EP1875045A1 - Turbinenrad - Google Patents

Turbinenrad

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EP1875045A1
EP1875045A1 EP06705416A EP06705416A EP1875045A1 EP 1875045 A1 EP1875045 A1 EP 1875045A1 EP 06705416 A EP06705416 A EP 06705416A EP 06705416 A EP06705416 A EP 06705416A EP 1875045 A1 EP1875045 A1 EP 1875045A1
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EP
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turbine wheel
blade
scalloping
turbine
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ABB Turbo Systems AG
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    • F01D5/02—Blade-carrying members, e.g. rotors
    • F01D5/04—Blade-carrying members, e.g. rotors for radial-flow machines or engines
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
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    • 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
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F05D2250/70—Shape
    • F05D2250/71—Shape curved

Definitions

  • the invention relates to the field of exhaust gas turbochargers. It relates to a turbine wheel of a radial or mixed-flow turbine with the features of the preamble of the independent claim.
  • Compact exhaust gas turbochargers generally have exhaust gas turbines flowed through strictly radially (radial turbine) or diagonally (mixed-flow turbine).
  • the exhaust gas flow is deflected by the turbine wheel and flows in the axial direction.
  • the turbine wheels of radial and mixed-flow turbines are often provided with a scalloping.
  • the scalloping refers to a recess in the rear wall of the hub of the turbine wheel between the individual blades.
  • the main purpose of scalloping is to reduce the mass moment of inertia by cutting out material in the radially outermost region of the turbine wheel.
  • the scalloping contour can be formed symmetrically with respect to the exhaust gas inlet edge of the individual rotor blades of the turbine wheel.
  • the scalloping contour runs pointed or rounded towards the exhaust gas inlet edge.
  • the scalloping contour is usually also rounded so that it comes from the exhaust gas inlet edge to exhaust gas inlet edge of adjacent blades to a continuously extending scalloping contour.
  • the scalloping contour can take an asymmetrical course between the exhaust gas inlet edges of adjacent rotor blades.
  • the blades are three-dimensionally curved.
  • the respective hub cut ie the transition of a blade to the hub, with respect to the radial on a curved course.
  • the hub in the area against the radially outermost edge is inclined backwards to the turbine shaft. Due to the three-dimensional blade shape, asymmetric deformation in the area of the scalloping can occur at high speed and the thermal loading of the turbine wheel.
  • the rear wall of the hub in the case of a symmetrical scalloping contour as shown in Fig. 2 is pulled radially outwardly by the strong centrifugal forces.
  • the surface on the pressure side of the blade rotates about the foot of the blade, as indicated by the thick arrow in the figure. This creates high voltages in the area of the scalloping contour, in particular in the lowest point, which can be life-limiting for the turbine wheel in extreme cases.
  • the object of the present invention is to provide a turbine wheel with three-dimensionally curved blades and scalloping in the region of the hub rear wall, in which the stresses occurring due to scalloping deformations are reduced during operation.
  • the blade is moved with respect to the scalloping contour to the pressure side.
  • the exhaust-gas inlet edge of the blade which is bent toward the pressure side, is thus not at the highest point of the scalloping contour, but is displaced toward the pressure side.
  • the hub section of the blade divides the area bounded by the scalloping contour surface of the rear wall of the shaft hub in two equal 'faces. The load of the two partial surfaces with respect to Deformation during operation is thereby aligned and the unilateral maximum load is reduced.
  • FIG. 1 shows a turbine wheel embodied under load according to the invention, with a turbine wheel displaced with respect to the point of symmetry of the scalloping contour, with the exhaust gas inlet edges of the rotor blades being displaced,
  • FIG. 2 shows a turbine wheel according to the prior art, shown under load, with exhaust gas inlet edges of the rotor blades arranged at the point of symmetry of the scalloping contour
  • Fig. 3 is a schematic representation of the rear wall of the hub of the turbine wheel of FIG. 1 in an axially guided section
  • Fig. 4 is a schematic representation of the rear wall of the hub of the turbine wheel of Fig. 3 in a guided along the hub surface (IV-IV) section.
