DE10253299B4

DE10253299B4 - Laufrad

Info

Publication number: DE10253299B4
Application number: DE10253299A
Authority: DE
Inventors: Johann Dr. Krämer; Erwin Dipl.-Ing. Schmidt; Siegfried Dipl.-Ing. Sumser
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2002-11-15
Filing date: 2002-11-15
Publication date: 2004-09-30
Anticipated expiration: 2022-11-16
Also published as: DE10253299A1; EP1561038A1; US20060104816A1; US7431563B2; WO2004046559A1

Abstract

Laufrad (10), mit einem Grundkörper (12) und mit mindestens einer die Festigkeit des Laufrads (10) steigernden Stützstruktur (14), wobei die Stützstruktur (14) wenigstens teilweise innerhalb des Grundkörpers (12) integriert angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützstruktur (14) vorgespannt ist unter Ausbildung einer die Druckfestigkeit steigernden Zugvorspannung.

Description

Die Erfindung betrifft ein Laufrad, mit einem Grundkörper und mit mindestens einer die Festigkeit des Laufrads steigernden Stützstruktur, wobei die Stützstruktur wenigstens teilweise innerhalb des Grundkörpers integriert angeordnet ist, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Laufräder der eingangs genannten Art sind bekannt. Beispielsweise offenbart die DE 199 12 715 A1 ein Verdichterrad aus Aluminium, an dessen Nabe ein Stützring mit größerer spezifischer Festigkeit als Aluminium angeordnet ist. Der Stützring kann aus einem hochfesten Kunststoff, beispielsweise aus einem mit Endlosfasern verstärktem thermoplastischen Material gefertigt sein. Hierdurch werden die sich einstellenden Spannungen im Aluminium im Nabenbereich reduziert.

Ein Laufrad gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist aus der DE 197 08 825 C2 bekannt.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein gattungsgemäßes Laufrad vorzuschlagen, das durch eine erhöhte Festigkeit gekennzeichnet ist und gleichzeitig fertigungstechnisch verhältnismäßig einfach herstellbar ist.

Zur Lösung der Aufgabe wird ein Laufrad mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Das erfindungsgemäße Laufrad zeichnet sich dadurch aus, dass die Stützstruktur vorgespannt ist unter Ausbildung einer die Druckfestigkeit steigernden Zugvorspannung. Die erwünschte Zugvorspannung der Stützstruktur kann gegebenenfalls durch Ausnutzung der in Bezug auf den Grundköperwerkstoff des Laufrads unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten während des Gießvorgangs erzielt werden. Ferner ist möglich, entsprechende Zugvorspannungen noch vor dem eigentlichen Gießvorgang mittels einer externen Zugvorspannkraft in der Stützstruktur des Laufrads aufzubauen.

Dabei ist es möglich, die Festigkeit des Laufrads derart zu erhöhen, dass sie an die jeweils vorliegenden bzw. während des Betriebs zu erwartenden Laufradbeanspruchungen angepasst ist. Somit kann die Festigkeit insbesondere in beanspruchungsintensiven Bereichen des Laufrads gesteigert werden, sodass der Grundkörper insbesondere in diesen Bereichen betriebsgünstigere Eigenschaften aufweist. Dabei ist eine In tegration einer geeigneten Stützstruktur im Grundkörper des Laufrads fertigungstechnisch relativ einfach realisierbar. Beispielsweise kann die Stützstruktur wenigstens teilweise im Grundköper eingegossen sein. Hierzu eignet sich beispielsweise das Wachsausschmelzverfahren (Feingießverfahren), mittels welchem eine geeignete Stützstruktur in einem Laufrad-Wachsmodell integriert wird, wobei das Laufrad-Wachsmodell beim eigentlichen Gießvorgang des Laufrads ausgeschmolzen wird und die Stützstruktur im Lauf radmaterial insbesondere lagedefiniert verbleibt. Ein derartiges Laufrad-Herstellungsverfahren erlaubt eine flexible Stützstrukturanordnung im Grundkörper, wobei gegebenenfalls auch unterschiedliche Stützstrukturen zum Einsatz kommen können.

