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Die
Erfindung betrifft ein Hochgeschwindigkeitslaufrad zum Fördern von
gasförmigen
oder flüssigen
Medien nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und nach dem Obergriff
des Patentsanspruchs 3.
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Die
DE 101 63 951 C1 beschreibt
eine Rotorscheibe aus einem Metall die örtlich Faserverstärkungen
aufweist. Dabei bestehen die Faserverstärkungen aus sogenannten Metall-Matrix-Composits (MMC).
Diese inneren MMC-Ringe sind mittels eines radialen Presssitzes
in den Umfang der Rotorscheibe eingepresst.
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In
der WO 02/01311 A1 ist ein Rotor aus einem Compositmaterial beschrieben,
wobei verschiedene Ringe aus faserverstärkten Wickelkörpern konzentrisch übereinander
gesteckt sind und somit eine ebene zylinderförmige Rotorscheibe bilden.
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Die
genannten Beispiele zeigen Methoden zur Verstärkung eines zentrifugal hoch
belasteten Laufrades. Die beschriebenen Anordnungen weisen jedoch
den Nachteil auf, dass komplexe Laufradstrukturen nicht abbildbar
sind oder die Faserverstärkungen
nicht vollständig
in das Laufrad integriert ist.
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Hochgeschwindigkeitslaufrad
bereitzustellen, das bei einer komplexen Querschnittskontur eine
integrierte Verstärkung
aufweist.
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Die
Lösung
der Aufgabe besteht in den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und in
den Merkmalen des Patentanspruchs 3.
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Das
Hochgeschwindigkeitslaufrad nach Patentanspruch 1 dient zum Fördern von
gasförmigen oder
flüssigen
Medien, wobei es beispielsweise als ein Luftverdichtungsrad eingesetzt
werden kann. Das Hochgeschwindigkeitslaufrad weist eine verstärkende Kernstruktur
auf, die von einem äußeren Funktionsabschnitt
umgeben ist.
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Die
Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass zur Darstellung der Kernstruktur
Verstärkungshülsen konzentrisch übereinander
geschoben sind. Unter „konzentrisch übereinander
geschoben" wird hierbei
verstanden, dass der Außendurchmesser
einer inneren Verstärkungshülse insofern
einen Innendurchmesser einer äußeren Verstärkungshülse gleicht,
dass die äußere Verstärkungshülse spielarm über die
innere Verstärkungshülse geschoben
werden kann.
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Dabei
variiert die Länge
einer jeweiligen Verstärkungshülse in derart,
dass sich eine vorgegebene Querschnittsgeometrie der Kernkontur
annähernd abbilden
lässt.
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Durch
einen derartigen Aufbau der Kernstruktur kann eine Verstärkung eines
Laufrades dargestellt werden, die abweichend von der zylindrischen
Struktur der Verstärkungen,
die im Stand der Technik genannt sind, beispielsweise hyperbelförmig oder
exponentiell ansteigend ausgestaltet sind. Die Verstärkung ist
somit nicht nur in einem engen zylindrischen Bereich angesiedelt,
sondern sie kann auch entlang einer komplexen Querschnittstruktur
des Hochgeschwindigkeitslaufrades angepasst werden.
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In
vielen Fällen
verjüngt
sich die Querschnittsgeometrie des Hochgeschwindigkeitslaufrades
mit zunehmenden Durchmesser, weshalb es zweckmäßig ist, dass in einer Ausgestaltungsform der
Erfindung sich die Länge
der Verstärkungshülsen mit
zunehmenden Außendurchmesser
verringert.
