DE3400835C2

DE3400835C2 -

Info

Publication number: DE3400835C2
Application number: DE19843400835
Authority: DE
Inventors: Bernd Dr. 6393 Wehrheim De Domes
Original assignee: BMW Rolls Royce GmbH
Current assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Priority date: 1984-01-12
Filing date: 1984-01-12
Publication date: 1992-03-26
Also published as: DE3400835A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Laufrad für Turbo maschinen nach dem Oberbegriff des einzigen Patentanspruchs.The invention relates to an impeller for turbo machines according to the generic term of the only Claim.

Eine derartige Anordnung beschreibt beispielsweise die DE-OS 29 48 398. Hier wird ein Abgasturbolader beschrie ben, bei welchem sowohl das Verdichterrad als auch das Turbinenrad im Nabenbereich Ausnehmungen aufweisen. Diese Ausnehmungen sind aber nicht näher erläutert, so daß sie aus vielfältigen Gründen hergestellt worden sein können. Da es Zielrichtung dieser Offenlegungschrift ist, einen kleinbauenden und leichtbauenden Abgasturbolader zur Ver fügung zu stellen, können die Ausnehmungen aus dem Grund angebracht sein, daß die Laufräder gewichtsmäßigt opti miert werden.Such an arrangement describes, for example DE-OS 29 48 398. Here an exhaust gas turbocharger is described ben, in which both the compressor wheel and the Turbine wheel have recesses in the hub area. These But recesses are not explained in detail, so that they may have been manufactured for a variety of reasons. Since it is the aim of this publication, one small and lightweight exhaust gas turbochargers for ver the recesses on the ground be appropriate that the wheels weight opti be lubricated.

Aus der DE-PS 2 13 421 ist es ebenfalls bekannt, Ausneh mungen im Nabenbereich von Laufrädern vorzusehen. Diese Ausnehmungen dienen jedoch einzig und allein dazu, einen Hohlraum zu schaffen, in den eine geeignete Flüssigkeit unter sehr hohem Druck eingepreßt werden kann, um ein Ab ziehen des Laufrades von der Welle zu erleichtern. Dementsprechend wird die Ausnehmung in erster Linie also nach ihrem Volumen bestimmt, damit eine ausreichende Flüssigkeitsmenge unter Druck zum Abziehen des Bauteils von der Welle eingeführt werden kann.From DE-PS 2 13 421 it is also known Ausneh provisions in the hub area of the wheels. These However, recesses only serve one purpose Create a cavity in which a suitable liquid can be injected under very high pressure to an Ab pull the impeller off the shaft to facilitate. Accordingly, the recess is primarily determined by their volume, so adequate Amount of liquid under pressure to remove the component can be introduced by the shaft.

Laufräder von Turbomaschinen sind im Betrieb aufgrund der sehr hohen Umfangsgeschwindigkeiten erheblichen Belastun gen insbesondere im Bereich der Nabenbohrung ausgesetzt. Üblicherweise ist daher der Nabenbereich des Laufrades wesentlich breiter ausgebildet als die sich daran an schließenden radialen Bereiche des Laufrades, um insbe sondere Fliehkraftbeanspruchungen standhalten zu können. Impellers of turbomachinery are in operation due to the very high peripheral speeds exposed especially in the area of the hub bore. The hub area of the impeller is therefore usually much broader than that closing radial areas of the impeller, esp to be able to withstand special centrifugal forces.

Aufgrund der unterschiedlichen radialen Querschnittstruk turen des Laufrades ist allerdings der Umgebungsbereich der Bohrung unterschiedlichen Beanspruchungen ausgesetzt. Dies führt, z. B. zu ungleichmäßigen Spannungsverteilungen mit einem Spannungsmaximum an einer bestimmten Stelle der Bohrung. Bei symmetrisch gestalteten Laufrädern mit einem sich in radialer Richtung verjüngendem Querschnittsprofil ist, beispielsweise die Bohrung im Bereich der Symmetrie ebene des Laufrades am höchsten beansprucht, so daß der Nabenbereich im Hinblick auf dieses Belastungsmaximum auszulegen ist bzw. die Betriebsdrehzahl des Laufrades durch das Belastungsmaximum begrenzt ist.Due to the different radial cross-sectional structure The impeller is, however, the surrounding area exposed to different stresses in the bore. This leads e.g. B. to uneven voltage distributions with a voltage maximum at a certain point of the Drilling. With symmetrically designed wheels with one cross-sectional profile tapering in the radial direction is, for example, the hole in the area of symmetry level of the impeller most stressed, so that the Hub area with regard to this load maximum must be designed or the operating speed of the impeller is limited by the maximum load.

