DE102016213238A1 - Radialturbinenrotor und Verfahren zum Herstellen desselben - Google Patents

Radialturbinenrotor und Verfahren zum Herstellen desselben Download PDF

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Abstract

Radialturbinenrotor (10), mit einem Rotorgrundkörper (11); und mit integral am Rotorgrundkörper (11) ausgebildeten Laufschaufeln (12); wobei der Rotorgrundkörper (11) eine Hohlraumstruktur (13) aufweist.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Radialturbinenrotor und ein Verfahren zum Herstellen desselben.
  • 1 zeigt einen Querschnitt durch einen aus dem Stand der Technik bekannten Radialturbinenrotor 1. Der Radialturbinenrotor 1 verfügt über einen Rotorgrundkörper 2 sowie über mehrere integral am Rotorgrundkörper 2 ausgebildete Laufschaufeln 3. Die Laufschaufeln 3 verfügen über als Saugseiten und Druckseiten ausgebildete Flächen, die der Strömungsführung dienen. Bei aus der Praxis bekannten Radialturbinenrotoren ist der Rotorgrundkörper 2 des Radialturbinenrotors 1 als massives Bauteil ausgeführt. Ein solcher Rotorgrundkörper 2 mit den integral an demselben ausgebildeten Laufschaufeln 3 wird vorzugsweise durch Gießen, insbesondere über ein Feingussverfahren, hergestellt.
  • Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen neuartigen Radialturbinenrotor und Verfahren zum Herstellen desselben zu schaffen.
  • Diese Aufgabe wird durch einen Radialturbinenrotor nach Anspruch 1 gelöst. Erfindungsgemäß weist der Rotorgrundkörper eine Hohlraumstruktur auf.
  • Der Rotorgrundkörper des erfindungsgemäßen Radialturbinenrotors verfügt über eine Hohlstruktur. Über eine derartige Hohlstruktur kann das Gewicht des Radialturbinenrotors gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Radialturbinenrotoren reduziert werden.
  • Ein Radialturbinenrotor mit einem geringeren Gewicht kann deutlich schneller beschleunigt und verzögert werden. Hierdurch kann die Dynamik des Radialturbinenrotors bzw. einer den Radialturbinenrotor aufweisenden Turbine deutlich verbessert werden. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn der Radialturbinenrotor Bestandteil eines Abgasturboladers ist. Ein Radialturbinenrotor mit geringerer Masse lässt ferner eine kostengünstigere Auslegung von Lagern des Radialturbinenrotors zu. Ferner bereitet ein sogenannter Containment-Schutz der Turbine, der bei einem Bersten des Radialturbinenrotors verhindern soll, dass Bruchstücke desselben in die Umgebung gelangen können, weniger Schwierigkeiten. Bei einem leichteren Radialturbinenrotor ist im Falle eines Berstens desselben die abzufangende Energie geringer, sodass der Containment-Schutz einfacher und kostengünstiger ausgeführt werden kann.
  • Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Hohlraumstruktur durch mindestens einen Steg versteift. Hierdurch kann trotz reduziertem Gewicht eine optimal angepasste Steifigkeit des Radialturbinenrotors bereitgestellt werden.
  • Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind an einer Vorderseite und/oder an einer Rückseite des Rotorgrundkörpers außerhalb von strömungsführenden Oberflächen Öffnungen ausgebildet, über welche die Hohlraumstruktur von außen zugänglich ist. Diese Öffnungen gewährleisten einerseits eine einfache Herstellbarkeit des Radialturbinenrotors, ferner dienen dieselben der Einstellung einer definierten Rauigkeit an Innenflächen des Hohlraums.
  • Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist an Innenflächen der Hohlraumstruktur eine definierte mittlere Rauheit Ra eingestellt, die zwischen 2 µm und 10 µm beträgt. Diese mittlere Rauigkeit RA an den Innenflächen der Hohlraumstruktur, die von der mittleren Rauigkeit RA an den strömungsführenden Flächen der Laufschaufeln abweicht, ist zur Bereitstellung eines Radialturbinenrotors mit optimalen Rundlaufeigenschaften besonders bevorzugt.
  • Das Verfahren zum Herstellen des erfindungsgemäßen Radialturbinenrotors ist in Anspruch 6 definiert.
  • Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:
  • 1: einen Querschnitt durch einen Radialturbinenrotor nach dem Stand der Technik;
  • 2: einen Querschnitt durch einen ersten erfindungsgemäßen Radialturbinenrotor;
  • 3: einen Querschnitt durch einen zweiten erfindungsgemäßen Radialturbinenrotor; und
  • 4: einen Querschnitt durch einen dritten erfindungsgemäßen Radialturbinenrotor.
