EP1633985A1 - Laufrad einer str mungsmaschinen - Google Patents
Laufrad einer str mungsmaschinenInfo
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Definitions
- the invention relates to an impeller of a turbomachine, in particular a compressor with the features mentioned in the preamble of patent claim 1.
- auxiliary loader which is also known as an electric auxiliary compressor.
- This can be connected in the fresh air circulation in series with the compressor side of a conventional exhaust gas turbocharger and can support this at low engine speeds.
- compressor wheels made of light metal alloy are used for exhaust gas turbochargers.
- electric auxiliary compressors usually the same components are used, so that the compressor wheel is usually made of light metal, in particular of an aluminum alloy.
- An inventive impeller of a turbomachine in particular a turbocompressor has a rotatably mounted hub of a metallic material and a plurality of arranged thereon and radially outwardly extending blades of a specifically lighter material, in particular a plastic material.
- the lighter blades allow a lower mass and a lower moment of inertia of the impeller and thereby enable a drive with reduced drive power.
- the blades can in particular be made of a plastic material, for example of fiber-reinforced plastic.
- the invention provides that the blades are detachably or irreversibly connected to the hub.
- the blades can be inserted in axially extending grooves on an outer circumferential surface of the hub and fixed there, in particular screwed.
- the connection can also be made in an advantageous manner by spraying the airfoils or for example by means of clipping or the like.
- other irreversible types of connection are possible.
- an inventive impeller with blades made of plastic with a reduced drive power of about 2.5 kilowatts or less can be operated, which the Bordnetzbe- substantially reduced in motor vehicles. This is particularly important when starting up the compressor wheel, since the time required for this depends mainly on the available drive power and the mass moment of inertia of the compressor wheel and the elements connected thereto.
- Metallic compressor wheels are disadvantageous here because of their comparatively high density.
- a compressor wheel which consists of a composite of polymer material, for example fiber-reinforced plastic, and a metal alloy of low density, has the following advantages.
- the rotor has a high stability, which can be supported by suitable material selection of the components.
- the low mass moment of inertia of the rotor allows very good dynamic properties, especially with changes in speed.
- Cost-effective production methods can be used, for example, casting or injection molding technology.
- Interchangeable wing geometries enable production in a modular principle.
- each airfoil has a T-shaped stiffening, which in each case extends in a star shape from the hub to the outside and attaches to a lower edge of each airfoil and is connected thereto.
- the blades preferably have a curved surface, so that the impeller is particularly suitable for centrifugal compressors.
- the hub of the impeller is preferably made of light metal, which gives the impeller the required stability. Another advantage of a metallic hub is that it has a good thermal conductivity, so that, for example, an electric drive can deliver its heat generated during operation partially via the hub.
- the blades are preferably made of fiber-reinforced plastic, which gives them sufficient strength with simultaneous elasticity and low weight.
- an impeller is arranged on the hub, which serves to deflect an axial Flow in the radial direction allows.
- the impeller is preferably fixedly connected to the hub and, like these, is made of light metal.
- a plurality of rows of blades can be arranged on a longer hollow cylinder as a hub, so that a plurality of compressor wheels are formed, which are each arranged one behind the other.
- the blades can be processed as inserts in different injection molds, so that the blade rows each have different properties, for example. A different elasticity of their blades.
- Figure 1 is a schematic plan view of an inventive
- FIG 2 is a partial sectional view of the impeller according to Figure 1 with only one attached airfoil.
- FIGs 1 and 2 show an inventive impeller 10 of a turbomachine, in particular a radial turbocharger compressor.
- the impeller 10 comprises a hub 12, which is preferably made of light metal, and anchored thereon blades 22, which are preferably made of plastic, in particular made of fiber-reinforced plastic.
- a hub 12 which is preferably made of light metal, and anchored thereon blades 22, which are preferably made of plastic, in particular made of fiber-reinforced plastic.
- an impeller 12 with a plurality of impeller blades 20 is arranged.
- the impeller 14 is disposed in an upper portion of the hub 12 (see Fig. 2).
- the hub 12 has a hollow cylinder 16 with axial grooves 32 on the outer circumferential surface 18, in which the blades 22 can be inserted.