Mit Vorteil weist der Grundkörper einen Nabenanteil und einen Schaufelanteil auf, wobei die Stützstruktur im Nabenanteil und/oder im Schaufelanteil angeordnet ist. Hierdurch kann die Laufrad-Festigkeit insgesamt erhöht werden, wobei gleichzeitig festigkeitskritische Bereiche des Laufrads besonders effektiv mittels der Stützstruktur verstärkt werden können.

Entsprechend einer möglichen Ausführungsform kann die Stützstruktur als vorgefertigtes Stützelement ausgebildet sein. Beispielsweise kann das Stützelement ein Verstärkungsrohr sein, das in dem Nabenanteil des Laufrads integriert angeordnet ist. Ein derartiges Stützelement ist fertigungstechnisch verhältnismäßig einfach in einen zu gießenden Laufrad-Grundkörper integrierbar. Dabei können je nach Einsatzgebiet des Laufrads geometrie- und/oder festigkeitsunterschiedliche Stützelemente gegebenenfalls auch in einem einzigen Laufrad vorgesehen sein. Im Falle eines Verstärkungsrohres kann dessen innere Rohrfläche die Nabenbohrungsfläche des Laufrads vollständig oder teilweise bilden. Ferner kann das Stützelement aus dem gleichen Grundwerkstoff des Laufrads oder auch aus einem andersartigen Grundwerkstoff hergestellt sein, wobei die Stützstruktur wenigstens teilweise integriert im Grundwerkstoff angeordnet ist.

Die Stützstruktur weist vorzugsweise ein Einlagerungsnetz auf. Dabei kann das Einlagerungsnetz eine konstante und/oder an die jeweilige Laufradgeometrie angepasste Netzweite enthalten. Ferner ist es möglich, dass das Einlagerungsnetz eine Mehrzahl an sich in Bezug auf das Laufrad in Radialrichtung und/oder in axial Richtung und/oder in Umfangsrichtung erstreckenden Netzanteilen enthält. Mittels der unterschiedlichen Netzanteile ist es möglich, einen dreidimensional im Laufrad auftretenden Beanspruchungszustand derart auszugleichen, dass unerwünschte Laufradverformungen und/oder -beschädigungen vermieden werden. Das Einlagerungsnetz kann auch als sich spiralenförmig von innen nach außen erstreckende Skelettlinie ausgebildet sein.

Das Einlagerungsnetz kann wenigstens teilweise unmittelbar unterhalb der Oberfläche des Grundkörpers und/oder wenigstens teilweise an der Oberfläche des Grundkörpers angeordnet sein. Hierdurch kann die Festigkeit an der freien Oberfläche des Grundkörpers beanspruchungsgünstig festgelegt werden. Darüber hinaus ist es möglich, mittels der an der freien Oberfläche des Grundkörpers liegenden Einlagerungsnetzanteile die Verschleißeigenschaften des Laufrads zu optimieren. Auch kann gegebenenfalls wenigstens ein Teil der freien Oberfläche des Laufrads mit einem hochfesten Stützstrukturmaterial beschichtet sein. Ferner ist es möglich, mittels einer sich an den Strömungsflächen des Laufrads erstreckenden Stützstruktur, beispielsweise in Form eines Netzes, beim Laufradbetrieb eine gezielte Betriebsmittel-Turbulenzbildung zu begünstigen, wodurch gegebenenfalls der thermodynamische Laufradwirkungsgrad verbessert werden kann.

Entsprechend einer möglichen Ausführungsvariante kann die Stützstruktur zusätzlich einen in Bezug auf den Grundkörper vollständig extern angeordneten und an selbigem fixierten Stützanteil aufweisen. Hierdurch werden weitere Möglichkeiten zur flexiblen Festigkeitssteigerung des Laufrads geschaffen.

