DE102019211515A1

DE102019211515A1 - Turbine impeller of an exhaust gas turbine and exhaust gas turbocharger for an internal combustion engine

Info

Publication number: DE102019211515A1
Application number: DE102019211515.2A
Authority: DE
Inventors: Bernhard Lehmayr; Viktor Misjurin
Original assignee: Vitesco Technologies GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2019-08-01
Filing date: 2019-08-01
Publication date: 2021-02-04
Also published as: WO2021018882A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Turbinenlaufrad (10) einer Abgasturbine (61) eines Abgasturboladers (50) und einen Abgasturbolader (50) mit einem solchen Turbinenlaufrad (10) für eine Brennkraftmaschine, wobei das Turbinenlaufrad (10) einen Nabenkörper (11) mit einer Mehrzahl von auf der Naben-Mantelfläche (13) angeordneten Laufradschaufeln (20) aufweist, wobei die Laufradschaufeln (20) über den Naben-Basisumfang (19) verteilt auf der Naben-Mantelfläche (13) angeordnet und mit dem Nabenkörper (11) verbunden sind.Jeweils zwischen einer Laufradschaufel-Rückseite (22) einer in Drehrichtung (DR) des Turbinenlaufrads (10) vorausgehenden Laufradschaufel (20) und einer Laufradschaufel-Vorderseite (21) der unmittelbar nachfolgenden Laufradschaufel (20) ist ein Fluidkanal ausgebildet, der nach radial innen durch ein jeweiliges Nabenmantel-Kreissegment (18) der Naben-Mantelfläche (13) begrenzt ist. Dabei ist ein jeweiliges Schaufelfußzentrum (PZ) des Schaufelfußbereichs (23) definiert, wobei eine jeweilige Nabenmantel-Kreissegmentlinie (18.1) derNaben-Mantelfläche (13) um einen, auf der Naben-Basiskreislinie (19.1) liegenden, Segment-Drehpunkt (PD), um einen bestimmten Segment-Winkel (WD) nach radial außen geschwenkt, auf die nachfolgende Laufradschaufel (20) zu verläuft, wobei der Übergang zwischen der jeweiligen Nabenmantel-Kreissegmentlinie(18.1) der Naben-Mantelfläche (13) und einer jeweiligen Seitenflächen-Linie (21.1) der Laufradschaufel-Vorderseite (21) eine Vorderseiten-Verrundung (26) aufweist, die auf Basis der Methode der Zugdreiecke ausgebildet ist.The invention relates to a turbine runner (10) of an exhaust gas turbine (61) of an exhaust gas turbocharger (50) and an exhaust gas turbocharger (50) with such a turbine runner (10) for an internal combustion engine, the turbine runner (10) having a hub body (11) with a plurality of having impeller blades (20) arranged on the hub shell surface (13), the impeller blades (20) being distributed over the hub base circumference (19) on the hub shell surface (13) and being connected to the hub body (11) A fluid channel is formed between an impeller blade rear side (22) of an impeller blade (20) preceding in the direction of rotation (DR) of the turbine impeller (10) and an impeller blade front (21) of the immediately following impeller blade (20) which flows radially inward through a respective hub shell circular segment (18) of the hub shell surface (13) is limited. A respective blade root center (PZ) of the blade root region (23) is defined, with a respective hub jacket circular segment line (18.1) of the hub jacket surface (13) around a segment pivot point (PD) lying on the hub base circle (19.1), swiveled radially outward by a certain segment angle (WD), towards the following impeller blade (20), the transition between the respective hub shell circle segment line (18.1) of the hub shell surface (13) and a respective side surface line ( 21.1) the impeller blade front side (21) has a front side rounding (26) which is formed on the basis of the method of tension triangles.

Description

Die Erfindung betrifft ein Turbinenlaufrad eines Abgasturboladers, welches einen Nabenkörper und eine auf der Naben-Mantelfläche des Nabenkörpers angeordnete Mehrzahl von Laufradschaufeln aufweist, die gleichmäßig über den Naben-Außenumfang verteilt auf der Naben-Mantelfläche angeordnet und mit dem Nabenkörper verbunden sind. Jeweils zwischen einer Laufradschaufel-Rückseite einer in Drehrichtung des Turbinenlaufrads vorausgehenden Laufradschaufel und einer Laufradschaufel-Vorderseite der unmittelbar nachfolgenden Laufradschaufel ist ein Fluidkanal ausgebildet. Weiterhin betrifft die Erfindung einen Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine, wobei der Abgasturbolader einen Radialverdichter und eine Abgasturbine mit einem Turbinenlaufrad aufweist.The invention relates to a turbine impeller of an exhaust gas turbocharger, which has a hub body and a plurality of impeller blades arranged on the hub shell surface of the hub body, which are evenly distributed over the hub outer circumference on the hub shell surface and are connected to the hub body. A fluid channel is formed in each case between an impeller blade rear side of an impeller blade that precedes in the direction of rotation of the turbine impeller and an impeller blade front side of the immediately following impeller blade. The invention further relates to an exhaust gas turbocharger for an internal combustion engine, the exhaust gas turbocharger having a radial compressor and an exhaust gas turbine with a turbine impeller.

Aufgrund der ständig verschärften Gesetze bezüglich der Emission von Abgasen in die Umwelt werden immer mehr Fahrzeuge mit über Abgasturbolader aufgeladene Diesel- oder Ottomotoren ausgerüstet. Zusätzlich steigen die Anforderungen an das stationäre Verhalten des Verbrennungsmotors, d. h. Leistung, Drehmoment und Verbrauch müssen weiter verbessert werden. Bei, mittels Turbolader aufgeladenen, Verbrennungsmotoren ist insbesondere auch das transiente Ansprechverhalten essentiell. Eine möglichst leichte Rotorbeschaufelung ermöglicht Turbomaschinen mit einem kleinen Trägheitsmoment, wodurch ein besseres transientes Ansprechverhalten, also eine bessere Dynamik, erzielt werden kann. Die minimale mögliche Schaufeldicke ist durch das Herstellverfahren und die Festigkeitseigenschaften der verwendeten Werkstoffe begrenzt.Due to the ever stricter laws regarding the emission of exhaust gases into the environment, more and more vehicles are being equipped with diesel or gasoline engines charged by exhaust gas turbochargers. In addition, the demands on the steady-state behavior of the internal combustion engine are increasing, i. H. Power, torque and consumption must be further improved. In the case of internal combustion engines charged by means of a turbocharger, the transient response behavior is particularly essential. The lightest possible rotor blading enables turbo machines with a small moment of inertia, which means that a better transient response behavior, i.e. better dynamics, can be achieved. The minimum possible blade thickness is limited by the manufacturing process and the strength properties of the materials used.

Neben den Fliehkräften wirken auf die Laufradschaufeln aerodynamische Kräfte in Form von Schubspannungen und Druckkräften. Bei der Anströmung der Turbomaschinen entstehen Druckungleichförmigkeiten, die bei jeder Umdrehung auf die Laufradschaufeln wirken. Die Laufradschaufeln müssen eine Steifigkeit aufweisen, die ihre Eigenfrequenz so weit anhebt, dass sie nicht durch diese Druckpulsationen zu kritischen Schwingungen angeregt werden können. Hinzu kommen, insbesondere bei den Turbinenlaufrädern der Abgasturbinen, extreme thermische Wechselbelastungen. Hierbei ist, aufgrund von Kerbwirkungen und der damit verbundenen Spannungskonzentrationen, die durch die Material-Wärmedehnungen zusätzlich verstärkt werden, besonderes Augenmerk auf die Anbindung der Laufradschaufeln and den Nabenkörper, also den sogenannten Schaufelfußbereich und die den Fluidkanal zwischen den Laufradschaufeln nach radial innen begrenzende Naben-Mantelfläche-Segmente zu legen.In addition to the centrifugal forces, aerodynamic forces in the form of shear stresses and pressure forces act on the impeller blades. When the turbomachines flow into the air, pressure irregularities occur, which act on the impeller blades with every revolution. The impeller blades must have a rigidity that increases their natural frequency to such an extent that they cannot be excited to critical vibrations by these pressure pulsations. In addition, there are extreme thermal alternating loads, especially in the turbine runners of the exhaust gas turbines. Due to the notch effects and the associated stress concentrations, which are additionally reinforced by the thermal expansion of the material, special attention must be paid to the connection of the impeller blades to the hub body, i.e. the so-called blade root area and the hub radially inwardly delimiting the fluid channel between the impeller blades. Laying surface segments.

Dokument DE 10 2010 020 307 A1 offenbart beispielsweise ein Laufrad für einen Verdichter eines Abgasturboladers, mit einem Grundkörper und mit zumindest einer umströmbaren Leitschaufel, welche über wenigstens einen eine Krümmung aufweisenden Übergangsbereich mit dem Grundkörper des Laufrades verbunden ist, wobei die Krümmung in Längserstreckungsrichtung der Leitschaufel zumindest bereichsweise variabel ausgebildet ist.document DE 10 2010 020 307 A1 discloses, for example, an impeller for a compressor of an exhaust gas turbocharger, with a base body and with at least one guide vane which can be flowed around and which is connected to the base body of the impeller via at least one transition area having a curvature, the curvature being at least partially variable in the longitudinal direction of the guide vane.

