überhang X_ue den absoluten Überhang der Austrittskante 14 bezeichnet. Dabei bezeichnet X_AK auch die axiale Konturlänge, wobei K ein Überhangfaktor der Austrittskantenspitze ist.
• Bei der in 1 gezeigten Ausführungsform gilt: Ü = 0,457, TRIM = 0,813 und K = 0,562. Ferner weist die Austrittskante 14 zwischen den Punkten T und N einen degressiven Verlauf auf. 1 zeigt ein Diagramm, auf dessen Abszisse 24 die axiale Erstreckung des Turbinenrads aufgetragen ist, wobei auf der Ordinate 26 die Schaufeldicke aufgetragen ist. Ferner ist mit 28 die Außenkontur-Dicke der Turbinenschaufel 10 bezeichnet, wobei mit 30 ein Eintritt und mit 32 ein Austritt der Turbinenschaufel 10 bezeichnet ist. Die Eintrittskante 12 ist dabei im Eintritt 30 angeordnet, wobei die Austrittskante 14 im Austritt 32 angeordnet ist. Aus dem Diagramm ist erkennbar, dass die Nabendicke ansteigt, so dass bei XT = XNT gilt: D_NT > D_N. Mit anderen Worten ist die Dicke am Punkt NT größer als die Dicke am Punkt N.
• Somit ist es möglich, die Turbinenschaufel 10 im Bereich ihrer Austrittskante 14 relativ dünn auszugestalten bei gleichzeitiger Realisierung einer hohen Stabilität des Austritts 32, welcher auch als Austrittsbereich bezeichnet wird. Insbesondere ist es möglich, eine hohe Stabilität des Austrittsbereichs gegenüber Schwingungsanregungen und Fliehkraftbeanspruchungen zu realisieren. Der Dickenverlauf der Nabenlinie beziehungsweise der Nabenkontur hat vorzugsweise einen ansteigenden Dickenverlauf von Punkt N zum Punkt NT, wodurch die Fliehkraftbeanspruchungen längs der Radialen von dem Punkt NT zu dem Punkt T mittels abgesenkter Spannungen aufgenommen wird. Die Dimensionierung der Austrittskantengeometrie und Dickenverteilung berücksichtigt ist Fliehkräfte und Schwingstörkräfte, zum Beispiel bei Segment-Turbinen insoweit, dass die Beschaufelung als dauerfest angesehen wird und der LCF/HCF-Ermüdung widersteht. Gegenüber den Zwillingsstromturbinen zeigen die Segment-Turbinen einen deutlich höheren Bedarf an Turbinenradgeometrie-Entwicklungen zur Absicherung der Dauerfestigkeit der Beschaufelungen.
• Je größer der relative Überhang (Ü) ist, desto filigraner kann die Turbinenschaufel 10 im Austritt 32, das heißt an der Austrittskante 14, ausgestaltet werden bei gleichzeitiger Realisierung von dauerfesten Eigenschaften. Dadurch ist eine Optimierung von Aerodynamik, Wirkungsgrad und Festigkeit darstellbar. Mit anderen Worten hat – wie aus 1 erkennbar ist – der Verlauf der Dicke der Nabenwurzel und des Schaufelbereichs darüber eine im Verlauf ansteigende Dicke vom Punkt N zum Punkt NT, der sich radial unterhalb des Punkts T der geneigten Schaufelspitze befindet. Hierdurch ist der filigrane Charakter der Austrittskante 14 bei angepasster niederer Beanspruchung erzeugbar, wodurch hohe Wirkungsgrade der Turbine begünstigt werden. Durch den ansteigenden Dickenverlauf von der Radaustrittsseite her werden also die maximalen Betriebsspannungen der Schaufelwurzel 18 auch im Bereich des Punkts NT unterhalb des Punkts T bei großen Schaufelhöhen mit filigranen Schaufelaustrittskanten bei den zulässigen dauerfesten Spannungswerten des üblichen hochwarmfesten Werkstoffs gehalten. Durch den Überhang von Punkt N zum Punkt NT der Austrittskante 14 wird nicht nur die Schaufelwurzel 18 spannungsmäßig entlastet, sondern auch die Eigenfrequenzen der Beschaufelung im Radaustritt, wie gewünscht, zur weiteren Versteifung der Schaufel deutlich angehoben.
• Die Turbine kann beispielsweise als asymmetrische Zungenschieberturbine mit zwei unsymmetrischen beziehungsweise asymmetrischen Spiralsegmenten ausgebildet sein. Der Turbinentyp besitzt eine einfache Radeintrittsvariabilität in Form eines drehbaren Zungenschiebers. Durch die Abgaspulsation der zwei gasdicht getrennten Zylindergruppen erfährt das Turbinenrad einen starken zeitlichen Wechsel der Druckbeaufschlagungen beziehungsweise Teilbeaufschlagungen und Strangdruckverhältnisse der Radsegmente stromab der Gehäuse-Spiralsegmente zueinander. Diese hohe Beanspruchung des Turbinenrads, insbesondere im Radaustritt, durch Druckschwankungen und Fliehkräfte zwingen auch bei einer Vermeidung des Durchfahrens von potentiellen Resonanzanregungsbereichen zur Geometriefestlegung der Beschaufelungen, die von den herkömmlichen bekannten Geometrien der Beschaufelungen abweichen. Dabei kann ein herkömmliches Turbinenrad, das sich in symmetrischen und asymmetrischen Zwillingsstromturbinen als dauerfest im Serienbetrieb erwiesen hat, nach dem Einsatz von wenigen Stunden Motor-Betriebszeit in einer Zungenschieber-Segment-Turbine Schaden nehmen.