  • the turbine wheel according to FIG. 1 has a hub 15 and a plurality of rotor blades 14 arranged around the hub.
  • the hub is arranged at the end of a rotatably mounted in the housing of an exhaust gas turbocharger turbine shaft 2.
  • the hub may be connected to the turbine shaft material fit or via a threaded connection.
  • At the other end of the turbine shaft an unillustrated compressor wheel is arranged.
  • the turbine wheel drives the compressor wheel.
  • the illustrated turbine wheel of a mixed-flow turbine has only a few blades. The number of blades can be freely selected depending on the operating requirements.
  • the inlet edges 16 of the blades of the turbine wheel are arranged perpendicular to the flow direction in the mixed-flow turbine.
  • the leading edge is not inclined as in the radial turbine perpendicular to the radial, but at an angle to the radial.
  • the rear wall of the hub is inclined to the radially outermost region of the turbine wheel towards the turbine shaft educated. This radially outermost region of the hub has a scalloping contour, ie in each case between two blades, material is cut out from the hub rear wall.
  • the blades and the hub of the turbine wheel are typically cast or milled in one piece, i. the blades are firmly connected to the hub. in the
  • Blade contour and hub shell .
  • r For a more understandable explanation of
  • the hub cut 12 is reduced in the figures on a line. In FIG. 4, however, in addition to the hub cut 12, the effective course of the cut curve between blade contour and hub surface is also indicated.
  • the hub cut 12 thus has a double-curved course according to FIGS. 3 and 4.
  • the rotor blades of the turbine wheel according to the invention are arranged with respect to the scalloping contour 11 such that the surfaces of the hub rear wall are uniformly supported on both sides of the rotor blades. This can be explained simply with reference to FIG. 4.
  • This rotation can also be seen in the representation of the turbine wheel according to the state of the art - FIG. 2 - clearly illustrated by an arrow.
  • the ⁇ figure shows a turbine under load, so that the centrifugal forces caused by the Deformations are made visible.
  • the radially outermost edge of the hub of the turbine wheel is loaded due to this rotation with a high voltage.
  • the two surfaces Fi and F 2 are aligned with each other.
  • the two surfaces are delimited by the scalloping contour 11 on the one hand, and by a connecting line between the radially inwardmost points A and B of the scalloping contour on the suction side and pressure side of the blade.
  • the curved hub cut 12 now runs through the middle of the two surfaces and supports them optimally.
  • the rotations due to the centrifugal forces are smaller and the turbine wheel is exposed to lower voltages.
  • These minor rotations are also shown in the illustration of the turbine wheel according to the invention according to FIG.
  • the two arrows indicate the slight deformations.
  • the figure shows the turbine wheel under the same load as the turbine wheel according to FIG. 2.
  • the radially outermost edge of the hub of the turbine wheel is loaded with significantly lower tension because of these minor twists.
  • the exact extent of the displacement of the blade with respect to the scalloping contour depends on various factors. For example, the curvature of the hub cut and the exact shape of the scalloping contour is important.
  • the scalloping contour of the illustrated turbine wheels has a symmetrical, wave-shaped course.