Weiterhin zeigt Dokument DE 10 2015 214 854 A1 ein weiteres Verdichterrad für einen Abgasturbolader mit einem Nabengrundkörper und daran angeordneten Schaufelblättern. Hier ist der Nabengrundkörper entweder als Vieleck mit einer der Anzahl der Schaufelblätter entsprechenden Anzahl an zueinander gekippten Segmenten ausgebildet oder weist eine den Schaufelblättern zugewandte und in Umfangsrichtung wellige Grundfläche aufweist, wobei eine Anzahl der Wellen der Anzahl der Schaufelblätter entspricht.Furthermore shows document DE 10 2015 214 854 A1 a further compressor wheel for an exhaust gas turbocharger with a hub base body and blades arranged on it. Here the hub body is either designed as a polygon with a number of mutually tilted segments corresponding to the number of blades or has a base surface facing the blades and undulating in the circumferential direction, a number of corrugations corresponding to the number of blades.

Dagegen zeigt Dokument US 2008 232 968 A1 ein Turbinenrad mit auf einer Nabe angeordneten sich radial erstreckenden Schaufeln. Die Nabe weist zwischen den Schaufeln eine nicht achssymmetrisch verlaufende Oberfläche auf, die eine Mehrzahl von konkaven und konvexen Bereichen aufweist, die sich gemäß einer auf Strömungsbedingungen basierenden Funktion in axialer und tangentialer Richtung ändern.In contrast, Document shows US 2008 232 968 A1 a turbine wheel with radially extending blades disposed on a hub. The hub has a non-axially symmetrical surface between the blades, which surface has a plurality of concave and convex regions which change in the axial and tangential directions according to a function based on flow conditions.

Dokument DE 1994 1134 C1 betrifft einen Schaufelkranz für eine Gasturbine, mit einem Träger und Schaufelblättern wobei die Schaufelblätter zur Verringerung der mechanischen Spannungen an wenigstens einem Endabschnitt einen Umfangsabschnitt aufweisen und die Oberfläche des Schaufelblatts in einem Übergangsbereich mit einer zum Umfangsabschnitt hin enger werdenden Krümmung in den Umfangsabschnitt übergehen.document DE 1994 1134 C1 relates to a blade ring for a gas turbine, with a carrier and blade blades, the blade blades having a circumferential section to reduce the mechanical stresses at at least one end section and the surface of the blade blade merging into the circumferential section in a transition area with a curvature that narrows towards the circumferential section.

Schließlich offenbart Dokument DE 10 2012 106 810 A1 ein weiteres Laufrad für eine Fluidenergiemaschine, mit einer Nabe und mit einer Mehrzahl von Laufschaufeln (3), wobei zwischen jeweils zwei nebeneinander positionierten Laufschaufeln ein Schaufelkanal ausgebildet ist mit einer, sich in axialer Richtung des Laufrades erstreckenden Schaufelkanallänge, wobei jede Laufschaufel über einen eine erste Krümmung aufweisenden ersten Übergangsbereich und einen wenigstens eine zweite Krümmung aufweisenden zweiten Übergangsbereich mit der Nabe verbunden ist. Der Schaufelkanalboden ist zwischen dem ersten Übergangsbereich und dem zweiten Übergangsbereich zumindest bereichsweise variabel ausgebildet ist. Dabei ist der Schaufelkanalboden überwiegend gemäß einer eben ausgebildeten Fläche ausgestaltet und die Fläche ist gegenüber einer Nabentangentenfläche um einen Winkel geneigt ausgebildet, dabei bestimmt eine Schnittlinie zwischen der Fläche und der Nabentangentenfläche die sich in Umfangsrichtung der Nabe erstreckende Gesamtlänge der Fläche.Finally, document disclosed DE 10 2012 106 810 A1 Another impeller for a fluid energy machine, with a hub and with a plurality of rotor blades (3), wherein a blade channel is formed between two blades positioned next to one another with a blade channel length extending in the axial direction of the impeller, each blade having a first Curvature having first transition region and a second transition region having at least one second curvature is connected to the hub. The blade channel bottom is designed to be variable at least in some areas between the first transition area and the second transition area. In this case, the blade channel base is designed predominantly in accordance with a flat surface and the surface is configured to be inclined at an angle with respect to a hub tangent surface, a line of intersection between the surface and the Hub tangent surface is the total length of the surface extending in the circumferential direction of the hub.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Turbinenlaufrad einer Abgasturbine und einen Abgasturbolader anzugeben, die gegenüber den bisher bekannten Ausführungen ein weiter verbessertes dynamisches Betriebsverhalten und eine erhöhte Lebensdauer aufweisen.
Diese Aufgabe wird durch ein Turbinenlaufrad und einen Abgasturbolader mit den im Folgenden angegebenen Merkmalen gelöst.The object of the invention is to provide a turbine runner of an exhaust gas turbine and an exhaust gas turbocharger which, compared to the previously known designs, have a further improved dynamic operating behavior and an increased service life.
This object is achieved by a turbine wheel and an exhaust gas turbocharger with the features specified below.

Das erfindungsgemäße Turbinenlaufrad einer Abgasturbine eines Abgasturboladers, weist einen Nabenkörper mit einer Nabenachse, einem Naben-Basisumfang und einer Naben-Mantelfläche sowie eine Mehrzahl von auf der Naben-Mantelfläche angeordneten Laufradschaufeln auf.The turbine runner according to the invention of an exhaust gas turbine of an exhaust gas turbocharger has a hub body with a hub axis, a hub base circumference and a hub outer surface and a plurality of impeller blades arranged on the hub outer surface.

Dabei erstreckt sich der Nabenkörper entlang einer Axialrichtung der Nabenachse von einem Nabenrücken bis zu einem Nabenstumpf und der Naben-Basisumfang nimmt ausgehend vom Nabenstumpf bis zum Nabenrücken in Axialrichtung zu. Der Naben-Basisumfang ist dabei der Außenumfang einer gedachten rotationssymmetrischen Mantelfläche des Nabenkörpers, auf dessen Basis eine von der rotationssymmetrischen Mantelfläche in Umfangsrichtung abweichende Mantelflächengeometrie ausgebildet ist.The hub body extends along an axial direction of the hub axis from a hub back to a hub stub and the hub base circumference increases in the axial direction starting from the hub stump to the hub back. The hub base circumference is the outer circumference of an imaginary rotationally symmetrical jacket surface of the hub body, on the basis of which a jacket surface geometry that deviates from the rotationally symmetrical jacket surface in the circumferential direction is formed.

Die Laufradschaufeln sind über den Naben-Basisumfang verteilt auf der Naben-Mantelfläche angeordnet und in einem jeweiligen Schaufelfußbereich mit dem Nabenkörper verbunden, wobei sich die Laufradschaufeln vom Nabenrücken weg in Richtung auf den Nabenstumpf zu, und überwiegend in Radialrichtung vom Nabenkörper weg erstrecken. Dadurch ist jeweils zwischen einer Laufradschaufel-Rückseite einer in Drehrichtung des Turbinenlaufrads vorausgehenden Laufradschaufel und einer Laufradschaufel-Vorderseite einer benachbart angeordneten, nachfolgenden Laufradschaufel ein Fluidkanal ausgebildet, der nach radial innen durch ein jeweiliges Nabenmantel-Kreissegment der Naben-Mantelfläche begrenzt ist. Dabei ist, in einer jeweiligen Schnittebene senkrecht zur Nabenachse betrachtet, ein jeweiliges Schaufelfußzentrum des Schaufelfußbereichs definiert, durch einen Schnittpunkt einer Skelettlinie der jeweiligen Laufradschaufel mit einer den jeweiligen Naben-Basisumfang definierenden Naben-Basiskreislinie.The impeller blades are distributed over the hub base circumference on the hub shell surface and are connected to the hub body in a respective blade root area, the impeller blades extending away from the hub back towards the hub stump and predominantly in the radial direction away from the hub body. As a result, a fluid channel is formed between an impeller blade rear side of a preceding impeller blade in the direction of rotation of the turbine impeller and an impeller blade front of an adjacent, subsequent impeller blade, which is delimited radially inward by a respective hub shell segment of the hub shell surface. Here, viewed in a respective sectional plane perpendicular to the hub axis, a respective blade root center of the blade root region is defined by an intersection of a skeleton line of the respective impeller blade with a hub base circle defining the respective hub base circumference.