Es ist somit Aufgabe der vorliegenden Erfindung, diese Nachteile zu verringern und ein Laufrad der eingangsge nannten Gattung dahingehend zu verbessern, daß auch bei hohen Umfangsgeschwindigkeiten die hierbei auftretenden ungünstigen Bauteil-Beanspruchungen in der Nabenbohrung verringert werden.It is therefore an object of the present invention Reduce disadvantages and an impeller of the input called genre to improve in that high circumferential speeds unfavorable component stresses in the hub bore be reduced.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeich nenden Merkmale des Patentanspruchs gelöst. Mit Hilfe einer derart gestalteten Bohrung können die im Betrieb des Laufrades auftretenden Spannungsmaxima verringert werden, indem der Traganteil der außenliegenden Naben bereiche erhöht wird, was zu einer Vergleichmäßigung der im Bohrungsbereich längs der Drehachse des Laufrades auf tretenden Beanspruchungen führt. Somit kann ein erfin dungsgemäß gestaltetes Laufrad höhere Betriebsdrehzahlen ertragen oder aufgrund niedrigerer Spannungsmaxima eine längere Lebensdauer erreichen. This object is inventively characterized by nenden features of the claim solved. With help Such a bore can be used during operation of the impeller voltage maxima is reduced be by the bearing portion of the outer hubs areas is increased, which leads to an equalization of the in the bore area along the axis of rotation of the impeller occurring stresses. Thus an invent designed impeller higher operating speeds endure or due to lower voltage maxima achieve longer lifespan.

Die Ausnehmung sollte vorzugsweise ein kurvenförmiges Querschnittsprofil aufweisen, wobei der Kurvenverlauf im wesentlichen den lokalen Bauteilbeanspruchungen des Boh rungsbereiches angepaßt ist, so daß im gesamten Bohrungs bereich eine im wesentlichen gleichmäßige Beanspruchung auftritt. Hierbei kann der Kurvenverlauf rechnerisch, z. B. mit Hilfe der Fimite-Elemente-Methode (FEM) iterativ er stellt werden, wobei als Berechnungsparameter charakteri stische Betriebskennwerte der jeweiligen Einsatzbedingun gen herangezogen werden. Bei der zum Erstellen der Span nungsverteilung bekannten Finite-Elemente-Methode können so, z. B. die Betriebsdrehzahl des Laufrades, der radiale Temperaturgradient dT/dr, der axiale Temperaturgradient dT/dx und andere axiale Beanspruchungen herangezogen wer den.The recess should preferably be a curved one Have cross-sectional profile, the curve profile in essential to the local component stresses of the Boh tion range is adjusted so that in the entire bore area an essentially uniform load occurs. Here, the course of the curve can be calculated, e.g. B. using the Fimite Element Method (FEM) iteratively are set, whereby as the calculation parameter character operational parameters of the respective application conditions gene can be used. When creating the span distribution known finite element method can so, e.g. B. the operating speed of the impeller, the radial Temperature gradient dT / dr, the axial temperature gradient dT / dx and other axial loads the.

Aufbau und Funktionseigenschaften der Erfindung werden nun anhand der beiliegenden schematischen Zeichnungen von zwei Ausführungsbeispielen näher beschrieben. In den Zeichnun gen sind nur die zum unmittelbaren Verständnis der Erfin dung notwendigen Elemente des Laufrades dargestellt. Es zeigenStructure and functional characteristics of the invention will now based on the accompanying schematic drawings of two Embodiments described in more detail. In the drawing are only for immediate understanding of the inventions necessary elements of the impeller. It demonstrate

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer Schnittdarstellung, bei dem das Laufrad symmetrisch gestaltet ist; Figure 1 shows an embodiment of the invention in a sectional view, in which the impeller is designed symmetrically.

Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer Schnittdarstellung, bei dem das Laufrad unsymme trisch gestaltet ist. Fig. 2 shows an embodiment of the invention in a sectional view, in which the impeller is designed asymmetrically.

