WO2010063518A1 - Geometric design of rotor blades of a turbocharger - Google Patents

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WO2010063518A1
WO2010063518A1 PCT/EP2009/064141 EP2009064141W WO2010063518A1 WO 2010063518 A1 WO2010063518 A1 WO 2010063518A1 EP 2009064141 W EP2009064141 W EP 2009064141W WO 2010063518 A1 WO2010063518 A1 WO 2010063518A1
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blade
impeller
turbine
edge
trailing edge
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PCT/EP2009/064141
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Andre Kaufmann
Michael Klaus
Florian Kronschnabl
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Continental Automotive Gmbh
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    • F05D2240/303Characteristics of rotor blades, i.e. of any element transforming dynamic fluid energy to or from rotational energy and being attached to a rotor related to the leading edge of a rotor blade
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    • F05D2240/304Characteristics of rotor blades, i.e. of any element transforming dynamic fluid energy to or from rotational energy and being attached to a rotor related to the trailing edge of a rotor blade

Definitions

  • the invention relates to a blade or the blading for an impeller of a turbocharger, for example for a turbine impeller or a compressor impeller.
  • a turbocharger generally has a turbine and a turbine
  • the impeller of the turbine is in this case driven by the exhaust gas mass flow and in turn drives an impeller of the compressor, which compresses fresh air and an internal combustion engine feeds.
  • Both wheels are arranged here on a common shaft. For example, if the wheels are not precisely balanced, unwanted vibrations may occur.
  • turbine blades in turbochargers are subject to excitation by pressure pulsations or periodic pressure fluctuations due to a non-symmetrical inflow geometry.
  • One way to increase the natural frequency is to reduce the axial extent of the blades on the housing contour.
  • a blade of an impeller of a turbocharger wherein the blade in the meridional view at a turbine blade at its trailing edge and at a compressor wheel blade at its leading edge at least in one or more sections or areas a non-linear reduction of the axial Length, and wherein the respective portion and the extent of the reduction of the axial length of the blade is selected such that the blade has a predetermined ratio between natural frequencies and the efficiency loss of the blade or the impeller from the axial reduction of the Shovel results, preferably with the highest possible natural frequencies at the lowest possible loss of efficiency of the blade or the impeller are sought.
  • blades are known from the prior art whose trailing edge in the meridional view either perpendicular (see Fig. 1), resulting in low natural frequencies, or blades with a linear reduction of the axial length over the entire trailing edge, such as in the following Fig. 2 is shown. Although such blades have higher natural frequencies but for a worse efficiency of the associated impeller.
  • the blade according to the invention has the advantage over that it provides a blade with an optimal ratio of natural frequencies and efficiency of the blade or the impeller by suitably adjusting the trailing edge in the turbine blade or the leading edge of the compressor blade and the axial length of the blade at the exit edge or entry edge in at least one or more suitable sections or areas nonlinear reduced.
  • the exit edge of a turbine wheel blade runs in the section in the form of a curve backwards against the flow direction in order to increase the natural frequencies without excessively reducing the efficiency, as in the example in the following FIG A compressor impeller, the leading edge in the section in the form of a curve runs rearwardly in the flow direction in order to increase the natural frequencies without reducing the efficiency too much.
  • a blade of an impeller of a turbocharger wherein the blade of the impeller, i. the turbine wheel blade is reduced at its outlet edge or the compressor wheel blade at its inlet edge in a first, upper region in the axial length and wherein the outlet edge in a second, lower region perpendicular, substantially perpendicular or rearward, against the flow direction runs or in which the leading edge extends in a second, lower region perpendicular, substantially perpendicular or rearward, in the flow direction, so that the loss of efficiency of the impeller does not exceed a predetermined limit value or is within a predetermined tolerance range.
  • the blade of an impeller of a turbocharger has the advantage, in contrast to the blades, as they are known from the prior art, that the blade according to the invention is shortened in the first axial length in the first, upper area, in order hereby the Natural frequencies of the impeller suitable to increase.
  • the second, lower area on the other hand, there is no shortening of the axial length of the blade, for the purpose of increasing its natural frequencies. In other words, either no reduction of the axial length of the blade takes place in the second, lower region, so that the outlet edge or inlet edge runs vertically here.
  • the invention allows a suitable optimum for the ratio of natural frequencies and efficiency of the impeller to be achieved.
  • the upper and / or lower area can be shortened so that at most a certain loss of efficiency occurs.
  • the lower region can be shortened less than the upper region in order to minimize the loss of efficiency. Both the upper region and the lower region are relevant for the loss of efficiency.
  • a reduction of the axial length in the lower region and / or upper region can only take place as far as there is no loss of efficiency of the impeller of, for example, greater than 1%.
  • This value of 1% is exemplary and the invention is not limited thereto. Basically, any other value can be selected which is greater or less than 1%, depending on the function and purpose of the impeller or its blades.
  • the trailing edge (turbine wheel blade) of the blade within the first, upper region and / or the second, lower region is continuously curved or at least partially curved back against the flow direction.
  • the leading edge within the first, upper, and / or second, lower regions is continuously curved or at least partially curved rearwardly in the flow direction. Due to the curvature or partly curved tion of the trailing edge or leading edge in the first, upper region to the rear against the flow direction or to the rear in the flow direction, the natural frequencies of the blade or the impeller can be increased.
  • a curvature or partial curvature of the trailing edge or leading edge in the second, lower region also leads to an additional, albeit minor, increase in the natural frequencies, but the curvature or partial curvature is limited to such an extent that the efficiency of the associated impeller does not decreases over a predetermined amount.
  • the trailing edge (turbine wheel blade) of the blade within the first, upper region and / or the second, lower region is bent back towards the direction of flow.
  • the leading edge within the first, upper region and / or the second, lower region is bent backwards in the flow direction.
  • the trailing edge or leading edge has the form of a continuous straight line in the first, upper region or second, lower region, for example, or has at least one or more rectilinear sections.
  • the bending of the trailing edge towards the rear contrary to the flow direction or at the entry edge to the rear in the direction of flow, causes an increase in the natural frequencies of the blade or the impeller.
  • the second, lower region is bent less or curved in the direction of the turbine blade back against the flow direction or in the Ver Whyrrad- maretzei curved backwards in the flow direction than the first, upper region in order not to reduce the efficiency of the impeller too strong or to a predetermined extent.
  • At least the transition between the first, upper region and the second, lower region of the outlet edge (turbine wheel blade) or the leading edge (compressor wheel blade) preferably rounded. This is both thermodynamic and structural-mechanical as well as from a manufacturing point of view more advantageous over a sharp bend as a transition.
  • the trailing edge (turbine wheel blade) or leading edge (compressor wheel blade) of the blade has an S-shape or the first, upper region and the second, lower region of the outlet edge or inlet edge together form an S-shape ,
  • the S-shape is advantageous especially with respect to mechanical stresses which can occur in the blade.
  • the upper part of the S-shape is, for example, convex or arched outwards, and the lower part of the S-shape is concave or arched inwards.
  • the blade is a blade of a turbine wheel and / or a compressor wheel, for example a radial turbine or a radial compressor.
  • the blade can be produced by casting (metal casting) and / or milling.
  • a casting mold can be produced in which the trailing edge (turbine wheel blade) or leading edge (compressor wheel blade) of the blade already has the finished or substantially finished shape.
  • the blade can also be milled as a whole or by means of
  • Milling the contour of the trailing edge or the leading edge are formed according to the invention.
  • At least one, several or all blades may be formed according to the blade according to the invention.
  • This has the advantage that due to the high natural frequencies of the respective impeller, which are higher than the excitation frequency of the impeller, the occurrence of unwanted, harmful resonances can be prevented.