• Ein solches Turbinenrad erleidet beispielsweise einen Ermüdungsbruch der Austrittsbeschaufelung. Dabei gibt die Bruchstelle die Information, dass das Risswachstum von der Saugseite her ausgeht. Der Dickenverlauf nahe der Schaufelwurzel 18, wo sich die Bruchfläche gebildet hat, weist eine nahezu konstante Dicke auf. Über der Bruchfläche nahe der Schaufelwurzel 18 hat dort die Beschaufelung bis auf den geringen Neigungsanteil der Hinterkante praktisch eine konstante Schaufelhöhe, die mit ihrer Masse die Fliehkräfte bei überlagerten Schwingungseinflüssen zur Gesamtbeanspruchung der hier überlasteten Schaufelwurzelfläche führt. Die mechanische Funktionalität von Segment-Turbinenrädern wird wohl durch Dickschaufler-Turbinenräder geschaffen, doch wünscht man sich entsprechend der Aufgabenstellung wirkungsgradgünstige Austrittskanten von Dünnschaufler-Turbinenrädern.
• Dies kann man durch das in 1 in Meridian-Ansicht gezeigte Turbinenrad realisieren, welches den mechanisch vorteilhaften, degressiven Hinterkantenverlauf mit dem Überhangfaktor K = 0,562 aufweist. Der Wert des Überhangfaktors K ist mindestens größer als 0,25, vorzugsweise größer als 0,35 und besonders vorzugsweise größer als 0,45, wobei über den Wert von TRIM der Turbinenschaufel 10 der Zusammenhang zum relativen Hinterkantenüberhang (Ü) besteht, wobei gemäß 1 Ü 0,457 beträgt. Die der Turbinenschaufel 10 zugeordnete Dickenverteilung ist dem Diagramm in 1 zu entnehmen. Eine wesentliche Eigenschaft ist der vom Austritt 32 ansteigende Verlauf der Schaufeldicke im Nabenbereich, das heißt vom Punkt N zum Punkt NT und dem zumindest ein Viertel-Schaufelbereich darüber, wodurch die gewünschte Absenkung der Spannungen unter die Grenze der Dauerfestigkeit bei filigraner Austrittskante 14 und hoher Eigenfrequenzen ermöglicht wird.
• In der Definition des relativen Überhangs Ü wird der absolute Überhang X_ue der axialen Außenkonturlänge X_AK als Quotient gegenübergestellt. Je größer der relative Überhang Ü festgelegt wird, desto mehr an potentieller Strömungs-Führungslänge der äußeren Beschaufelung des Turbinenrads wird für die Hinterkantengestaltung bei fester axialer Radlänge, die durch die Nabenschaufellänge bestimmt wird, aufgewendet. Geht man von einer streng radial stehenden Beschaufelung auch im Überhangbereich aus, so nähern sich die lokalen Schaufelaustrittswinkel außen β_1sT zum flächenmittleren Schaufel-Austrittswinkel β_1sT und im geringeren Maße auch der Austrittswinkel an der Nabe β_1sT mit zunehmenden Überhang X_ue an. Würde sich das Optimierungskonzept der hoch beanspruchten Radialturbinenräder gegenüber den herkömmlichen Radialturbinenrädern durchsetzen, dürften die Turbinenräder, die vorzugsweise für die Segment-Turbinen auszulegen sind, in ihrer axialen Länge tendenziell größere Abmessungen mit sich bringen, wobei die Schaufelanzahl sich zu geringeren Werten bewegen würde.
• 2 und 3 zeigen Drahtgittermodelle des Turbinenrads, wobei 3 die Kanalansicht und 2 die Ansicht auf den Radaustritt längs der Drehachse 16 zeigt. Durch 2 und 3 wird somit ein räumlicher Eindruck der Beschaufelung des Turbinenrads mit der im Verlauf degressiv gestalteten Austrittskantenfläche vermittelt. Die Austrittskantenfläche dient bei dem zu erstellenden Solidmodell für die Austrittskantenlinie der elliptisch geformten räumlichen Kante quasi als die Tangentialfläche. Zu erwähnen ist, dass bei der Beschaufelung des Turbinenrohrades, das üblicherweise im Feingussverfahren entsteht, angestrebt wird, dass nur die Außenkontur, also nicht die Austrittskante 14 einen Bearbeitungsgang durch Schleifen durchläuft. Die Auslegung des Turbinenrades und dort im Besonderen dessen Austrittsbereichs soll somit ohne Austrittskantenschliffe die Forderungen hinsichtlich der Schaufeleigenfrequenzen, wie auch der Fliehkraftanforderungen insoweit erfüllen, dass das hochbeanspruchte Turbinenlaufrad seine Dauerfestigkeit für den Betriebseinsatz aufweisen kann.
• 2 zeigt mit anderen Worten die Skelettfläche der Beschaufelung, welche vorliegend streng radial stehend ist. Somit treten keine Biegemomente auf, auch nicht im Austrittskantenbereich, da die Bedingung „radial stehend” die Gesamtbeschaufelung betrifft. Die gezeigte Hinterkanten-Austrittsfläche dient als Tangentialfläche der noch zu erstellenden elliptischen Hinterkante.
• 4 zeigt in einer schematischen Schnittansicht eine erste Ausführungsform der Turbine, welche dabei als Mehrsegment-Turbine ausgebildet und in 4 in ihrer Meridian-Ansicht gezeigt ist. Dabei gilt: Ü = 0,457, TRIM = 0,813 und K = 0,562. Das in 4 im Ganzen mit 34 bezeichnete Turbinenrad ist dabei als Radialturbinenrad ausgebildet, wobei der Nabenkörper in 4 mit 36 bezeichnet ist. Die Mehrsegment-Turbine weist beispielsweise eine Mehrzahl von in Umfangsrichtung des Turbinenrads 34 über dessen Umfang zumindest im Wesentlichen spiralförmig verlaufenden Spiralkanälen auf, von denen in 4 ein mit 38 bezeichneter Spiralkanal erkennbar ist. Ferner ist in 4 ein als Zunge ausgebildeter Sperrkörper 40 erkennbar, welcher beispielsweise Teil einer Variabilität in Form eines Zungenschiebers ist. Beispielsweise ist der Sperrkörper 40 in Umfangsrichtung des Turbinenrads 34 um die Drehachse 16 relativ zu einem Turbinengehäuse der Turbine drehbar, um dadurch beispielsweise einen von dem Abgas durchströmbaren Strömungsquerschnitt, über welchen das Abgas dem Turbinenrad zugeführt wird, variabel einstellen zu können.
• Bezugszeichenliste