  • Die Erfindung betrifft einen Radialturbinenrotor, insbesondere einen Radialturbinenrotor für einen Turbolader. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Radialturbinenrotors.
  • 2 zeigt einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Radialturbinenrotor 10. Der Radialturbinenrotor 10 verfügt über einen Rotorgrundkörper 11 sowie über mehrere über am Rotorgrundkörper 11 integral ausgebildete Laufschaufeln 12. Im Sinne der hier vorliegenden Erfindung ist in den Rotorgrundkörper 11 des Radialturbinenrotors 10 eine Hohlraumstruktur 13 eingebracht. Diese Hohlraumstruktur 13 kann von einem einzigen Hohlraum oder auch von mehreren durch Stege oder Trennwände voneinander getrennte Hohlräume ausgebildet sein.
  • Einen Querschnitt durch einen weiteren erfindungsgemäßen Radialturbinenrotor 10 zeigt 3, wobei in 3 die Hohlraumstruktur 13 durch einen sich in Axialrichtung erstreckenden Steg 14 versteift ist. Dieser Steg 14 erstreckt sich in 3 in Axialrichtung zwischen einer Vorderseite 15 und einer Rückseite 16 des Rotorgrundkörpers 11 des erfindungsgemäßen Radialturbinenrotors 10.
  • Zusätzlich oder alternativ zu dem sich in Axialrichtung erstreckenden Steg 14 können weitere Stege die Hohlraumstruktur 13 versteifen, die sich quer, insbesondere senkrecht, zum Steg 14 erstrecken können.
  • Im Ausführungsbeispiel der 4 ist ein Radialturbinenrotor 10 gezeigt, bei welchem im Bereich der Vorderseite 15 und im Bereich der Rückseite 16 des Rotorgrundkörpers 11 an nicht strömungsführenden Oberflächen, also außerhalb der strömungsführenden Oberflächen, Öffnungen 17, 18 ausgebildet sind, über welche die Hohlraumstruktur 13 von außen zugänglich ist. Derartige Öffnungen 17, 18 haben Vorteile im Zusammenhang mit der Fertigung bzw. Herstellung des erfindungsgemäßen Radialturbinenrotors 10.
  • Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass an Innenflächen 19 der Hohlraumstruktur 13 eine definierte Rauigkeit eingestellt ist, wobei die mittlere Rauigkeit Ra zwischen 2 µm und 10 µm beträgt.
  • Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Radialturbinenrotors 10. Der Rotorgrundkörper 11 wird zusammen mit den an dem Rotorgrundkörper 11 integral ausgebildeten Laufschaufeln 12 unter Ausbildung der Hohlraumstruktur 13 sowie in 4 unter Ausbildung der Öffnungen 17, 18 über ein generatives Fertigungsverfahren als monolithisches Bauteil hergestellt, wobei ein generatives Fertigungsverfahren auch als Additive Manufacturing Verfahren bezeichnet wird.
  • Beim generativen Fertigungsverfahren anfallender Restwerkstoff, so zum Beispiel ein Restgranulat eines Pulverbetts, welches sich beim generativen Fertigungsverfahren in der Hohlraumstruktur 13 sammelt, kann über die Öffnungen 17, 18 aus der Hohlraumstruktur 13 abgeführt werden. Die Öffnungen 17, 18 können auch als Inspektionsöffnungen verwendet werden um Materialeigenschaft zu untersuchen bzw. Qualitätskontrolle durchzuführen. Die Öffnungen 17, 18 können nach der Inspektion wieder verschlossen werden.
  • Weiterhin eignen sich die Öffnungen 17, 18 dazu, nachfolgend an den Innenflächen 19 der Hohlraumstruktur 13 die definierte mittlere Rauigkeit Ra einzustellen. So kann die Rauigkeit über ein mechanisches Verfahren, so zum Beispiel über Gleitschleifen, eingestellt werden, wobei dann Schleifkörper über die Öffnungen 17, 18 in die Hohlraumstruktur 13 eingeführt sowie ausgeführt werden. Ferner kann die Rauigkeit über ein physikalisch-chemisches Verfahren eingestellt werden, bei welchem zur Einstellung der mittleren Rauigkeit an den Innenflächen 19 der Hohlraumstruktur 13 ein flüssiges Medium über die Öffnungen 17 in die Hohlraumstruktur 13 eingeführt und aus derselben ausgeführt wird.
  • Die Erfindung schlägt demnach einen Radialturbinenrotor 10 vor, dessen Rotorgrundkörper 11 eine Hohlraumstruktur 13 aufweist. Dabei kann die Hohlraumstruktur 13 über mindestens einen Steg 14 versteift sein. Bohrungen 17, 18 an nicht strömungsführenden Oberflächen des Radialturbinenrotors 10, über welche die Hohlraumstruktur 13 von außen zugänglich ist, dienen dem Abführen von Restwerkstoff sowie dem Einstellen der definierten Rauigkeit an Innenflächen der Hohlraumstruktur 13.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Radialturbinenrotor
    2
    Rotorgrundkörper
    3
    Laufschaufel
    10
    Radialturbinenrotor
    11
    Rotorgrundkörper
    12
    Laufschaufel
    13
    Hohlraumstruktur
    14
    Steg
    15
    Vorderseite
    16
    Rückseite
    17
    Öffnung
    18
    Öffnung
    19
    Innenfläche