  • FIG. 1 is a meridional view of a turbine comprising the turbine housing and the turbine runner, which has prior art blades;
  • FIG. 2 is a meridional view of a turbine comprising the turbine housing and the turbine runner having rotor blades according to another embodiment of the prior art
  • FIG. 3 shows a meridional view of a turbine comprising the turbine housing and the turbine runner, which has rotor blades according to a first embodiment of the invention, compared to an embodiment according to the prior art;
  • FIG. 4 is a meridional view of a turbine comprising the turbine housing and the turbine runner having blades according to a second embodiment of the invention compared to the embodiment described in FIG. 3;
  • FIG. 5 is a meridional view of a turbine comprising the turbine housing and the turbine runner having blades according to a third embodiment of the invention compared to a prior art embodiment.
  • FIG. 1 shows a meridional view of a turbine of a turbocharger having a turbine housing and a turbine wheel.
  • the turbine runner 14 of the turbine is arranged on a shaft 12.
  • the turbine runner 14 in this case has blades 16 according to the prior art. As can be seen from the detail in FIG. 1 of a blade 16 of the turbine runner 14, this has a continuous vertical exit edge 18. This means that the blade 16 has no reduction of the axial length over its entire outlet edge 18. In this way, although a good efficiency of the turbine can be achieved, but the natural frequencies of this blade 16 and thus of the turbine runner 14 are comparatively low. Due to the low natural frequencies, it may therefore come to unwanted resonances, which can lead to a blade fracture in the worst case.
  • a further meridional view of a turbine of a turbocharger is shown, which has a turbine housing and a turbine wheel.
  • a rotor blade 16 of the turbine runner 14 of a turbocharger is shown.
  • the turbine runner 14 of the turbine is arranged in the turbine housing 10 on a shaft 12.
  • the blades 16 of the turbine runner 14 in this case represent a further embodiment, as is known from the prior art.
  • one of the rotor blades 16 of the turbine runner 14 is shown in the meridional view in FIG. 2, one of the rotor blades 16 of the turbine runner 14 is shown.
  • the rotor blade 16 does not have a vertical exit edge 18, but rather a rectilinear outlet edge 20 which is inclined towards the rear or against the flow direction.
  • the flow direction of the exhaust gas mass flow is shown by arrows in all figures.
  • the vertical exit edge 18 according to the embodiment in FIG. 1 is initially drawn by a solid line for comparison.
  • the inclined exit edge 20 according to the second embodiment of the prior art is drawn in FIG. 2 with a dashed line.
  • a triangular section 22 has been removed, so to speak, in order to provide the rearward or backward inclined edge 20 of the moving blade 16.
  • a non-linear reduction of the axial length of the blade takes place at least in a section of the trailing edge, in order to optimize the ratio of natural frequencies and efficiency of the blade or of the impeller, so that the highest possible gene frequencies at the lowest possible loss of efficiency of the blade or the impeller result.
  • Fig. 3 is a meridional view of a turbine of a turbocharger is shown, which has a turbine housing and a turbine runner 14.
  • a rotor blade 16 of the turbine runner 14 according to a first embodiment of the
  • the trailing edge 24, 30 of the rotor blade 16 according to the invention is now composed, for example, of two regions 26, 28.
  • the exit edge 24, 30 runs initially perpendicularly or substantially vertically.
  • the course of the trailing edge 24 is directed back or the trailing edge 24, 30 is bent backwards or counter to the flow direction.
  • the course of the exit edge 24, 30 is bent in the upper region 26 to the rear against the flow direction.
  • FIG. 3 two examples of a trailing edge 24, 30 of a rotor blade 16 according to the first embodiment of the invention are shown.
  • the first exit edge 24 according to the invention is shown with a dashed line in FIG. 3 and the second exit edge 30 according to the invention with a dotted line.
  • the two exit edges 24, 30 according to the invention both have a The lower region 26, in which the exit edge 24, 30 of the rotor blade 16, for example, is perpendicular.
  • the lower region 26 can extend, for example, up to half the blade height, as indicated in FIG. 3, or up to a first third or second third of the blade
  • Bucket height or even up to a quarter or even up to three quarters of the blade height is not limited to these sizes of the lower portion 26.
  • the upper portion 28 and the corresponding corresponding lower portion 26 can be chosen arbitrarily large, depending on the function and purpose.
  • the aforementioned sizes for the lower region 26 are purely exemplary.
  • the blade 16 whose trailing edge 24, 30 in the lower portion 26 perpendicular, substantially perpendicular or slightly against the flow direction bent back or curved.
  • the trailing edge 24, 30 is further bent off or curved in the opposite direction to the flow direction.
  • the exit edge 24, 30 in the upper region 28 more towards the rear, directed against the flow direction than in the lower region 26 in order to increase the natural frequencies of the impeller 14. The fact that the lower portion 26 is less curved backwards, an excessive reduction of the efficiency of the impeller 14 is avoided.
  • the two illustrated exit edges 24, 30 differ from each other, as shown in Fig. 3, that the second exit edge 30 in the upper region 28 is directed more towards the rear or against the flow direction than the first inventive exit edge 24. Furthermore extends the trailing edge 24 of the first embodiment of the invention the blade 16 in its upper portion 28 in an arc towards the rear against the flow direction.
  • the trailing edge 30 of the second embodiment of the invention is the blade 16 again in its upper portion 28 bent back linearly, wherein the transition of the trailing edge 30 between the lower portion 26 and the upper portion 28 is preferably rounded.
  • the first and second inventive outlet edge 24, 30 each have a better or higher efficiency of the turbine than the outlet edge 20 according to the prior art, as shown in Fig. 2.
  • the first and second exit edges 24, 30 of the invention in the lower portion 26 are, for example, perpendicular, i. the respective blade 16 is not reduced in length in the axial direction, in contrast to the exit edge 20 according to the prior art, as shown in Fig. 2.
  • better flow guidance is achieved both in the upper and lower regions of the outlet edge, as a result of which the efficiency increases.
  • the first exit edge 24 according to the invention which is drawn with a dashed line, has slightly lower natural frequencies than the exit edge 20 according to the prior art, as is also shown in FIG. 2.
  • the natural frequencies of the first exit edge 24 according to the invention are higher than the natural frequencies of the other exit edge 18 according to the prior art, as shown in Fig. 1, which is unabridged in length in the axial direction.
  • the natural frequencies of the second outlet edge 30 according to the invention which is drawn in with a dotted line, are greater than the natural frequencies of the first outlet edge 24 according to the invention, since the second outlet edge 30 according to the invention continues further counter to Flow direction runs. However, this somewhat reduces the efficiency.
  • the moving blades 16 according to the invention are preferably reduced substantially only in the region in their axial length, which leads substantially to an enlargement of the natural frequencies, here in the upper region 28 ,
  • FIG. 4 another meridional view of a turbine of a turbocharger is shown having a turbine housing and a turbine runner 14. More specifically, the turbine runner 14 is shown having blades 16 according to a second embodiment of the invention, with a blade 16 shown in a meridional view.
  • the first, inventive exit edge 24 according to FIG. 3 is shown with a solid line in FIG. 4 and furthermore an example of an exit edge 32 of a rotor blade 16 according to the second embodiment according to the invention with a dashed line.
  • the trailing edge 32 of the rotor blade 16 of the turbine runner 14 according to the second embodiment of the invention has an S-shape or substantially an S-shape.
  • the outlet edge 32 is, for example, curved inward in the lower region 26, curved in an arc against the direction of flow, or concave.
  • the first exit edge 30 of the invention as shown in solid line in FIG. 4 and also shown in FIG. 3, is perpendicular in the lower region 26.
  • the trailing edge 32 according to the second embodiment of the invention in the upper portion 28 is curved outward or convex.
  • the division of the two regions 26 and 28 can be varied as desired. This applies to all embodiments of the invention.
  • the trailing edge can also be divided into more than two areas. This also applies to all embodiments.
  • the S-shape of the Exit edge 32 of the blade 16 is particularly advantageous for the occurring mechanical stresses in the blade 16. Due to the S-shape of the trailing edge 32 of the blade 16, the stress due to the centrifugal force in the lower region or lower point A of the blade 16 can be reduced.