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Ein
weiterer Bestandteil der Erfindung stellt ein Hochgeschwindigkeitslaufrad
nach den Merkmalen des Patentanspruches 3 dar. Ein derartiges Hochgeschwindigkeitslaufrad
weist wie das Hochgeschwindigkeitslaufrad aus Anspruch 1 ebenfalls
eine verstärkende
Kernstruktur auf, die von einem äußeren Funktionsabschnitt
umgeben ist. Das Hochgeschwindigkeitslaufrad nach Anspruch 3 zeichnet
sich jedoch dadurch aus, dass zur Darstellung der Kernstruktur mehrere
Verstärkungshülsen mit
jeweils den gleichen Durchmesser aufweisenden Innenbohrungen in
derart aneinandergereiht sind, dass die Innenbohrungen kongruent
aneinandergereiht sind. Unter kongruent wird hierbei verstanden,
dass die Innenbohrungen so übereinander
liegen, dass eine Welle spielarm durch die Aneinanderreihung der
Innenbohrungen geschoben werden kann. Der Außendurchmesser der aneinandergereihten
Verstärkungshülsen variiert
jedoch zur Abbildung einer vorgegebenen Querschnittsgeometrie der
Kernstruktur. Der Funktionsabschnitt des Hochgeschwindigkeitslaufrades
ist ebenfalls auf die Kernstruktur aufgegossen.
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Unter
Abänderung
der Anordnung der Verstärkungshülsen wird
durch das erfindungsgemäße Hochgeschwindigkeitslaufrad
nach Anspruch 3 die selben Vorteile erzielt, wie sie auch durch
die Anordnung des Hochgeschwindigkeitslaufrades nach Patentanspruch
1 beschrieben sind.
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Die
Aneinanderreihung der Verstärkungshülsen mit
den kongruent übereinanderliegenden
Innenbohrungen kann wie beschrieben auf einer Welle aufgeschoben
sein, sie kann jedoch auch auf eine artgleiche Verstärkungshülse aufgeschoben
sein. Auf diese Art und Weise wird eine zusätzliche radiale und axiale
Verfestigung erzielt.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Verstärkungshülsen aus
einem faserverstärkten
Material dargestellt. Hierbei eignet sich jegliche Form von faserverstärkten Werkstoffen, durch
die eine deutliche Erhöhung
der Zugfestigkeit und somit eine deutliche Erhöhung der Festigkeit des Hochgeschwindigkeitslaufrades
erzielt wird. In einer weiteren Ausgestaltungsform umfassen die
Verstärkungshülsen langfaserverstärkte Wickelkörper. Derartige
Wickelkörper
können
entweder vor dem Angießen
des Funktionsabschnittes bereits mit einem Metall infiltriert sein
oder sie können
während
des Angießens
des Funktionsabschnittes mit dem Metall des Funktionsabschnittes
infiltriert werden.
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Weiterhin
können
die Verstärkungshülsen aus
einem kurzfaserverstärkten
Metall-Matrix-Verbundwerkstoff bestehen. Ferner kann für die Verstärkungshülsen eine,
durch Metall infiltrierte poröse
Keramik eingesetzt werden. Auch durch derartige Verstärkungshülsen wird
eine Erhöhung
der Zugfestigkeit und des Elastizitätsmodules erzielt.
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Es
kann auch zweckmäßig sein,
die Verstärkungshülsen aus
nicht faserverstärkten
hochfesten Metallwerkstoffen darzustellen, beispielsweise aus sprühkompaktierten
Metallwerkstoffen oder aus hochfesten Knetlegierungen. Derartige
Werkstoffe lassen sich in der Regel kostengünstiger darstellen als faserverstärkte Werkstoffe
und finden dann Einsatz, wenn wenn der Kostenspielraum für das Bauteil geringer
ist.
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Besonders
zweckmäßig ist
der Einsatz der erfindungsgemäßen Hochgeschwindigkeitslaufräder insbesondere
bei Abgasturboladern, hierbei gleichermaßen in der Verwendung als Verdichterrad
oder als Turbinenrad. Die Laufräder
können
auch in zweckmäßiger Weise
als Gasturbinenräder
oder als Wasserpumpenräder
eingesetzt werden.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungsformen der Erfindung sind anhand der folgenden Figuren
näher erläutert.