Die in der genannten Schnittebene liegende Skelettlinie der Laufradschaufel ist dabei definitionsgemäß gebildet als Verbindungslinie der Profil-Mittelpunkte zwischen der Laufradschaufel-Vorderseite und der Laufradschaufel-Rückseite. Diese Profil-Mittelpunkte sind die Mittelpunkte von entlang der Erstreckung der Laufradschaufel mit maximalem Durchmesser in das Laufradschaufelprofil einbeschriebenen Kreisen.The skeleton line of the impeller blade lying in the above-mentioned sectional plane is defined as the connecting line of the profile center points between the impeller blade front and the impeller blade rear. These profile center points are the centers of circles inscribed in the rotor blade profile along the extension of the impeller blade with the maximum diameter.

Das erfindungsgemäße Turbinenlaufrad ist weiterhin dadurch gekennzeichnet, dass in der jeweiligen Schnittebene eine jeweilige Nabenmantel-Kreissegmentlinie des Nabenmantel-Kreissegments um einen, in der Umgebung des Schaufelfußzentrums der jeweiligen vorausgehenden Laufradschaufel auf der genannten Naben-Basiskreislinie liegenden, Segment-Drehpunkt, um einen bestimmten Segment-Drehwinkel nach radial außen geschwenkt, auf die nachfolgende Laufradschaufel zu verläuft, wobei der Übergang zwischen der jeweiligen Naben-Kreissegment-Linie der Naben-Mantelfläche und einer jeweiligen Seitenflächen-Linie der Laufradschaufel-Vorderseite eine Vorderseiten-Verrundung aufweist, die auf Basis der Methode der Zugdreiecke ausgebildet ist.The turbine runner according to the invention is further characterized in that in the respective cutting plane a respective hub shell circle segment line of the hub shell circle segment around a segment pivot point lying in the vicinity of the blade root center of the respective preceding impeller blade on the mentioned hub base circle line, around a certain segment Angle of rotation pivoted radially outward, running towards the following impeller blade, the transition between the respective hub circle segment line of the hub surface and a respective side surface line of the impeller blade front side having a front-side rounding based on the method the tension triangles is formed.

Die Methode der Zugdreiecke ist abgeleitet aus dem Bereich der Biomechanik. Entsprechende Geometrien treten hier unter anderem auf im Bereich des Überganges eines Baumstammes zur Baumwurzel. Die entsprechende geometrische Methode zu einer entsprechenden Formgebung wird beispielsweise beschrieben in DIN ISO 18459 und wird dort als Methode der Zugdreiecke vorgestellt.The method of tension triangles is derived from the field of biomechanics. Corresponding geometries occur here, among other things, in the area of the transition from a tree trunk to the tree root. The corresponding geometric method for a corresponding shape is described, for example, in DIN ISO 18459 and is presented there as the method of tension triangles.

Ein erfindungsgemäßer Abgasturbolader weist ein Verdichtergehäuse auf, in dem ein Verdichterlaufrad an einem Ende einer Rotorwelle angeordnet ist und ein Turbinengehäuse, in dem ein Turbinenlaufrad an einem zweiten Ende der Rotorwelle angeordnet ist. Zwischen Verdichtergehäuse und Turbinengehäuse ist eine Lagereinheit zur Drehlagerung der Rotorwelle angeordnet. Der Abgasturbolader ist dadurch gekennzeichnet, dass das Turbinenlaufrad die Merkmale gemäß einer der vorausgehend oder nachfolgend beschriebenen Ausführung des erfindungsgemäßen Turbinenlaufrads aufweist.An exhaust gas turbocharger according to the invention has a compressor housing in which a compressor impeller is arranged at one end of a rotor shaft and a turbine housing in which a turbine impeller is arranged at a second end of the rotor shaft. A bearing unit for rotating the rotor shaft is arranged between the compressor housing and the turbine housing. The exhaust gas turbocharger is characterized in that the turbine runner has the features according to one of the embodiments of the turbine runner according to the invention described above or below.

Durch die spezielle erfindungsgemäße Ausgestaltung des Turbinenlaufrads werden Spannungsspitzen in den Übergangsbereichen zwischen Nabenkörper und Laufradschaufeln besonders erfolgreich minimiert und somit die Dauerstandfestigkeit des Turbinenlaufrads erhöht. Umgekehrt kann dadurch der Materialeinsatz insbesondere in den radial äußeren Bereichen des Turbinenlaufrads, insbesondere im Bereich der Schaufel-Eintrittskanten und im Bereich der Nabenkörper-Eintrittskante am Nabenrücken, weiter reduziert werden, wodurch sich eine verbesserte Dynamik des Abgasturboladers im transienten Betrieb erzielen lässt. Dies wird insbesondere möglich durch die besonders vorteilhafte erfinderische Kombination des nach radial außen geschwenkt verlaufenden Naben-Kreissegments der Naben-Mantelfläche am Grund des Fluidkanals zwischen jeweils zwei aufeinanderfolgenden Laufradschaufeln mit einer Verrundung im Schaufelfußbereich auf Basis der Methode der Zugdreiecke, nach dem Vorbild einer Baumwurzel.As a result of the special design of the turbine runner according to the invention, stress peaks in the transition areas between the hub body and runner blades are particularly successfully minimized and the long-term stability of the turbine runner is thus increased. Conversely, the use of material can be further reduced, particularly in the radially outer areas of the turbine impeller, in particular in the area of the blade leading edges and in the area of the hub body leading edge on the hub back, whereby improved dynamics of the exhaust gas turbocharger can be achieved in transient operation. This is made possible in particular by the particularly advantageous inventive combination of the circular hub segment of the hub jacket surface at the base of the fluid channel, which is pivoted radially outward between two consecutive impeller blades with a rounding in the blade root area based on the method of tension triangles, based on the model of a tree root.

Als Nebeneffekt ergeben sich, durch die Reduzierung des Materialeinsatzes, der aus Temperaturgründen erforderlichen verhältnismäßig teuren Nickelbasislegierungen, Kostenvorteile.As a side effect, the reduction in the amount of material used for the relatively expensive nickel-based alloys required for temperature reasons results in cost advantages.

Besondere Ausführungsbeispiele bzw. Weiterführungen der erfindungsgemäßen Gegenstände werden in den Unteransprüchen beansprucht und im Folgenden anhand der Figuren dargestellt und näher erläutert. Es zeigt:

1 einen schematisch vereinfachten Axialschnitt, entlang der Nabenachse, einer Ausführung des erfindungsgemäßen Turbinenlaufrads zur Darstellung der konstruktiven Einzelheiten;
2 eine schematisch vereinfachte Schnittansicht eines Ausschnittes einer erfindungsgemäßen Ausführung des Turbinenlaufrads aus 1, wobei die in 1 angedeutete Schnittebene A-A senkrecht zur Nabenachse liegt und beispielhaft nur drei aufeinanderfolgende Laufradschaufeln zur Darstellung weiterer konstruktiver, geometrischer Merkmale herausgegriffen sind;
3 die Schnittansicht, senkrecht zur Nabenachse der erfindungsgemäßen Ausführung des Turbinenlaufrads übereinstimmend mit 2, zur übersichtlicheren Darstellung bzw. Bezeichnung der maßgeblichen konstruktiven Merkmale;
4 eine weitere vereinfachte Schnittansicht, senkrecht zur Nabenachse einer weiteren Ausführung eines erfindungsgemäßen Turbinenlaufrads, in Anlehnung an die Darstellung der 2, mit entgegen der Drehrichtung des Turbinenlaufrads geneigt angeordneten Laufradschaufeln;
5 eine weitere vereinfachte Schnittansicht, senkrecht zur Nabenachse einer weiteren Ausführung eines erfindungsgemäßen Turbinenlaufrads, in Anlehnung an die Darstellung der 4, mit Laufradschaufeln, die entgegen der Drehrichtung des Turbinenlaufrads geneigt angeordnet sind und zusätzlich eine Schaufel-Krümmung aufweisen und
6 eine schematisch Vereinfachte Darstellung einer Ausführung eines erfindungsgemäßen Abgasturboladers.

Special exemplary embodiments or developments of the subject matter according to the invention are claimed in the subclaims and illustrated and explained in more detail below with reference to the figures. It shows:

1 a schematically simplified axial section, along the hub axis, of an embodiment of the turbine runner according to the invention to illustrate the structural details;
2 a schematically simplified sectional view of a section of an embodiment of the turbine runner according to the invention 1 , where the in 1 indicated sectional plane AA is perpendicular to the hub axis and, by way of example, only three successive impeller blades are selected to illustrate further structural, geometric features;
3 the sectional view, perpendicular to the hub axis of the embodiment of the turbine runner according to the invention in accordance with 2 , for a clearer representation or description of the relevant structural features;
4th a further simplified sectional view, perpendicular to the hub axis of a further embodiment of a turbine impeller according to the invention, based on the illustration of FIG 2 , with impeller blades inclined against the direction of rotation of the turbine impeller;
5 a further simplified sectional view, perpendicular to the hub axis of a further embodiment of a turbine impeller according to the invention, based on the illustration of FIG 4th , with impeller blades, which are inclined against the direction of rotation of the turbine impeller and additionally have a blade curvature and
6 a schematically simplified representation of an embodiment of an exhaust gas turbocharger according to the invention.