  • FIG. 5 shows a meridional view of a turbine of a turbocharger, which has a turbine housing 10 and a turbine runner 14.
  • the illustrated turbine runner 14 hereby comprises moving blades 16 according to a third embodiment of the invention, wherein a moving blade 16 is shown in a meridional view.
  • the first embodiment of the trailing edge 18 of a blade 16 according to the prior art is shown as a solid line for comparison.
  • This rotor blade 16 has already been shown in FIG. 1 and is characterized in that the outlet edge 18 is designed to be continuous vertically.
  • FIG. 5 shows three examples of exit edges 34, 36, 38 for a rotor blade 16 according to the invention of a turbine wheel 14 in the form of a dashed line 34, a dot-dash line 36 and a dotted line 38.
  • the three curves for the exit edge 34, 36, 38 are characterized in that they are curved backwards, against the direction of flow.
  • the trailing edge 34, 36, 38 according to the invention is not formed in the form of a straight line 20, which is simply inclined backwards, as in the prior art in FIG 2 is shown.
  • the trailing edge 34, 36, 38 of the blade 16 describes a curve or a curve which is curved backwards against the flow direction, wherein the outlet edge 34, 36, 38 itself no continuous straight line forms, but no or at most only at least one or more straight line sections.
  • the blade 16 with the outer, inventive trailing edge 34 which is drawn with a dashed line, has lower natural frequencies and a higher efficiency than, for example, the blade 16 with the innermost, inventive trailing edge 38, the Fig. 5 is shown with a dotted line.
  • the natural frequencies of the rotor blades 16 with the three exit edges 34, 36, 38 according to the invention each have higher natural frequencies than the rotor blade 16 with the exit edge 18 according to the prior art.
  • the turbine efficiency of the rotor blades 16 with the three exit edges 34, 36, 38 according to the invention is less than the efficiency of the rotor blade 16 with the exit edge 18 according to the prior art.
  • the blades 16 counteract the occurrence of unwanted resonances counter to the direction of flow according to the invention with the freely curved backward profile of the respective outlet edge 34, 36, 38 in contrast to the blades 16 according to the prior art, such as e.g. in Figs. 1 and 5 is shown.
  • the loss of efficiency due to the reduction of the axial length is preferably minimized only in a certain, selected area or areas. Furthermore, the natural frequencies in a desired range or ranges can be increased and the loading of the blades by resonances can be avoided. This applies to all embodiments of the invention.
  • the present invention can be used with both turbine runners and compressor runners. The above-described embodiments of the present invention have been explained with reference to a turbine runner and its blades. However, the embodiments apply, as described above, also substantially corresponding to a compressor impeller and its blades or blades and are therefore not repeated for this purpose.
  • Turbine wheels or compressor wheels for example, radial turbine wheels or radial compressor wheels
  • at least one, two, several or all blades can be formed according to the blade or rotor blade according to the invention.
  • the impeller i. a turbine runner or a compressor runner, for example cast and / or milled, to name two manufacturing methods as examples.

Abstract

The invention relates to a blade (16) of a rotor (14) of a turbocharger: wherein the blade has a non-linear reduction of the axial length at least in one or more sections on the trailing edge (24, 30) thereof in the meridional view in the case of a turbine blade, or the leading edge thereof in the case of a compressor blade, and wherein the respective section and the reduction of the axial length of the blade is selected such that the blade has a predetermined ratio of natural frequencies and an efficiency loss of the blade or rotor.

Description

Beschreibungdescription
Geometrische Gestaltung der Laufradschaufeln eines TurboladersGeometrical design of the impeller blades of a turbocharger
Die Erfindung betrifft eine Schaufel bzw. die Beschaufelung für ein Laufrad eines Turboladers, beispielsweise für ein Turbinenlaufrad oder ein Verdichterlaufrad.The invention relates to a blade or the blading for an impeller of a turbocharger, for example for a turbine impeller or a compressor impeller.
Ein Turbolader weist im Allgemeinen eine Turbine und einenA turbocharger generally has a turbine and a turbine
Verdichter auf. Das Laufrad der Turbine wird hierbei über den Abgasmassenstrom angetrieben und treibt wiederum ein Laufrad des Verdichters an, welcher Frischluft verdichtet und einer Brennkraftmaschine zuführt. Beide Laufräder sind hierbei auf einer gemeinsamen Welle angeordnet. Sind die Laufräder dabei beispielsweise nicht genau ausgewuchtet, so können ungewollte Vibrationen entstehen.Compressor on. The impeller of the turbine is in this case driven by the exhaust gas mass flow and in turn drives an impeller of the compressor, which compresses fresh air and an internal combustion engine feeds. Both wheels are arranged here on a common shaft. For example, if the wheels are not precisely balanced, unwanted vibrations may occur.
Des Weiteren unterliegen beispielsweise Turbinenschaufeln in Turboladern einer Anregung durch Druckpulsationen oder periodische Druckschwankungen aufgrund einer nicht symmetrischen Zuströmgeometrie. Um Ausfälle durch Schaufelbrüche zu verhindern, ist es daher notwendig die Laufräder bei einem Turbolader so zu konstruieren, dass die Eigenfrequenzen deutlich ü- ber den Anregungsfrequenzen liegen. Eine Möglichkeit die Eigenfrequenz zu erhöhen besteht hierbei darin, die axiale Erstreckung der Schaufeln an der Gehäusekontur zu reduzieren.Furthermore, for example, turbine blades in turbochargers are subject to excitation by pressure pulsations or periodic pressure fluctuations due to a non-symmetrical inflow geometry. In order to prevent failure due to blade fractures, it is therefore necessary to design the impellers in a turbocharger so that the natural frequencies are well above the excitation frequencies. One way to increase the natural frequency is to reduce the axial extent of the blades on the housing contour.
Aus dem Stand der Technik ist es bisher bekannt, Turbinen mit einer linear zurückgeschnittenen Hinterkante (in der Meridio- nalansicht) zu versehen.From the prior art, it has hitherto been known to provide turbines with a linearly recessed trailing edge (in the meridional view).
Demnach ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Schaufelgeometrie für einen Turbolader bereitzu- stellen.Accordingly, it is the object of the present invention to provide an improved blade geometry for a turbocharger.
Diese Aufgabe wird durch eine Schaufel mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 oder 2 gelöst. Demgemäß wird erfindungsgemäß eine Schaufel eines Laufrads eines Turboladers bereitgestellt, wobei die Schaufel in der Meridionalansicht bei einer Turbi- nenradschaufel an ihrer Austrittskante und bei einer Verdichterradschaufel an ihrer Eintrittskante zumindest in einem o- der mehreren Abschnitten bzw. Bereichen eine nicht-lineare Reduzierung der axialen Länge aufweist, und wobei der jeweilige Abschnitt bzw. Bereich und das Maß der Reduzierung der axialen Länge der Schaufel derart gewählt ist, so dass die Schaufel ein vorbestimmtes Verhältnis zwischen Eigenfrequenzen und dem Wirkungsgradverlust der Schaufel bzw. des Laufrads, der aus der axialen Kürzung der Schaufel resultiert, aufweist, wobei vorzugsweise möglichst hohe Eigenfrequenzen bei einem möglichst geringen Wirkungsgradverlust der Schaufel bzw. des Laufrads angestrebt werden.This object is achieved by a blade having the features of patent claim 1 or 2. According to the invention, a blade of an impeller of a turbocharger is provided, wherein the blade in the meridional view at a turbine blade at its trailing edge and at a compressor wheel blade at its leading edge at least in one or more sections or areas a non-linear reduction of the axial Length, and wherein the respective portion and the extent of the reduction of the axial length of the blade is selected such that the blade has a predetermined ratio between natural frequencies and the efficiency loss of the blade or the impeller from the axial reduction of the Shovel results, preferably with the highest possible natural frequencies at the lowest possible loss of efficiency of the blade or the impeller are sought.
