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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Laufrad für eine Turbine, wobei die Turbine insbesondere in einem Abwärmerückgewinnungssystem einer Brennkraftmaschine verwendet wird. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Turbine mit einem derartigen Laufrad und ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Laufrads.
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Stand der Technik
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Laufräder für Turbinen von Abwärmerückgewinnungssystemen sind aus dem Stand der Technik bekannt, beispielsweise aus der
DE 10 2014 209 624 A1 . Aufgrund von Restriktionen in der Fertigungstechnik weisen derartige Laufräder ein vergleichsweise hohes Gewicht auf.
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Gewichtsoptimierte Laufräder haben üblicherweise eine reduzierte Steifigkeit oder sind vergleichsweise aufwändig über mehrere Bauteile herstellbar. Durch Schweißverbindungen können Laufräder mit eingeschlossenen Hohlräumen hergestellt werden, wie beispielsweise aus der
DE 10 2012 222 205 A1 bekannt. Diese Laufräder sind gewichts- und steifigkeitsoptimiert, erfordern jedoch eine vergleichsweise teure bzw. aufwändige Fertigung.
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Offenbarung der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Laufrad für eine Turbine weist demgegenüber sowohl eine gewichts- und steifigkeitsoptimierte Struktur auf, als auch einen vergleichsweise einfachen Fertigungsprozess, indem das Laufrad mit dem 3D-Druck-Verfahren hergestellt wird.
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Dazu besteht das Laufrad aus einem einstückigen Grundkörper. Der Grundkörper weist eine Welle, eine Vorderwand und eine Rückwand auf. Auf der Vorderwand sind mehrere Schaufeln angeordnet. Die Welle, die Vorderwand und die Rückwand schließen einen Hohlraum ein. Um dies fertigungstechnisch realisieren zu können, ist der Grundkörper im 3D-Druck-Verfahren gefertigt; in anderen Fertigungsverfahren kann die Gesamtstruktur des Laufrads nicht einstückig ausgeführt sein.
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Dadurch können Gewicht und Steifigkeit des Laufrads optimiert werden ohne dabei aufwändige Schweißkonstruktionen verwenden zu müssen.
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In vorteilhaften Ausführungen weist der Grundkörper eine Verrippung auf, wobei die Verrippung in dem Hohlraum ausgebildet. Dadurch kann der Grundkörper bzw. das Laufrad sehr steif gestaltet werden. Unvorteilhafte Durchbiegungen der Vorderwand mit den Schaufeln werden dadurch verhindert. Die Maßtoleranzen bzw. Maßabweichungen im Betrieb des Laufrads sind somit minimiert.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung weist die Verrippung zumindest eine Radialrippe auf. Die Radialrippe ist im Wesentlichen scheibenförmig um den Umfang der Welle angeordnet, und steht beispielsweise orthogonal zur Wellenachse. Besonders bei Radialturbinen werden Durchbiegungen der Vorderwand durch den Einsatz einer oder mehrerer Radialrippen vermieden. Die Außenabmaße des Laufrads können damit auch im Betrieb sehr gut gehalten werden.
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In vorteilhaften Weiterbildungen weist die zumindest eine Radialrippe Perforationen auf. Durch die Perforationen wird Material und damit auch Gewicht an der Verrippung eingespart. Die Perforationen sind dazu außerhalb des Kraftflusses angebracht, so dass die Steifigkeit des Laufrads dadurch quasi nicht verringert wird.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung weist die Verrippung eine, besser mehrere Längsrippen auf. Die Längsrippen verlaufen parallel zur Wellenachse und unterstützen die Vorderwand vorteilhafterweise über deren gesamte axiale Erstreckung. Besonders bei Radialturbinen werden Durchbiegungen der Vorderwand durch den Einsatz mehrerer Längsrippen vermieden. Die Außenabmaße des Laufrads können damit auch im Betrieb sehr gut gehalten werden.
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Vorzugsweise weist die Verrippung 14 Längsrippen auf, die äquidistant über den Umfang verteilt angeordnet sind. Vorteilhafterweise verläuft die Wanddicke der einzelnen Längsrippen dabei über etwa 10° des Umfangs der Welle. Dies stellt hinsichtlich der Gewichts-Steifigkeits-Optimierung ein besonders effektives Design der Verrippung dar.
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In vorteilhaften Weiterbildungen weisen die Längsrippen jeweils zumindest eine Perforation auf. Durch die Perforationen wird Material und damit auch Gewicht an der Verrippung eingespart. Die Perforationen sind dazu außerhalb des Kraftflusses angebracht, so dass die Steifigkeit des Laufrads dadurch quasi nicht verringert wird.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung weist die Verrippung zumindest eine Umfangsrippe auf. Die Umfangsrippe ist im Wesentlichen zylindrisch ausgeführt und konzentrisch zur Welle angeordnet. Besonders bei Radialturbinen werden Durchbiegungen der Vorderwand durch den Einsatz einer oder mehrerer Umfangsrippen vermieden. Die Außenabmaße des Laufrads können damit auch im Betrieb sehr gut gehalten werden.