- the blades 22 each have a spring section 34 for their positive engagement in the axial groove 32 at their insertion which can be inserted in an axial groove 32.
- the contours of these axial grooves 32 and the spring portions 34 are indicated in Figure 1 with broken lines.
- the leaves are fixed from below by a screw-on disc 30, so that the impeller 10 is fully assembled.
- a T-shaped reinforcement 24 is provided in each case, which gives the blades 22 the necessary stability in operation.
- the blades 24 each have a star-shaped contour and are fixedly connected to the blades 22.
- the stiffeners 24 do not form a closed bottom disk.
- the radial shaping of the individual blade 22 allows a uniform distribution of stress in the polymer components during operation.
- the shape of a simple T-beam gives the blade 22 the required torsional rigidity.
- the impeller 10 has no cover plate. If higher outlet pressures are required, the existing blade inserts can be replaced by components that are longer in the radial direction, resulting in a larger diameter impeller.
- the existing of a metallic hub 12 and a plurality of plastic sheets impeller 10 has compared to conventional metallic components on a much lower mass moment of inertia, so that the energy required for starting and for speed changes is substantially reduced.
- a significantly reduced drive power can thus be used. This is particularly useful for electric auxiliary compressors in motor vehicles, since such an increase Compressor has a significantly reduced power consumption of sometimes less than 1 to 2.5 kilowatts compared to about 3 kW in metallic wheels.
- the hub 12 can also have several rows of blades arranged one behind the other, so that a multi-stage impeller 10 can be formed. If necessary, the different blade rows can each be produced in different production stages and each have different material properties.
- the blades 22 are selectively releasably or irreversibly connected to the hub 12.
- a non-releasable connection can be produced, for example, by means of a spattering process, in which the hub 12 is inserted into an injection mold and provided with molded-on blades 22. Possibly. can the blades 22 are also pressed into the grooves 32, so that they are firmly locked there.
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Laufrad einer Strömungsmaschinen, insbesondere eines Turboverdichters, mit einer drehbar gelagerten Nabe aus einem metallischen Material und mehreren daran angeordneten und sich radial nach aussen erstreckenden Schaufelblättern. Es ist vorgesehen, dass die Schaufelblätter (22) aus einem spezifisch leichteren Material als das der Nabe (12) gefertigt sind.
Description
Laufrad einer Strömungsmaschine
Die Erfindung betrifft ein Laufrad einer Strömungsmaschine, insbesondere eines Verdichters mit den im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Merkmalen.
Stand der Technik
Zur Verbesserung eines Wirkungsgrades von Verbrennungskraftmaschinen kann deren Luft mittels eines Abgasturboladers verdichtet werden, so dass das in die Brennräume geförderte Luftkraftstoffgemisch einen höheren E- nergieinhalt aufweist. Solche Abgasturbolader haben insbesondere bei Fahrzeugantrieben den Nachteil eines verzögerten bzw. unzureichenden Ansprechverhaltens bei kleinen Motordrel zahlen, da hier der Abgasdruck relativ gering ist. Zur Verbesserung des Ansprechverhaltens eines Abgasturboladers ist bspw. in der US 60 29 452 eine Unterstützung mittels eines elekt- rischen Antriebs beschrieben.
Eine Möglichkeit einer solchen elektrischen Unterstützung ist ein separater, elektrisch angetriebener Hilfslader, der auch als elektrischer Zusatzverdichter bekannt ist. Dieser kann in der Frischluftmhrung in Serie zur Verdichter- seite eines konventionellen Abgasturboladers geschaltet sein und kann diesen bei niedrigen Motordrehzahlen unterstützen.
Für Abgasturbolader werden üblicherweise Verdichterräder aus Leichtmetalllegierung verwendet. Für elektrische Zusatzverdichter werden üblicher- weise die gleichen Bauteile verwendet, so dass auch dessen Verdichterrad meist aus Leichtmetall, insbesondere aus einer Aluminiumlegierung besteht.
