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Die Erfindung betrifft ein Turbinenlaufrad für eine Radialturbine mit einem durch eine Nabenscheibe und eine Deckscheibe begrenzten Strömungsraum. Der Strömungsraum verbindet eine innere Öffnung mit einer äußeren Öffnung und ist durch eine Mehrzahl von Turbinenschaufeln in Strömungskanäle unterteilt.
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Ein solches Turbinenlaufrad ist für eine Radialturbine vorgesehen, bei der ein Arbeitsmedium radial zu einer Drehachse des Turbinenlaufrades strömt. Die erfindungsgemäße Lehre bezieht sich dabei auch ohne Einschränkung auf andere radial durchströmte Strömungsmaschinen, wie beispielsweise Radiallüfter, -pumpen und -verdichter. Turbinenlaufräder der zuvor beschriebenen Bauart werden auch als Deckscheibenläufer bezeichnet. Diese haben den Vorteil, dass ein durch die Turbine geführtes Arbeitsmedium nur durch das Innere des Laufrades strömt ohne mit den Außenwänden des Turbinengehäuses in Berührung kommen zu können. Hierdurch sind größere Spaltbreiten zwischen dem Laufrad und dem Gehäuse ohne nennenswerte Strömungsverluste möglich, durch die beispielsweise thermische Ausdehnungen aufgefangen werden können.
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Gerade für den Einsatz bei besonders hohen Drehzahlen können solche Turbinenlaufräder jedoch nicht beliebig filigran ausgebildet werden, da im Betrieb teils erhebliche Belastungen aufgrund von Torsionsmomenten und Fliehkräften auftreten. Übliche Deckscheibenläufer für hohe Belastungsanforderungen sind daher in der Regel massiv mit verstärkten Turbinenschaufeln ausgebildet, um diese besonders hohen Kräfte ableiten zu können. Dies ist jedoch aufgrund des erhöhten Materialeinsatzes und zusätzlicher Masse am Turbinenlaufrad – die zu zusätzlichen Fliehkräften führt und auch das Trägheitsmoment des Turbinenlaufrades erhöht – mit großen Nachteilen verbunden.
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Vor diesen Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Stabilität des Turbinenlaufrades – insbesondere gegen Torsionsbelastungen – zu erhöhen, und eine materialsparende Konstruktion zu ermöglichen. Gegenstand der Erfindung und Lösung dieser Aufgabe ist ein Turbinenlaufrad nach Patentanspruch 1.
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Dabei ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass zwei in Umfangsrichtung benachbart angeordnete Turbinenschaufeln gegeneinander geneigt sind. Hierdurch nimmt der Strömungsquerschnitt der Strömungskanäle, der jeweils durch zwei benachbarte Turbinenschaufeln sowie jeweils einen Teilabschnitt der Nabenscheibe und der Deckscheibe begrenzt wird, die Form eines Trapezes an. Ein so geformter Strömungskanal weist in Verbindung mit einem benachbarten – ebenfalls als Trapez geformtem – Strömungskanal zusammen eine erhöhte Stabilität gegenüber der herkömmlichen Ausgestaltung auf. Aus strömungstechnischen Gründen war es bisher stets vorgesehen, dass benachbarte Turbinenschaufeln parallel ausgerichtet (also nicht gegeneinander geneigt) sind und die Strömungskanäle daher Rechtecke bzw. Parallelogramme bilden. Diese weisen jedoch eine geringe Stabilität gegenüber einer Drehverschiebung der Nabenscheibe gegenüber der Deckscheibe auf. Durch die erfindungsgemäße Schrägstellung wird eine Stabilitätserhöhung erzielt, die etwaige Nachteile bezüglich der Strömungsführung überwiegt.
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Die Querschnittsform der Strömungskanäle ist senkrecht zur Strömungsrichtung des Fluids durch die Strömungskanäle zu betrachten. Hierzu bietet sich als Schnittfläche beispielsweise eine mit der Drehachse des Turbinenlaufrades konzentrische Zylindermantelfläche an, die das Turbinenlaufrad in einem konstanten Radius schneidet. So ist die Neigung zweier benachbarter Turbinenschaufeln miteinander vergleichbar. Die Neigung einer Turbinenschaufel bezeichnet dabei den Winkel zwischen dem Verlauf der Turbinenschaufel und einer parallel zur Drehachse im Zylindermantel liegenden Linie. Zwei benachbart angeordnete Turbinenschaufeln sind gegeneinander geneigt, wenn sie eine unterschiedliche Neigung (gegenüber einer Parallelen zur Drehachse) aufweisen. Bei auch teilweise in axialer Richtung schräg verlaufenden Strömungskanälen oder Strömungskanalabschnitten kann es zweckmäßig sein, als Schnittfläche rotationssymmetrisch um die Drehachse angeordnete Kegelfläche vorzusehen, die die Nabenscheibe und die Deckscheibe in etwa rechtwinklig schneidet. Als Bezugslinie für die Berechnung der Neigung ist hierbei eine in der Kegelfläche liegende, die Drehachse schneidende Gerade zu wählen.