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In vorteilhaften Weiterbildungen weist die zumindest eine Umfangsrippe Perforationen auf. Durch die Perforationen wird Material und damit auch Gewicht an der Verrippung eingespart. Die Perforationen sind dazu außerhalb des Kraftflusses angebracht, so dass die Steifigkeit des Laufrads dadurch quasi nicht verringert wird.
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In vorteilhaften Ausführungen weist die Verrippung eine Kombination von Radialrippen, Längsrippen und Umfangsrippen auf. Beispielsweise kann die Verrippung somit wabenförmig gestaltet sein. Dadurch ist die Verrippung sehr steif ausgeführt bzw. die Wandstärken der Verrippung können dementsprechend reduziert werden. Durch den Einsatz des 3D-Druck-Verfahrens zur Herstellung der Verrippung kann diese quasi beliebig komplex ausgeführt werden ohne gleichzeitig die Fertigungskosten erhöhen zu müssen.
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In vorteilhaften Ausführungen ist das Laufrad für eine Radialturbine konzipiert. Die Radialturbine weist aufgrund ihrer radialen Anströmung und axialen Abströmung eine vergleichsweise komplexe Strömungsgeometrie auf. Die Außengeometrien von Radialturbinen sind dementsprechend komplex und vergleichsweise groß, bzw. umschließen ein vergleichsweise großes Volumen, insbesondere hinsichtlich der axialen Erstreckung. Die Ausbildung von Hohlräumen in Radialturbinen hat demzufolge ein besonders großes Einsparpotenzial hinsichtlich Gewichtsreduzierung.
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Turbinen, insbesondere Radialturbinen, eignen sich sehr gut für die Anwendung in Abwärmerückgewinnungssystemen von Brennkraftmaschinen. Daher ist das erfindungsgemäße Laufrad sehr vorteilhaft in einem Abwärmerückgewinnungssystem verwendbar. Das Abwärmerückgewinnungssystem weist einen ein Arbeitsmedium führenden Kreislauf auf, wobei der Kreislauf in Flussrichtung des Arbeitsmediums eine Speisefluidpumpe, einen Verdampfer, eine Expansionsmaschine und einen Kondensator umfasst. Die Expansionsmaschine ist dabei als Turbine mit einem erfindungsgemäßen Laufrad wie vorhergehend beschrieben ausgeführt.
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Besonders bei Brennkraftmaschinen, welche in Fahrzeugen eingesetzt werden, ist eine Gewichtsminimierung aller Teile sehr wichtig für Kraftstoffeinsparungen etc. Weiterhin dreht das Laufrad einer Turbine eines derartigen Abwärmerückgewinnungssystems mit sehr hohen Drehzahlen und ist mit einem vergleichsweise hohen Druck beaufschlagt, so dass das Laufrad hohen Beanspruchungen unterliegt. Eine Optimierung des Gewichts-Steifigkeits-Verhältnisses des Laufrads ist für diese Anwendungen damit besonders effektiv.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Im Nachfolgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt:
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1 schematisch ein Halbmodell eines Laufrads für eine Turbine in perspektivischer Ansicht,
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2 eine Draufsicht auf eine Verrippung eines Laufrads,
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3 eine perspektivische Ansicht eines Halbmodells eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Verrippung,
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4 ein Halbmodell eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Laufrads,
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5 ein Halbmodell eines noch weiteren Ausführungsbeispiels eines Laufrads,
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6 schematisch ein Abwärmerückgewinnungssystem.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In 1 ist ein Laufrad 1 für eine Turbine dargestellt, wie es in Abwärmerückgewinnungssystemen für Brennkraftmaschinen eingesetzt werden kann. Das Laufrad 1 ist schematisch als Halbmodell in perspektivischer Ansicht abgebildet.
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Das Laufrad 1 weist einen einstückigen Grundkörper 2 auf, in dem zumindest ein Hohlraum 3 ausgebildet ist. Erfindungsgemäß ist das Laufrad 1 nur aus dem Grundkörper 2 gebildet, alle Bestandteile des Laufrads 1 sind somit stoffschlüssig untereinander verbunden. Ein derartiges Laufrad 1 wird im 3D-Druck-Verfahren hergestellt, da komplett eingeschlossene Hohlräume mit einem herkömmlichen Gussverfahren nicht zu realisieren sind.