Funktions- und Benennungsgleiche Gegenstände sind in den Figuren durchgehend mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet.Objects with the same function and naming are identified throughout the figures with the same reference symbols.

Die 1 zeigt eine schematisch vereinfachte Darstellung einer Ausführung eines erfindungsgemäßen Turbinenlaufrads 10 einer Abgasturbine 61 eines erfindungsgemäßen Abgasturboladers 50 (siehe 6) Wie aus 6 ersichtlich ist, ist das Turbinenlaufrad 10 in dem Turbinengehäuse 62 des Abgasturboladers 50 angeordnet und drehfest mit einer in der Lagereinheit 40 drehgelagerten Rotorwelle 41 verbunden. Das Turbinenlaufrad 10 dreht sich im Betrieb des Abgasturboladers 50 um eine Rotorwellendrehachse, die mit der Nabenachse 12 des Nabenkörpers 11 des Turbinenlaufrads 10 übereinstimmt und die Axialrichtung AR vorgibt, wobei die Drehrichtung DR konstruktiv und funktionell vorgegeben ist und in den Figuren durchgängig dem Uhrzeiger-Drehsinn entspricht. Das Turbinenlaufrad 10 ist mittels seines Wellensockels 16.2 mit der Rotorwelle 41 drehfest verbunden.The 1 shows a schematically simplified representation of an embodiment of a turbine impeller according to the invention 10 an exhaust turbine 61 of an exhaust gas turbocharger according to the invention 50 (please refer 6 ) How out 6 can be seen is the turbine runner 10 in the turbine housing 62 of the exhaust gas turbocharger 50 arranged and non-rotatably with one in the storage unit 40 rotatable rotor shaft 41 connected. The turbine runner 10 rotates when the exhaust gas turbocharger is in operation 50 around a rotor shaft axis of rotation that coincides with the hub axis 12 of the hub body 11 of the turbine runner 10 corresponds and the axial direction AR specifies, the direction of rotation DR being structurally and functionally specified and corresponding throughout the figures to the clockwise direction of rotation. The turbine runner 10 is by means of its shaft base 16.2 with the rotor shaft 41 non-rotatably connected.

Wie in den in 1 und 2 gezeigten Schnittdarstellungen in Zusammenschau erkennbar ist, weist ein erfindungsgemäßes Turbinenlaufrad 10 einen Nabenkörper 11 mit einer Nabenachse 12, einem Naben-Basisumfang 19 und einer Naben-Mantelfläche 13, sowie eine Mehrzahl von auf der Naben-Mantelfläche 13 angeordneten Laufradschaufeln 20 auf. Der Nabenkörper 11 erstreckt sich entlang einer Axialrichtung AR der Nabenachse 12 von einem Nabenrücken 16 bis zu einem Nabenstumpf 17 und der Naben-Basisumfang 19 nimmt, ausgehend vom Nabenstumpf 17 bis zum Nabenrücken 16 in Axialrichtung AR zu. Der äußere Rand des Nabenrückens 16 bildet dabei die Nabenkörper-Eintrittskante 16.1, der in Bezug auf das dynamische Verhalten des Turbinenlaufrads 10 besondere Bedeutung zukommt, da sich eine in diesem nabenachsenfernen Bereich mögliche Materialeinsparung in erhöhtem Maße auf die Trägheit des Turbinenlaufrads 10 auswirkt.As in the in 1 and 2 The sectional views shown in synopsis can be seen, has a turbine impeller according to the invention 10 a hub body 11 with a hub axle 12 , a basic hub circumference 19th and a hub surface 13 , and a plurality of on the hub surface 13 arranged impeller blades 20th on. The hub body 11 extends along an axial direction AR of the hub axis 12 from a hub back 16 up to a hub stub 17th and the hub base circumference 19th takes, starting from the hub stub 17th to the back of the hub 16 in the axial direction AR to. The outer edge of the back of the hub 16 forms the leading edge of the hub body 16.1 that relates to the dynamic behavior of the turbine runner 10 is of particular importance, since a possible material saving in this area remote from the hub axle has an increased effect on the inertia of the turbine runner 10 affects.

Dabei sind die Laufradschaufeln 20 über den Naben-Basisumfang 19 verteilt auf der Naben-Mantelfläche 13 angeordnet und in einem jeweiligen Schaufelfußbereich 23 mit dem Nabenkörper 11 verbunden.Here are the impeller blades 20th about the basic hub circumference 19th distributed on the hub surface 13 arranged and in a respective blade root area 23 with the hub body 11 connected.

Die konstruktiven, geometrischen Merkmale, die das Zusammenwirken zwischen Nabenkörper 11 und den Laufradschaufeln 20, also den Kern des Erfindungsgemäßen Gegenstandes definieren, sind in den Darstellungen von 2 bis 5, aus Gründen der Übersichtlichkeit, jeweils nur im Bereich einer Laufradschaufel 20 dargestellt.The constructive, geometric features that make the interaction between hub bodies 11 and the impeller blades 20th , so define the core of the inventive subject matter, are in the representations of 2 to 5 , for reasons of clarity, only in the area of one impeller blade 20th shown.

Die Laufradschaufeln 20 können dabei gleichmäßig, also in äquidistantem Abstand zueinander oder auch in wechselnden oder ungleichmäßigen Abständen zueinander über den Naben-Basisumfang 19 verteilt angeordnet sein, wobei sich die Laufradschaufeln 20 vom Nabenrücken 16 weg in Richtung auf den Nabenstumpf 17 zu, und überwiegend in Radialrichtung RR vom Nabenkörper 11 weg erstrecken. Dadurch ist, jeweils zwischen einer Laufradschaufel-Rückseite 22 einer, in Bezug auf die Drehrichtung DR des Turbinenlaufrads 10, vorausgehenden Laufradschaufel 20 und einer Laufradschaufel-Vorderseite 21 einer benachbart angeordneten, in Bezug auf die Drehrichtung DR nachfolgenden Laufradschaufel 20 ein Fluidkanal ausgebildet, der nach radial innen durch ein jeweiliges Nabenmantel-Kreissegment 18 der Naben-Mantelfläche 13 begrenzt ist.The impeller blades 20th can be evenly, i.e. equidistantly spaced from one another or also at alternating or non-uniform spacings from one another over the hub base circumference 19th be arranged distributed, the impeller blades 20th from the back of the hub 16 away towards on the hub stub 17th to, and predominantly in the radial direction RR from the hub body 11 extend away. As a result, there is in each case between an impeller blade rear side 22nd one, in relation to the direction of rotation DR of the turbine runner 10 , leading impeller blade 20th and an impeller blade face 21st an adjacently arranged impeller blade following in relation to the direction of rotation DR 20th a fluid channel is formed, the radially inward through a respective hub shell circular segment 18th the hub surface 13 is limited.

Zur weiteren Beschreibung der Geometrie wird nun zunächst ein Schaufelfußzentrum PZ definiert, wobei, in einer jeweiligen Schnittebene A - A senkrecht zur Nabenachse 12 betrachtet, das jeweilige Schaufelfußzentrum PZ des Schaufelfußbereichs 23 definiert ist, durch einen Schnittpunkt einer Skelettlinie 25 der jeweiligen Laufradschaufel 20 mit einer den jeweiligen Naben-Basisumfang 19 definierenden Naben-Basiskreislinie 19.1.For a further description of the geometry, a blade root center is now first of all PZ defined, wherein, in a respective sectional plane A - A perpendicular to the hub axis 12 considered, the respective blade root center PZ of the blade root area 23 is defined by an intersection of a skeleton line 25th of the respective impeller blade 20th with the respective hub basic circumference 19th defining hub base circle 19.1 .

In der jeweiligen Schnittebene A - A verläuft eine jeweilige Nabenmantel-Kreissegmentlinie 18.1 des Nabenmantel-Kreissegments 18, um einen Segment-Drehpunkt PD, um einen bestimmten Segment-Drehwinkel WD nach radial außen geschwenkt, auf die nachfolgende Laufradschaufel 20 zu, wobei der Segment-Drehpunkt, in der Umgebung des Schaufelfußzentrums PZ der jeweiligen vorausgehenden Laufradschaufel 20, auf der genannten Naben-Basiskreislinie 19.1 liegt. Um dies besser kenntlich zu machen, sind in den 2 bis 5 die betreffenden Kreissegmente des Nabenkörpers 11, die die Nabenmantel-Kreissegmente 18 bilden, schraffiert gekennzeichnet und als Ganzes um den Segment-Drehpunkt PD gedreht eingezeichnet.In the respective sectional plane A - A, a respective hub shell circle segment line runs 18.1 of the hub shell circle segment 18th to a segment pivot point PD to a specific segment rotation angle WD swiveled radially outwards onto the following impeller blade 20th to, where the segment pivot point, in the vicinity of the blade root center PZ of the respective preceding impeller blade 20th , on the mentioned hub base circle 19.1 lies. To make this easier to identify, the 2 to 5 the relevant circular segments of the hub body 11 who have favourited the hub shell circle segments 18th form, marked hatched and as a whole around the segment pivot point PD shown rotated.