Vorteile der Erfindung
Ein erfindungsgemäßes Laufrad einer Strömungsmaschine, insbesondere eines Turboverdichters weist eine drehbar gelagerte Nabe aus einem metal- lischen Material und mehrere daran angeordnete und sich radial nach außen erstreckende Schaufelblätter aus einem spezifisch leichteren Material, insbesondere einem Kunststoffmaterial auf. Die leichteren Schaufelblätter ermöglichen eine geringere Masse und ein geringeres Flächenträgheitsmoment des Laufrads und ermöglichen dadurch einen Antrieb mit verringerter Antriebsleistung.
Die Schaufelblätter können insbesondere aus einem Kunststoffmaterial, bspw. aus faserverstärktem Kunststoff gefertigt sein.
Die Erfindung sieht vor, dass die Schaufelblätter lösbar oder irreversibel mit der Nabe verbunden sind. Insbesondere können die Schaufelblätter in axial verlaufenden Nuten an einer Außenmantelfläche der Nabe eingeschoben und dort fixiert, insbesondere verschraubt sein. Die Verbindung kann in vorteilhafter Weise auch durch ein Anspritzen der Schaufelblätter oder bspw. mittels Einklipsen o. dgl. erfolgen. Es sind darüber hinaus auch andere irreversible Verbindungsarten möglich.
Durch eine solche Verbundbauweise kann ein Laufrad mit einer geringeren Masse und insbesondere einem geringeren Massenträgheitsmoment zur Ver- fügung gestellt werden, das wesentlich verbesserte Hochlaufeigenschaften aufweist. Aufgrund der geringeren Dichte von Kunststoffen gegenüber Leichtmetall und Aluminiumlegierungen kann somit eine Hochlaufzeit und die für das Anlaufen des Verdichterrades benötigte Energie wesentlich reduziert werden.
Gegenüber metallischen Verdichterrädern, die zu ihrem Antrieb zeitweise mehrere Kilowatt Leistung benötigen, kann ein erfindungsgemäßes Laufrad mit Schaufelblättern aus Kunststoff mit einer reduzierten Antriebsleistung von ca. 2,5 Kilowatt oder weniger betrieben werden, was die Bordnetzbe-
lastung in Kraftfahrzeugen wesentlich reduziert. Besonders beim Hochlaufen des Verdichterrads ist dies von Bedeutung, da die hierfür benötigte Zeit hauptsächlich von der verfügbaren Antriebsleistung und dem Massenträgheitsmoment des Verdichterrads und den damit verbundenen Elementen abhängt. Metallische Verdichterräder sind hier wegen ihrer vergleichsweise hohen Dichte im Nachteil.
Ein Verdichterrad, das aus einem Verbund aus Polymerwerkstoff, bspw. faserverstärktem Kunststoff, und einer Metalllegierung geringer Dichte be- steht, zeichnet sich durch folgende Vorteile aus. Der Rotor weist eine hohe Stabilität auf, was durch geeignete Materialauswahl der Bestandteile unterstützt werden kann. Das geringe Massenträgheitsmoment des Rotors ermöglicht sehr gute Dynamikeigenschaften, insbesondere bei Drehzahlveränderungen. Es können kostengünstige Fertigungsverfahren angewendet werden, bspw. Guss- bzw. Spritzgusstechnik. Austauschbare Flügelgeometrien ermöglichen eine Fertigung in einem Baukastenprinzip.
Einen erfindungsgemäße Ausgestaltung sieht vor, dass jedes Schaufelblatt eine T-förmige Versteifung aufweist, die jeweils sternförmig von der Nabe nach außen reicht und an einer unteren Kante jedes Schaufelblatte ansetzt und damit verbunden ist. Die Schaufelblätter weisen vorzugsweise eine gekrümmte Oberfläche auf, so dass sich das Laufrad insbesondere für Radialverdichter eignet. Die Nabe des Laufrads ist vorzugsweise aus Leichtmetall gefertigt, was dem Laufrad die erforderliche Stabilität gibt. Ein weiterer Vorteil einer metallischen Nabe besteht darin, dass diese eine gute Wärmeleitfähigkeit aufweist, so dass bspw. ein elektrischer Antrieb seine im Betrieb entstehende Wärme teilweise über die Nabe abgeben kann.
