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Die Erfindung betrifft ein Laufrad für einen Abgasturbolader, das einen Radrücken, eine Nabe und mehrere Schaufeln aufweist, die sich zwischen dem Radrücken und der Nabe erstrecken, wobei die Schaufeln eine in axialer Richtung vom Radrücken abgewandte Endkante aufweisen. Ferner betrifft die Erfindung einen Abgasturbolader mit einem solchen Laufrad.
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Um die Effizienz von Brennkraftmaschinen, wie bspw. Ottomotoren oder Dieselmotoren zu verbessern werden Abgasturbolader eingesetzt. Dadurch kann die in den Abgasen befindliche Energie genutzt werden, die ansonsten ungenutzt bliebe. Darüber hinaus kann durch die Abgasturbolader eine Leistungssteigerung erzielt werden, so dass insgesamt das Volumen der Brennräume reduziert und damit Reibungsverluste in der Brennkraftmaschine reduziert werden können. Um einen guten Gesamtwirkungsgrad zu erhalten ist es daher wichtig, dass der Abgasturbolader sowohl turbinenseitig als auch verdichterseitig einen guten Wirkungsgrad aufweist.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine verbesserte oder zumindest andere Ausführungsform eines Laufrads für einen Abgasturbolader bereitzustellen, das sich insbesondere durch einen höheren Durchsatz und/oder Wirkungsgrad auszeichnet. Ferner liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte oder zumindest andere Ausführungsform eines Abgasturboladers bereitzustellen, die sich insbesondere durch einen erhöhten Durchsatz und/oder Wirkungsgrad auszeichnet.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, an einer Endkante einer Schaufel des Laufrads, die in axialer Richtung vom Radrücken abgewandt ist, statt einer normalen Abrundung ein teilelliptisches Profil vorzusehen. Elliptische oder teilelliptische Profile sind generell sehr strömungsgünstig, so dass beispielsweise Strömungsabrisse verhindert werden können. Ferner ist ein teilelliptisches Profil etwas schmaler als eine normale Verrundung, so dass der Freiraum zwischen den Schaufeln im Bereich der Endkante vergrößert wird, wodurch der Durchsatz des Laufrads erhöht werden kann. Erfindungsgemäß ist daher vorgesehen, dass der Endbereich in einem Schnitt quer zur Endkante zumindest teilweise ein teilelliptisches Profil aufweist, wobei das teilelliptische Profil eine kurze Achse und eine lange Achse aufweist.
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In der Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen wird unter dem Begriff „teilelliptisch“ bzw. unter dem Begriff „teilelliptische Form“ verstanden, dass eine Form zumindest einen Teil einer Ellipse entspricht. Eine solche Ellipse kann bspw. durch die Formel (/a2+(y/b)2=1) beschrieben werden, wobei a und b die jeweiligen Achsen sind.
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Eine günstige Möglichkeit sieht vor, dass die kurze Achse in einer dicken Richtung der jeweiligen Schaufel liegt. Dadurch kann gegenüber einer normalen Verrundung der Endkante ein schmalerer Endbereich erzielt werden. Insbesondere entsteht ein weicherer Übergang zu der Endkante, so dass Strömungsabrisse vermieden oder zumindest verringert werden können.
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Eine weitere günstige Möglichkeit sieht vor, dass ein Verhältnis zwischen der kurzen Achse und der langen Achse zwischen 2 und 4 liegt. Es hat sich herausgestellt, dass sich bei einem solchen Verhältnis zwischen 2 und 4 sehr günstige Profile für die Strömung ergeben, insbesondere erhöht sich der Durchsatz dadurch um ungefähr 4%.
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Eine vorteilhafte Lösung sieht vor, dass das Verhältnis zwischen kurzer und langer Achse an einer Druckseite der Schaufel und an einer Saugseite der Schaufel unterschiedlich ist. Es versteht sich, dass die Druckseite und die Saugseite der jeweiligen Schaufel erst durch die Verwendung als Turbinenrad bzw. Verdichterrad definiert sind. Durch die Möglichkeit der Unterscheidung des Profils im Endbereich zwischen der Saugseite und der Druckseite können die unterschiedlichen Strömungsbedingungen an der Saugseite und der Druckseite berücksichtigt werden. Insbesondere unterscheiden sich der Druck und die Strömungsgeschwindigkeit des Gases an der Druckseite und der Saugseite voneinander. Daher kann es sinnvoll, das Verhältnis zwischen kurzer und langer Halbseite an der Druckseite und der Saugseite unterschiedlich auszubilden, um für die jeweiligen Strömungsverhältnisse ein optimales Profil erzeugen zu können.
