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Die Erfindung betrifft ein Laufrad für einen Abgasturbolader der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art sowie einen Abgasturbolader gemäß Patentanspruch 7. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Turbinenrades nach Anspruch 9.
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Abgasturbolader werden zwischenzeitlich nahezu jeder Verbrennungskraftmaschine zur Leistungssteigerung zugeordnet. Die Abgasturbolader weisen einen überwiegend frischluftdurchströmten Abschnitt und einen abgasdurchströmten Abschnitt auf, wobei jeder Abschnitt eine Radkammer zur Aufnahme eines Laufrades in Form eines Verdichterrades bzw. eines Turbinenrades aufweist. Diese beiden Laufräder sind mit Hilfe einer Welle drehfest miteinander verbunden. Es ist anzustreben, dass der Abgasturbolader eine mindestens der Verbrennungskraftmaschine entsprechende Lebensdauer aufweist. Im Unterschied zu Verbrennungskraftmaschinen zeichnet sich der Abgasturbolader jedoch durch eine im Vergleich zur Verbrennungskraftmaschine extrem hohe Drehzahl aus, welche zwischenzeitlich weit über 100000 min-1 beträgt. Dies erfordert aufgrund der im Betrieb auftretenden hohen Fliehkräfte große Ansprüche an die Spannungsfestigkeit der Laufräder des Abgasturboladers, da gleichzeitig ein schnelles Ansprechverhalten des Abgasturboladers gefordert ist.
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Aus der Offenlegungsschrift
WO 2014 046 927 A1 geht ein Laufrad für einen Abgasturbolader hervor, dessen Radrücken Ausnehmungen aufweist zur Reduzierung einer Massenträgheit des Laufrades. Die Ausnehmungen erstrecken sich nur teilweise in axialer Richtung über eine Wanddicke des Radrückens.
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Aus der Offenlegungsschrift
WO 2006 114 007 A1 ist ein Laufrad für einen Abgasturbolader bekannt, welches mit Hilfe eines so genannten Scaloppings bezüglich seiner Massenträgheit reduziert ist.
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Das Scalopping kann zwar zu einer Reduzierung der Massenträgheit des Laufrades führen, jedoch ergibt dies überwiegend eine Reduzierung von Eigenfrequenzen des Laufrades und eine Erhöhung der dynamischen Spannung aufgrund von Vibrationen der Laufradschaufeln. Des Weiteren bildet sich eine erhöhte Leckageströmung zwischen den Laufrädern und der Bewandung.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein verbessertes Laufrad für einen Abgasturbolader anzugeben. Des Weiteren liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde einen Abgasturbolader anzugeben, welcher sich durch einen hohen Wirkungsgrad auszeichnet. Eine weitere Aufgabe ist die Angabe eines Verfahrens zur Herstellung eines Turbinenrades.
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Diese Aufgaben werden durch einen Luftführungsabschnitt für einen Abgasturbolader mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, durch einen Abgasturbolader mit den Merkmalen des Patentanspruchs 7 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nichttrivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Ein erfindungsgemäßes Laufrad für einen Abgasturbolader umfasst eine Nabe und eine auf der Nabe fixierte Mehrzahl von Laufradschaufeln, welche von einem den Abgasturbolader durchströmenden Medium umströmbar auf der Nabe angeordnet sind. Zwischen jeweils zwei Laufradschaufeln ist ein Schaufelkanal ausgebildet, wobei der Schaufelkanal eine Schaufelkanallänge aufweist, die sich ausgehend von einem Nabenrücken zu einer in Richtung einer vom Nabenrücken abgewandt ausgebildeten Nabennase erstreckend ausgebildet ist. Erfindungsgemäß weist der Schaufelkanal eine sich in radialer Richtung, in Umfangsrichtung des Laufrads und in axialer Richtung erstreckende Einbuchtung auf. Mit Hilfe der Einbuchtung können die Nachteile des Standes der Technik überwunden werden, da die Einbuchtung dreidimensional ausgebildet ist. Des Weiteren lässt sich somit das Massenträgheitsmoment um bis zu ca. 5% reduzieren.
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Ein weiterer Vorteil ist, sofern das Laufrad bevorzugt in einem Gießverfahren hergestellt ist, eine Materialreduzierung, wodurch das Laufrad kostengünstiger als ein Laufrad des Standes der Technik hergestellt werden kann. Auch ein Fließverhalten des flüssigen Materials während des Gießprozesses kann mit einer aufgrund der Einbuchtung verringerten Nabendicke verbessert werden, so dass bspw. eine Gefahr so genannter Lunker wesentlich reduziert ist. Das heißt mit anderen Worten, dass sich die Herstellungsgüte und damit die Qualität des Laufrades wesentlich verbessern lässt.