Die Schaufelblätter sind vorzugsweise aus faserverstärktem Kunststoff ge- fertigt, was ihnen eine ausreichende Festigkeit bei gleichzeitiger Elastizität und geringem Gewicht gibt.
Weiterhin ist bei einer Ausgestaltung des erfmdungsgemäßen Laufrads an der Nabe ein Impeller angeordnet, der die Umlenkung einer axialen An-
Strömung in die radiale Richtung ermöglicht. Der Impeller ist vorzugsweise fest mit der Nabe verbunden und besteht wie diese aus Leichtmetall.
Auf einem längeren Hohlzylinder als Nabe können wahlweise auch mehrere Reihen von Schaufelblättern angeordnet sein, so dass mehrere Verdichterräder gebildet werden, die jeweils hintereinander angeordnet sind. Ggf. können die Schaufelblätter als Einlegeteile in unterschiedlichen Spritzgusswerkzeugen verarbeitet werden, so dass die Schaufelblattreihen jeweils unterschiedliche Eigenschaften aufweisen können, bspw. eine unterschiedliche Elastizität ihrer Schaufelblätter.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den abhängigen Ansprüchen genannten Merkmalen.
Zeichnungen
Die Erfindung wird nachfolgend in bevorzugten Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt:
Figur 1 eine schematisch Draufsicht auf ein erfindungsgemäßes
Laufrad und
Figur 2 eine Teilschnittdarstellung des Laufrads gemäß Figur 1 mit nur einem befestigten Schaufelblatt.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Die Figuren 1 und 2 zeigen ein erfindungsgemäßes Laufrad 10 einer Strömungsmaschine, insbesondere eines Radialturbo Verdichters. Das Laufrad 10 umfasst eine Nabe 12, die vorzugsweise aus Leichtmetall gefertigt ist, sowie daran verankerte Schaufelblätter 22, die vorzugsweise aus Kunststoff, insbesondere aus faserverstärktem Kunststoff gefertigt sind. An der Nabe 12 ist ein Impeller 12 mit mehreren Impellerschaufeln 20 angeordnet. Der Impeller 14 ist in einem oberen Bereich der Nabe 12 angeordnet (vgl. Figur 2).
Die Nabe 12 weist einen Hohlzylinder 16 mit Axialnuten 32 an dessen Außenmantelfläche 18 auf, in welche die Schaufelblätter 22 eingeschoben werden können. Hierzu weisen die Schaufelblätter 22 jeweils an ihrem in einer Axialnut 32 einschiebbaren Ansatz einen Federabschnitt 34 zur formschlüssigen Verbindung in der Axialnut 32 auf. Die Konturen dieser Axialnuten 32 und der Federabschnitte 34 sind in Figur 1 mit unterbrochenen Linien angedeutet.
Nach dem Einschieben der bogenförmigen Schaufelblätter 22 in die jeweiligen Axialnuten 32 werden die Blätter von unten her durch eine aufschraubbare Scheibe 30 fixiert, so dass das Laufrad 10 fertig montiert ist. An einer unteren Kante 28 der bogenförmig geschwungenen Schaufelblätter 22 ist jeweils eine T-förmige Versteifung 24 vorgesehen, die den Schaufelblättern 22 die in Betrieb notwendige Stabilität verleiht. Die Schaufelblätter 24 weisen in der Draufsicht (Figur 1) jeweils eine sternförmige Kontur auf und sind mit den Schaufelblättern 22 fest verbunden. Somit bilden die Versteifungen 24 keine geschlossene Bodenscheibe. Die radiale Formgebung der Einzelschaufel 22 ermöglicht im Betrieb eine gleichförmige Spannungsver- teilung in den Polymerbauteilen. Die Form eines einfachen T-Trägers verleiht der Schaufel 22 die erforderliche Verwindungssteifigkeit.
Das Laufrad 10 weist keine Deckscheibe auf. Bei Bedarf höherer Austrittsdrücke können die vorhandenen Schaufelspritzlinge durch in radialer Rich- tung längere Bauteile ersetzt werden, so dass sich ein Laufrad größeren Durchmessers ergibt.
