EP1512833A2 - Hochgeschwindigkeitslaufrad - Google Patents

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Publication number
EP1512833A2
EP1512833A2 EP04018089A EP04018089A EP1512833A2 EP 1512833 A2 EP1512833 A2 EP 1512833A2 EP 04018089 A EP04018089 A EP 04018089A EP 04018089 A EP04018089 A EP 04018089A EP 1512833 A2 EP1512833 A2 EP 1512833A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
speed impeller
reinforcing sleeves
reinforcing
core structure
sleeves
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP04018089A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Johann Dr. Krämer
Martin Dr. Schlegl
Erwin Schmidt
Holger Stark
Siegfried Sumser
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mercedes Benz Group AG
Original Assignee
DaimlerChrysler AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by DaimlerChrysler AG filed Critical DaimlerChrysler AG
Publication of EP1512833A2 publication Critical patent/EP1512833A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/02—Blade-carrying members, e.g. rotors
    • F01D5/04—Blade-carrying members, e.g. rotors for radial-flow machines or engines
    • F01D5/043—Blade-carrying members, e.g. rotors for radial-flow machines or engines of the axial inlet- radial outlet, or vice versa, type
    • F01D5/048—Form or construction
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
    • F04D29/26—Rotors specially for elastic fluids
    • F04D29/28—Rotors specially for elastic fluids for centrifugal or helico-centrifugal pumps for radial-flow or helico-centrifugal pumps
    • F04D29/284—Rotors specially for elastic fluids for centrifugal or helico-centrifugal pumps for radial-flow or helico-centrifugal pumps for compressors