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Aufgrund des reduzierten Massenträgheitsmomentes ergibt sich ein reduziertes Gewicht des Laufrads, das wiederum zu einem verbesserten Ansprechverhalten des mit dem erfindungsgemäßen Laufrad ausgestatteten Laufzeugs führt.
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Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Laufrades ist darin zu sehen, dass sich mit Hilfe der dreidimensionalen Einbuchtung Eigenfrequenzen und Eigenformen von Schwingungen manipulieren lassen. Im Betriebsbereich insbesondere einer Turbine, liegen unterschiedliche Resonanzen. Die Resonanzen unterscheiden sich durch die Turbinenradeigenformen. Somit schwingt die Turbine je nach Resonanz unterschiedlich. So liegen Resonanzen vor, welche zu einem Versagen durch eine so genannte hochfrequente Ermüdung des Laufrades führen können, wobei bspw. Teile einer Laufradschaufel abbrechen können. Mit Hilfe der Einbuchtung, die entsprechende gestaltet werden kann, können die Schwingungsformen der Turbine somit verändert und entsprechende Resonanzen vermieden werden.
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In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Laufrades ist die Einbuchtung sich über ein Drittel der Schaufelkanallänge erstreckend ausgebildet. Insbesondere im Bereich eines Turbinenradeintritts, sofern es sich bei dem Laufrad um ein Turbinenrad handelt, ergibt sich eine überragende und Wirkung der Einbuchtung auf die Trägheit und Schwingungs-Eigenformen der Turbine können bevorzugt verändert werden.
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In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Laufrades ist die Einbuchtung sich in radialer Richtung ausgehend von einem ersten Durchmesser des Laufrades bis zu einem zweiten Durchmesser des Laufrades erstreckend ausgebildet, wobei der zweite Durchmesser der Hälfte des ersten Durchmessers entspricht.
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Vorteilhafterweise ist die Einbuchtung bezogen auf eine Längsachse des Laufrades konkav ausgebildet, wodurch Eigenspannungen aufgrund der Einbuchtung reduziert sind. Ein weiterer Vorteil der konkaven Ausführung der Einbuchtung ist in einer günstigen Entformung des Laufrades nach dem Gießprozess zu sehen.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist die Einbuchtung sich in Umfangsrichtung von einer ersten Übergangskante zu einer zweiten Übergangskante erstreckend ausgebildet. Der Vorteil ist in einer erhöhten Reduktion der Trägheit und einer geringeren Kerbwirkung für Fliehkraftspannungen zu sehen.
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In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Laufrades ist das Laufrad ein Turbinenrad. Insbesondere bei Turbinenrädern hat sich die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Laufrades als sehr vorteilhaft erwiesen, da Turbinenräder im Betriebsbereich eine größere Anzahl Resonanzstellen aufweist als Verdichterräder, was unter Umständen auch durch so genannte Vorleitgitter hervorgerufen wird. Die Schwingungsformen sind so ausgeprägt, dass mit Hilfe der Einbuchtung besonders vorteilhafte Turbinenräder ausgebildet werden können.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft einen Abgasturbolader, mit einem durchströmbaren Abgasführungsabschnitt und einem durchströmbaren Luftführungsabschnitt, wobei im Abgasführungsabschnitt ein Turbinenrad in einer Radkammer des Abgasführungsabschnitts drehbar aufgenommen ist, und wobei im Luftführungsabschnitt ein Verdichterrad in einer Radkammer des Luftführungsabschnitts drehbar aufgenommen ist, und wobei das Turbinenrad mit dem Verdichterrad drehfest verbunden ist. Erfindungsgemäß ist zumindest das Turbinenrad gemäß den Ansprüchen 1 bis 6 ausgebildet ist. Der Vorteil ist in dem wesentlich verbesserten Ansprechverhalten eines das Laufrad, insbesondere das Turbinenrad aufweisenden Laufzeugs zu sehen. Dadurch kann der Abgasturbolader schnell in einem günstigen Wirkungsgradbereich betrieben werden, wodurch sich eine Reduzierung von verbrennungskraftmaschinenspezifischen Emissionen einer mit dem Abgasturbolader verbundenen Verbrennungskraftmaschine herbeiführen lässt.
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Eine weitere Steigerung dieses Vorteils lässt sich mit einem gewichtsreduzierten Verdichterrad, welches das Laufzeug aufweist, herbeiführen, wobei das Verdichterrad zur Gewichtsreduktion aus einem aluminiumhaltigen und/oder titanhaltigen und/oder magnesiumhaltigen Werkstoff ausgeführt ist. Selbstredend kann das Verdichterrad auch die Merkmale der Ansprüche 1 bis 5 aufweisen, wodurch eine weitere Gewichtsreduzierung und Verbesserung des Ansprechverhaltens gegeben ist.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in der Figur 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.