Aus dem Stand der Technik sind bisher nur Schaufeln bekannt, deren Austrittskante in der Meridionalansicht entweder senk- recht verläuft (s.h. z.B. Fig. 1), was geringe Eigenfrequenzen zur Folge hat, oder Schaufeln mit einer linearen Reduzierung der axialen Länge über die gesamte Austrittskante, wie in nachfolgender Fig. 2 dargestellt ist. Solche Schaufeln haben zwar höhere Eigenfrequenzen aber dafür einen schlechteren Wirkungsrad des dazu gehörenden Laufrads. Die erfindungsgemäße Schaufel hat dem gegenüber den Vorteil, dass sie eine Schaufel mit einem optimalen Verhältnis aus Eigenfrequenzen und einem Wirkungsgrad der Schaufel bzw. des Laufrads bereitstellt, indem sie die Austrittskante bei der Turbinenrad- schaufei bzw. die Eintrittskante bei der Verdichterradschaufel geeignet anpasst und die axiale Länge der Schaufel bei der Austrittskante bzw. Eintrittkante in wenigstens einem o- der mehreren geeigneten Abschnitten bzw. Bereichen nichtlinear reduziert. Mit anderen Worten, die Austrittskante ei- ner Turbinenradschaufel verläuft in dem Abschnitt in Form einer Kurve nach hinten entgegen der Strömungsrichtung, um die Eigenfrequenzen zu erhöhen ohne den Wirkungsgrad zu stark zu reduzieren, wie in dem Beispiel in nachfolgender Fig. 3. Bei einem Verdichterlaufrad verläuft die Eintrittskante in dem Abschnitt in Form einer Kurve nach hinten in Strömungsrichtung, um die Eigenfrequenzen zu erhöhen ohne den Wirkungsgrad zu stark zu reduzieren.So far, only blades are known from the prior art whose trailing edge in the meridional view either perpendicular (see Fig. 1), resulting in low natural frequencies, or blades with a linear reduction of the axial length over the entire trailing edge, such as in the following Fig. 2 is shown. Although such blades have higher natural frequencies but for a worse efficiency of the associated impeller. The blade according to the invention has the advantage over that it provides a blade with an optimal ratio of natural frequencies and efficiency of the blade or the impeller by suitably adjusting the trailing edge in the turbine blade or the leading edge of the compressor blade and the axial length of the blade at the exit edge or entry edge in at least one or more suitable sections or areas nonlinear reduced. In other words, the exit edge of a turbine wheel blade runs in the section in the form of a curve backwards against the flow direction in order to increase the natural frequencies without excessively reducing the efficiency, as in the example in the following FIG A compressor impeller, the leading edge in the section in the form of a curve runs rearwardly in the flow direction in order to increase the natural frequencies without reducing the efficiency too much.
Des Weiteren wird erfindungsgemäß eine Schaufel eines Laufrads eines Turboladers bereitgestellt, wobei die Schaufel des Laufrads, d.h. die Turbinenrad- schaufel an ihrer Austrittskante bzw. die Verdichterrad- schaufei an ihrer Eintrittskante in einem ersten, oberen Bereich in der axialen Länge reduziert ist und wobei die Austrittskante in einem zweiten, unteren Bereich senkrecht, im Wesentlichen senkrecht oder nach hinten, entgegen der Strömungsrichtung verläuft bzw. wobei die Eintrittskante in einem zweiten, unteren Bereich senkrecht, im Wesentlichen senkrecht oder nach hinten, in Strömungsrichtung verläuft, so dass der Wirkungsgradverlust des Laufrads einen vorbestimmten Grenzwert nicht ü- bersteigt bzw. in einem vorbestimmten Toleranzbereich liegt.Furthermore, according to the invention, there is provided a blade of an impeller of a turbocharger, wherein the blade of the impeller, i. the turbine wheel blade is reduced at its outlet edge or the compressor wheel blade at its inlet edge in a first, upper region in the axial length and wherein the outlet edge in a second, lower region perpendicular, substantially perpendicular or rearward, against the flow direction runs or in which the leading edge extends in a second, lower region perpendicular, substantially perpendicular or rearward, in the flow direction, so that the loss of efficiency of the impeller does not exceed a predetermined limit value or is within a predetermined tolerance range.
Die Schaufel eines Laufrads eines Turboladers hat dabei den Vorteil, im Gegensatz zu den Schaufeln, wie sie bisher aus dem Stand der Technik bekannt sind, dass die erfindungsgemäße Schaufel nur in dem ersten, oberen Bereich geeignet in der axialen Länge gekürzt wird, um hierbei die Eigenfrequenzen des Laufrads geeignet zu erhöhen. Im zweiten, unteren Bereich, erfolgt dagegen kein kürzen der axialen Länge der Schaufel, zum Zweck deren Eigenfrequenzen zu erhöhen. Mit an- deren Worten, in dem zweiten, unteren Bereich erfolgt entweder keine Kürzung der axialen Länge der Schaufel, so dass die Austrittskante bzw. Eintrittskante hier senkrecht verläuft. Oder es erfolgt alternativ nur eine verhältnismäßig geringfügige Kürzung der axialen Länge der Schaufel, wobei die Kür- zung der axialen Länge der Schaufel nur in soweit erfolgt, so dass der Wirkungsgradverlust des Laufrads auf einen vorbestimmten zulässigen Bereich beschränkt wird bzw. vorzugsweise minimiert wird. Es ist im Allgemeinen wünschenswert, den Wir- kungsgradverlust möglichst klein zu halten und gleichzeitig aber auch ausreichend hohe Eigenfrequenzen des Laufrads zu erhalten, um schädlichen Resonanzen entgegen zu wirken.The blade of an impeller of a turbocharger has the advantage, in contrast to the blades, as they are known from the prior art, that the blade according to the invention is shortened in the first axial length in the first, upper area, in order hereby the Natural frequencies of the impeller suitable to increase. In the second, lower area, on the other hand, there is no shortening of the axial length of the blade, for the purpose of increasing its natural frequencies. In other words, either no reduction of the axial length of the blade takes place in the second, lower region, so that the outlet edge or inlet edge runs vertically here. Alternatively, only a relatively slight reduction of the axial length of the blade takes place, with the reduction of the axial length of the blade taking place only to such an extent that the efficiency loss of the impeller is restricted or preferably minimized to a predetermined permissible range. It is generally desirable to To keep the loss of efficiency as small as possible and at the same time to obtain sufficiently high natural frequencies of the impeller to counteract harmful resonances.
Die Erfindung erlaubt durch die Unterteilung der Schaufel beispielsweise in wenigstens zwei Bereiche bzw. die Ausgestaltung dieser beiden Bereiche, ein geeignetes Optimum für das Verhältnis von Eigenfrequenzen und Wirkungsgrad des Laufrads zu erreichen. Der obere und/oder untere Bereich kann da- bei so gekürzt werden, dass höchstens ein bestimmter Wirkungsgradverlust auftritt. Dabei kann der untere Bereich beispielsweise weniger stark gekürzt werden als der obere Bereich, um den Wirkungsgradverlust möglichst gering zu halten, Für den Wirkungsgradverlust ist sowohl der obere Bereich wie auch der untere Bereich relevant.By dividing the blade into, for example, at least two regions or the configuration of these two regions, the invention allows a suitable optimum for the ratio of natural frequencies and efficiency of the impeller to be achieved. The upper and / or lower area can be shortened so that at most a certain loss of efficiency occurs. In this case, for example, the lower region can be shortened less than the upper region in order to minimize the loss of efficiency. Both the upper region and the lower region are relevant for the loss of efficiency.
Beispielsweise kann eine Kürzung der axialen Länge in dem unteren Bereich und/oder oberen Bereich nur soweit erfolgen, wie sich kein Wirkungsgradverlust des Laufrads von beispiels- weise größer als 1% ergibt. Dieser Wert von 1% ist beispielhaft und die Erfindung ist nicht darauf beschränkt. Grundsätzlich kann auch jeder andere Wert gewählt werden der größer oder kleiner als 1% ist, je nach Funktion und Einsatzzweck des Laufrads bzw. dessen Schaufeln.For example, a reduction of the axial length in the lower region and / or upper region can only take place as far as there is no loss of efficiency of the impeller of, for example, greater than 1%. This value of 1% is exemplary and the invention is not limited thereto. Basically, any other value can be selected which is greater or less than 1%, depending on the function and purpose of the impeller or its blades.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen.Advantageous embodiments and modifications of the invention will become apparent from the dependent claims and the description with reference to the drawings.