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Dabei
zeigen:
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1 eine grafische Darstellung
eines Verdichterrades eines Abgasturboladers,
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2 eine schematische Darstellung
einer Kernstruktur mit übereinander
geschobenen Verstärkungshülsen,
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3 eine schematische Darstellung
einer Kernstruktur mit aneinander gereihten Verstärkungshülsen mit
konstantem Innendurchmesser, wobei die Aneinanderreihung auf eine
Art gleiche Verstärkungshülse konzentrisch
aufgeschoben ist,
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4 eine schematische Darstellung
einer Kernstruktur mit aneinandergereihten Verstärkungshülsen, die jeweils einen gleichen
Innendurchmesser aufweisen,
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5 eine schematische Darstellung
einer Kernstruktur mit aneinandergereihten Verstärkungshülsen, die jeweils einen gleichen
Innendurchmesser aufweisen.
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In 1 ist eine schematische
Darstellung eines Hochgeschwindigkeitslaufrades in Form eines Verdichterrades 2 für einen
Abgasturbolader dargestellt. Dieses Verdichterrad 2 weist
einen Funktionsabschnitt 6 auf, der beispielsweise Verdichterschaufel 7 umfasst.
Weiterhin umfasst das Verdichterrad 2 eine Kernstruktur 4,
die ausgehend von einem konzentrischen Bereich um eine Bohrung 9 herum
im Zentrum des Verdichterrades 2 mit zunehmenden Durchmesser
nach außen
verläuft
und als Trägerstruktur
der Verdichterschaufeln 7 ausgebildet ist.
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In
den 2 bis 5 ist der Übersichtlichkeit halber
nur der Querschnitt der Kernstruktur 4 dargestellt. Auf
die Darstellung des Funktionsabschnittes 6 mit den Verdichterschaufeln 7 wird
verzichtet.
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In 2 ist eine Kernstruktur 4 dargestellt, die
aus mehreren Verstärkungshülsen 8,
die konzentrisch übereinander
geschoben sind, dargestellt ist. Der Übersichtlichkeit halber sind
lediglich zwei Verstärkungshülsen 8 mit
den entsprechenden Bezugszeichen versehen, wobei entsprechende Bezeichnungen
mit den selben Bezugszeichen versehen sind.
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Die
Verstärkungshülsen 8 weisen
einen Außendurchmesser 12 und
einen Innendurchmesser 14 auf. Dabei ist der Außendurchmesser 12 einer
jeden Verstärkungshülse 8 derart
ausgestaltet, dass er dem Innendurchmesser 14 der folgenden
Verstärkungshülse 8 insoweit
entspricht, so dass die beiden Verstärkungshülsen 8 spielarm übereinander
geschoben werden können
(vgl. 2, rechte Seite). Dabei
werden die Verstärkungshülsen 8 in
dem Beispiel nach 2 von
innen nach außen
kürzer,
dass heißt,
die Länge 10 der
Verstärkungshülsen 8 nimmt von
innen nach außen
ab. Gegebenenfalls kann auch zur Abbildung des Querschnitts der
Kernstruktur 4 eine Wandstärke 13 von einer Verstärkungshülse 8 zur
nächsten
Verstärkungshülse 8 variieren.
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Das
Ergebnis einer derartigen Bauweise ist schematische in 2 auf der linken Seite dargestellt.
Die Querschnittsgeometrie der Verstärkungsstruktur 4 läuft, angedeutet
durch die strichpunktierte Linie ähnlich einer Exponentialkurve
nach außen,
bis er einen maximal Wert erreicht, um anschließend in etwa hyperbelförmig in
Richtung einer Mittelachse 16 wieder abzufallen. Dabei
ist im oberen Teil der linken Skizze in 2 eine Draufsicht auf die Kernstruktur 4 abgebildet
und im unteren Teil der Skizze ein Schnitt durch die Kernstruktur 4 dargestellt.