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Es zeigen:
- 1 in einer perspektivischen Darstellung eine Nabe eines Laufrades gemäß dem Stand der Technik,
- 2 in einer perspektivischen Darstellung die Nabe eines erfindungsgemäßen Laufrades,
- 3 in einer perspektivischen Schnittdarstellung einen Ausschnitt des erfindungsgemäßen Laufrades,
- 4 in einer perspektivischen Darstellung einen Ausschnitt des erfindungsgemäßen Laufrades,
- 5 in einer perspektivischen Schnittdarstellung einen Ausschnitt des Laufrades gemäß dem Stand der Technik, und
- 6 in einer perspektivischen Schnittdarstellung einen Ausschnitt des Laufrades gemäß 3.
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Die 1 zeigt eine Nabe 1 eines Laufrades 2 gemäß dem Stand der Technik. Die Nabe 1 ist gemäß einem typischen Radialrad kegelstumpfformartig ausgebildet, wobei ein scheibenförmiger Nabenrücken 3 mit einem Kegelstumpf 4 verbunden ist und ein zwischen dem Nabenrücken 3 und dem Kegelstumpf 4 ausgebildeter Übergang 5 sich tangential an beide Teile 3, 4 unter Ausbildung eines üblicherweise variablen Radius R annähernd ausgebildet ist. An einem vom Nabenrücken 3 abgewandt ausgebildeten Ende des Kegelstumpfes 4 weist die Nabe 1 eine Nabennase 23 auf.
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Die Nabe 1 weist eine im Wesentlichen ebene Mantelfläche 6 auf. Unter einer ebenen Mantelfläche 6 ist in diesem Zusammenhang eine rotationssymmetrische Mantelfläche 6 zu verstehen, die in Richtung einer Längsachse 7 des Laufrades 2 sowie über dessen Umfang einen stetigen und differenzierbaren Verlauf aufweist.
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Das Laufrad 2 ist in Form eines Turbinenrades für eine nicht näher dargestellte Turbine, insbesondere einer Radialturbine, eines Abgasturboladers 24 für eine nicht näher dargestellte Verbrennungskraftmaschine ausgebildet. Die Turbine ist dabei in einem nicht näher dargestellten Abgastrakt der Verbrennungskraftmaschine angeordnet, wobei mit Hilfe des Turbinenrades von der Verbrennungskraftmaschine ausgeschobenes Abgas entspannt wird zum Antrieb eines nicht näher dargestellten Verdichters des Abgasturboladers 24.
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In 2 ist in einer perspektivischen Darstellung die Nabe 1 eines erfindungsgemäßen Laufrades 2 dargestellt. Die Nabe 1 weist Einbuchtungen 8 auf, welche überwiegend am Nabenrücken 3 ausgebildet sind und sich über den Übergang 5 in Richtung des Kegelstumpfes 4 erstreckend ausgestaltet sind.
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Die Nabe 1 weist eine Mehrzahl von Laufradschaufeln 9 auf, welche fest mit der Nabe 1 verbunden sind, s. 3 bis 6. Die Nabe 1 weist eine nicht näher dargestellte Aufnahmeöffnung auf, mit Hilfe derer das Turbinenrad 2 auf einer nicht näher dargestellten Welle des Abgasturboladers anzuordnen und mit der Welle drehfest verbindbar ist, so dass das Turbinenrad 2 über die Welle ein nicht näher dargestelltes Verdichterrad eines nicht näher dargestellten Verdichters des Abgasturboladers zum Verdichten von Frischluft für die Verbrennungskraftmaschine antreiben kann.
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Die Einbuchtungen 8 zeichnen sich dadurch aus, dass sie an zumindest einer axialen Stelle XA einen radialen ersten Abstand A1 von der Längsachse 7 aufweisen, welcher kleiner ist als ein radialer zweiter Abstand A2 von der Längsachse 7 eines Schaufelbodens 20, wobei der Schaufelboden 20 der Mantelfläche 6 im Bereich einer Laufradschaufel 9 entspricht.
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Die Mehrzahl der Laufradschaufeln 9 und die Nabe 1 sind im dargestellten Ausführungsbeispiel einstückig miteinander ausgebildet. Zwischen jeweils zwei nebeneinander positionierten Laufradschaufeln 9' ist ein Schaufelkanal 10 ausgebildet. Der Schaufelkanal 10 weist eine Schaufelkanallänge SL auf, welche sich in axialer Richtung des Laufrades 2 erstreckt. Die Einbuchtungen 8 sind sich im Schaufelkanal 10 in radialer, axialer und Umfangsrichtung erstreckend ausgebildet.