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Durch den Hohlraum 3 kann das Laufrad 1 deutlich gewichtsreduziert ausgeführt werden und behält dennoch annähernd die gleiche Steifigkeit wie ein Laufrad aus Vollmaterial. Das Laufrad 1 bzw. der Grundkörper 2 weist eine Welle 4, eine Vorderwand 5 und eine Rückwand 6 auf, wobei diese untereinander stoffschlüssig verbunden sind und den Hohlraum 3 einschließen. Auf der Vorderwand 5 sind Schaufeln 7 angeordnet, ebenfalls stoffschlüssig mit der Vorderwand 5 verbunden. Die Schaufeln 7 bilden im Wesentlichen die Strömungsgeometrie für das in einer Radialturbine eingesetzte Laufrad 1 der Ausführung der 1.
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Die Welle 4 ist in der Ausführung der 1 als Hohlwelle ausgeführt; dadurch kann beispielsweise über einen Pressverband eine Verbindung mit einer weiteren Welle hergestellt werden. Alternativ ist auch die Ausführung als Vollwelle, beispielsweise mit reduziertem Durchmesser möglich. Auch kann die Welle 4 deutlich länger ausgeführt sein, so dass die Welle 4 beispielsweise gleichzeitig die Antriebswelle eines nicht dargestellten Generators ist.
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In der Ausführung der 1 ist das Laufrad 1 für eine Radialturbine ausgeführt, mit einer radialen Anströmung und einer axialen Abströmung, so dass die Schaufeln 7 dementsprechend gestaltet sind. Dazu ist auch die Vorderwand 5 hutförmig gestaltet. Dementsprechend ist vorteilhafterweise eine Verrippung 8 in dem Hohlraum 3 angeordnet, um die Steifigkeit des Laufrads 1, insbesondere im Hinblick auf eine Verformung der Vorderwand 5, zu erhöhen. Die Verrippung 8 der 1 ist als radiale Verrippung ausgeführt und umfasst eine scheibenförmige Radialrippe 80a. Die Radialrippe 80a kann dabei umlaufend, also über den kompletten Umfang der Welle 4, oder perforiert gestaltet sein, wie in 1 gezeigt, mit mehreren Stegen 81 und Perforationen 82. In vorteilhaften Ausführungen weist der Grundkörper 2 Wandstärken von etwa 1 mm auf. Dadurch kann bei nahezu gleichbleibender Steifigkeit bis zu 50% Material eingespart werden.
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Die Radialrippe 80a weist Perforationen 82 und dementsprechend auch Stege 81 auf. 2 zeigt eine Draufsicht auf eine derartige Verrippung 8. Der Bereich der Welle 4 bildet dabei einen inneren Ring der Radialrippe 80a, von welchem acht Stege 81 nach außen wegführen, welche wiederum in die umlaufende Vorderwand 5 übergehen. Zwischen den acht Stegen 81 sind acht Perforationen 82 ausgebildet, welche Bestandteil des Hohlraums 3 sind. So kann – je nach Beanspruchung des Laufrads 1 – ein bestmöglicher Kompromiss aus maximaler Steifigkeit und minimalem Gewicht für das Laufrad 1 umgesetzt werden.
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Alternativ kann die Verrippung 8 auch eine oder mehrere Radialrippen 80a ohne Perforationen aufweisen. Der Hohlraum 3 wäre dann entsprechend in mehrere Teilhohlräume untergliedert, welche gegeneinander abgeschlossen sind.
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3 zeigt eine perspektivische Ansicht auf ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Verrippung 8, wobei die Ausführung nur als Halbmodell abgebildet ist. In dieser Ausführung ist die Verrippung 8 als axiale Verrippung ausgeführt mit mehreren kuchenstückförmigen Längsrippen 80b. Die als Hohlwelle ausgeführte Welle 4 bildet dabei eine Grundstruktur, parallel zu deren axialer Richtung 14 Längsrippen 80b gleichverteilt über den Umfang angeordnet sind. Jede Längsrippe 80b weist dabei zur Gewichtsoptimierung eine Perforation 82 auf, so dass eine Längsrippe 80b aus mehreren Stegen 81 besteht, wobei die Stege 81 in die Vorderwand 5 bzw. in die Rückwand 6 übergehen. Die 14 Perforationen 82 sind Bestandteil des Hohlraums 3. Vorzugsweise erstreckt sich die Wandstärke der Längsrippen 80b bzw. der Stege 81 über 10°.