In einer erfindungsgemäßen Ausführungsform ist die Austrittskante (Turbinenradschaufel) der Schaufel innerhalb des ersten, oberen Bereichs und/oder des zweiten, unteren Bereichs nach hinten entgegen der Strömungsrichtung durchgehend gekrümmt oder zumindest teilweise gekrümmt. Bei der Verdichter- radschaufel ist die Eintrittskante innerhalb des ersten, oberen Bereichs und/oder des zweiten, unteren Bereichs nach hinten in Strömungsrichtung durchgehend gekrümmt oder zumindest teilweise gekrümmt. Durch die Krümmung oder teilweise Krüm- mung der Austrittskante bzw. Eintrittskante in dem ersten, oberen Bereich nach hinten entgegen der Strömungsrichtung bzw. nach hinten in Strömungsrichtung können die Eigenfrequenzen der Schaufel bzw. des Laufrads erhöht werden. Eine Krümmung oder teilweise Krümmung der Austrittskante bzw. Eintrittskante in dem zweiten, unteren Bereich führt ebenfalls zu einer zusätzlichen, wenn auch geringfügigeren Erhöhung der Eigenfrequenzen, wobei die Krümmung bzw. teilweise Krümmung aber soweit beschränkt wird, dass der Wirkungsgrad des zuge- ordneten Laufrads nicht über ein vorbestimmtes Maß abnimmt.In one embodiment according to the invention, the trailing edge (turbine wheel blade) of the blade within the first, upper region and / or the second, lower region is continuously curved or at least partially curved back against the flow direction. In the compressor blade, the leading edge within the first, upper, and / or second, lower regions is continuously curved or at least partially curved rearwardly in the flow direction. Due to the curvature or partly curved tion of the trailing edge or leading edge in the first, upper region to the rear against the flow direction or to the rear in the flow direction, the natural frequencies of the blade or the impeller can be increased. A curvature or partial curvature of the trailing edge or leading edge in the second, lower region also leads to an additional, albeit minor, increase in the natural frequencies, but the curvature or partial curvature is limited to such an extent that the efficiency of the associated impeller does not decreases over a predetermined amount.
In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform ist die Austrittskante (Turbinenradschaufel) der Schaufel innerhalb des ersten, oberen Bereichs und/oder des zweiten, unteren Be- reichs nach hinten abgeknickt entgegen der Strömungsrichtung. Bei der Verdichterradschaufel ist die Eintrittskante innerhalb des ersten, oberen Bereichs und/oder des zweiten, unteren Bereichs nach hinten abgeknickt in Strömungsrichtung. Die Austrittskante bzw. Eintrittskante weist dabei in dem ersten, oberen Bereich bzw. zweiten, unteren Bereich beispielsweise die Form einer durchgehenden Gerade auf oder weist zumindest einen oder mehrere geradlinige Abschnitte auf. Ähnlich wie zuvor beschrieben, bewirkt das Abknicken der Austrittskante nach hinten, entgegen der Strömungsrichtung bzw. bei der Ein- trittskante nach hinten in Strömungsrichtung eine Erhöhung der Eigenfrequenzen der Schaufel bzw. des Laufrads. Dabei wird der zweite, untere Bereich jedoch weniger stark abgeknickt oder bei der Turbinenradschaufel nach hinten entgegen der Strömungsrichtung gekrümmt bzw. bei der Verdichterrad- schaufei nach hinten in Strömungsrichtung gekrümmt als der erste, obere Bereich, um den Wirkungsgrad des Laufrads nicht zu stark zu reduzieren bzw. auf ein vorbestimmtes Maß zu begrenzen .In a further embodiment according to the invention, the trailing edge (turbine wheel blade) of the blade within the first, upper region and / or the second, lower region is bent back towards the direction of flow. In the compressor impeller, the leading edge within the first, upper region and / or the second, lower region is bent backwards in the flow direction. In this case, the trailing edge or leading edge has the form of a continuous straight line in the first, upper region or second, lower region, for example, or has at least one or more rectilinear sections. Similarly as described above, the bending of the trailing edge towards the rear, contrary to the flow direction or at the entry edge to the rear in the direction of flow, causes an increase in the natural frequencies of the blade or the impeller. In this case, however, the second, lower region is bent less or curved in the direction of the turbine blade back against the flow direction or in the Verdichterrad- geschaufei curved backwards in the flow direction than the first, upper region in order not to reduce the efficiency of the impeller too strong or to a predetermined extent.
Gemäße einer Weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform ist zumindest der Übergang zwischen dem ersten, oberen Bereich und dem zweiten, unteren Bereich der Austrittskante (Turbinenradschaufel) bzw. Eintrittskante (Verdichterradschaufel) vorzugsweise abgerundet ausgebildet. Dies ist sowohl thermo- dynamisch und strukturmechanisch als auch aus fertigungstechnischen Gesichtspunkten vorteilhafter gegenüber einem scharfen Knick als Übergang.According to a further embodiment of the invention, at least the transition between the first, upper region and the second, lower region of the outlet edge (turbine wheel blade) or the leading edge (compressor wheel blade) preferably rounded. This is both thermodynamic and structural-mechanical as well as from a manufacturing point of view more advantageous over a sharp bend as a transition.
In einer erfindungsgemäßen Ausführungsform weist die Austrittskante (Turbinenradschaufel) bzw. Eintrittskante (Verdichterradschaufel) der Schaufel eine S-Form auf bzw. der erste, obere Bereich und der zweite, untere Bereich der Aus- trittskante bzw. Eintrittskante bilden zusammen eine S-Form aus. Die S-Form ist vorteilhaft insbesondere in Bezug auf mechanische Spannungen, die in der Schaufel auftreten können. In der erfindungsgemäßen Ausführungsform ist der obere Teil der S-Form dabei beispielsweise konvex bzw. nach außen ge- wölbt und der untere Teil der S-Form konkav bzw. nach innen gewölbt. Dadurch können höhere Eigenfrequenzen der Schaufel bzw. des Laufrads erzielt werden, im Vergleich zu einer Schaufel mit einer senkrechten Austrittskante bzw. Eintrittskante .In one embodiment according to the invention, the trailing edge (turbine wheel blade) or leading edge (compressor wheel blade) of the blade has an S-shape or the first, upper region and the second, lower region of the outlet edge or inlet edge together form an S-shape , The S-shape is advantageous especially with respect to mechanical stresses which can occur in the blade. In the embodiment according to the invention, the upper part of the S-shape is, for example, convex or arched outwards, and the lower part of the S-shape is concave or arched inwards. As a result, higher natural frequencies of the blade or the impeller can be achieved, in comparison to a blade having a vertical trailing edge or leading edge.
Gemäß einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform ist die Schaufel eine Schaufel eines Turbinerads und/oder eines Verdichterrads, beispielsweise einer Radialturbine bzw. eines Radialverdichters. Die Schaufel kann hierbei durch Gießen (Metallguss) und/oder Fräsen hergestellt werden. Mit anderen Worten, es kann eine Gussform hergestellt werden, bei welcher die Austrittskante (Turbinenradschaufel) bzw. Eintrittskante (Verdichterradschaufel) der Schaufel bereits die fertige oder im Wesentlichen fertige Form aufweist. Alternativ kann die Schaufel aber auch als Ganzes gefräst werden oder mittelsAccording to a further embodiment of the invention, the blade is a blade of a turbine wheel and / or a compressor wheel, for example a radial turbine or a radial compressor. The blade can be produced by casting (metal casting) and / or milling. In other words, a casting mold can be produced in which the trailing edge (turbine wheel blade) or leading edge (compressor wheel blade) of the blade already has the finished or substantially finished shape. Alternatively, the blade can also be milled as a whole or by means of
Fräsen die Kontur der Austrittskante bzw. Eintrittskante entsprechend der Erfindung ausgebildet werden.Milling the contour of the trailing edge or the leading edge are formed according to the invention.