Definitions

  • the invention relates to a high speed impeller for Delivery of gaseous or liquid media according to the generic term of claim 1 and the preamble of the claim Third
  • WO 02/01311 A1 is a rotor made of a composite material described, wherein different rings of fiber-reinforced Winding bodies are placed concentrically on top of each other and thus form a flat cylindrical rotor disk.
  • the object of the invention is a high speed impeller to provide that at a complex cross-sectional contour has an integrated gain.
  • the high speed impeller according to claim 1 is used for conveying gaseous or liquid media, wherein it For example, be used as a Heilverdichtungsrad can.
  • the high speed impeller has a reinforcing Core structure on top of an outer functional section is surrounded.
  • the invention is characterized in that for illustration the core structure reinforcing sleeves concentrically over each other pushed. Under “concentric sliding over each other” is understood here that the outer diameter of an inner Reinforcing sleeve insofar an inner diameter of a outer reinforcement sleeve balances that of the outer reinforcement sleeve with little play pushed over the inner reinforcement sleeve can be.
  • the length of a respective reinforcing sleeve varies in such a way that a given cross-sectional geometry the core contour can be approximated.
  • FIG. 3 Another aspect of the invention is a high speed impeller according to the features of claim 3 dar.
  • Such a high-speed impeller has like the high speed impeller of claim 1 also a reinforcing core structure, that of an outer functional section is surrounded.
  • the outer diameter however, the strung reinforcing sleeves vary for imaging a predetermined cross-sectional geometry of Core structure.
  • the functional section of the high speed impeller is also poured on the core structure.
  • Claim 3 achieves the same advantages as well as by the arrangement of the high speed impeller according to claim 1 are described.
  • the juxtaposition of the reinforcing sleeves with the congruent Overlying inner holes can be as described She may be delayed on a wave also be pushed onto a matching reinforcing sleeve. In this way, an additional radial and axial Solidification achieved.
  • the Reinforcement sleeves made of a fiber-reinforced material shown. Any form of fiber reinforced is suitable here Materials that significantly increase the tensile strength and thus a significant increase in strength of the high-speed impeller is achieved.
  • the reinforcing sleeves long fiber reinforced bobbins Such bobbins can either before starting the functional section already be infiltrated with a metal or you can while of casting the functional section with the metal of the functional section are infiltrated.
  • reinforcing sleeves of a short fiber reinforced Metal matrix composite material exist. Further can for the reinforcing sleeves one, infiltrated by metal porous ceramics are used. Also by such Reinforcement sleeves will increase the tensile strength and achieved the elastic modulus.
  • non-fiber reinforced high strength metal materials for example, from spray-compacted metal materials or of high-strength wrought alloys.
  • Such materials can usually be presented more cheaply as fiber reinforced materials and then find use when if the cost latitude for the component is lower.
  • High-speed wheels especially in exhaust gas turbochargers, this equally in use as a compressor or as a turbine wheel.
  • the wheels can also be more convenient As gas turbine wheels or water pump wheels be used.
  • FIG. 1 is a schematic representation of a high speed impeller in the form of a compressor wheel 2 for an exhaust gas turbocharger shown.
  • This compressor 2 has a functional section 6, the compressor blade, for example 7 includes.
  • the compressor wheel includes 2 a core structure 4, starting from a concentric Area around a hole 9 around in the center of the compressor wheel 2 extends with increasing diameter to the outside and formed as a support structure of the compressor blades 7 is.
  • a core structure 4 which consists of several Reinforcement sleeves 8, which are pushed concentrically over each other are shown.
  • Reinforcement sleeves 8 are only two reinforcing sleeves 8 with the corresponding Reference numerals provided, with corresponding designations are provided with the same reference numerals.
  • the reinforcing sleeves 8 have an outer diameter 12 and an inner diameter 14.
  • the outer diameter 12 of each reinforcing sleeve 8 designed such that he the inner diameter 14 of the following reinforcing sleeve. 8 in this respect corresponds, so that the two reinforcing sleeves. 8 can be pushed one above the other with little play (see FIG. right side).
  • can also be used to image the Cross-section of the core structure 4 has a wall thickness 13 of one Reinforcement sleeve 8 to the next reinforcing sleeve 8 vary.
  • FIG. 2 shows a plan view of the core structure 4 and in the lower part of the sketch a section through the core structure 4 shown.
  • the core structure 4 of FIG. 3 differs from that of FIG Core structure 4 in Figure 2 therein that reinforcing sleeves 20 are provided, each having an inner bore 22 with the same Have diameter.
  • the reinforcing sleeves 20 are lined up in such a way that the inner holes 22 congruent lie one above the other, with a matching reinforcing sleeve 26 is shown as having its outer diameter 28 play in the inner holes 22 of the reinforcing sleeves 20 play can be inserted.
  • the reinforcing sleeves 20 are thus lined up on the same type of reinforcing sleeve 26. According to the example of Figure 3, the reinforcing sleeves 20 also has a different length 10. Through this Measure may be the given cross-sectional geometry of the core structure 4, which in Figure 3 in the sketch on the left side represented by the dash-dotted line, if possible be completed comprehensively.
  • Figure 5 is also a juxtaposition of reinforcing sleeves 20, analogously to the example of Figure 4 shown. This is a simplified form, since the Reinforcement sleeves 20 have substantially the same length 10. As in the sketch on the left side of Figure 5 too recognize, the cross-sectional geometry of the reinforcing structure 4 not filled to the optimum extent as for example, by the embodiment in Figure 4 happens. For simple compressor wheels that load less heavily However, such a simpler, cheaper Be advantageous construction.
  • the materials used for making the reinforcing sleeves 8 or 20 are used, also the mechanical Stresses acting on the compressor wheel 2, customized. It has proved to be useful, the Reinforcing sleeves made of a fiber-reinforced material represent.
  • a possible example for producing a reinforcing sleeve 8 or 20 is a bobbin made of long fiber material or made of spun short fiber material.
  • the fibers are in a wax, resin or a polymer soaked.
  • the impregnated material hardens after winding the Winding body, resulting in so-called preforms of the reinforcing sleeves 8, 20 arise.
  • These preforms of reinforcing sleeves 8, 20 can be made into segments of the desired lengths 10 are cut, these segments after the here used diction already referred to as reinforcing sleeves 8, 20 can be.
  • These reinforcing sleeves 8, 20 can for example, by gluing, pressing, sewing, stacking or Hot melt adhesives are placed against each other or pushed over each other become.
  • organic material such as wax or polymer melted or the resin or the polymer or the wax is burnt out of the reinforcing sleeves 8, 20.
  • organic material such as wax or polymer melted or the resin or the polymer or the wax is burnt out of the reinforcing sleeves 8, 20.
  • the thus freed from organic binders reinforcing sleeves 8, 20 are placed in a mold and pouring with the molten metal, which also followed the Function section 6 forms, infiltrated.
  • the molten metal which also followed the Function section 6 forms, infiltrated.
  • the burnout and pouring the molten metal may optionally also be done simultaneously.
  • the core structure 4 In another variant of the manufacturing process of the core structure 4 are fiber-reinforced bobbins made with polymers or resins or waxes are infiltrated, analogous to previous example, to a core structure 4 assembled analogously to Figures 2 to 5, the organic Material wax, resin or polymer is removed and the core structure 4 is in a corresponding casting, for example a die casting process with a special metal infiltrated. The thus-infiltrated core structure 4 is subsequently in precision casting or another low-pressure casting process with the functional section 6 cast.
  • the already prefiltered nuclear structure 4 with a adhesion-promoting layer so that the liquid Metal that better when casting the functional section 6 adheres to the core structure 4 and thus a solid composite forms.
  • the filament winding body with liquid Metal it may be appropriate if necessary be to coat the fibers, so that on the one hand a reaction the infiltration metal with the fiber is avoided, and on the other hand, better wetting and better infiltration is guaranteed.
  • the reinforcement sleeves for example, from a wrought alloy, in particular one Made of aluminum wrought alloy. Also the application of metal matrix composites which may be made with short fibers are reinforced or the application of spray-compacted Metallic materials can be used for the reinforcement sleeves 8, 20 be expedient.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Hochgeschwindigkeitslaufrad zum Förden von gasförmigen oder flüssigen Medien, beispielsweise als Verdichterrad (2) für einen Abgasturbolader. Das Hochgeschwindigkeitslaufrad weist eine verstärkende Kernstruktur (4) und eine äußeren Funktionsabschnitt (6) auf. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass zur Darstellung der Kernstruktur (4) Verstärkungshülsen (8) konzentrisch übereinander geschoben sind, wobei die Länge (10) der jeweiligen Verstärkungshülsen (8) variieren. Ferner ist der Funktionsabschnitt (6) auf die Kernstruktur (4) aufgegossen. <IMAGE>

