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.