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Eine besonders vorteilhafte Lösung sieht vor, dass das teilelliptische Profil durch zwei Viertel-Ellipsen gebildet ist, die ein unterschiedliches Verhältnis zwischen der kurzen Achse und der langen Achse aufweisen und dass die kurzen Achsen der beiden Viertel-Ellipsen gleich groß sind. Dadurch, dass die Achsen der beiden Viertel-Ellipsen gleich groß sind, treffen sich die beiden Teilellipsen an der Endkante im Endbereich zumindest annähernd auf einer gedachten Verlängerung der Mittellinie der Schaufel. Dadurch können unterschiedliche Abströmrichtungen an Druck- und Saugseite verhindert werden, die ansonsten den Wirkungsgrad beeinträchtigen würden.
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In der Beschreibung und den angefügten Ansprüchen wird unter einer Viertel-Ellipse ein Viertel einer Ellipse verstanden. Insbesondere wird ein Viertel verstanden, das sich zwischen der kurzen Achse und der langen Achse erstreckt.
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Eine günstige Variante sieht vor, dass die Endkante im Schnitt quer zu der Endkante betrachtet, auf einer gedachten Verlängerung der Mittellinie der Schaufel liegt. Dadurch kann erreicht werden, dass die Abströmrichtungen an der Druck- und der Saugseite gleichgerichtet sind, so dass Beeinflussungen des Wirkungsgrads verringert werden können.
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Eine weitere günstige Variante sieht vor, dass der Endbereich in einem nabennahen Bereich im Schnitt quer zur Endkante einen runden Querschnitt aufweist und in einem radial äußeren Bereich den zumindest teilweise teilelliptischen Querschnitt aufweist. Die Ausbildung des teilelliptischen Querschnitts führt zu einer Verringerung der Wandstärke im Endbereich. Dadurch wird das Material der Schaufel geschwächt. Dadurch, dass nun in einem nabennahen Bereich ein normal abgerundeter Querschnitt vorgesehen wird, ist in diesem das Material der Schaufel nicht geschwächt. Gerade in diesem Bereich befindet sich der belastungskritische Bereich der Schaufel, so dass durch die Verjüngung durch den teilelliptischen Querschnitt ausschließlich im radial äußeren Bereich, die Stabilität der Schaufel nicht wesentlich beeinflusst wird. Darüber hinaus wird aufgrund der Zentrifugalkraft des rotierenden Systems die Strömung nach außen gedrückt, so dass die strömungstechnische Wirkung des teilelliptischen Profils sehr effizient genutzt werden kann, wenn dieses im radialen äußeren Bereich ausgebildet ist.
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Eine weitere besonders günstige Variante sieht vor, dass ein Übergang von dem nabennahen Bereich mit rundem Querschnitt zu dem radial äußeren Bereich mit zumindest teilweise teilelliptischem Querschnitt einen radialen Abstand von der Nabe des Laufrads aufweist, der zwischen dem 0,1 bis 0,3-fachen einer Länge der Endkante der Schaufeln liegt, bevorzugt zwischen dem 0,15 bis 0,25-fachen der Länge der Endkante. Dadurch kann ein ausgezeichnetes Verhältnis zwischen dem Bereich mit teilelliptischem Profil und dem Bereich mit normal abgerundetem Profil erzielt werden.
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Eine vorteilhafte Möglichkeit sieht vor, dass das Laufrad ein Turbinenrad oder ein Verdichterrad ist. Die Erfindung kann sowohl bei einem Turbinenrad als auch bei einem Verdichterrad angewendet werden. Die betreffende Endkante ist bei einem Turbinenrad die Hinterkante, die am Strömungsaustritt des Turbinenrads angeordnet ist. Bei einem Verdichterrad ist die Endkante die Vorderkante, an welcher die Strömung in das Verdichterrad eingesaugt wird.
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Ferner beruht die Erfindung auf dem allgemeinen Gedanken, einen Abgasturbolader mit einem Turbinenrad und einem Verdichterrad auszustatten, die drehfest zueinander an einer gemeinsamen Welle gelagert sind, wobei das Turbinenrad und/oder das Verdichterrad durch ein Laufrad gemäß der vorstehenden Beschreibung gebildet sind. Somit können die Vorteile, die im Zusammenhang mit dem Laufrad beschrieben wurden, sich auf den Abgasturbolader übertragen, auf deren Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.