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Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die Einbuchtungen symmetrisch zwischen einer Druckseite der Laufschaufel 9' und einer Saugseite der benachbarten Laufschaufel 9" ausgebildet. Ebenso könnten sie auch asymmetrisch ausgebildet sein. Dies ist abhängig von unterschiedlichen Faktoren, wie bspw. einer Schaufelkrümmung, Schaufelanzahl oder Nabendurchmesser und einem Einsatzgebiet des Turbinenrades 2.
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Die Mehrzahl von Laufradschaufeln 9 sind sowohl auf ihrer Saugseite 22 wie auch auf ihrer Druckseite 21 über einen ersten Übergangsbereich 11 auf der Druckseite 21 sowie über einen zweiten Übergangsbereich 12 der Saugseite 22, mit der Nabe 1 verbunden, wie insbesondere in 5 dargestellt ist. Der erste Übergangsbereich 11 sowie der zweite Übergangsbereich 12 sind sich an der Mantelfläche 6 sowohl über den Umfang der Nabe 1 als auch über die axiale Ausdehnung der Nabe 1 entlang der Längsachse 7 erstreckend ausgebildet. Grundsätzlich kann zur allgemeinen Erläuterung der Übergangsbereiche 11, 12 gesagt werden, dass sie sich dadurch auszeichnen, dass sie zwischen der Mehrzahl von Laufradschaufeln 9 und der Nabe 1 eine abgerundete Verbindung ausbilden. Das heißt mit anderen Worten, dass mit Hilfe der Übergangsbereiche 11, 12 Unstetigkeiten, wie bspw. kantige Übergänge, in der Verbindung zwischen Nabe 1 und der jeweiligen Laufschaufel 9', 9" eliminiert werden sollen, da diese zu Rissbildung an den Übergangsbereichen 11, 12 führen können
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Die Einbuchtung 8 ist zwischen dem ersten Übergangsbereich 11 und dem zweiten Übergangsbereich 12 relativ zur Längsachse 7 konkav ausgebildet. Zur verbesserten Erläuterung ist in 5 die Einbuchtung 8 gestrichelt dargestellt, damit ihr Verlauf gegenüber der Nabe 1 gemäß dem Stand der Technik erkennbar ist. Bevorzugt erstreckt sich die Einbuchtung 8 über einem Drittel des Schaufelkanals 10. Das heißt mit anderen Worten, dass eine Länge L der Einbuchtung 8 insbesondere einem Drittel der Schaufelkanallänge SL entspricht.
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In einem weiteren Ausführungsbeispiel erstreckt sich die Einbuchtung 8 ausgehend von ihrer größten ersten Umfangskante 13, die bei einem ersten Durchmesser D1 des Laufrades 2 ausgebildet ist, zu ihrer kleinsten zweiten Umfangskante 14, die bei einem zweiten Durchmesser D2 des Laufrades 2 ausgebildet ist, wobei der erste Durchmesser D1 doppelt so groß ist wie der zweite Durchmesser D2.
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Eine erste Längskante 15 der Einbuchtung 8 und eine zweite Längskante 16 der Einbuchtung 8 entsprechen jeweils den ihnen zugewandt ausgebildeten Übergangskanten der Übergangsbereiche 11, 12, eine erste Übergangskante 17 des ersten Übergangsbereiches 11 und eine zweite Übergangskante 18 des zweiten Übergangsbereiches 12. Die erste Umfangskante 13 weist zu einer Außenkante 19 des Nabenrückens 3 einen Randabstand A auf. Ebenso kann, wie im ersten Ausführungsbeispiel gem. 3, die erste Umfangskante 13 der Außenkante 19 zumindest teilweise entsprechen.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines Turbinenrades 2 weist sich dadurch aus, dass
- - in einem ersten Schritt eine Turbinenradeigenform bestimmt wird, bspw. durch eine numerische Methode oder durch Versuche,
- - in einem zweiten Schritt eine Schwingungsform analysiert wird, bspw. durch eine Analyse der dynamischen Spannungsverteilung aufgrund der Schwingung, und
- - in einem dritten Schritt die sich in radialer Richtung, in Umfangsrichtung und in axialer Richtung erstreckende Einbuchtung 8 in den Schaufelkanal 10 des Turbinenrades 2 eingebracht wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2014046927 A1 [0003]
- WO 2006114007 A1 [0004]