Bei einem Turbinenrad oder Verdichterrad eines Turboladers können hierbei wenigstens eine, mehrere oder alle Schaufeln gemäß der erfindungsgemäßen Schaufel ausgebildet sein. Dies hat den Vorteil, dass durch die hohen Eigenfrequenzen des jeweiligen Laufrads, die höher sind als die Anregungsfrequenz des Laufrads, das Auftreten unerwünschter, schädlicher Resonanzen verhindert werden kann.In the case of a turbine wheel or compressor wheel of a turbocharger, in this case at least one, several or all blades may be formed according to the blade according to the invention. This has the advantage that due to the high natural frequencies of the respective impeller, which are higher than the excitation frequency of the impeller, the occurrence of unwanted, harmful resonances can be prevented.
Die Erfindung wird nachfolgend, anhand der in den schemati- sehen Figuren der Zeichnungen angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:The invention is explained in more detail below with reference to the exemplary embodiments indicated in the schematic figures of the drawings. Show it:
Fig. 1 eine Meridionalansicht einer Turbine bestehend aus dem Turbinengehäuse und dem Turbinenlaufrad, wel- ches Laufschaufeln gemäß dem Stand der Technik aufweist;1 is a meridional view of a turbine comprising the turbine housing and the turbine runner, which has prior art blades;
Fig. 2 eine Meridionalansicht einer Turbine bestehend aus dem Turbinengehäuse und dem Turbinenlaufrad, wel- ches Laufschaufeln gemäß einer weiteren Ausführungsform des Standes der Technik aufweist;FIG. 2 is a meridional view of a turbine comprising the turbine housing and the turbine runner having rotor blades according to another embodiment of the prior art; FIG.
Fig. 3 eine Meridionalansicht einer Turbine bestehend aus dem Turbinengehäuse und dem Turbinenlaufrad, wel- ches Laufschaufeln gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung aufweist, im Vergleich zu einer Ausführungsform gemäß dem Stand der Technik;3 shows a meridional view of a turbine comprising the turbine housing and the turbine runner, which has rotor blades according to a first embodiment of the invention, compared to an embodiment according to the prior art;
Fig. 4 eine Meridionalansicht einer Turbine bestehend aus dem Turbinengehäuse und dem Turbinenlaufrad, welches Laufschaufeln gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung aufweist, im Vergleich zu der in Fig. 3 beschriebenen Ausführungsform; und4 is a meridional view of a turbine comprising the turbine housing and the turbine runner having blades according to a second embodiment of the invention compared to the embodiment described in FIG. 3; and
Fig. 5 eine Meridionalansicht einer Turbine bestehend aus dem Turbinengehäuse und dem Turbinenlaufrad, welches Laufschaufeln gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung aufweist, im Vergleich zu einer Ausführungsform gemäß dem Stand der Technik.5 is a meridional view of a turbine comprising the turbine housing and the turbine runner having blades according to a third embodiment of the invention compared to a prior art embodiment.
In allen Figuren sind gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente und Vorrichtungen - sofern nichts anderes angegeben ist - mit denselben Bezugszeichen versehen worden. Die nachfolgenden Figuren stellen eine Turbine mit einem Turbinengehäuse und einem Turbinenrad und dessen Laufschaufel in einer Meridionalansicht dar. Die Meridionalansicht der Turbi- ne und deren Turbinengehäuse und Turbinenrad, ebenso der Laufschaufel ist dabei stark vereinfacht und rein schematisch. Insbesondere ist der Verlauf der Austrittskante der dabei gezeigten Turbinenradschaufel stark vereinfacht und rein schematisch, um den Unterschied zwischen dem Stand der Technik und der Erfindung zu erläutern und zu verdeutlichen. Die Darstellungen sind nicht maßstäblich.In all figures, identical or functionally identical elements and devices have been provided with the same reference numerals, unless stated otherwise. The following figures depict a turbine with a turbine housing and a turbine wheel and its rotor blade in a meridional view. The meridional view of the turbine and its turbine housing and turbine wheel, as well as the rotor blade, are greatly simplified and purely schematic. In particular, the course of the trailing edge of the turbine wheel blade shown here is greatly simplified and purely schematic in order to explain and clarify the difference between the prior art and the invention. The illustrations are not to scale.
Die vorliegende Erfindung wird anhand des Beispiels einer Turbinenradschaufel näher erläutert und der Anpassung deren Austrittskante. Die Erfindung gilt aber entsprechend auch für ein Verdichterlaufrad. Bei dem Verdichterlaufrad wird aber statt der Austrittskante die Eintrittskante entsprechend an- gepasst. Die Ausführungen zu der Turbinenradschaufel und deren Austrittskante gelten daher im Wesentlichen entsprechend für das Verdichterlaufrad und dessen Eintrittskante und werden daher nicht wiederholt.The present invention will be explained in more detail with reference to the example of a turbine wheel blade and the adaptation of the trailing edge. However, the invention also applies accordingly to a compressor impeller. In the case of the compressor impeller, however, instead of the trailing edge, the leading edge is adapted accordingly. The comments on the turbine blade and its trailing edge therefore apply substantially corresponding to the compressor impeller and its leading edge and are therefore not repeated.
In Fig. 1 ist eine Meridionalansicht einer Turbine eines Turboladers dargestellt, die ein Turbinengehäuse und ein Turbi- nenrad aufweist. In dem Turbinengehäuse 10 ist auf einer Welle 12 das Turbinenlaufrad 14 der Turbine angeordnet. Das Turbinenlaufrad 14 weist dabei Laufschaufeln 16 gemäß dem Stand der Technik auf. Wie aus dem Ausschnitt in Fig. 1 einer Laufschaufel 16 des Turbinenlaufrads 14 entnommen werden kann, weist dieses eine durchgehend senkrechte Austrittskante 18 auf. Das bedeutet, dass die Laufschaufel 16 über seine gesamte Austrittskante 18 keine Reduzierung der axialen Länge aufweist. Auf diese Weise kann zwar ein guter Wirkungsgrad der Turbine erzielt werden, jedoch sind die Eigenfrequenzen die- ser Laufschaufel 16 und damit des Turbinenlaufrades 14 vergleichsweise niedrig. Aufgrund der niedrigen Eigenfrequenzen kann es daher zu unerwünschten Resonanzen kommen, die im schlimmsten Fall zu einem Schaufelbruch führen können. In Fig. 2 ist nun eine weitere Meridionalansicht einer Turbine eines Turboladers dargestellt, die ein Turbinengehäuse und ein Turbinenrad aufweist. Dabei ist eine Laufschaufei 16 des Turbinenlaufrads 14 eines Turboladers gezeigt. Hierbei ist in dem Turbinengehäuse 10 auf einer Welle 12 das Turbinenlaufrad 14 der Turbine angeordnet. Die Laufschaufeln 16 des Turbinenlaufrads 14 stellen hierbei eine weitere Ausführungsform da, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt ist.1 shows a meridional view of a turbine of a turbocharger having a turbine housing and a turbine wheel. In the turbine housing 10, the turbine runner 14 of the turbine is arranged on a shaft 12. The turbine runner 14 in this case has blades 16 according to the prior art. As can be seen from the detail in FIG. 1 of a blade 16 of the turbine runner 14, this has a continuous vertical exit edge 18. This means that the blade 16 has no reduction of the axial length over its entire outlet edge 18. In this way, although a good efficiency of the turbine can be achieved, but the natural frequencies of this blade 16 and thus of the turbine runner 14 are comparatively low. Due to the low natural frequencies, it may therefore come to unwanted resonances, which can lead to a blade fracture in the worst case. 2, a further meridional view of a turbine of a turbocharger is shown, which has a turbine housing and a turbine wheel. In this case, a rotor blade 16 of the turbine runner 14 of a turbocharger is shown. In this case, the turbine runner 14 of the turbine is arranged in the turbine housing 10 on a shaft 12. The blades 16 of the turbine runner 14 in this case represent a further embodiment, as is known from the prior art.