Das aus einer metallischen Nabe 12 und mehreren Kunststoffblättern bestehende Laufrad 10 weist gegenüber herkömmlichen metallischen Bauteilen ein deutlich geringeres Massenträgheitsmoment auf, so dass die für das Anlaufen und für Drehzahlveränderungen benötigte Energie wesentlich reduziert ist. Bei einem elektrischen Verdichterantrieb kann somit eine deutlich reduzierte Antriebsleistung eingesetzt werden. Dies ist insbesondere für elektrische Zusatzverdichter in Kraftfahrzeugen sinnvoll, da ein solcher Zu-
satzverdichter eine deutlich reduzierte Leistungsaufnahme von teilweise weniger als 1 bis 2,5 Kilowatt gegenüber ca. 3 kW bei metallischen Laufrädern aufweist.
Gegenüber der gezeigten Ausführungsform mit einer Schaufelreihe an der Nabe 12 kann diese auch mehrere hintereinander angeordnete Schaufelrei- hen aufweisen, so dass ein mehrstufiges Laufrad 10 gebildet werden kann. Die unterschiedlichen Schaufelreihen können ggf. jeweils in unterschiedlichen Fertigungsstufen hergestellt werden und jeweils unterschiedliche Ma- terialeigenschaften aufweisen.
Die Schaufelblätter 22 sind wahlweise lösbar oder irreversibel mit der Nabe 12 verbunden. Eine nicht lösbare Verbindung kann bspw. mittels eines Spitzgieß Vorganges hergestellt werden, bei dem die Nabe 12 in eine Spritz- gussform eingelegt und mit angeformten Schaufelblättern 22 versehen wird. Ggf. können die Schaufelblätter 22 auch in die Nuten 32 eingedrückt werden, so dass sie dort fest verrastet sind.
Claims
1. Laufrad einer Strömungsmaschinen, insbesondere eines Turboverdichters, mit einer drehbar gelagerten Nabe aus einem metallischen Material und mehreren daran angeordneten und sich radial nach außen erstreckenden Schaufelblättern, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufelblätter (22) aus einem spezifisch leichteren Material als das der Nabe (12) gefertigt sind.
2. Laufrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufelblätter (22) aus Kunststoffmaterial gefertigt sind.
3. Laufrad nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufelblätter (22) aus faserverstärktem Kunststoff gefertigt sind.
4. Laufrad nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufelblätter (22) lösbar mit der Nabe (12) verbunden sind.
5. Laufrad nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufelblätter (22) in axial verlaufende Nuten (32) an einer Außenmantelfläche (18) der Nabe (12) eingeschoben und dort fixiert sind.
6. Laufrad nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufelblätter (22) mit der Nabe (12) verschraubt sind.
7. Laufrad nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufelblätter (22) unlösbar mit der Nabe (12) verbunden sind.
8. Laufrad nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufelblätter (22) in axial verlaufende Nuten (32) an einer Außenmantelfläche (18) der Nabe (12) irreversibel eingerastet sind.
9. Laufrad nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufelblätter (22) mittels eines Spritzgießprozesses mit der Nabe (12) verbunden sind.
10. Laufrad nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Schaufelblatt (22) eine T-förmige Versteifung (24) aufweist.
11. Laufrad nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekenn- zeichnet, dass die T-förmigen Versteifungen (24) jeweils sternförmig von der Nabe (12) nach außen reichen.
12. Laufrad nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufelblätter (22) eine gekrümmte Oberfläche (26) aufweisen.
13. Laufrad nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die T-förmigen Versteifungen (24) jeweils an einer Kante (28) jedes Schaufelblatts (22) angeordnet sind.
14. Laufrad nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nabe (12) des Laufrads (10) aus Leichtmetall gefertigt ist.
15. Laufrad nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Nabe (12) wenigstens zwei hintereinander angeordnete Schaufelreihen aufweist.
16. Laufrad nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Schau- felblätter (22) verschiedener Schaufelreihen unterschiedlich geformt sind.
17. Laufrad nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Laufrad (10) Teil eines Radialverdichters ist.
18. Laufrad nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nabe (12) einen Impeller (14) aufweist.
19. Laufrad nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Nabe (12) zur Wärmeableitung eines Antriebsmotors ausgebildet ist.
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