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Zweckmäßigerweise sind jeweils zwei in Umfangsrichtung benachbart angeordnete Turbinenschaufeln an ihren äußeren, an die äußere Öffnung angrenzenden Enden gegeneinander geneigt. In diesem Bereich treten mitunter die höchsten Belastungen auf, so dass hier die erfindungsgemäße Verstärkung besonders von Vorteil ist.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung sind die Turbinenschaufeln durch Vollschaufeln, die sich von der inneren Öffnung zur äußeren Öffnung erstrecken und durch Splitterschaufeln, die mit radialem Abstand vom inneren Ende der Vollschaufel beginnen und sich bis zur äußeren Öffnung erstrecken, gebildet. Durch die Anordnung der Splitterschaufeln kann der Aufweitung der Strömungskanäle in radialer Richtung dadurch entgegengewirkt werden, dass diese in Teilkanäle unterteilt sind. Der kleinere Querschnitt der Teilkanäle ist vorteilhaft bei der Strömungsführung der Turbine ebenso wie für die erfindungsgemäße Stabilisierung, da hierdurch eine größere Anzahl von stabilisierenden trapezförmigen Strömungsquerschnitten gebildet werden kann. In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung sind die Vollschaufeln gerade ausgebildet und die Splitterschaufeln zumindest teilweise geneigt. Gerade in diesem Zusammenhang bedeutet, dass die Vollschaufeln an zumindest einem Punkt ihres radialen Verlaufes, vorzugsweise an ihrem inneren und/oder äußeren Ende, keinen oder lediglich an den geringfügigen Neigungswinkel von weniger als 5° aufweisen. Zumindest eine der zwischen zwei gerade ausgebildeten Vollschaufeln angeordneten Splitterschaufeln ist zumindest in einem Punkt ihres radialen Verlaufes, insbesondere an ihrem inneren und/oder äußeren Ende, geneigt ausgeführt. Bei mehr als zwischen zwei geraden Vollschaufeln angeordneten Splitterschaufeln können auch einzelne Splitterschaufeln wiederum gerade ausgebildet sein.
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Bevorzugt kann die Neigung einer Turbinenschaufel in Abhängigkeit vom Abstand zu einer Drehachse, um die das Turbinenlaufrad rotationsperiodisch ausgebildet ist, variieren. Hierdurch kann die Geometrie der Strömungskanäle im Verlauf von der inneren zur äußeren Öffnung an die Anforderungen bezüglich der Strömungseigenschaften und der Stabilität angepasst werden. So kann beispielsweise der Strömungskanal an einem Ende durch zwei parallele – d. h. nicht gegeneinander geneigte – Abschnitte zweier benachbarter Turbinenschaufeln begrenzt sein, während die Turbinenschaufeln am anderen Ende des Strömungskanals zur Erhöhung der Stabilität gegeneinander geneigt sind.
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Zweckmäßigerweise ist der Strömungsquerschnitt eines Strömungskanals über die gesamte Länge des Strömungskanals jeweils gleichgroß wie der Strömungsquerschnitt eines benachbarten Strömungskanals. Dies kann durch geeignete Wahl von Abstand und Neigung der die benachbarten Strömungskanäle eingrenzenden Turbinenschaufeln für jede Stelle im radialen Verlauf der Strömungskanäle erreicht werden. Hierdurch kann trotz der Schrägstellung eine gleichmäßige Strömungsbelastung sichergestellt werden.
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Nach einer bevorzugten Ausgestaltung sind die Nabenscheibe und/oder die Deckscheibe in radialer Richtung gewölbt. Hierdurch ist es beispielsweise möglich, die innere Öffnung des Strömungsraumes mit einer achsparallelen Zuführung des Strömungsmediums zu verbinden und das Strömungsmedium in radialer Richtung an der äußeren Öffnung abzuziehen. Durch einen sich hieraus ergebenden gewölbten Verlauf des Strömungsraumes kann eine effiziente und günstige Umlenkung von der axialen zur radialen Strömungsrichtung erzielt werden.