In Kombination mit dieser Anordnung der Nabenmantel-Kreissegmente 18 und dem entsprechenden Verlauf der jeweiligen Nabenmantel-Kreissegmentlinie 18.1, weist der Übergang zwischen der jeweiligen Nabenmantel-Kreissegmentlinie 18.1 der Naben-Mantelfläche 13 und einer jeweiligen Seitenflächen-Linie 21.1 der Laufradschaufel-Vorderseite 21 eine Vorderseiten-Verrundung 26 auf, die auf Basis der Methode der Zugdreiecke ausgebildet ist.In combination with this arrangement of the hub shell circle segments 18th and the corresponding course of the respective hub shell circle segment line 18.1 , shows the transition between the respective hub shell circle segment line 18.1 the hub surface 13 and a respective face line 21.1 the impeller blade front 21st a front fillet 26th which is formed on the basis of the method of tension triangles.

Eine vorteilhafte Ausführung des Turbinenlaufrads 10 ist dadurch gekennzeichnet, dass der Naben-Basisumfang 19 ausgehend vom Nabenstumpf 17 bis zum Nabenrücken 16 in Axialrichtung AR gemäß einer konkav verlaufenden Naben-Mantellinie 13.1, wie in 1 erkennbar ist, zunimmt. Dies ermöglicht einen verlustarmen Richtungswechsel des Abgasstromes, der beispielsweise in einer überwiegend radialen Zuströmrichtung ZSR in die zwischen den Laufradschaufeln 20 ausgebildeten Fluidkanäle eintritt und in einer überwiegend axialen Abströmrichtung ASR aus den Fluidkanälen austritt.An advantageous embodiment of the turbine runner 10 is characterized in that the hub base circumference 19th starting from the hub stub 17th to the back of the hub 16 in the axial direction AR according to a concave hub surface line 13.1 , as in 1 is recognizable, increases. This enables a low-loss change in direction of the exhaust gas flow, which, for example, flows into the between the impeller blades in a predominantly radial inflow direction ZSR 20th formed fluid channels enters and exits in a predominantly axial outflow direction ASR from the fluid channels.

Eine weitere Ausführung des Turbinenlaufrades 10 ist dadurch gekennzeichnet, dass die Naben-Mantelfläche 13, wie aus 1 ersichtlich, durch Ihre Neigung in Bezug auf die Nabenachse 12 im Bereich des Nabenrückens 16, also im Bereich der Nabenkörper-Eintrittskante 16.1, eine Zuströmrichtung ZSR für ein Abgas, in einem Zuströmwinkel W_ZS in einem Bereich von 85° bis 30° und vorzugsweise in einem Bereich zwischen 60° bis 40° in Bezug zur Axialrichtung AR der Nabenachse 12 definiert. Des Weiteren wird bei dieser Ausführung eine Abströmrichtung ASR für das Abgas im Bereich des Nabenstumpfs 17 in einem Abströmwinkel W_AS in einem Bereich von 15° bis 0° in Bezug zur Axialrichtung AR der Nabenachse 12 definiert. Bei dieser Gestaltung des Turbinenlaufrads 10 spricht man von einem sogenannten „Radial-Axial-Turbinenlaufrad“, das sich durch erhöhte Effizienz und ein verbessertes dynamisches Verhalten auszeichnet.Another version of the turbine runner 10 is characterized in that the hub surface 13 how out 1 can be seen by its inclination in relation to the hub axis 12 in the area of the back of the hub 16 , i.e. in the area of the hub body leading edge 16.1 , an inflow direction ZSR for an exhaust gas, at an inflow angle W_ZS in a range from 85 ° to 30 ° and preferably in a range between 60 ° to 40 ° in relation to the axial direction AR of the hub axis 12 Are defined. Furthermore, in this embodiment there is an outflow direction ASR for the exhaust gas in the area of the hub stump 17th in an outflow angle WHAT in a range from 15 ° to 0 ° in relation to the axial direction AR of the hub axis 12 Are defined. With this design of the turbine impeller 10 One speaks of a so-called "radial-axial turbine runner", which is characterized by increased efficiency and improved dynamic behavior.

Eine weitere Ausführung des erfindungsgemäßen Turbinenlaufrads 10 zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass der Segment-Drehwinkel WD, um den die Nabenmantel-Kreissegmentlinie 18.1 um den Segmentdrehpunkt PD gedreht ist, über die axiale Erstreckung des Nabenkörpers hinweg, in einem Bereich von 1° bis 20° liegt. Dabei kann der Segment-Drehwinkel WD über die gesamte axiale Erstreckung des Nabenkörpers 11 hinweg konstant sein. Der Segment-Drehwinkel WD kann aber auch über die axiale Erstreckung des Nabenkörpers 11 hinweg variieren. Dadurch kann auf lokale Spannungsspitzen reagiert werden und die strömungstechnischen Eigenschaften des Turbinenlaufrads können optimiert werden.Another embodiment of the turbine impeller according to the invention 10 is characterized in particular by the fact that the segment angle of rotation WD around which the hub shell circle segment line 18.1 around the segment pivot point PD is rotated, over the axial extent of the hub body away, in a range of 1 ° to 20 °. The segment angle of rotation can be WD over the entire axial extent of the hub body 11 be constant throughout. The segment rotation angle WD but can also over the axial extent of the hub body 11 vary across. This allows a reaction to local stress peaks and the fluidic properties of the turbine impeller can be optimized.

Ein Turbinenlaufrad 10 gemäß einer weiteren Ausführung ist dadurch gekennzeichnet, dass der jeweilige genannte Segment-Drehpunkt PD, um den die jeweiligen Kreis-Segment-Linie 18.1 der Naben-Mantelfläche 13 geschwenkt ist, in einem Drehpunkt-Winkelabstand W_PD zum Schaufelfußzentrum PZ der jeweils vorausgehenden Laufradschaufel 20 liegt, der maximal 20% des Winkelabstands zwischen dem Schaufelfußzentrum PZ der jeweiligen vorausgehenden Laufradschaufel 20 und dem Schaufelfußzentrum PZ der jeweiligen nachfolgenden Laufradschaufel 20 beträgt. Mit anderen Worten liegt der Segment-Drehpunkt PD auf der Naben-Basiskreislinie 19.1 in einem Drehpunkt-Winkelabstand W_PD zum Schaufelfußzentrum PZ der jeweiligen vorauseilenden Laufradschaufel, wobei der Drehpunkt-Winkelabstand W_PD in einem Bereich von 0% bis maximal 20% des Winkelabstands zweier aufeinanderfolgender Schaufelfußzentren PZ liegt. Das heißt, der Segment-Drehpunkt PD kann ggf. auch mit dem Schaufelfußzentrum PZ der vorauseilenden Laufradschaufel zusammenfallen. Des Weiteren kann sich der Drehpunkt-Winkelabstand W_PD über den Verlauf des Schaufelfußbereichs 23 entlang der Naben-Mantellinie 13.1 innerhalb des vorgegebenen Bereichs von 0% bis 20% ändern. Der Drehpunkt-Winkelabstand W_PD kann sich zum Beispiel entlang des Verlaufes des Schaufelfußbereichs 23 vom Nabenstumpf 17 zum Nabenrücken 16 so verkleinern, dass trotz des anwachsenden radialen Abstands des Schaufelfußzentrums PZ von der Nabenachse 12, der absolute Abstand des Segment-Drehpunkts PD vom Schaufelfußzentrum PZ gleich bleibt.A turbine runner 10 according to a further embodiment is characterized in that the respective segment pivot point mentioned PD to which the respective circle segment line 18.1 the hub surface 13 is pivoted at a pivot point angular distance W_PD to the blade root center PZ of the preceding impeller blade 20th which is a maximum of 20% of the angular distance between the blade root center PZ of the respective preceding impeller blade 20th and the blade root center PZ the respective subsequent impeller blade 20th amounts. In other words, the segment pivot point lies PD on the hub base circle 19.1 at a pivot point angular distance W_PD to the blade root center PZ of the respective leading impeller blade, where the pivot point angular distance W_PD in a range from 0% to a maximum of 20% of the angular distance between two successive blade root centers PZ lies. That is, the segment pivot point PD can possibly also with the blade root center PZ of the leading impeller blade collapse. Furthermore, the angular distance of the pivot point can change W_PD over the course of the blade root area 23 along the hub Surface line 13.1 change within the specified range from 0% to 20%. The pivot point angular distance W_PD can, for example, be along the course of the blade root area 23 from the hub stub 17th to the back of the hub 16 reduce so that despite the increasing radial distance from the blade root center PZ from the hub axle 12 , the absolute distance of the segment pivot point PD from the blade root center PZ remains the same.

Dies gewährleistet, dass der Kanalboden des Fluidkanals zwischen den jeweiligen Laufradschaufeln in ausreichendem Maß nach radial außen hin angehoben werden kann, um einen sanften Übergang zur Laufradschaufel hin zu gewährleisten, wobei sich entlang des Schaufelfußverlaufs ändernde spannungstechnische und strömungstechnische Bedingungen berücksichtigt werden können.This ensures that the channel bottom of the fluid channel between the respective impeller blades can be raised radially outward to a sufficient extent to ensure a smooth transition to the impeller blade, whereby stress-related and fluidic conditions that change along the blade root can be taken into account.