Description

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.
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.
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.
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.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Hochgeschwindigkeitslaufrad bereitzustellen, das bei einer komplexen Querschnittskontur eine integrierte Verstärkung aufweist.
Die Lösung der Aufgabe besteht in den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und in den Merkmalen des Patentanspruchs 3.
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.
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.
Dabei variiert die Länge einer jeweiligen Verstärkungshülse in derart, dass sich eine vorgegebene Querschnittsgeometrie der Kernkontur annähernd abbilden lässt.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Vorteilhafte Ausgestaltungsformen der Erfindung sind anhand der folgenden Figuren näher erläutert.
Dabei zeigen:
Fig. 1
eine grafische Darstellung eines Verdichterrades eines Abgasturboladers,
Fig. 2
eine schematische Darstellung einer Kernstruktur mit übereinander geschobenen Verstärkungshülsen,
Fig. 3
eine schematische Darstellung einer Kernstruktur mit aneinander gereihten Verstärkungshülsen mit konstantem Innendurchmesser, wobei die Aneinanderreihung auf eine Art gleiche Verstärkungshülse konzentrisch aufgeschoben ist,
Fig. 4
eine schematische Darstellung einer Kernstruktur mit aneinandergereihten Verstärkungshülsen, die jeweils einen gleichen Innendurchmesser aufweisen,
Fig. 5
eine schematische Darstellung einer Kernstruktur mit aneinandergereihten Verstärkungshülsen, die jeweils einen gleichen Innendurchmesser aufweisen.
In Figur 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.
In den Figuren 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.
In Figur 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.
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. Figur 2, rechte Seite). Dabei werden die Verstärkungshülsen 8 in dem Beispiel nach Figur 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.
Das Ergebnis einer derartigen Bauweise ist schematische in Figur 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 Figur 2 eine Draufsicht auf die Kernstruktur 4 abgebildet und im unteren Teil der Skizze ein Schnitt durch die Kernstruktur 4 dargestellt.
Die Kernstruktur 4 aus Figur 3 unterscheidet sich von der Kernstruktur 4 in Figur 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 Figur 3 weisen die Verstärkungshülsen 20 ebenfalls eine unterschiedliche Länge 10 auf. Durch diese Maßnahme kann die vorgegebene Querschnittsgeometrie der Kernstruktur 4, die in Figur 3 in der Skizze auf der linken Seite durch die strichpunktierte Linie dargestellt ist, möglichst umfassend ausgefüllt werden.
In dem Beispiel in Figur 4, das sich dem Beispiel aus Figur 3 ähnelt, ist ebenfalls eine Aneinanderreihung verschiedener Hülsen 20, mit jeweils einer konstanten Innenbohrung 22 dargestellt. Der Unterschied zur Figur 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 Figur 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.
In Figur 5 ist ebenfalls eine Aneinanderreihung von Verstärkungshülsen 20, analog dem Beispiel aus Figur 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 Figur 5 zu erkennen ist, wird die Querschnittsgeometrie der Verstärkungsstruktur 4 nicht in dem optimalen Maße ausgefüllt, wie es beispielsweise durch das Ausführungsbeispiel in Figur 4 geschieht. Für einfache Verdichterräder, die weniger hoch belastet sind, kann jedoch eine derartige einfachere, kostengünstige Bauweise vorteilhaft sein.
Bei den in Figur 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 Figur 2 lediglich zwei Verstärkungshülsen 8 konzentrisch übereinander geschoben werden. Es kann beispielsweise auch zweckmäßig sein, dass, anlehnend an Figur 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.
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.
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.
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 Ausbrennen und das Eingießen der Metallschmelze kann gegebenenfalls auch gleichzeitig erfolgen.
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 Figuren 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.
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.
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.
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 Anwendung 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.