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Zur zusätzlichen Stabilisierung kann vorgesehen sein, dass die Turbinenschaufeln in einem gerundeten Überhang in die Deckscheibe übergehen. Dies erweist sich zusätzlich vorteilhaft bei einer bevorzugten Herstellung des erfindungsgemäßen Turbinenlaufrades durch additive Fertigungstechniken.
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Vorzugsweise sind die Turbinenschaufeln n-periodisch mit einer natürlichen Zahl n größer oder gleich zwei ausgerüstet. Das bedeutet, dass jede Turbinenschaufel die gleiche Neigung wie die an n-ter Stelle in Umlaufrichtung folgende nächste Turbinenschaufel hat und alle dazwischenliegenden Turbinenschaufeln eine davon abweichende Neigung aufweisen.
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Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels in den nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen schematisch:
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1 Seitenansicht eines teilweise aufgeschnittenen erfindungsgemäßen Turbinenlaufrades,
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2 Aufsicht auf ein erfindungsgemäßes Turbinenlaufrad entlang der Drehachse mit entfernter Deckscheibe,
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3 eine Teilansicht der Mündungsöffnung aus 1,
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4 Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Turbinenlaufrades gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel und
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5 schematische Aufsicht auf das Turbinenlaufrad aus 4 mit entfernter Deckscheibe.
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Die 1 zeigt ein erfindungsgemäßes Turbinenlaufrad mit einer um eine Drehachse x rotationssymmetrischen Grundplatte 1. Hierauf ist ein durch eine Nabenscheibe 2 und eine Deckscheibe 3 begrenzter Strömungsraum 4 angeordnet. Dieser verbindet eine axiale innere Öffnung 5 mit einer radialen umlaufenden äußeren Öffnung 6 des Turbinenlaufrades. An der radialen Schnittfläche kann man erkennen, dass sowohl die Deckscheibe als auch die Nabenscheibe im Verlauf von innen nach außen im Wesentlichen mit konstanter Dicke ausgebildet sind. Die Nabenscheibe 2 weist dabei eine größere Stärke als die Deckscheibe 3 auf und geht im radial äußeren Bereich in die Grundplatte 1 über. Der Strömungsraum 4 ist durch Turbinenschaufeln 7, 16 in Strömungskanäle 8, 18 unterteilt.
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Erfindungsgemäß sind die Turbinenschaufeln 7, 16 an der äußeren Öffnung 6 gegeneinander geneigt, wie man in 1 und insbesondere in 3 erkennen kann.
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Die Grundplatte 1 weist eine zentrale Nabendurchführung 9 auf, an die ein hülsenförmiger zentraler Abschnitt 10 des Turbinenlaufrades anschließt. Der zentrale Abschnitt 10, die Nabenscheibe 2 und die Grundplatte 1 umschließen einen Hohlraum 11. Dieser weist Öffnungen 12 auf, die an einem flanschförmigen Abschnitt 13 angeordnet sind, der durch das axiale Ende des zentralen Abschnitts 10 und der Nabenscheibe 2 gebildet ist und sich innerhalb der inneren axialen Öffnung 5 des Strömungsraumes befindet.
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Innerhalb des Hohlraumes 11 sind Kraftleitrippen 14 angeordnet, die sich vom zentralen Abschnitt 10 zu der vom Strömungsraum 4 abgewandten, den Hohlraum 11 umfassenden Rückseite der Nabenscheibe 2 erstrecken.
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Zur Verbesserung der Übersichtlichkeit ist in der 2 die den Strömungsraum 4 in axialer Draufsicht sonst verdeckende Deckscheibe 3 nicht dargestellt. Zur Orientierung ist lediglich der die axiale innere Öffnung 5 einfassende Ring 15 strichpunktiert angedeutet. Die Turbinenschaufeln 7, 16 sind durch Vollschaufeln 7, die sich von der inneren Öffnung 5 zur äußeren Öffnung 6 erstrecken und Splitterschaufeln 16, die mit radialem Abstand vom inneren Ende der Vollschaufeln 7 beginnen und sich bis zur äußeren Öffnung 6 erstrecken, gebildet. Hierzwischen sind die durch die Turbinenschaufeln 7, 16 begrenzten Strömungskanäle 8, 17 erkennbar. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist zwischen zwei Vollschaufeln 7 jeweils nur eine Splitterschaufel 16 vorgesehen. Es lassen sich jedoch in diesem Zwischenraum nach Bedarf auch mehrere Splitterschaufeln 16 anordnen. Zum besseren Verständnis ist ein einzelner, beliebig ausgewählter Bereich zwischen zwei Vollschaufeln 7 hervorgehoben dargestellt und mit Bezugszeichen versehen. Die übrigen Turbinenschaufeln 7, 16 sind lediglich strichpunktiert angedeutet.