  • the scalloping contour can also have an asymmetrical course and can run approximately matched to the course of the blade in the region of the hub section.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Supercharger (AREA)
  • Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)

Abstract

Turbinenrad (1) mit einer Nabe (15) und Lauf schaufeln (14) , wobei jede Lauf schaufei (14) jeweils entlang eines gekrümmten Nabenschnitts (12) mit der Nabe verbunden ist, die Lauf schaufei derart ausgebildet und auf der Nabe angeordnet sind, dass der Nabenschnitt (12) von der radikalen Richtung abweichend, zur Druckseite der Lauf schaufei hin gebogen verläuft, und die Nabe zwischen jeweils zwei benachbarten Lauf schaufeln im Bereich einer Nabenrückwand eine Scallopingkontur (11) aufweist. Der Nabenschnitt (12) jeder Laufschaufel (14) ist bezüglich der Scallopingf lache (Fl + F2) derart platziert, dass diese Fläche durch die Lauf schaufei möglichst symmetrisch abgestützt ist. Das Turbinenrad mit dreidimensional gekrümmten Lauf schaufei und Scalloping im Bereich der Nabenrückwand weist dadurch weniger, aufgrund von Scallopingverformungen auftretenden Spannungen auf.

Description

Turbinenrad
B ES C H RE I B U N G
Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Abgasturbolader. Sie betrifft ein Turbinenrad einer Radial oder Mixed-Flow Turbine mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs.
Kompakte Abgasturbolader verfügen in der Regel über streng radial (Radialturbine) oder schräg (Mixed-Flow-Turbine) angeströmte Abgasturbinen. Der Abgasstrom wird durch das Turbinenrad umgelenkt und strömt in axialer Richtung ab. Die Turbinenräder von Radial- und Mixed-Flow-Turbinen sind oft mit einem Scalloping versehen. Das Scalloping bezeichnet eine Aussparung in der Rückwand der Nabe des Turbinenrades zwischen den einzelnen Laufschaufeln. Das Scalloping dient hauptsächlich dazu das Massenträgheitsmoment zu reduzieren, indem im radial äussersten Bereich des Turbinenrades Material ausgespart wird.
Stand der Technik
Gemäss US 4,659,288 kann die Scallopingkontur bezüglich der Abgaseintrittskante der einzelnen Laufschaufeln des Turbinenrades symmetrisch ausgebildet sein. Die Scallopingkontur verläuft zur Abgaseintrittskante hin spitz oder abgerundet. Im radial innersten Punkt der Scallopingkontur, also im tiefsten Punkt der Aussparung in der Rückwand der Nabe des Turbinenrades, ist die Scallopingkontur in der Regel ebenfalls abgerundet, so dass es von Abgaseintrittskante zu Abgaseintrittskante benachbarter Laufschaufeln zu einem kontinuierlich verlaufenden Scallopingkontur kommt.
Alternativ kann die Scallopingkontur, wie etwa in EP 1 462 607 A1 dargestellt, zwischen den Abgaseintrittskanten benachbarter Laufschaufeln einen asymmetrischen Verlauf nehmen. Insbesondere bei Mixed-Flow-Turbinen, wie sie etwa in ABB Abgasturboladern der Modelreihe TPS... D/E eingesetzt werden, sind die Laufschaufeln dreidimensional gekrümmt ausgebildet. Einerseits weist der jeweilige Nabenschnitt, also der Übergang einer Laufschaufel auf die Nabe, bezüglich der Radialen einen gekrümmten Verlauf auf. Andererseits ist die Nabe im Bereich gegen den radial äussersten Rand nach hinten zur Turbinenwelle hin geneigt. Aufgrund der dreidimensionalen Schaufelform kann es bei hoher Drehzahl und der thermischen Belastung des Turbinenrades zu einer asymmetrischen Verformung im Bereich des Scalloping kommen. Die Rückwand der Nabe im Falle einer symmetrischen Scallopingkontur gemäss der Darstellung in Fig. 2 wird durch die starken Fliehkräfte radial nach aussen gezogen. Insbesondere die Fläche auf der Druckseite der Laufschaufel verdreht sich um den Fuss der Laufschaufel, wie dies mit dem dicken Pfeil in der Figur angedeutet ist. Dadurch entstehen im Bereich der Scallopingkontur, insbesondere im tiefsten Punkt hohe Spannungen, die für das Turbinenrad im Extremfall lebensdauerbeschränkend sein können.