3 zeigt im Wesentlichen die gleiche Darstellung wie 2 und dient hauptsächlich der übersichtlicheren Darstellung bzw. Bezeichnung weiterer geometrischer Merkmale des Turbinenlaufrads. Wie also in 3 dargestellt, ist eine Ausführung des Turbinenlaufrad 10, in Fortführung des erfinderischen Gedankens, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorderseiten-Verrundung 26 des Übergangs zwischen der jeweiligen Nabenmantel-Kreissegmentlinie 18.1 der Naben-Mantelfläche 13 und einer jeweiligen Seitenflächen-Linie 21.1 der Laufradschaufel-Vorderseite 21 der jeweiligen Laufradschaufel 20, an einem Ansatzpunkt PVV beginnt. Dieser Ansatzpunkt PVV liegt in einem Ansatzpunkt-Winkelabstand W_PV zum Schaufelfußzentrum PZ der jeweiligen Laufradschaufel 20 auf der Nabenmantel-Kreissegmentlinie 18.1. Dieser Ansatzpunkt-Winkelabstand PVV beträgt 5% bis 50% des Winkelabstands zwischen dem Schaufelfußzentrum PZ der jeweiligen Laufradschaufel 20 und dem Schaufelfußzentrum PZ der jeweiligen vorausgehenden Laufradschaufel 20. 3 shows essentially the same representation as 2 and is mainly used for a clearer representation or designation of further geometric features of the turbine runner. So how in 3 Shown is a version of the turbine runner 10 , in continuation of the inventive concept, characterized in that the front-side rounding 26th the transition between the respective hub shell circle segment line 18.1 the hub surface 13 and a respective face line 21.1 the impeller blade front 21st of the respective impeller blade 20th , at a starting point PVV begins. This starting point PVV lies in a starting point angular distance W_PV to the blade root center PZ of the respective impeller blade 20th on the hub shell circle segment line 18.1 . This starting point angular distance PVV is 5% to 50% of the angular distance between the blade root center PZ of the respective impeller blade 20th and the blade root center PZ of the respective preceding impeller blade 20th .

Dies bedeutet jedoch nicht, dass der Ansatzpunkt-Winkelabstand W_PV über den gesamten Verlauf des Schaufelfußbereichs 23, von Nabenstumpf 17 hin zum Nabenrücken 16, gleichbleiben muss. Im Gegenteil dazu, ist eine weitere Ausführung des Turbinenlaufrads 10 dadurch gekennzeichnet, dass sich der Ansatzpunkt-Winkelabstand W_PV über den Verlauf des Schaufelfußbereichs 23 entlang der Naben-Mantelfläche 13 von Nabenstumpf 17 hin zum Nabenrücken 16 innerhalb des zuvor angegebenen vorgegebenen Bereichs ändert.However, this does not mean that the starting point angular distance W_PV over the entire course of the blade root area 23 , of hub stub 17th towards the back of the hub 16 , must remain the same. On the contrary, there is a further version of the turbine impeller 10 characterized in that the starting point angular distance W_PV over the course of the blade root area 23 along the hub surface 13 of hub stub 17th towards the back of the hub 16 changes within the predetermined range specified above.

Der Ansatzpunkt-Winkelabstand W_PV kann sich zum Beispiel entlang des Verlaufes des Schaufelfußbereichs 23 vom Nabenstumpf 17 zum Nabenrücken 16 so verkleinern, dass trotz des anwachsenden radialen Abstands des Schaufelfußzentrums PZ von der Nabenachse 12, der absolute Abstand des Ansatzpunktes PVV vom Schaufelfußzentrum PZ gleich bleibt, so dass sich über den gesamten oder zumindest einen Teil des Verlauf des Schaufelfußbereichs 23 auf der Naben-Mantelfläche 13 eine gleichbleibende Vorderseiten-Verrundung 26 ergibt.The starting point angular distance W_PV can, for example, be along the course of the blade root area 23 from the hub stub 17th to the back of the hub 16 reduce so that despite the increasing radial distance from the blade root center PZ from the hub axle 12 , the absolute distance of the starting point PVV from the blade root center PZ remains the same, so that over the entire or at least part of the course of the blade root area 23 on the hub surface 13 a constant front-side rounding 26th results.

In einer weiteren Ausführung des Turbinenlaufrads 10 kann sich der Ansatzpunkt-Winkelabstand W_PV über den Verlauf des Schaufelfußbereichs 23 entlang der Naben-Mantelfläche 13 von Nabenstumpf 17 hin zum Nabenrücken 16 innerhalb des oben vorgegebenen Bereichs zunächst verkleinern und dann wieder vergrößern.In another version of the turbine runner 10 can be the starting point angular distance W_PV over the course of the blade root area 23 along the hub surface 13 of hub stub 17th towards the back of the hub 16 First reduce and then enlarge again within the range specified above.

Unter Einhaltung der vorgenannten Bereichsgrenzen kann, durch entsprechende Variation des Ansatzpunkt-Winkelabstands W_PV, der Konturverlauf der Naben-Mantelfläche 13, am Grunde des Fluidkanals zwischen den Laufradschaufeln 20 und der Übergang zur Laufradschaufel-Vorderseite 21, an die jeweiligen örtlichen Spannungsbelastungen durch Fliehkraft und Temperaturunterschiede vorteilhaft angepasst werden.In compliance with the aforementioned range limits, it is possible to vary the starting point angular distance accordingly W_PV , the contour of the hub surface 13 , at the bottom of the fluid channel between the impeller blades 20th and the transition to the front of the impeller blade 21st , can be advantageously adapted to the respective local stress loads caused by centrifugal force and temperature differences.

Wie ebenfalls in 3 erkennbar ist kann eine weitere Ausführung des Turbinenlaufrads 10 dadurch gekennzeichnet sein, dass der Übergang zwischen der jeweiligen Nabenmantel-Kreissegmentlinie 18.1 der Naben-Mantelfläche 13 und einer jeweiligen Seitenflächen-Linie 22.1 der Laufradschaufel-Rückseite 22 einer jeweiligen Laufradschaufel 20, eine Rückseiten-Verrundung 27 aufweisen, die, wie auch die Vorderseiten-Verrundung 26, auf Basis der Methode der Zugdreiecke ausgebildet ist. Dabei endet die genannte Rückseiten-Verrundung 27, ausgehend von der Laufradschaufel-Rückseite 22, an einem Auslaufpunkt PRV, der in einem Auslaufpunkt-Winkelabstand W_PR zum Schaufelfußzentrum PZ der jeweiligen Laufradschaufel 20 auf der Nabenmantel-Kreissegmentlinie 18.1 liegt. Dabei beträgt der Auslaufpunkt-Winkelabstand W_PR zum Schaufelfußzentrum PZ 5% bis 35% des Winkelabstands zwischen dem Schaufelfußzentrum PZ der jeweiligen Laufradschaufel 20 und dem Schaufelfußzentrum PZ der jeweiligen nachfolgenden Laufradschaufel 20. Dies ermöglicht auch auf der Laufradschaufel-Rückseite 22 einen spannungsarmen Übergang von der Laufradschaufel 20 auf den Nabenkörper 11 und steigert so die Belastbarkeit des Turbinenlaufrades 10 zusätzlich.As in 3 a further version of the turbine wheel can be seen 10 be characterized in that the transition between the respective hub shell circle segment line 18.1 the hub surface 13 and a respective face line 22.1 the rear of the impeller blade 22nd a respective impeller blade 20th , a back fillet 27 have, as well as the front rounding 26th , is based on the method of tension triangles. The aforementioned rounding of the back ends 27 , starting from the rear of the impeller blade 22nd , at a run-out point PRV, which is at a run-out point angular distance W_PR to the blade root center PZ of the respective impeller blade 20th on the hub shell circle segment line 18.1 lies. The angular distance of the exit point is W_PR to the blade root center PZ 5% to 35% of the angular distance between the blade root center PZ of the respective impeller blade 20th and the blade root center PZ the respective subsequent impeller blade 20th . This is also possible on the rear of the impeller blade 22nd a stress-relieved transition from the impeller blade 20th on the hub body 11 and thus increases the load capacity of the turbine runner 10 additionally.

In Fortführung des vorausgehenden Gedankens ist eine weitere Ausführung des Turbinenlaufrads 10, wie vorausgehend beschrieben, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Auslaufpunkt-Winkelabstand W_PR über den Verlauf des Schaufelfußbereichs 23 entlang der Naben-Mantelfläche 13 von Nabenstumpf 17 hin zum Nabenrücken 16 innerhalb des vorgegebenen Bereichs von 5% bis 35% des Winkelabstandes zweier aufeinanderfolgender Schaufelfußzentren PZ ändert.A continuation of the previous idea is a further version of the turbine runner 10 , as described above, characterized in that the exit point angular distance W_PR over the course of the blade root area 23 along the hub surface 13 of hub stub 17th towards the back of the hub 16 within the specified range of 5% to 35% of the angular distance between two successive blade root centers PZ changes.