10

Turbinenschaufel

12

Eintrittskante

14

Austrittskante

16

Drehachse

18

Schaufelwurzel

20

Kontur

22

Gerade

24

Abszisse

26

Ordinate

28

Außenkontur-Dicke

30

Eintritt

32

Austritt

34

Turbinenrad

36

Nabenkörper

38

Spiralkanal

40

Sperrkörper

42

Flut

44

Flut

D₁

Eintrittsdurchmesser

D_2t

Austrittsdurchmesser

E

Punkt

F

Punkt

N

Punkt

NT

Punkt

T

Punkt

X_ue

Überhang

X_AK

Abstand

• 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 102008045171 A1 [0002]

Claims (6)

1. Turbinenrad (34) für eine Turbine eines Abgasturboladers, mit einem Nabenkörper (36) und mit wenigstens einer Turbinenschaufel (10), welche eine auf einem Eintrittsdurchmesser (D₁) des Turbinenrads angeordnete Eintrittskante (12), über welche bei einem Betrieb der Turbine Abgas die Turbinenschaufel (10) anströmt, eine Austrittskante (14), über welche das Abgas bei dem Betrieb von der Turbinenschaufel (10) abströmt, und eine Schaufelwurzel (18) aufweist, an welcher die Turbinenschaufel (10) mit dem Nabenkörperm (36) verbunden ist, wobei sich die Austrittskante (14) von einem Austrittsdurchmesser (D_2t) des Turbinenrads (34) bis zur Schaufelwurzel (18) erstreckt, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbinenschaufel (10) einen relativen Überhang Ü aufweist, für den gilt:

   

   mit K > 0,25, wobei: – D_2t den Austrittsdurchmesser (D_2t) und – D₁ den Eintrittsdurchmesser (D₁) bezeichnet.
2. Turbinenrad (34) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass gilt: K > 0,35, insbesondere K > 0,45.
3. Turbinenrad (34) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Austrittskante (14) vom Austrittsdurchmesser (D_2t) bis zur Schaufelwurzel (18) zumindest in einem Teilbereich, insbesondere vollständig, bogenförmig erstreckt.
4. Turbinenrad (34) nach 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittskante (14) zumindest in einem Teilbereich ihrer Erstreckung, insbesondere über ihre vollständige Erstreckung, von dem Austrittsdurchmesser (D_2t) zu der Schaufelwurzel (18) einen degressiven Verlauf aufweist.
5. Turbinenrad (34) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbinenschaufel (10) eine von ihrer Austrittsseite her zunehmende Dicke aufweist.
6. Turbine für einen Abgasturbolader, mit einem Turbinenrad (34) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.

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