Kurze Darstellung der Erfindung
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Turbinenrad mit dreidimensional gekrümmten Laufschaufeln und Scalloping im Bereich der Nabenrückwand zu schaffen, bei welchem im Betrieb die aufgrund von Scallopingverformungen auftretenden Spannungen verringert sind.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass der Nabenschnitt jeder Laufschaufel bezüglich der Scallopingfläche derart platziert wird, dass diese Fläche möglichst symmetrisch abgestützt ist.
Hierfür wird die Laufschaufel bezüglich der Scallopingkontur zur Druckseite hin verschoben. Die Abgaseintrittskante der zur Druckseite hin gebogenen Laufschaufel befindet sich bei einer wellenförmigen, symmetrischen Scallopingkontur somit nicht auf dem höchsten Punkt der Scallopingkontur, sonder zur Druckseite hin verschoben.
In einer vorteilhaften Ausführungsform teilt der Nabenschnitt der Laufschaufel die von der Scallopingkontur begrenzte Fläche der Rückwand der Wellennabe in zwei gleich grosse ' Teilflächen. Die Belastung der beiden Teilflächen bezüglich der Verformung im Betrieb werden dadurch angeglichen und die einseitige Höchstbelastung reduziert.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Figuren genauer erläutert. Hierbei zeigt Fig. 1 ein unter Belastung dargestelltes, erfindungsgemäss ausgeführtes Turbinenrad mit bezüglich dem Symmetriepunkt der Scallopingkontur verschobenen Abgaseintrittskanten der Laufschaufeln,
Fig. 2 ein unter Belastung dargestelltes Turbinenrad gemäss dem Stand der Technik, mit im Symmetriepunkt der Scallopingkontur angeordneten Abgaseintrittskanten der Laufschaufeln,
Fig. 3 eine schematische Darstellung der Rückwand der Nabe des Turbinenrades nach Fig. 1 in einem axial geführten Schnitt, und
Fig. 4 eine schematische Darstellung der Rückwand der Nabe des Turbinenrades nach Fig. 3 in einem entlang der Nabenoberfläche (IV-IV) geführten Schnitt.
Weg zur Ausführung der Erfindung
Das Turbinenrad gemäss Fig. 1 weist eine Nabe 15 und mehrere, rund um die Nabe angeordnete Laufschaufeln 14 auf. Die Nabe ist am Ende einer drehbar im Gehäuse eines Abgasturboladers gelagerten Turbinenwelle 2 angeordnet. Die Nabe kann mit der Turbinenwelle materialschlüssig oder über eine Gewindeverbindung verbunden sein. Am anderen Ende der Turbinenwelle ist ein nicht dargestelltes Verdichterrad angeordnet. Im Betrieb treibt das Turbinenrad das Verdichterrad an. Das dargestellte Turbinenrad einer Mixed-Flow-Turbine weist nur einige wenige Laufschaufeln auf. Die Anzahl der Laufschaufeln kann je nach Betriebsanforderungen frei gewählt werden. Die Eintrittskanten 16 der Laufschaufeln des Turbinenrades sind bei der Mixed-Flow-Turbine senkrecht zur Strömungsrichtung angeordnet. Dabei sind die Eintrittskante nicht wie bei der Radial-Turbine senkrecht zur Radialen, sondern schräg zur Radialen geneigt angeordnet. Zusätzlich ist die Rückwand der Nabe zum radial äussersten Bereich des Turbinenrades zur Turbinenwelle hin geneigt ausgebildet. Dieser radial äusserste Bereich der Nabe weist eine Scallopingkontur auf, d.h. jeweils zwischen zwei Laufschaufeln ist von der Nabenrückwand Material ausgespart.