In der Meridionalansicht in Fig. 2 ist dabei eine der Laufschaufeln 16 des Turbinenlaufrads 14 gezeigt. Die Laufschaufei 16 weist dabei jedoch im Gegensatz zu der ersten Ausführungsform gemäß dem Stand der Technik keine senkrechte Aus- trittskante 18 auf, sondern eine nach hinten bzw. entgegen der Strömungsrichtung geneigte, geradlinige Austrittskante 20 auf. Die Strömungsrichtung des Abgasmassenstroms ist in allen Figuren durch Pfeile dargestellt.In the meridional view in FIG. 2, one of the rotor blades 16 of the turbine runner 14 is shown. However, in contrast to the first embodiment according to the prior art, the rotor blade 16 does not have a vertical exit edge 18, but rather a rectilinear outlet edge 20 which is inclined towards the rear or against the flow direction. The flow direction of the exhaust gas mass flow is shown by arrows in all figures.
In Fig. 2 ist zunächst zum Vergleich die senkrechte Austrittskante 18 gemäß der Ausführungsform in Fig. 1 mit einer durchgezogenen Linie eingezeichnet. Die geneigte Austrittskante 20 gemäß der zweiten Ausführungsform des Standes der Technik ist in Fig. 2 mit einer gestrichelten Linie einge- zeichnet. Gegenüber der Ausführungsform in Fig. 1 wurde bei der zweiten Ausführungsform des Standes der Technik ein dreieckiger Abschnitt 22 sozusagen entfernt, um die nach hinten bzw. zurück geneigte Austrittskante 20 der Laufschaufel 16 vorzusehen. Mit anderen Worten, bei der zweiten Ausführungs- form liegt eine lineare Reduzierung (in der Meridionalansicht) der axialen Länge der Laufschaufel 16 vor.In FIG. 2, the vertical exit edge 18 according to the embodiment in FIG. 1 is initially drawn by a solid line for comparison. The inclined exit edge 20 according to the second embodiment of the prior art is drawn in FIG. 2 with a dashed line. Compared to the embodiment in FIG. 1, in the second embodiment of the prior art, a triangular section 22 has been removed, so to speak, in order to provide the rearward or backward inclined edge 20 of the moving blade 16. In other words, in the second embodiment, there is a linear reduction (in the meridional view) of the axial length of the blade 16.
Bei den nachfolgenden erfindungsgemäßen Ausführungsformen erfolgt dagegen eine nicht-lineare Reduzierung der axialen Län- ge der Schaufel (in der Meridionalansicht) zumindest in einem Abschnitt der Austrittskante, um auf diese Weise das Verhältnis von Eigenfrequenzen und Wirkungsgrad der Schaufel bzw. des Laufrads zu optimieren, so dass sich möglichst hohe Ei- genfrequenzen bei einem möglichst geringen Wirkungsgradverlust der Schaufel bzw. des Laufrads ergeben.In the following embodiments according to the invention, however, a non-linear reduction of the axial length of the blade (in the meridional view) takes place at least in a section of the trailing edge, in order to optimize the ratio of natural frequencies and efficiency of the blade or of the impeller, so that the highest possible gene frequencies at the lowest possible loss of efficiency of the blade or the impeller result.
Die lineare Reduzierung der axialen Länge bei der zweiten Ausführungsform der Laufschaufei 16 gemäß dem Stand der Technik erhöht nun zwar die Eigenfrequenzen der Turbinenschaufel 14. Die lineare Reduzierung hat jedoch den Nachteil, dass die Strömung im gesamten Austrittsbereich der Turbinenschaufel 14 weniger geführt wird. Hierdurch wird der Wirkungsgrad der Turbine gesenkt.Although the linear reduction of the axial length in the second embodiment of the prior art rotor 16 increases the natural frequencies of the turbine blade 14, the linear reduction has the disadvantage that the flow is conducted less in the entire outlet region of the turbine blade 14. As a result, the efficiency of the turbine is lowered.
In Fig. 3 ist eine Meridionalansicht einer Turbine eines Turboladers dargestellt, die ein Turbinengehäuse und ein Turbinenlaufrad 14 aufweist. Dabei ist eine Laufschaufei 16 des Turbinenlaufrads 14 gemäß einer ersten Ausführungsform derIn Fig. 3 is a meridional view of a turbine of a turbocharger is shown, which has a turbine housing and a turbine runner 14. In this case, a rotor blade 16 of the turbine runner 14 according to a first embodiment of the
Erfindung gezeigt. Dabei ist zunächst die Laufschaufei 16 der zweiten Ausführungsform gemäß dem Stand der Technik, wie er in Fig. 2 gezeigt ist, zum Vergleich mit einer durchgezogenen Linie 20 eingezeichnet.Invention shown. In this case, first of all the rotor 16 of the second embodiment according to the prior art, as shown in FIG. 2, is shown for comparison with a solid line 20.
Die Austrittskante 24, 30 der erfindungsgemäßen Laufschaufel 16 setzt sich nun beispielsweise aus zwei Bereichen 26, 28 zusammen. In dem unteren Bereich 26 verläuft die Austrittskante 24, 30 zunächst senkrecht oder im Wesentlichen senk- recht. In dem anschließenden oberen Bereich 28 ist der Verlauf der Austrittskante 24 zurück gerichtet bzw. die Austrittskante 24, 30 ist nach hinten bzw. entgegen der Strömungsrichtung abgeknickt. Dabei ist der Verlauf der Austrittkante 24, 30 in dem oberen Bereich 26 nach hinten entgegen der Strömungsrichtung abgeknickt.The trailing edge 24, 30 of the rotor blade 16 according to the invention is now composed, for example, of two regions 26, 28. In the lower region 26, the exit edge 24, 30 runs initially perpendicularly or substantially vertically. In the subsequent upper region 28, the course of the trailing edge 24 is directed back or the trailing edge 24, 30 is bent backwards or counter to the flow direction. In this case, the course of the exit edge 24, 30 is bent in the upper region 26 to the rear against the flow direction.
In Fig. 3 sind hierbei zwei Beispiele für eine Austrittskante 24, 30 einer Laufschaufel 16 gemäß der ersten, erfindungsgemäßen Ausführungsform dargestellt. Die erste, erfindungsgemä- ße Austrittskante 24 ist dabei in Fig. 3 mit einer gestrichelten Linie und die zweite, erfindungsgemäße Austrittskante 30 mit einer gepunkteten Linie eingezeichnet. Die beiden erfindungsgemäßen Austrittskanten 24, 30 weisen beide einen un- teren Bereich 26 auf, in welchem die Austrittskante 24, 30 der Laufschaufei 16 beispielsweise senkrecht verläuft. Der untere Bereich 26 kann dabei beispielsweise bis zur Hälfte der Schaufelhöhe verlaufen, wie in Fig. 3 angedeutet ist, o- der bis zu einem ersten Drittel oder zweiten Drittel derIn FIG. 3, two examples of a trailing edge 24, 30 of a rotor blade 16 according to the first embodiment of the invention are shown. The first exit edge 24 according to the invention is shown with a dashed line in FIG. 3 and the second exit edge 30 according to the invention with a dotted line. The two exit edges 24, 30 according to the invention both have a The lower region 26, in which the exit edge 24, 30 of the rotor blade 16, for example, is perpendicular. The lower region 26 can extend, for example, up to half the blade height, as indicated in FIG. 3, or up to a first third or second third of the blade
Schaufelhöhe oder auch nur bis ein Viertel oder auch bis zu drei Viertel der Schaufelhöhe. Dies ist jedoch lediglich beispielhaft und die Erfindung ist auf diese Größen des unteren Bereichs 26 nicht beschränkt. Grundsätzlich können der obere Bereich 28 und der entsprechend dazu gehörende untere Bereich 26 beliebig groß gewählt werden, je nach Funktion und Einsatzzweck. Die zuvor genannten Größen für den unteren Bereich 26 sind rein beispielhaft.Bucket height or even up to a quarter or even up to three quarters of the blade height. However, this is merely exemplary and the invention is not limited to these sizes of the lower portion 26. Basically, the upper portion 28 and the corresponding corresponding lower portion 26 can be chosen arbitrarily large, depending on the function and purpose. The aforementioned sizes for the lower region 26 are purely exemplary.