Dabei kann der Stützanteil gegebenenfalls auch mit einer Stützstruktur versehen sein.

Mit Vorteil ist der externe Stützanteil als ein wenigstens teilweise die Schaufelgeometrie nachbildendes Versteifungselement mit einer Einlagerungsstruktur versehen. Dabei ist auch hier die Einlagerungsstruktur zumindest teilweise im Versteifungselement integriert. Derartige Versteifungselemente lassen sich gießtechnisch verhältnismäßig einfach herstellen. Ferner können der Grundkörper des Laufrads und das Versteifungselement gegebenenfalls aus unterschiedlichen Materialien hergestellt sein.

Gemäß einer alternativen Ausführungsform ist der externe Stützanteil als hochfeste Bandagierungseinheit ausgebildet. Auch hierdurch wird eine flexible Festigkeitsanpassung des Laufrads an die in dessen Betrieb zu erwartenden Beanspruchungen ermöglicht.

Alternativ oder zusätzlich kann die Stützstruktur eine Mehrzahl an frei im Grundkörper verteilten Verstärkungsfasern aufweisen. Derartige Verstärkungsfasern sind somit nicht miteinander verbunden und können gleichförmig verteilt oder bereichsweise in unterschiedlicher Konzentration im Grundkörper des Laufrads angeordnet sein. Sie sind vorzugsweise aus einem hochfesten Material hergestellt.

Mit Vorteil enthält die Stützstruktur hochfeste Metallfasern und/oder Kohlefasern und/oder Glasfasern. Derartige Fasern eignen sich besonders als Verstärkungsmaterial zur Erzielung von flexibel an zu erwartende Laufradbeanspruchungen anpassbaren Festigkeitssteigerungen im Laufrad.

Der Grundkörper ist vorzugsweise aus Aluminium als Basismaterial hergestellt. Aluminium ist ein bewährter und im Vergleich zu hochfestem Titan ein verhältnismäßig kostengünstiger Werkstoff zur Herstellung von Laufrädern.

Das Laufrad kann ein Verdichterrad und insbesondere ein Abgasturbolader-Verdichterrad eines Kraftfahrzeugs sein. An derartige Laufräder werden aufgrund der stetig steigenden Motorleistungen der Kraftfahrzeuge entsprechende erhöhte Festigkeitsanforderungen insbesondere im Bereich der Nabe gestellt, welche nun relativ kostengünstig erfüllt werden können.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung.