Die Laufschaufeln und die Nabe des Turbinenrades sind in der Regel einstückig gegossen oder gefräst, d.h. die Laufschaufeln sind fest mit der Nabe verbunden. Im
Bereich der Befestigung ergibt sich eine Schnittkurve zwischen der
Laufschaufelkontur und der Nabenobe.rfläche. Zur verständlicheren Erläuterung der
Erfindung und zur vereinfachten Darstellung ist der Nabenschnitt 12 in den Figuren auf eine Linie reduziert. In der Fig. 4 ist jedoch neben dem Nabenschnitt 12 gepunktet auch der effektive Verlauf der Schnittkurve zwischen Laufschaufelkontur und Nabenoberfläche angedeutet.
Wie bereits eingangs geschildert sind die Laufschaufeln der Turbinenräder dreidimensional gebogen. Der Nabenschnitt 12 weist somit gemäss Fig. 3 und Fig. 4 einen doppelt gekrümmten Verlauf auf. Die Laufschaufeln des erfindungsgemässen Turbinenrades sind bezüglich der Scallopingkontur 11 so angeordnet, dass die Flächen der Nabenrückwand auf beiden Seiten der Laufschaufeln gleichmässig abgestützt sind. Anhand der Fig. 4 lässt sich dies einfach erläutern.
Würde ein gedachter Nabenschnitt der Laufschaufel gemäss der gestrichelten Linie 12' verlaufen, so kreuzte die Eintrittskante der Laufschaufel die Scallopingkontur 11 im Symmetriepunkt C. Im dargestellten Fall mit der wellenförmigen Scallopingkontur wäre dies der höchste Punkt der Welle. Die Flächen auf den beiden Seiten des gedachten Nabenschnitts 12' wären unterschiedlich gross und bezüglich dem Verlauf des gedachten Nabenschnitts 12' ungleich verteilt. Im Betrieb der Turbine, bei hohen Drehzahlen würde die Nabenrückwand im Bereich der grosseren Fläche auf der Druckseite der Laufschaufel verdreht. Die von der Radialen abweichend zur Welle hin geneigte Nabenwand würde von den Fliehkräften erfasst und in Richtung nach radial aussen verformt.
Diese Verdrehung ist auch in der Darstellung des Turbinenrades gemäss dem Stand - - der Technik aus Fig. 2 -deutlich -zu sehen und mit einem Pfeil verdeutlicht. Die~Figur zeigt ein Turbinenrad unter Belastung, so dass die durch die Fliehkräfte verursachten Verformungen sichtbar gemacht sind. Die radial äusserste Kante der Nabe des Turbinenrades wird aufgrund dieser Verdrehung mit einer hohen Spannung belastet.
Verläuft nun aber der Nabenschnitt 12 der Laufschaufel erfindungsgemäss bezüglich dem Symmetriepunkt C der Scallopingkontur zur Druckseite hin versetzt, werden die beiden Flächen Fi und F2 einander angeglichen. Die beiden Flächen werden von der Scallopingkontur 11 einerseits, und von einer Verbindungslinie zwischen den saugseitig und druckseitig der Laufschaufel radial innenliegendsten Punkten A und B der Scallopingkontur andererseits begrenzt. Der gekrümmte Nabenschnitt 12 verläuft nunmehr mitten durch die beiden Flächen und stützt diese optimal ab. Die Verdrehungen aufgrund der Fliehkräfte werden kleiner und das Turbinenrad wird geringeren Spannungen ausgesetzt. Diese geringfügigeren Verdrehungen sind auch der Darstellung des erfindungsgemässen Turbinenrades gemäss Fig. 1 zu entnehmen. Die beiden Pfeile deuten die geringfügigen Verformungen an. Die Figur zeigt das Turbinenrad unter derselben Belastung wie das Turbinenrad gemäss Fig. 2. Die radial äusserste Kante der Nabe des Turbinenrades wird aufgrund dieser geringfügigeren Verdrehungen mit deutlich geringerer Spannung belastet.