Auch diese Maßnahme trägt ergänzend dazu bei, dass der Konturverlauf der Naben-Mantelfläche 13, am Grunde des Fluidkanals zwischen den Laufradschaufeln 20 und der Übergang zur Laufradschaufel-Rückseite 21 an die jeweiligen örtlichen Spannungsbelastungen durch Fliehkraft und Temperaturunterschiede ergänzend vorteilhaft angepasst werden kann.This measure also contributes to the fact that the contour of the hub shell surface 13 , at the bottom of the fluid channel between the impeller blades 20th and the transition to the rear of the impeller blade 21st can also be advantageously adapted to the respective local stresses caused by centrifugal force and temperature differences.

In weiterer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Turbinenlaufrads 10, das in 4, in Anlehnung an die Darstellungen der 2 und 3, in einem Ausschnitt anhand dreier aufeinanderfolgender Laufradschaufeln dargestellt ist, ist die Skelettlinie 25 der jeweiligen Laufradschaufel 20, in einer jeweiligen Schnittebene senkrecht zur Nabenachse 12 betrachtet, zumindest über einen Teil der Erstreckung der Laufradschaufel 20 in Axialrichtung AR, im Schaufelfußzentrum PZ, um einen bestimmten Schaufel-Neigungswinkel W_SN, entgegen der Drehrichtung DR des Turbinenlaufrads 10 geneigt angeordnet. Dabei kann der Neigungswinkel vorteilhaft zwischen 0° und 15°, in Bezug zur Radialrichtung RR, liegen. In weiterer Ausgestaltung dieser Ausführung kann sich der Schaufel-Neigungswinkel W_SN der Skelettlinie 25 der jeweiligen Laufradschaufel 20 über die Erstreckung der Laufradschaufel 20 in Axialrichtung AR der Nabenachse 12, innerhalb des angegebenen Bereichs ändern. Durch die Neigung der Laufradschaufeln 20, wie beschrieben, ergibt sich eine noch sanftere Vorderseiten-Verrundung 26, was sich zusätzlich positiv auf den Spannungsverlauf im Schaufelfußbereich 23 auswirkt.In a further embodiment of the turbine impeller according to the invention 10 , this in 4th , based on the representations of 2 and 3 , is shown in a section using three consecutive impeller blades, is the skeleton line 25th of the respective impeller blade 20th , in a respective sectional plane perpendicular to the hub axis 12 considered, at least over part of the extension of the impeller blade 20th in the axial direction AR, in the blade root center PZ to a certain blade inclination angle W_SN , against the direction of rotation DR of the turbine impeller 10 arranged inclined. The angle of inclination can advantageously be between 0 ° and 15 ° in relation to the radial direction RR. In a further refinement of this embodiment, the blade inclination angle W_SN the skeleton line 25th of the respective impeller blade 20th over the extension of the impeller blade 20th in the axial direction AR of the hub axis 12 , change within the specified range. Due to the inclination of the impeller blades 20th , as described, results in an even smoother rounding of the front side 26th which has an additional positive effect on the stress curve in the blade root area 23 affects.

Bei einer weiteren Ausführung eines erfindungsgemäßen Turbinenlaufrads 10, die in 5 in Anlehnung an die Darstellungen der 4 dargestellt ist, weist die Skelettlinie 25 der jeweiligen Laufradschaufel 20, in einer jeweiligen Schnittebene senkrecht zur Nabenachse 12 betrachtet, zumindest über einen Teil der Erstreckung der Laufradschaufel 20 in Axialrichtung AR, eine Schaufel-Krümmung 28 entgegen der Drehrichtung des Turbinenlaufrads 10 auf. Somit weist also die Laufradschaufel an sich eine entsprechende Schaufel-Krümmung 28 auf. In weiterer Ausgestaltung der vorgenannten Ausführung des Turbinenlaufrads kann vorgesehen sein, dass sich die Krümmung der Skelettlinie 25 der jeweiligen Laufradschaufel 20 über den Verlauf der Laufradschaufel in Axialrichtung AR ändert.In a further embodiment of a turbine impeller according to the invention 10 , in the 5 based on the representations of 4th is shown, has the skeleton line 25th of the respective impeller blade 20th , in a respective sectional plane perpendicular to the hub axis 12 considered, at least over part of the extension of the impeller blade 20th in the axial direction AR, a blade curvature 28 against the direction of rotation of the turbine wheel 10 on. Thus, the impeller blade per se has a corresponding blade curvature 28 on. In a further refinement of the aforementioned embodiment of the turbine runner, it can be provided that the curvature of the skeleton line changes 25th of the respective impeller blade 20th changes over the course of the impeller blade in the axial direction AR.

Durch Laufradschaufel-Krümmung 28 wie beschrieben kann positiver Einfluss genommen werden auf die Strömungsverhältnisse in den Fluidkanälen zwischen den Laufradschaufeln 20 und somit auf den Wirkungsgrad der Abgasturbine.Due to the curvature of the impeller blade 28 As described, a positive influence can be exerted on the flow conditions in the fluid channels between the impeller blades 20th and thus on the efficiency of the exhaust gas turbine.

5 zeigt gar eine Ausführung eines erfindungsgemäßen Turbinenlaufrads, die eine Kombination aus einer Neigung der Laufradschaufeln 20 um einen Schaufel-Neigungswinkel W_SN und einer Schaufel-Krümmung 28, wie zuvor beschrieben, aufweist. 5 shows an embodiment of a turbine impeller according to the invention, which is a combination of an inclination of the impeller blades 20th by a blade pitch angle W_SN and a blade curvature 28 as previously described.

6 zeigt schließlich eine Ausführung eines erfindungsgemäßen Abgasturbolader 50 in schematisch vereinfachter Darstellung. Dieser Abgasturbolader 50 weist ein Verdichtergehäuse 52 auf, in dem ein Verdichterlaufrad 53 an einem Ende einer Rotorwelle 41 angeordnet ist. Das Verdichtergehäuse 52 hat einen Verdichtereinlass 54, über den Frischluft L angesaugt wird, und einen Verdichterauslass 55, über den die verdichtete Frischluft L in den Luft-Ansaugtrakt eines Verbrennungsmotors einspeisbar ist. 6 finally shows an embodiment of an exhaust gas turbocharger according to the invention 50 in a schematically simplified representation. This exhaust gas turbocharger 50 has a compressor housing 52 on, in which a compressor impeller 53 at one end of a rotor shaft 41 is arranged. The compressor housing 52 has a compressor inlet 54 , through which fresh air L is drawn in, and a compressor outlet 55 , via which the compressed fresh air L can be fed into the air intake tract of an internal combustion engine.

Weiterhin weist der gezeigte Abgasturbolader 50 ein Turbinengehäuse 62 auf, in dem ein Turbinenlaufrad 10 an einem zweiten Ende der Rotorwelle 41 angeordnet ist. Das Turbinengehäuse 62 hat einen Turbineneinlass 64, über den ein Abgas A eines Verbrennungsmotors dem Turbinenlaufrad 10 zuführbar ist und einen Turbinenauslass 65, über den das Abgas A in eine Abgas-Abführanlage bzw. in eine Abgas-Nachbehandlungsanlage einspeisbar ist.Furthermore, the exhaust gas turbocharger shown 50 a turbine housing 62 on, in which a turbine runner 10 at a second end of the rotor shaft 41 is arranged. The turbine housing 62 has a turbine inlet 64 , via which an exhaust gas A from an internal combustion engine is sent to the turbine runner 10 can be fed and a turbine outlet 65 , via which the exhaust gas A can be fed into an exhaust gas discharge system or into an exhaust gas aftertreatment system.

Zwischen dem Verdichtergehäuse 52 und Turbinengehäuse 62 ist eine Lagereinheit 40 angeordnet, die zur Drehlagerung der Rotorwelle 41 vorgesehen ist. Erfindungsgemäß zeichnet sich der beschriebene Abgasturbolader 50 dadurch aus, dass das Turbinenlaufrad 10 die Merkmale gemäß einer der vorausgehend beschriebenen Ausführungen aufweist.Between the compressor housing 52 and turbine housing 62 is a storage unit 40 arranged for the rotary bearing of the rotor shaft 41 is provided. The exhaust gas turbocharger described is distinguished according to the invention 50 characterized in that the turbine runner 10 has the features according to one of the embodiments described above.