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4 zeigt ein Halbmodell eines weiteren Ausführungsbeispiels des Laufrads 1 in perspektivischer Ansicht. Die Verrippung 8 dieses Laufrads 1 weist sowohl Radialrippen 80a als auch Umfangsrippen 80c auf. Die Umfangsrippen 80c sind dabei zylindrisch gestaltet und konzentrisch zur Welle 4 angeordnet. Die Rippen 80a, 80c weisen in dieser Ausführung keine Perforationen auf, so dass der Hohlraum 3 in kleine umlaufende Kammern 30 unterteilt ist, wobei die Kammern 30 gegeneinander verschlossen sind. Alternativ können die Rippen 80a, 80c jedoch auch mit Perforationen versehen sein, so dass der Hohlraum 3 durchgängig ist.
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5 zeigt ein Halbmodell eines noch weiteren Ausführungsbeispiels des Laufrads 1 in perspektivischer Ansicht. Im Unterschied zur Ausgestaltung der 4 verlaufen die Rippen 80a, 80c dabei nicht orthogonal bzw. parallel zu der Welle 4, sondern unter Winkeln und in gekrümmter Ausführung. Die Umfangsrippen 80c münden unter dem Winkel β in die Welle 4, vorzugsweise ist β dabei 30°.
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Generell lässt sich die Verrippung 8 des erfindungsgemäßen Laufrads 1 mit beliebigen Geometrien gestalten, sofern ein einstückiger Grundkörper 2 gebildet wird, da das 3D-Druck-Verfahren auch beliebige Geometrien gestattet.
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Vorteilhafterweise werden zur Steifigkeitsoptimierung für die Verrippung 8 Kombinationen aus Radialrippen 80a, Längsrippen 80b und Umfangsrippen 80c verwendet. Die konkreten Ausführungen der Verrippung 8 hängen dabei sowohl von der Beanspruchung des Laufrads 1 ab, als auch von der Außengeometrie, also Vorderwand 5, Rückwand 6 und Schaufeln 7. Demzufolge eignen sich Radialturbinen besonders gut für eine Ausführung mit den beschriebenen Verrippungen 8, da Radialturbinen vergleichsweise große Abmaße in axialer Richtung haben.
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6 zeigt ein Abwärmerückgewinnungssystem 100 einer Brennkraftmaschine 110. Der Brennkraftmaschine 110 wird Sauerstoff über eine Luftzufuhr 112 zugeführt; das nach dem Verbrennungsvorgang ausgestoßene Abgas wird durch eine Abgasleitung 111 aus der Brennkraftmaschine 110 abgeführt.
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Das Abwärmerückgewinnungssystem 100 weist einen ein Arbeitsmedium führenden Kreislauf 100a auf, der in Flussrichtung des Arbeitsmediums eine Speisefluidpumpe 102, einen Verdampfer 103, eine Expansionsmaschine 104 und einen Kondensator 105 umfasst. Das Arbeitsmedium kann nach Bedarf über eine Stichleitung aus einem Sammelbehälter 101 und eine Ventileinheit 101a in den Kreislauf 100a eingespeist werden. Der Sammelbehälter 101 kann dabei alternativ auch in den Kreislauf 100a eingebunden sein.
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Der Verdampfer 103 ist an die Abgasleitung 111 der Brennkraftmaschine 110 angeschlossen, nutzt also die Wärmeenergie des Abgases der Brennkraftmaschine 110. Erfindungsgemäß ist die Expansionsmaschine als Turbine mit einem gewichts- und steifigkeitsoptimierten Laufrad 1 ausgeführt.
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Flüssiges Arbeitsmedium wird durch die Speisefluidpumpe 102, gegebenenfalls aus dem Sammelbehälter 101, in den Verdampfer 103 gefördert und dort durch die Wärmeenergie des Abgases der Brennkraftmaschine 110 verdampft. Das verdampfte Arbeitsmedium wird anschließend in der Turbine bzw. Expansionsmaschine 104 unter Abgabe mechanischer Energie, beispielsweise an einen nicht dargestellten Generator oder an ein nicht dargestelltes Getriebe, entspannt. Anschließend wird das Arbeitsmedium im Kondensator 105 wieder verflüssigt und in den Sammelbehälter 101 zurückgeführt bzw. der Speisefluidpumpe 102 zugeführt.
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Die Brennkraftmaschine 110 ist vorzugsweise in Fahrzeugen eingesetzt, so dass eine Gewichtsoptimierung sehr wichtig für die Effizienz des Abwärmerückgewinnungssystems 100 ist, da jede Masse eine bewegte Masse ist. Weiterhin läuft das Laufrad 1 der Turbine eines derartigen Abwärmerückgewinnungssystems 100 mit sehr hohen Drehzahlen und ist dementsprechend auch einer hohen Beanspruchung ausgesetzt. Das erfindungsgemäße Laufrad 1 mit einem optimierten Verhältnis von Steifigkeit zu Gewicht eignet sich demzufolge besonders gut für derartige Turbinen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102014209624 A1 [0002]
- DE 102012222205 A1 [0003]