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Die
Kernstruktur 4 aus 3 unterscheidet sich
von der Kernstruktur 4 in 2 darin,
dass Verstärkungshülsen 20 vorgesehen
sind, die jeweils eine Innenbohrung 22 mit gleichem Durchmesser
aufweisen. Die Verstärkungshülsen 20 sind
derart aneinandergereiht, dass die Innenbohrungen 22 kongruent übereinander
liegen, wobei eine artgleiche Verstärkungshülse 26 so dargestellt
ist, dass ihr Außendurchmesser 28 in
die Innenbohrungen 22 der Verstärkungshülsen 20 spielarm eingeschoben
werden kann. Die Verstärkungshülsen 20 sind
somit auf der artgleichen Verstärkungshülse 26 aufgereiht.
Nach dem Beispiel aus 3 weisen
die Verstärkungshülsen 20 ebenfalls
eine unterschiedliche Länge 10 auf. Durch
diese Maßnahme
kann die vorgegebene Querschnittsgeometrie der Kernstruktur 4,
die in 3 in der Skizze
auf der linken Seite durch die strichpunktierte Linie dargestellt
ist, möglichst
umfassend ausgefüllt
werden.
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In
dem Beispiel in 4, das
sich dem Beispiel aus 3 ähnelt, ist
ebenfalls eine Aneinanderreihung verschiedener Hülsen 20, mit jeweils
einer konstanten Innenbohrung 22 dar gestellt. Der Unterschied
zur 3 besteht darin,
dass hier auf den Einsatz einer artgleichen Verstärkungshülse 26,
auf die die Aneinanderreihung der Verstärkungshülsen 20 aufgeschoben
wird, verzichtet wird. Die Aneinanderreihung von Verstärkungshülsen 20 in 4 kann beispielsweise verlötet, verklebt
oder vernäht
werden, je nachdem, welche Werkstoffe für die Verstärkungshülsen 20 eingesetzt
werden. Anschließend kann
die Aneinanderreihung von Verstärkungshülsen 20 auf
eine Welle aufgezogen werden.
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In 5 ist ebenfalls eine Aneinanderreihung
von Verstärkungshülsen 20,
analog dem Beispiel aus 4 dargestellt.
Hierbei handelt es sich um eine vereinfachte Form, da die Verstärkungshülsen 20 im
Wesentlichen die selbe Länge 10 aufweisen.
Wie in der Skizze auf der linken Seite der 5 zu erkennen ist, wird die Querschnittsgeometrie
der Verstärkungsstruktur 4 nicht
in dem optimalen Maße ausgefüllt, wie
es beispielsweise durch das Ausführungsbeispiel
in 4 geschieht. Für einfache
Verdichterräder,
die weniger hoch belastet sind, kann jedoch eine derartige einfachere,
kostengünstige
Bauweise vorteilhaft sein.
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Bei
den in 2 bis 5 dargestellten Bauweisen
der Verstärkungsstruktur 4 handelt
es sich um vergleichsweise komplexe Anordnungen. In der Praxis kann
es aus Kostengründen
deshalb oftmals zweckmäßig sein,
dass nach dem Beispiel aus 2 lediglich
zwei Verstärkungshülsen 8 konzentrisch übereinander
geschoben werden. Es kann beispielsweise auch zweckmäßig sein,
dass, anlehnend an 3,
lediglich zwei Verstärkungshülsen 20 aneinander
gereiht werden und diese auf eine artgleich Verstärkungshülse 26 aufgezogen
werden oder direkt auf eine hier nicht dargestellte Welle aufgeschoben
werden. Hierbei ist jeweils die vorliegende Belastungsbedingung
an das Verdichterrad 2 und der Kostenrahmen zu berücksichtigen.
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Die
Werkstoffe, die für
die Herstellung der Verstärkungshülsen 8 oder 20 eingesetzt
werden, werden ebenfalls der mechanischen Beanspruchungen, die auf
das Verdichterrad 2 wirken, angepasst. Es hat sich als
zweckmäßig herausgestellt,
die Verstärkungshülsen aus
einem faserverstärkten
Material darzustellen.
