EP1875045B1 - Turbine wheel - Google Patents

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EP1875045B1 EP06705416A EP06705416A EP1875045B1 EP 1875045 B1 EP1875045 B1 EP 1875045B1 EP 06705416 A EP06705416 A EP 06705416A EP 06705416 A EP06705416 A EP 06705416A EP 1875045 B1 EP1875045 B1 EP 1875045B1
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Description

Technisches GebietTechnical area

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.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.

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.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.

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.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.

Stand der TechnikState of the art

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.According to US 4,659,288 For example, the scalloping contour may 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. In the radially innermost point of the scalloping contour, that is, in the lowest point of the recess in the rear wall of the hub of the turbine wheel, the scalloping contour is usually also rounded so that it comes from the exhaust gas inlet edge to the exhaust gas inlet edge of adjacent blades to a continuously extending scalloping contour.

Alternativ kann die Scallopingkontur, wie etwa in EP 1 462 607 A1 dargestellt, zwischen den Abgaseintrittskanten benachbarter Laufschaufeln einen asymmetrischen Verlauf nehmen.Alternatively, the scalloping contour, such as in FIG EP 1 462 607 A1 shown, take an asymmetrical course between the exhaust gas inlet edges of adjacent blades.

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.Particularly in the case of mixed-flow turbines, such as those used in ABB turbochargers of the TPS ... D / E model series, the blades are three-dimensionally curved. On the one hand, the respective hub cut, ie the transition of a blade to the hub, with respect to the radial on a curved course. On the other hand, 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 outward by the strong centrifugal forces. In particular, 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.

Kurze Darstellung der ErfindungBrief description of the invention

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.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.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass der Nabenschnitt jeder Laufschaufel bezüglich der Scallopingfläche derart platziert wird, dass diese Fläche möglichst symmetrisch abgestützt ist.This object is achieved according to the invention in that the hub section of each blade is placed with respect to the scalloping surface in such a way that this surface is supported as symmetrically as possible.

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.For this purpose, the blade is moved with respect to the scalloping contour to the pressure side. In the case of a wave-shaped, symmetrical scalloping contour, 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.

Der Nabenschnitt der Laufschaufel teilt 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.The hub section of the blade divides the area of the rear wall of the shaft hub limited by the scalloping contour into two equal partial areas. The load of the two partial surfaces with respect to Deformation during operation is thereby aligned and the unilateral maximum load is reduced.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

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.
The invention will be explained in more detail with reference to figures. This shows
Fig. 1
an illustrated under load according to the invention executed turbine wheel with respect to the symmetry point of the scalloping contour shifted exhaust inlet edges of the blades,
Fig. 2
a loaded turbine wheel according to the prior art, with arranged at the point of symmetry of the scalloping contour exhaust gas inlet edges of the blades,
Figure 3
a schematic representation of the rear wall of the hub of the turbine according to Fig. 1 in an axially guided section, and
Fig. 4
a schematic representation of the rear wall of the hub of the turbine according to Fig. 3 in a section along the hub surface (IV-IV).

Weg zur Ausführung der ErfindungWay to carry out the invention

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.The turbine wheel according to Fig. 1 has a hub 15 and a plurality of blades 14 disposed 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. In operation, 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. In this case, the leading edge is not inclined as in the radial turbine perpendicular to the radial, but at an angle to the radial. In addition, 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.

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 Nabenoberfläche. 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.The blades and the hub of the turbine wheel are usually cast in one piece or milled, ie the blades are firmly connected to the hub. In the area of attachment results in an intersection curve between the blade contour and the hub surface. For a clearer explanation of the invention and for a simplified representation of the hub cut 12 is reduced in the figures on a line. In the Fig. 4 However, in addition to the hub cut 12 dotted and the effective course of the cutting curve between the blade contour and hub surface is indicated.

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.As already mentioned, the blades of the turbine wheels are bent three-dimensionally. The hub cut 12 thus has according to FIG. 3 and FIG. 4 a doubly curved course.

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.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. Based on Fig. 4 this can be easily explained.