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Des Weiteren beruht die Erfindung auf dem allgemeinen Gedanken bei einem Laufrad für einen Abgasturbolader, das einen Radrücken, eine Nabe und mehrere Schaufeln aufweist, die sich zwischen dem Radrücken und der Nabe erstrecken, wobei die Schaufeln eine in radiale Richtung von der Nabe abgewandte Außenkante aufweisen, die Außenkante spitz zulaufen zu lassen. Dies führt zu einer Verringerung der Nachlaufdelle der Strömung im Austrittsbereich des Radialverdichters und zu einer Wirkungsgraderhöhung im Verdichterkennfeld. Die Nachlaufdelle ist eine Reduzierung der Strömungsgeschwindigkeit im Bereich direkt hinter der Austrittskante. Ein gleichmäßiges Strömungsprofil ist wünschenswert. Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
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Es zeigen, jeweils schematisch,
- 1 eine Seitenansicht auf ein erfindungsgemäßes Laufrad, das als Turbinenrad ausgebildet ist,
- 2 ein Schnitt durch eine Schaufel des Laufrads,
- 3 eine Prinzipskizze einer Ellipse,
- 4 einen Schnitt durch einen Endbereich einer Schaufel,
- 5 einen Schnitt durch einen Endbereich einer zweiten Variante einer Schaufel,
- 6 eine perspektivische Darstellung einer Schaufel des Laufrads,
- 7 eine perspektivische Ansicht eines Laufrads, das als Verdichterrad ausgebildet ist, und
- 8 eine vergrößerte Darstellung einer Außenkante einer Schaufel des Laufrads aus 7.
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Eine erste in den 1 bis 6 dargestellte Ausführungsform eines Laufrads 10 wird für einen Abgasturbolader verwendet. Das Laufrad 10 kann dabei wie bspw. in 1 dargestellt ist als Turbinenrad ausgebildet und verwendet werden. Selbstverständlich kann das Laufrad 10 auch als Verdichterrad ausgebildet und verwendet werden.
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Das Laufrad 10 weist eine Nabe 12 und einen Radrücken 14 auf, zwischen welchem sich Schaufeln 16 erstrecken. Die Schaufeln 16 weisen eine Außenkante 18 auf, welche radial außen liegt und sich von dem Radrücken 14 im Wesentlichen in axialer Richtung erstreckt. Ferner weisen die Schaufeln 16 eine Endkante 20 auf, welche an einer in axialer Richtung dem Radrücken 14 abgewandten Ende der Schaufeln 16 liegen. Die Endkanten 20 erstrecken sich dabei von der Nabe 12 im Wesentlichen radial nach außen. Zwischen der Außenkante 18 und der den Endkanten 20 ist jeweils eine Zwischenkante 22 gebildet, welche den Übergang von der sich im Wesentlichen axial erstreckenden Außenkante 18 zu der im Wesentlichen radial sich erstreckenden Endkante 20 ermöglicht.
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Die Endkanten 20 sind in einem Endbereich 24 der Schaufeln 16 gebildet. Die Endbereiche 24 liegen an dem Radrücken 14 in axialer Richtung abgewandten Enden der Schaufeln 16. In den Endbereichen 24 verjüngen sich die Schaufeln 16, um schließlich in der Endkante 20 zu enden.
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Die Endbereiche 24 weisen dabei bei einem Schnitt im Wesentlichen senkrecht zu Endkante 20 eine Schnittfläche auf, welche zumindest teilweise eine Teilellipsenform aufweist. Im Gegensatz zu einem normal abgerundeten Endbereich 24 mit im Wesentlichen kreisrunden Querschnitt 27 verbessern sich somit die thermodynamischen Eigenschaften der Schaufel 16. Die Endbereiche 24 weisen daher zumindest teilweise ein teilelliptisches Profil 25 auf.
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Die Teilellipsen weisen üblicherweise ein kurze Achse a und eine lange Achse b auf. Die Form der Endbereiche 24 ist dabei derart ausgerichtet, dass die kurzen Achsen a in einer Dickenrichtung der Schaufel 16 liegt. Dadurch ist der Endbereich 24 schmaler ausgebildet, als er bei einer normalen im Wesentlichen kreisrunden Querschnitt 27 ausgebildet wäre. Entsprechend zieht sich die Krümmung im Endbereich 24 über eine längere Strecke hinweg. Dadurch ist die störende Beeinflussung der Endkante 20 auf die Gasströmung verringert.