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Ein
mögliches
Beispiel zur Herstellung einer Verstärkungshülse 8 oder 20 besteht
darin, einen Wickelkörper
aus Langfasermaterial oder aus gesponnenem Kurzfasermaterial herzustellen.
Dabei sind die Fasern in einem Wachs, Harz oder einem Polymer getränkt. Das
getränkte
Material härtet
nach Aufwickeln des Wickelkörpers
aus, wodurch sogenannte Preformen der Verstärkungshülsen 8, 20 entstehen. Diese
Preformen der Verstärkungshülsen 8, 20 können in
Segmente mit den gewünschten
Längen 10 geschnitten
werden, wobei diese Segmente nach der hier verwendeten Diktion bereits
als Verstärkungshülsen 8, 20 bezeichnet
werden können.
Diese Verstärkungshülsen 8, 20 können beispielsweise
durch Kleben, Pressen, Nähen,
Stapeln oder Schmelzkleben aneinandergesetzt werden oder übereinander geschoben
werden. Somit besteht bereits eine Vorfixierung, die bereits die
Querschnittsgeometrie der Kernstruktur 4 abbildet.
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Anschließend wird
organisches Material wie Wachs oder Polymer ausgeschmolzen beziehungsweise
das Harz oder das Polymer oder das Wachs wird aus den Verstärkungshülsen 8, 20 ausgebrannt. Die
so von organischen Bindemitteln befreiten Verstärkungshülsen 8, 20 werden
in einer Gießform
eingelegt und beim Eingießen
mit der Metallschmelze, die auch anschließend den Funktionsabschnitt 6 bildet,
infiltriert. Hierbei ist ein Druckguss oder Squeeze-Casting-Verfahren
zweckmäßig. Das
Aus brennen und das Eingießen
der Metallschmelze kann gegebenenfalls auch gleichzeitig erfolgen.
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In
einer anderen Variante des Herstellungsverfahren der Kernstruktur 4 werden
faserverstärkte Wickelkörper, die
mit Polymeren oder Harzen oder Wachsen infiltriert sind, analog
dem vorangegangenen Beispiel hergestellt, zu einer Kernstruktur 4 analog
der 2 bis 5 zusammengesetzt, das organische
Material Wachs, Harz oder Polymer wird entfernt und die Kernstruktur 4 wird
in einem entsprechenden Gießverfahren
beispielsweise einem Druckgießverfahren
mit einem speziellen Metall infiltriert. Die so infiltrierte Kernstruktur 4 wird
anschließend
im Feinguss oder in einen anderen Niederdruckgussverfahren mit dem
Funktionsabschnitt 6 umgossen.
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Bei
dem zuletzt beschriebenen Gießverfahren
kann es zweckmäßig sein,
die bereits vorinfiltrierte Kernstruktur 4 mit einer haftvermittelnden
Schicht zu versehen, damit das flüssige Metall das beim Angießen des
Funktionsabschnittes 6 besser auf der Kernstruktur 4 haftet
und somit einen festen Verbund bildet.
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In
den Fällen,
in denen der Faserwickelkörper
mit flüssigem
Metall infiltriert wird, kann es gegebenenfalls zweckmäßig sein,
die Fasern zu beschichten, so dass einerseits eine Reaktion des
Infiltrationsmetalls mit der Faser vermieden wird, und andererseits
eine bessere Benetzung und eine bessere Infiltration gewährleistet
wird.
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Aus
Kostengründen
kann es bei geringeren mechanischen Anforderungen an die Verdichterräder 2 oder
allgemein an das herzustellende Hochgeschwindigkeitslaufrad die
Verstärkungshülsen beispielsweise
aus einer Knetlegierung, insbesondere einer Aluminiumknetlegierung
hergestellt sein. Auch die Anwen dung von Metall-Matrix-Composits
die gegebenenfalls mit Kurzfasern verstärkt sind oder die Anwendung
von sprühkompaktierten
metallischen Werkstoffen kann für
die Verstärkungshülsen 8, 20 zweckmäßig sein.