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 grösseren 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.If an imaginary hub section of the blade according to the dashed line 12 'extend, the leading edge of the blade crossed the scalloping contour 11 at the point of symmetry C. In the case shown with the wave-shaped scalloping contour this would be the highest point of the shaft. The areas on the two sides of the imaginary hub section 12 'would be different in size and unequally distributed with respect to the course of the imaginary hub section 12'. During operation of the turbine, at high speeds, the hub rear wall would be rotated in the region of the larger area on the pressure side of the rotor blade. The hub wall, which deviates from the radial in relation to the shaft, would be detected by the centrifugal forces and deformed radially outwards.

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.This rotation is also in the representation of the turbine wheel according to the prior art Fig. 2 clearly visible and illustrated with an arrow. The figure shows a turbine wheel under load, so that caused by the centrifugal forces 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.

Verläuft nun aber der Nabenschnitt 12 der Laufschaufel erfindungsgemäss bezüglich dem Symmetriepunkt C der Scallopingkontur zur Druckseite hin versetzt, werden die beiden Flächen F1 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.If, however, the hub cut 12 of the blade moves according to the invention with respect to the point of symmetry C of the scalloping contour to the pressure side, the two surfaces F 1 and F 2 are aligned with one another. 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 the representation of the turbine according to the invention according to Fig. 1 refer to. 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 due to these minor twists with significantly lower voltage.

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.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.

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.The scalloping contour of the illustrated turbine wheels has a symmetrical, wave-shaped course. Alternatively, however, 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.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Turbinenradturbine
22
Turbinen-WelleTurbine shaft
1111
Scallopingkonturscalloping contour
12, 12'12, 12 '
Nabenschnitthub section
1313
Radiale, welche die Nabenfläche innerhalb der Scallopingkontur halbiertRadial, which bisects the hub surface within the scalloping contour
1414
Turbinen-LaufschaufelTurbine blade
1515
Turbinenrad-NabeTurbine wheel hub
1616
AbgaseintrittskanteExhaust inlet edge
AA
Druckseitig radial innerster (tiefster) Punkte der ScallopingkonturOn the pressure side radially innermost (deepest) points of the scalloping contour
BB
Saugseitig radial innerster (tiefster) Punkte der ScallopingkonturSuction-side radially innermost (deepest) points of the scalloping contour
CC
Schnittpunkt der Radialen mit der ScallopingkonturIntersection of the radial with the scalloping contour
R11 R 11
maximaler Aussenradius des Rückhaltevorsprungsmaximum outer radius of the retaining projection
F1 F 1
Druckseitige Nabenfläche innerhalb ScallopingkonturPressure-side hub surface within scalloping contour
F2 F 2
Saugseitige Nabenfläche innerhalb ScallopingkonturSuction-side hub surface within scalloping contour

Claims (5)

  1. A turbine wheel (1) of a radial or mixed-flow turbine having a hub (15) and rotor blades (14) with
    each rotor blade (14) being connected in each case along a curved hub/blade junction (12) to the hub and with the rotor blades being designed and arranged on the hub such that the hub/blade junction (12) runs curved towards the pressure side of the rotor blades, deviating from the radial direction,
    with the hub having a scalloping contour (11) between, in each case, two adjacent rotor blades in the area of a hub rear wall,
    with a hub surface (F1 + F2) in the area of each rotor blade being bounded by the scalloping contour between the radially innermost points (A, B) of the scalloping contour on the suction side and pressure side of the rotor blades and by a straight line passing through these two points,
    with a radial line (13) which bisects the hub surface (F1 + F2) intersecting the scalloping contour (11) at an intersection point (C), and
    the hub/blade junction (12) of each rotor blade (14) being in each case arranged offset towards the pressure side of the rotor blade with respect to the intersection point (C), characterized in that the hub/blade junction (12) of each rotor blade bisects the radially innermost points (A, B) of the scalloping contour between the suction side and the pressure side of the rotor blades, and bisects a hub surface (F1 + F2) which is bounded by a straight line passing through these two points.
  2. Turbine wheel according to Claim 1, characterized in that the scalloping contour (11) is symmetrical with respect to the radial lines (13), and in that the intersection point (C) of the radial lines (13) with the scalloping contour (11) is located at the radially highest point on the scalloping contour (11).
  3. Mixed-flow turbine, characterized by a turbine wheel according to one of Claims 1 or 2.
  4. Radial turbine, characterized by a turbine wheel according to one of Claims 1 or 2.
  5. Exhaust-gas turbocharger, characterized by a radial or mixed-flow turbine having a turbine wheel according to one of Claims 1 or 2.
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