Die Erfindung wird anhand mehrerer bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf eine schematische Zeichnung erläutert. Dabei zeigen:
1 eine schematische Schnittdarstellung eines Teils eines erfindungsgemäßen Laufrads;
2 eine schematische Draufsicht auf einen Teil des Schaufelbereichs des Laufrads der 1;
3 eine schematische Seitenansicht eines Teils des Laufrads der 2;
4 eine schematische Schnittdarstellung eines Teils eines erfindungsgemäßen Laufrads entsprechend einer alternativen Ausführungsform und
5 eine schematische Schnittdarstellung eines Stützelements für ein erfindungsgemäßes Laufrad.
Die 1 bis 3 zeigen in unterschiedlichen schematischen Ansichten ein teilweise dargestelltes Laufrad 10 entsprechend einer ersten Ausführungsform. Bei dem Laufrad 10 handelt es sich um eine sogenannte „Splitterschaufel". Das Laufrad 10 enthält einen Grundkörper 12, der einen Nabenanteil 16 und einen Schaufelanteil 18 aufweist. Sowohl der Nabenanteil 16 als auch der Schaufelanteil 18 ist mit einer Stützstruktur 14 versehen. Das Einlagerungsnetz 24 weist im Nabenanteil 16 und im Schaufelanteil 18 voneinander unterschiedliche Netzstrukturen beziehungsweise Netzweiten auf. Auch sind in unterschiedlichen Bereichen des Nabenanteils 16 beziehungsweise des Schaufelanteils 18 an die jeweilige Belastung des Laufrads 10 angepasste Netzstrukturierungen vorgesehen. Das Einlagerungsnetz 24 enthält sowohl im Nabenanteil 16 als auch im Schaufelanteil 18 Netzanteile 26, die sich in Radialrichtung, ferner Netzanteile 28, die sich in Axialrichtung sowie Netzanteile 30, die sich in Umfangsrichtung erstrecken. Dabei erstreckt sich das Einlagerungsnetz 24 über den gesamten Grundkörper 12 des Laufrads 10 bis zu dessen freien Oberfläche 31.
Das Laufrad 10 der 1 ist mit einer Laufradschaufel dargestellt, die in einer Meridionalebene gedreht ist. Das Einlagerungsnetz 24 im Schaufelanteil 18 ist in einer definierten Skelettebene im Inneren der dargestellten Schaufel angeordnet und erfüllt die Funktion einer Tragkonstruktion für den Grundwerkstoff. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind sowohl im Nabenanteil 16 als auch im Schaufelanteil 18 die axial, radial und in Umfangsrichtung orientierten Netzanteile bzw. Skelettfäden an Knotenstellen miteinander verknüpft. Das gesamte Laufrad 10 kann beispielsweise aus herkömmlicher Alu minium-Legierung als Grundkörpermaterial (Basismaterial) gegossen sein. Die Schaufeln des Laufrads 10 sind gemäß 3 rückwärts gekrümmt. Zur Verdeutlichung der Laufradgeometrie sind in den 1 bis 3 ferner die Drehachse 40, die Nabenbohrung 42, der Splitterschaufeleintritt 46 und der Radaustritt 48 (siehe insbesondere 1 und 2) dargestellt.
4 zeigt ein Laufrad 10, das zu demjenigen der 1 bis 3 ähnlich ausgebildet ist. Im Unterschied zum dem Ausführungsbeispiel der 1 bis 3 ist das Laufrad 10 der 4 zusätzlich mit einem externen Stützanteil 32 versehen, der als ein die Schaufelgeometrie des Laufrads 10 nachbildendes Versteifungselement 34 ausgebildet ist. Der Stützanteil 32 ist extern am Schaufelanteil 18 mit dem Grundkörper 12 des Laufrads 10 fest verbunden. Dabei ist das Versteifungselement 34 mit einer Einlagerungsstruktur 36 versehen, die ebenfalls als sich dreidimensional erstreckendes Einlagerungsnetz ausgebildet ist. Der als Deckring ausgebildete Stützanteil 32 steht beispielsweise als Integralgußteil mit den jeweiligen Schaufeln des Laufrads 10 in Verbindung. Der externe Stützanteil 32 kann gegebenenfalls auch gemäß einer alternativen Ausführungsform als hochfeste Bandagierungseinheit ausgebildet sein. Der weitere strukturelle Aufbau des Laufrads 10 der 4 entspricht demjenigen gemäß den 1 bis 3.
5 zeigt schematisch ein in ein Laufrad integrierbares Stützelement 20, das als Verstärkungsrohr 22 ausgebildet ist. Das Stützelement 20 ist zur Einlagerung im Nabenanteil 16 eines Laufrads vorgesehen, wobei seine Innenwand 44 wenigstens teilweise die Wandung einer Nabenbohrung des Laufrads (beispielsweise die Nabenbohrung 42 des Laufrads 10) bildet. Das Verstärkungsrohr 22 ist mit im Grundwerkstoff eingelagerten Verstärkungsfasern 38 versehen. Die Verstärkungsfasern 38 sind hier nicht miteinander verbunden, sondern liegen ungeordnet verteilt im Verstärkungsrohrgrundmaterial. Das Stützelement 20 kann beispielsweise als sogenannte „Preform" vor gefertigt werden, um anschließend in eine Gießform zur Herstellung eines Laufrads lagedefiniert eingelegt zu werden. Bei einem Laufrad mit Verstärkungsrohr 22 entspricht die Verstärkungsrohrachse 22 der Drehachse 40 des Laufrads. Ein derartig ausgebildetes Laufrad 10, das gegebenenfalls zusätzlich oder alternativ mit mindestens einem Stützelement 20 versehen sein.