Im Betrieb wird das Turbinenlaufrad 10 durch das einströmende Abgas A in Drehung um die mit der Nabenachse 12 übereinstimmende Rotordrehachse 41.1 versetzt und treibt über die Rotorwelle 41 das Verdichterlaufrad 53 an. Das Turbinenlaufrad 10 und das Verdichterlaufrad 53 drehen sich also zusammen mit der Rotorwelle 41 um die Rotordrehachse 41.1. Das dermaßen angetrieben Verdichterlaufrad 53 saugt Frischluft L durch den Verdichtereinlass 54 an, verdichtet diese im Verdichtergehäuse 52 und stößt die verdichtet Frischluft L durch den Verdichterauslass 55 in den Ansaugtrakt eines Verbrennungsmotors (nicht dargestellt) aus.In operation, the turbine runner 10 by the inflowing exhaust gas A in rotation around the hub axis 12 matching rotor axis of rotation 41.1 offset and drives over the rotor shaft 41 the compressor impeller 53 at. The turbine runner 10 and the compressor impeller 53 So rotate together with the rotor shaft 41 around the rotor axis of rotation 41.1 . The compressor impeller driven in this way 53 draws fresh air L through the compressor inlet 54 on, compresses it in the compressor housing 52 and pushes the compressed fresh air L through the compressor outlet 55 into the intake of an internal combustion engine (not shown).

Ein mit einem erfindungsgemäßen Turbinenlaufrad 10 ausgestatteter Abgasturbolader weist ein, gegenüber einem konventionellen Abgasturbolader, verbessertes dynamisches Verhalten bei erhöhter Lebensdauer und Standfestigkeit auf.One with a turbine wheel according to the invention 10 Compared to a conventional exhaust gas turbocharger, an exhaust gas turbocharger equipped with an exhaust gas turbocharger has improved dynamic behavior with increased service life and stability.

Es versteht sich, dass die genannten Merkmale der zuvor beschriebenen Ausführungen des Turbinenlaufrads 10, soweit sie sich nicht gegenseitig ausschließen und soweit sinnvoll auch an einem Turbinenlaufrad in Kombination zur Anwendung kommen können, auch wenn dies ggf. vorausgehend nicht explizit beschrieben ist. Ein solches Turbinenlaufrad 10 ist beispielsweise in 5, anhand eines Ausschnitts mit drei Laufradschaufeln dargestelltIt is understood that the features mentioned of the previously described embodiments of the turbine impeller 10 as long as they are not mutually exclusive and can also be used in combination on a turbine impeller, even if this may have been done beforehand is not explicitly described. Such a turbine runner 10 is for example in 5 , shown on the basis of a section with three impeller blades

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

DE 102010020307 A1 [0004]
DE 102015214854 A1 [0005]
US 2008232968 A1 [0006]
DE 19941134 C1 [0007]
DE 102012106810 A1 [0008]

Claims

Turbine impeller (10) of an exhaust gas turbine (61) of an exhaust gas turbocharger (50), which has a hub body (11) with a hub axis (12), a hub base circumference (19) and a hub outer surface (13) and a plurality of on the hub - having impeller blades (20) arranged on the outer surface (13), - the hub body (11) extending along an axial direction (AR) of the hub axis (12) from a hub back (16) to a hub stub (17) and the hub base circumference (19) starting from the hub stub (17) to the hub back (16) increases in the axial direction (AR); - The impeller blades (20) being distributed over the hub base circumference (19) on the hub shell surface (13) and being connected to the hub body (11) in a respective blade root region (23); - The impeller blades (20) extending away from the hub back (16) in the direction of the hub stub (17) and predominantly in the radial direction (RR) away from the hub body (11), whereby one between each impeller blade rear (22) in the direction of rotation (DR) of the turbine impeller (10) preceding impeller blade (20) and an impeller blade front side (21) of an adjacently arranged, subsequent impeller blade (20), a fluid channel is formed, which is formed radially inward through a respective hub shell segment (18) the hub shell surface (13) is delimited and wherein, viewed in a respective sectional plane perpendicular to the hub axis (12), a respective blade root center (PZ) of the blade root region (23) is defined by an intersection of a skeleton line (25) of the respective impeller blade ( 20) with a hub base circle (19.1) defining the respective hub base circumference (19); characterized in that - that in the respective cutting plane a respective hub shell circle segment line (18.1) of the hub shell circle segment (18) around one, in the vicinity of the blade root center (PZ) of the respective preceding impeller blade (20) on said hub base circle line (19.1 ) lying, segment pivot point (PD), pivoted radially outward by a certain segment angle of rotation (WD), towards the following impeller blade (20); - That the transition between the respective hub circle segment line (18.1) of the hub shell surface (13) and a respective side surface line (21.1) of the impeller blade front side (21) has a front side rounding (26) based on the Method of tension triangles is formed.

Turbine impeller (10) after Claim 1 , characterized in that, starting from the hub stub (17) to the hub back (16), the hub base circumference increases in the axial direction (AR) according to a concave hub surface line (13.1).

Turbine impeller (10) after Claim 1 or 2 , characterized in that the hub shell surface (13) due to its inclination in relation to the hub axis (12) in the area of the hub back (16) has an inflow direction (ZSR) for an exhaust gas, at an inflow angle (W_ZS) of 85 ° to 30 ° in relation to the axial direction (AR) of the hub axis (12) and an outflow direction (ASR) for the exhaust gas in the area of the hub stub (17) at an outflow angle (W_AS) of 15 ° to 0 ° in relation to the axial direction (AR) of the Defined hub axle (12).

Turbine rotor (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the segment angle of rotation (WD) over the axial extent of the hub body is in a range from 1 ° to 20 °.

Turbine rotor (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the respective said segment pivot point (PD) of the respective circular segment line (18.1) of the hub surface (13) at a pivot point angular distance (W_PD) to the blade root center (PZ) of the respective preceding impeller blade (20) is a maximum of 20% of the angular distance between the blade root center (PZ) of the respective preceding impeller blade (20) and the blade root center (PZ) of the respective following impeller blade (20).

Turbine runner (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the front-side rounding (26) of the transition between the respective hub shell circle segment line (18.1) of the hub shell surface (13) and a respective side surface line (21.1) of the impeller blade -Front side (21) of the respective impeller blade (20), begins at a starting point (PW) which lies at an angular distance from the starting point (W_PV) to the blade root center (PZ) of the respective impeller blade (20) on the hub jacket circular segment line (18.1), which amounts to 5% to 50% of the angular distance between the blade root center (PZ) of the respective impeller blade (20) and the blade root center (PZ) of the respective preceding impeller blade (20).

Turbine impeller (10) after Claim 6 , characterized in that the starting point angular distance (W_PV) changes over the course of the blade root region (23) along the hub shell surface (13) from the hub stub (17) to the hub back (16) within the specified range.

Turbine impeller (10) after Claim 7 , characterized in that the starting point angular distance (W_PV) extends over the course of the blade root region (23) along the hub shell surface (13) from the hub stub (17) to the hub back (16) within the specified range, first reduced and then enlarged again.

Turbine impeller (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the transition between the respective circular segment line (18.1) of the hub shell surface (13) and a respective side surface line (22.1) of the impeller blade rear side (22) of a respective impeller blade (20), a rear-side rounding (27) which is formed on the basis of the method of tension triangles, said rear-side rounding (27) ending at an outlet point (PRV) which is at an outlet point angular distance ( W_PR) to the blade root center (PZ) of the respective impeller blade (20) on the circular segment line (18.1), which is 5% to 35% of the angular distance between the blade root center (PZ) of the respective impeller blade (20) and the blade root center (PZ ) of the respective following impeller blade (20).

Turbine impeller (10) after Claim 9 , characterized in that the outlet point angular distance (W_PR) changes over the course of the blade root region (23) along the hub shell surface (13) from the hub stub (17) to the hub back (16) within the specified range.

Turbine rotor (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the camber line (25) of the respective rotor blade (20), viewed in a respective sectional plane perpendicular to the hub axis (12), at least over part of the extension of the rotor blade (20) in Axial direction (AR), in the blade root center (PZ), is inclined by a certain blade inclination angle (W_SN) between 0 ° and 15 ° in relation to the radial direction (RR), against the direction of rotation (DR) of the turbine impeller (10).

Turbine impeller (10) after Claim 11 , characterized in that the blade inclination angle (W_SN) of the camber line (25) of the respective impeller blade (20) changes over the extension of the impeller blade (20) in the axial direction (AR) of the hub axis (12).

Turbine rotor (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the camber line (25) of the respective rotor blade (20), viewed in a respective sectional plane perpendicular to the hub axis (12), at least over part of the extension of the rotor blade (20) in Axial direction (AR), a blade curvature opposite to the direction of rotation of the turbine impeller (10).

Turbine impeller (10) after Claim 13 , characterized in that the curvature of the skeleton line (25) of the respective impeller blade (20) changes over the course of the impeller blade in the axial direction (AR).

Exhaust gas turbocharger (50) - with a compressor housing (52) in which a compressor impeller (53) is arranged at one end of a rotor shaft (41), - with a turbine housing (62) in which a turbine impeller (10) is arranged at a second end of the Rotor shaft (41) is arranged and - with a bearing unit (40) arranged between the compressor housing (52) and turbine housing (62) for the rotary bearing of the rotor shaft (51), characterized in that the turbine runner (10) has the features according to one of the preceding claims .