In der zeichnerischen Darstellung nach den Fig. 1 und 2 sind grundsätzlich gleichwirkende Teile mit gleichen Be zugsziffern versehen. Das erfindungsgemäß gestaltete Lauf rad 1 nach Fig. 1 ist symmetrisch gestaltet, wobei sich das Laufrad 1 von einer Nabenbohrung 2 in radialer Rich tung zu den Schaufeln 3 verjüngt, so daß bei einer aus schließlich zylindrisch gestalteten Bohrung (durch obere gerade Linie angedeutet) aufgrund der Fliehkraft in einem in der Symmetrieebene 4 gelegenen Punkt 5 die maximale Bauteilbeanspruchung auftritt. Um die Bauteil beanspruchungen der verschiedenen axialen Bereiche der Bohrung 2 zu nivellieren, ist erfindungsgemäß im höher beanspruchten Nabenbereich die Ausnehmung 6 vorgesehen. Die Ausnehmung 6 ist kurvenförmig gestaltet, wobei der Kurvenverlauf in Abhängigkeit charakteristischer Betriebs kenngrößen mit Hilfe der Finite-Elemente-Methode (FEM) op timiert und festgelegt wird. Wie ersichtlich, hat die Kurve 6 in der Symmetrieebene 4 ihr Maximum, also an der Stelle der maximalen Bauteilbeanspruchung. Die Ausnehmung 6 ist bei Laufrädern mit radial identischer Struktur üblicher weise in der Nabenbohrung umlaufend vorgesehen. Soweit es, z. B. die Abmessungen bzw. die Struktur des Laufrades erforderlich machen, ist es durchaus möglich, z. B. mehrere Ausnehmungssegmente entsprechend der ermittelten Erfordernisse vorzusehen.In the drawing according to FIGS. 1 and 2, parts with the same effect are provided with the same reference numerals. The invention designed according to the running wheel 1 of FIG. 1 is designed symmetrically, wherein the impeller 1 of a hub hole 2 in the radial Rich tung to the blades 3 is tapered, so that (indicated by upper straight line) at one of finally cylindrically shaped bore due the centrifugal force in a point 5 located in the plane of symmetry 4 , the maximum component stress occurs. In order to level the component stresses of the various axial regions of the bore 2 , the recess 6 is provided according to the invention in the hub region which is subject to greater stress. The recess 6 is curve-shaped, the curve shape being optimized and defined as a function of characteristic operating parameters using the finite element method (FEM). As can be seen, the curve 6 has its maximum in the plane of symmetry 4 , that is to say at the point of the maximum component stress. The recess 6 is provided circumferentially in the hub bore in the case of impellers with a radially identical structure. As far as, e.g. B. the dimensions or the structure of the impeller required, it is quite possible, for. B. to provide several recess segments according to the determined requirements.

Fig. 2 zeigt in einer Schnittdarstellung ein Verdichter laufrad. Aufgrund der unsymmetrischen Gestaltung des Lauf rades ist hier der Bereich der erhöhten Bauteilbeanspru chung im Gegensatz zu dem symmetrisch gestalteten Laufrad nach Fig. 1 in den Bereich der größeren Außendurchmesser des Laufrades verschoben. Die maximale Beanspruchung der Bohrung 2 ist hier in einem Punkt 5 in einer Ebene 8 zu finden. Das kurvenförmige Querschnittsprofil der Ausneh mung 6 ist wiederum mit Hilfe einer geeigneten Rechen methode (z. B. FEM) festgelegt und weist aufgrund der un terschiedlichen Gestaltung des Laufrades auch eine andere Form als die Ausnehmung 6 des Ausführungsbeispieles nach Fig. 1 auf. Fig. 2 shows a compressor impeller in a sectional view. Due to the asymmetrical design of the impeller, the area of the increased component stress, in contrast to the symmetrically designed impeller according to FIG. 1, is shifted into the region of the larger outer diameter of the impeller. The maximum stress on the bore 2 can be found here in a point 5 in a plane 8 . The curvilinear cross-sectional profile of the Ausneh line 6 is in turn determined with the aid of a suitable computing method (z. B. FEM) and has a different shape than the recess 6 of the embodiment of FIG. 1 due to the different design of the impeller.

Claims

Impeller ( 1 ) for turbomachinery, in particular turbine or compressor impeller for gas turbines or exhaust gas turbochargers, with a centrally arranged hub bore ( 2 ) which has a recess ( 6 ), characterized in that the dimension of the recess ( 6 ) is chosen in such a way that that the stress distribution under operating conditions over the axial length of the hub bore ( 2 ) is moderated by comparison.