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Die Vollschaufeln 7 und die Splitterschaufeln 16 sind in ihrem Verlauf bogenförmig geschwungen. Der Versatz α zwischen dem innenseitigen Ende einer Vollschaufel 7 und deren außenseitigem Ende beträgt vorliegend in etwa 60°. In der Figur sind ferner die in den Hohlraum 11 mündenden Öffnungen 12 zu sehen. Die im Hohlraum angeordneten, durch die Nabenscheibe 2 größtenteils verdeckten Kraftleitrippen 14 sind lediglich gestrichelt angedeutet. Aus einer vergleichenden Betrachtung der 1 und 2 ist zu entnehmen, dass in diesem Ausführungsbeispiel die Kraftleitrippen 14 sich vom zentralen Abschnitt 10 und der Grundplatte 1 weg jeweils verjüngend ausgebildet sind.
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In 1 weist die im Wesentlichen rotationssymmetrische Grundplatte 1 an ihrem von dem Strömungsraum 4 beabstandeten Ende eine Hirthverzahnung 19 zur sicheren Kupplung an eine Welle auf. Ferner ist in der geschnittenen Hälfte eine Bohrung 20 zur Aufnahme einer Befestigungsschraube erkennbar. Der linken Hälfte der 1 und der 3 (die einen vergrößerten Ausschnitt der äußeren Öffnung 6 zeigt) entnimmt man, dass die Vollschaufeln 7 und die Splitterschaufeln 16 so gegeneinander geneigt sind, dass die Mündungsöffnungen 18 der Strömungskanäle 17 durch abwechselnd geneigte und achsparallel ausgerichtete Wandflächen begrenzt sind. Die Übergänge zwischen den Wandflächen und der Deckscheibe sind gerundet ausgebildet. In der 3 ist eingezeichnet, dass die Splitterschaufel 16 gegenüber einer zur Drehachse x parallel liegenden Linie um einen Winkel β geneigt ist. Die Vollschaufel 7 hingegen ist gerade, d.h. parallel zur Drehachse x angeordnet. Die beiden benachbarten Mündungsöffnungen 18, die jeweils den Querschnitt der Strömungskanäle 17 wiedergeben, weisen eine in etwa gleichgroße Querschnittsfläche auf.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist in den 4 und 5 dargestellt. Das Turbinenlaufrad weist ebenfalls einen durch eine Nabenscheibe 2 und eine Deckscheibe 3 begrenzten Strömungsraum auf. Dieser verbindet ebenfalls eine axiale innere Öffnung 5 mit einer radialen umlaufenden äußeren Öffnung 6. Dabei entnimmt man der 5, dass die Turbinenschaufeln ausschließlich durch Vollschaufeln 7, 7' gebildet sind, welche sich von der inneren Öffnung 5 zur äußeren Öffnung 6 durchgehend erstrecken. Durch diese wird der Strömungsraum 4 in Strömungskanäle 8 unterteilt.
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Dabei sind zwei in Umfangsrichtung benachbart angeordnete Turbinenschaufeln 7, 7' gegeneinander geneigt ausgebildet. Der 4 entnimmt man, dass abwechselnd Turbinenschaufeln 7 mit einem geraden – das heißt, zur Drehachse x parallelen – äußeren Ende und Turbinenschaufeln 7' mit um einen Winkel β geneigten äußeren Ende ausgebildet sind. In der 5 ist überdies erkennbar, dass auch das innere Ende der geneigten Turbinenschaufeln 7' eine Neigung aufweist. Die innere Abschlusskante der geneigten Turbinenschaufeln 7' fluchtet nicht mit der Drehachse x – im Gegensatz zu dem inneren Ende der gerade ausgebildeten Turbinenschaufeln.