Das genaue Ausmass der Verschiebung der Laufschaufel bezüglich der Scallopingkontur ist abhängig von verschiedenen Faktoren. Beispielsweise ist die Krümmung des Nabenschnitts und die genaue Form der Scallopingkontur von Bedeutung.
Die Scallopingkontur der dargestellten Turbinenräder weist einen symmetrischen, wellenförmigen Verlauf auf. Alternativ kann die Scallopingkontur jedoch auch einen asymmetrischen Verlauf aufweisen und kann etwa dem Verlauf der Laufschaufel im Bereich des Nabenschnitts angepasst verlaufen.
Bezugszeichenliste
1 Turbinenrad
2 Turbinen-Welle
11 Scallopingkontur 12, 12' Nabenschnitt
13 Radiale, welche die Nabenfläche innerhalb der Scallopingkontur halbiert
14 Turbinen-Laufschaufel
15 Turbinenrad-Nabe
16 Abgaseintrittskante
A Druckseitig radial innerster (tiefster) Punkte der Scallopingkontur
B Saugseitig radial innerster (tiefster) Punkte der Scallopingkontur
C Schnittpunkt der Radialen mit der Scallopingkontur
Rn maximaler Aussenradius des Rückhaltevorsprungs
Fi Druckseitige Nabenfläche innerhalb Scallopingkontur
F2 Saugseitige Nabenfläche innerhalb Scallopingkontur

Claims

PAT E NTAN S P R Ü C H E
1. Turbinenrad (1) mit einer Nabe (15) und Laufschaufeln (14), wobei jede Laufschaufel (14) jeweils entlang eines gekrümmten Nabenschnitts (12) mit der Nabe verbunden ist, und die Laufschaufeln derart ausgebildet und auf der Nabe angeordnet sind, dass der Nabenschnitt (12) von der radialen Richtung abweichend, zur Druckseite der Laufschaufel hin gebogen verläuft, wobei die Nabe zwischen jeweils zwei benachbarten Laufschaufeln im Bereich einer Nabenrückwand eine Scallopingkontur (11) aufweist, wobei im Bereich jeder Laufschaufel eine Nabenfläche (Fi + F2) von der Scallopingkontur zwischen den saugseitig und druckseitig der Laufschaufel radial innenliegendsten Punkten (A, B) der Scallopingkontur und einer durch diese beiden Punkte verlaufenden Gerade begrenzt ist, und eine die Nabenflächθ (Fi + F2) halbierende Radiale (13) die Scallopingkontur (11) in einem Schnittpunkt (C) schneidet, dadurch gekennzeichnet, dass der Nabenschnitt (12) jeder Laufschaufel (14) jeweils bezüglich des Schnittpunkts
(C) versetzt angeordnet ist.
2. Turbinenrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Scallopingkontur (11) bezüglich der Radialen (13) symmetrisch ausgebildet ist, und dass sich der Schnittpunkt (C) der Radialen (13) mit der Scallopingkontur
(11) am radial höchsten Punkt der Scallopingkontur (11) befindet.
3. Turbinenrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Nabenschnitt
(12) bezüglich des Schnittpunkts (C) zur Druckseite der Laufschaufel hin versetzt angeordnet ist.
4. Turbinenrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Nabenschnitt (12) jeder Laufschaufel die von der Scallopingkontur zwischen den saugseitig und druckseitig der Laufschaufel radial innenliegendsten Punkten (Ä, B) der Scallopingkontur und einer durch diese beiden Punkte verlaufenden Gerade begrenzte Nabenfläche (Fi + F2) halbiert.
5. Mixed-Flow Turbine, gekennzeichnet durch ein Turbinenrad nach einem der Ansprüche 1 bis 4.
6. Radialturbine, gekennzeichnet durch ein Turbinenrad nach einem der Ansprüche 1 bis 4.
7. Abgasturbolader, gekennzeichnet durch eine Abgasturbine mit einem Turbinenrad nach einem der Ansprüche 1 bis 4.
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