Claims (11)

  1. Hochgeschwindigkeitslaufrad zum Fördern von gasförmigen oder flüssigen Medien mit einer verstärkenden Kernstruktur (4) und einem äußeren Funktionsabschnitt (6)
    dadurch gekennzeichnet,
    dass zur Darstellung der Kernstruktur (4) Verstärkungshülsen (8) konzentrisch übereinander geschoben sind, wobei
    eine Länge (10) der jeweiligen Verstärkungshülsen (8) variiert und
    der Funktionsabschnitt (6) auf die Kernstruktur (4) aufgegossen ist.
  2. Hochgeschwindigkeitslaufrad nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Länge (10) der jeweiligen Verstärkungshülsen (8) mit zunehmenden Außendurchmesser verringert ist.
  3. Hochgeschwindigkeitslaufrad zum Fördern von gasförmigen oder flüssigen Medien mit einer verstärkenden Kernstruktur (4) und einem äußeren Funktionsabschnitt (6)
    dadurch gekennzeichnet,
    dass zur Darstellung der Kernkontur (4) mehrere Verstärkungshülsen (20) mit jeweils den gleichen Durchmesser aufweisenden Innenbohrungen (22) in der Art aneinander gereiht sind,
    dass die Innenbohrungen (22) kongruent aneinander gereiht sind und
    Außendurchmesser (24) der Verstärkungshülsen (20) zur Abbildung einer vorgegebenen Querschnittsgeometrie der Kernkontur (4) variieren und
    der Funktionsabschnitt (6) auf die Kernstruktur (4) aufgegossen ist.
  4. Hochgeschwindigkeitslaufrad nach Anspruch 3,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungshülsen (20) mit den kongruent aneinander gereihten Innenbohrungen (22) auf eine artgleiche Verstärkungshülse (26) konzentrisch aufgeschoben sind.
  5. Hochgeschwindigkeitslaufrad nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungshülsen (8, 20) aus einem faserverstärkten Material bestehen.
  6. Hochgeschwindigkeitslaufrad nach Anspruch 5,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungshülsen (8, 20) einen langfaserverstärkten Wickelkörper aufweisen.
  7. Hochgeschwindigkeitslaufrad nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungshülsen (8, 20) aus einem mit Kurzfasern verstärkten Metall-Matrix-Verbundwerkstoff bestehen.
  8. Hochgeschwindigkeitslaufrad nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungshülsen (8, 20) aus einer metallinfiltrierten porösen Keramik bestehen.
  9. Hochgeschwindigkeitslaufrad nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungshülsen (8, 20) aus einem sprühkompaktierten Metallwerkstoff bestehen.
  10. Hochgeschwindigkeitslaufrad nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungshülsen (8, 20) aus einer hochfesten Knetlegierung besteht.
  11. Hochgeschwindigkeitslaufrad nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass das Hochgeschwindigkeitslaufrad (2) ein Verdichterrad oder ein Turbinenrad eines Abgasturboladers ist.
EP04018089A 2003-09-05 2004-07-30 Hochgeschwindigkeitslaufrad Withdrawn EP1512833A2 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE10341415 2003-09-05
DE10341415A DE10341415A1 (de) 2003-09-05 2003-09-05 Hochgeschwindigkeitslaufrad

Publications (1)

Publication Number Publication Date
EP1512833A2 true EP1512833A2 (de) 2005-03-09

Family

ID=34129698

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