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Das Verhältnis zwischen der kurzen Achse a und der langen Achse b liegt vorzugsweise zwischen 2 und 4. Das heißt die lange Achse b ist vorzugsweise mindestens doppelt so groß wie die kurze Achse a, jedoch vorzugsweise höchstens vier Mal so groß wie die kurze Achse a. Es hat sich gezeigt, dass sich in diesem Bereich ein besonders günstiges Verhältnis zwischen Schwächung des Materials und Optimierung der strömungsdynamischen Eigenschaften ergibt.
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Die Schaufeln 16 weisen Außenflächen 26 auf, die von einem Hauptkörper der Schaufel 16 in den Endbereichen 24 stetig in die Bereiche mit teilelliptischen Profil 25 übergehen. Das heißt sie weisen keinen Knick auf. Der Übergang von den Außenflächen 26 in die Bereiche mit teilelliptischem Profil 25 erfolgt daher vorzugsweise an einem Scheitelpunkt der Teilellipsen. Vorzugsweise ist ein Hauptscheitelpunkt, der den größten Abstand zum Ellipsenmittelpunkt aufweist an der Spitze der Schaufel 16 und somit auf der Endkante 20 gelegen.
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Die Endkanten 20 können wie bspw. in 4 dargestellt ist, symmetrisch ausgebildet sein. Alternativ hierzu können die Endbereiche 24, wie bspw. in 5 dargestellt ist, auch asymmetrisch ausgebildet sein. Dabei weist die teilellipsenform auf einer Seite der Schaufeln 16 ein anderes Verhältnis zwischen der kurzen Achse a und der langen Achse b auf, als auf der anderen Seite der Mittellinie 28. Vorzugsweise liegen dennoch jeweils die Hauptscheitelpunkte aufeinander und jeweils auf der Endkante 20. Dadurch wird ein stetiger Übergang zwischen der einen und der anderen Seite der Schaufel 16 im Endbereich 24 der Schaufel 16 ermöglicht.
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Durch die unterschiedlichen Verhältnisse zwischen kurzer Achse a und langer Achse b kann der Endbereich 24 der Schaufeln 16 optimal an die unterschiedlichen strömungstechnischen Gegebenheiten auf den beiden Seiten der Schaufeln 16 angegangen werden. Üblicherweise herrschen auf einer der Seiten höhere Drücke als auf der anderen Seite der Schaufel 16.
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Das Ausbilden der teilelliptischen Profile 25 in den Endbereichen 24 bewirkt eine Schwächung der Wandstärke der Schaufeln 16 wie bspw. in den 4 und 5 zu erkennen ist. Daher wird vorzugsweise, wie bspw. in 6 dargestellt ist, lediglich in einem radial äußeren Bereich 30 der Endkanten 20 die teilelliptischen Profile 25 gebildet, während in einem nabennahen Bereich 32 der Endkanten 20 die Endkanten 20 herkömmlich einen runden Querschnitt 27 aufweisen. Ein Übergang 34 von dem nabennahen Bereich 32 zu dem äußeren Bereich 30 liegt vorzugsweise von der Nabe 12 in einem radialen Abstand 33, der dem 0,1 bis 0,3-fachen einer Länge 36 der Endkante 20 entspricht, besonders bevorzugt zwischen dem 0,15 bis 0,25-fachen der Länge 36 der Endkante 20. Besonders bevorzugt liegt der Übergang 34 in einem radialen Abstand 33 von der Nabe 12, der dem 0,2 fachen der Länge 36 der Endkante 20 entspricht.
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Die Länge 36 der Endkante 20 definiert sich durch die Länge entlang der Endkante 20 beginnend von der Nabe 12 bis zu der Zwischenkante 22. Falls am Übergang zwischen der Endkante 20 und der Zwischenkante 22 kein Knick vorgesehen sein sollte, wird zur Bestimmung der Länge 36 der Endkante 20 gedachte Verlängerungen der Endkante 20 und der Zwischenkante 22 miteinander gekreuzt.
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Eine in den 7 und 8 dargestellte zweite Ausführungsform des Laufrads 10 unterscheidet sich von der in den 1 bis 6 dargestellten ersten Ausführungsform des Laufrads 10 dadurch, dass das Laufrad 10 als Kompressorrad ausgebildet ist, und dadurch, dass an der Außenkante 18 des Kompressorrads ein spitzes Profil vorgesehen ist.
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Im Übrigen stimmt die in den 7 und 8 dargestellte zweite Ausführungsform des Laufrads 10 mit der in den 1 bis 6 dargestellten ersten Ausführungsform des Laufrads 10 hinsichtlich Aufbau und Funktion überein, auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.