Die obengenannten Konstruktionsmerkmale eignen sich besonders zur Herstellung eines Verdichterrads und insbesondere eines Abgasturbolader-Verdichterrads für ein Kraftfahrzeug. Als Basismaterial des Grundkörpers 12 eignet sich zum Beispiel Aluminium, während die Stützstruktur 14 aus hochfesten Metallfasern oder Kohlefasern oder Glasfasern bestehen kann. Durch den Einsatz einer wenigstens teilweise innerhalb des Grundkörpers 12 integriert angeordneten Stützstruktur 14 lassen sich insbesondere im Falle eines Abgasturbolader-Verdichterrads mögliche Nabenbrüche auch bei extrem hohen Laufradbelastungen verhindern oder zumindest maßgeblich reduzieren. Aufgrund der vielfältigen strukturellen Ausgestaltbarkeit der Stützstruktur 14 ist es nun verhältnismäßig kostengünstig möglich, die Festigkeit des Laufrads 10 in insbesondere radialer Richtung deutlich zu steigern. Somit ist es nicht notwendig, auf verhältnismäßig teure Werkstoffe, wie z.B. Titan, zurückgreifen zu müssen, um ein hinreichend betriebsfestes Laufrad zu erhalten. Fertigungstechnisch kann die als hochfestes Tragskelett wirkende Stützstruktur 14 in Form eines Einlagerungsnetzes 24 beim Gießprozess des Laufrads relativ einfach in selbigem verankert werden, sodass es nun möglich ist, die Tragfähigkeit des Laufrads 10 gezielt in den Bereichen zu verstärken, in welchen üblicherweise die höchsten Betriebsspannungen zu erwarten sind. Die Betriebsbeanspruchungen des Laufrads 10 werden von der Stützstruktur 14 aufgrund ihrer verhältnismäßig hohen Festigkeit in Verbindung mit dem Grundwerkstoff (zum Beispiel Aluminium) des Laufrads 10 aufgenommen. Hierbei können insbesondere auf das Laufrad 10 einwirkende Zugbeanspruchungen betriebsgünstig kompensiert werden. Durch Anordnung des Einlagerungsnetzes 24 in einem oberflächennahen Bereich des Laufrads 10 kann die Stützstruktur 14 die im Laufrad 10 auftretenden Betriebsfliehkraftbeanspruchungen fangnetzartig unter Ausbildung von Zugspannungen aufnehmen. Gegebenenfalls ist es sogar möglich, die Stützstruktur 14 im Grundkörper 12 ähnlich dem „Spannbetonprinzip" unter Zugvorspannungen zu setzen, sodass bei Auftreten einer Druckbeanspruchung des Grundkörpers 12 diese wenigstens teilweise durch die Zugvorspannungen kompensiert werden. Somit treten dank der vorgespannten Stützstruktur 14 erst ab einer bestimmten Betriebsdrehzahl des Laufrads 10 ein größenreduzierter Zugspannungszustand im Grundkörper 12 auf.
Aufgrund der unterschiedlichen Materialeigenschaften, insbesondere hinsichtlich der Festigkeit des Grundkörperwerkstoffs und des Stützstrukturwerkstoffs können sich erwünschte Dämpfungseigenschaften des Laufrads und insbesondere des Schaufelanteils ergeben. Hierdurch können im Laufradbetrieb auftretende Resonanz-Beanspruchungen ohne Schäden ertragen werden.
Die hochfesten Materialeigenschaften der Stützstruktur und insbesondere das verhältnismäßig hohe E-Modul des Stützstrukturmaterials ermöglicht es, die Wärmeausdehnung des Laufrads während dessen Betriebs gezielt zu reduzieren beziehungsweise zu begrenzen, sodass auch unter Berücksichtigung der sich bei Laufradbetrieb einstellenden Fliehkräfte ein relativ enges Laufrad-Einbauspaltmaß präzise eingehalten werden kann. Dies ist insbesondere bei Abgasturbolader-Verdichterrädern von Bedeutung, welche bis zu 250°C Betriebstemperatur erreichen können. Ein präzise einhaltbares Spaltmaß eines montierten Laufrads führt zu einer Reduzierung der sich ergebenden Reibungsverluste und somit zu einer Wirkungsgradverbesserung des Gesamtsystems.
Die aus einem Fasersystem bestehende Stützstruktur 14 ist somit derart im Grundkörper 12 des Laufrads 10 angeordnet, dass eine deutliche Festigkeitssteigerung insbesondere in radialer Richtung vorwiegend in den kritischen Laufradbereichen erhalten wird. Dies ermöglicht die Reduzierung einer gegebenenfalls vorliegenden Bruchgefahr insbesondere im Nabenanteil 16 aufgrund der hohen Zentrifugalkräfte und/oder der Wärmeausdehnung während des Betriebs des Laufrads 10. Gleichzeitig ist das Laufrad 10 mit eingegossener Stützstruktur 14 verhältnismäßig einfach und kostengünstig herstellbar.