Claims (9)

  1. Radialturbinenrotor (10), mit einem Rotorgrundkörper (11); integral am Rotorgrundkörper (11) ausgebildeten Laufschaufeln (12); dadurch gekennzeichnet, dass der Rotorgrundkörper (11) eine Hohlraumstruktur (13) aufweist.
  2. Radialturbinenrotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlraumstruktur (13) einen oder mehrere Hohlräume aufweist.
  3. Radialturbinenrotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlraumstruktur (13) durch mindestens einen Steg (14) versteift ist.
  4. Radialturbinenrotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass an einer Vorderseite (15) und/oder an einer Rückseite (16) des Rotorgrundkörpers (11) außerhalb von strömungsführenden Oberflächen Öffnungen (17, 16) ausgebildet sind, über welche die Hohlraumstruktur (13) von außen zugänglich ist.
  5. Radialturbinenrotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass an Innenflächen (19) der Hohlraumstruktur (13) eine definierte mittlere Rauheit Ra eingestellt ist, die zwischen 2 µm und 10 µm beträgt.
  6. Verfahren zum Herstellen eines Radialturbinenrotors (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass derselbe über ein generatives Fertigungsverfahren als monolithisches Bauteil herstellt wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass beim generatives Fertigungsverfahren anfallender Restwerkstoff über die Öffnungen (17, 18) aus der Hohlraumstruktur (13) abgeführt wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass über die Öffnungen (17, 18) an den Innenflächen (19) der Hohlraumstruktur (13) die definierte mittlere Rauheit Ra eingestellt wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Rauheit über ein mechanisches Verfahren und/oder ein physikalisch-chemisches Verfahren eingestellt wird.
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