Claims

Laufrad (10), mit einem Grundkörper (12) und mit mindestens einer die Festigkeit des Laufrads (10) steigernden Stützstruktur (14), wobei die Stützstruktur (14) wenigstens teilweise innerhalb des Grundkörpers (12) integriert angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützstruktur (14) vorgespannt ist unter Ausbildung einer die Druckfestigkeit steigernden Zugvorspannung.
Laufrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützstruktur (14) wenigstens teilweise im Grundkörper (12) eingegossen ist.
Laufrad nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (12) einen Nabenanteil (16) und einen Schaufelanteil (18) aufweist, wobei die Stützstruktur (14) im Nabenanteil (16) und/oder im Schaufelanteil (18) angeordnet ist.
Laufrad nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützstruktur (14) als vorgefertigtes Stützelement (20) ausgebildet ist.
Laufrad nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Stützelement (20) als Verstärkungsrohr (22) ausgebildet ist, das in dem Nabenanteil (16) des Laufrads (10) integriert angeordnet ist.
Laufrad nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützstruktur (14) ein Einlagerungsnetz (24) aufweist.
Laufrad nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Einlagerungsnetz (24) eine Mehrzahl an sich in Bezug auf das Laufrad (10) in Radialrichtung und/oder in Axialrichtung und/oder in Umfangsrichtung erstreckenden Netzanteilen (26, 28, 30) enthält.
Laufrad nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Einlagerungsnetz (24) wenigstens teilweise unmittelbar unterhalb der Oberfläche (31) des Grundkörpers (12) angeordnet ist.
Laufrad nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Einlagerungsnetz (24) wenigstens teilweise an der Oberfläche (31) des Grundkörpers (12) angeordnet ist.
Laufrad nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützstruktur (14) zusätzlich einen in Bezug auf den Grundkörper (12) vollständig extern angeordneten und an selbigem fixierten Stützanteil (32) aufweist.
Laufrad nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der externe Stützanteil (32) als ein wenigstens teilweise die Schaufelgeometrie nachbildendes Versteifungselement (34) mit einer zumindest teilweise integrierten Einlagerungsstruktur (36) versehen ist.
Laufrad nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der externe Stützanteil (32) als hochfeste Bandagierungseinheit ausgebildet ist.
Laufrad nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützstruktur (14) eine Mehrzahl an frei im Grundkörper (12) verteilten Verstärkungsfasern (38) aufweist.
Laufrad nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützstruktur (14) hochfeste Metallfasern und/oder Kohlefasern und/oder Glasfasern aufweist.
Laufrad nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (12) aus Aluminium als Basismaterial hergestellt ist.
Laufrad nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es ein Verdichterrad und insbesondere ein Abgasturbolader-Verdichterrad eines Kraftfahrzeugs ist.