In jedem Fall ist gemäß der ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform der Laufschaufel 16 deren Austrittskante 24, 30 in dem unteren Bereich 26 senkrecht, im Wesentlichen senkrecht oder geringfügig entgegen der Strömungsrichtung nach hinten abgeknickt oder gekrümmt. In dem oberen Bereich 28 ist die Austrittskante 24, 30 des Weiteren entgegen der Strömungsrichtung nach hinten abgenickt oder gekrümmt. Dabei ist die Austrittskante 24, 30 im oberen Bereich 28 stärker nach hinten, entgegen der Strömungsrichtung gerichtet als im unteren Bereich 26, um die Eigenfrequenzen des Laufrads 14 zu erhöhe. Dadurch, dass der untere Bereich 26 weniger stark nach hinten gekrümmt ist, wird eine zu starke Reduktion des Wirkungsgrades des Laufrads 14 vermieden.In any case, according to the first embodiment of the invention, the blade 16 whose trailing edge 24, 30 in the lower portion 26 perpendicular, substantially perpendicular or slightly against the flow direction bent back or curved. In the upper region 28, the trailing edge 24, 30 is further bent off or curved in the opposite direction to the flow direction. In this case, the exit edge 24, 30 in the upper region 28 more towards the rear, directed against the flow direction than in the lower region 26 in order to increase the natural frequencies of the impeller 14. The fact that the lower portion 26 is less curved backwards, an excessive reduction of the efficiency of the impeller 14 is avoided.
Die beiden dargestellten erfindungsgemäßen Austrittskanten 24, 30 unterscheiden sich dabei voneinander, wie in Fig. 3 gezeigt ist, dass die zweite Austrittskante 30 in dem oberen Bereich 28 stärker nach hinten bzw. entgegen der Strömungsrichtung gerichtet verläuft als die erste erfindungsgemäße Austrittskante 24. Des Weiteren verläuft die Austrittskante 24 der ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform der Schaufel 16 in ihrem oberen Bereich 28 in einem Bogen nach hinten entgegen der Strömungsrichtung. Die Austrittskante 30 der zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform der Schaufel 16 ist wiederum in ihrem oberen Bereich 28 nach hinten linear abgeknickt, wobei der Übergang der Austrittskante 30 zwischen dem unteren Bereich 26 und dem oberen Bereich 28 vorzugsweise abgerundet ausgebildet ist.The two illustrated exit edges 24, 30 differ from each other, as shown in Fig. 3, that the second exit edge 30 in the upper region 28 is directed more towards the rear or against the flow direction than the first inventive exit edge 24. Furthermore extends the trailing edge 24 of the first embodiment of the invention the blade 16 in its upper portion 28 in an arc towards the rear against the flow direction. The trailing edge 30 of the second embodiment of the invention is the blade 16 again in its upper portion 28 bent back linearly, wherein the transition of the trailing edge 30 between the lower portion 26 and the upper portion 28 is preferably rounded.
Wenn man nun alle drei möglichen Verläufe der Austrittskante 20, 24, 30 der Turbinenlaufschaufel 16 miteinander vergleicht, so kann man folgendes feststellen.If one now compares all three possible curves of the outlet edge 20, 24, 30 of the turbine blade 16 with one another, then one can ascertain the following.
Die erste und zweite erfindungsgemäße Austrittskante 24, 30 weist jeweils einen besseren bzw. höheren Wirkungsgrad der Turbine auf als die Austrittskante 20 gemäß dem Stand der Technik, wie sie auch in Fig. 2 dargestellt ist. Dies liegt daran, dass die erste und zweite erfindungsgemäße Austritts- kante 24, 30 in dem unteren Abschnitt 26 beispielsweise senkrecht verlaufen, d.h. die jeweilige Schaufel 16 ist in ihrer Länge in axialer Richtung nicht reduziert, im Gegensatz zu der Austrittskante 20 gemäß dem Stand der Technik, wie sie in Fig. 2 gezeigt ist. Dadurch wird sowohl im oberen und unteren Bereich der Austrittskante eine bessere Strömungsführung erreicht, wodurch der Wirkungsgrad steigt.The first and second inventive outlet edge 24, 30 each have a better or higher efficiency of the turbine than the outlet edge 20 according to the prior art, as shown in Fig. 2. This is because the first and second exit edges 24, 30 of the invention in the lower portion 26 are, for example, perpendicular, i. the respective blade 16 is not reduced in length in the axial direction, in contrast to the exit edge 20 according to the prior art, as shown in Fig. 2. As a result, better flow guidance is achieved both in the upper and lower regions of the outlet edge, as a result of which the efficiency increases.
Des Weiteren weist die erste erfindungsgemäße Austrittskante 24, die mit einer gestrichelten Linie eingezeichnet ist, et- was geringere Eigenfrequenzen auf als die Austrittskante 20 gemäß dem Stand der Technik, wie sie auch in Fig. 2 gezeigt ist. Die Eigenfrequenzen der ersten erfindungsgemäßen Austrittskante 24 sind aber höher als die Eigenfrequenzen der anderen Austrittskante 18 gemäß dem Stand der Technik, wie sie in Fig. 1 gezeigt ist, welche in der Länge in axialer Richtung ungekürzt ist.Furthermore, the first exit edge 24 according to the invention, which is drawn with a dashed line, has slightly lower natural frequencies than the exit edge 20 according to the prior art, as is also shown in FIG. 2. However, the natural frequencies of the first exit edge 24 according to the invention are higher than the natural frequencies of the other exit edge 18 according to the prior art, as shown in Fig. 1, which is unabridged in length in the axial direction.
Weiter sind die Eigenfrequenzen der zweiten erfindungsgemäßen Austrittskante 30, die mit einer gepunkteten Linie einge- zeichnet ist, größer als die Eigenfrequenzen der ersten erfindungsgemäßen Austrittskante 24, da die zweite erfindungsgemäße Austrittskante 30 weiter nach hinten entgegen der Strömungsrichtung verläuft. Dafür sinkt allerdings etwas der Wirkungsgrad.Furthermore, the natural frequencies of the second outlet edge 30 according to the invention, which is drawn in with a dotted line, are greater than the natural frequencies of the first outlet edge 24 according to the invention, since the second outlet edge 30 according to the invention continues further counter to Flow direction runs. However, this somewhat reduces the efficiency.
Die Laufschaufeln 16 gemäß der Erfindung, wie sie in dem Bei- spiel in Fig. 3 gezeigt sind, sind vorzugsweise im Wesentlichen nur in dem Bereich in ihrer axialen Länge reduziert, der wesentlich zu einer Vergrößerung der Eigenfrequenzen führt, hier in dem oberen Bereich 28.The moving blades 16 according to the invention, as shown in the example in FIG. 3, are preferably reduced substantially only in the region in their axial length, which leads substantially to an enlargement of the natural frequencies, here in the upper region 28 ,
In Fig. 4 ist eine weitere Meridionalansicht einer Turbine eines Turboladers dargestellt, die ein Turbinengehäuse und ein Turbinenlaufrad 14 aufweist. Genauer gesagt ist das Turbinenlaufrad 14 gezeigt, welches Laufschaufeln 16 gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung aufweist, wobei eine Laufschaufel 16 in einer Meridionalansicht gezeigt ist. Dabei ist zum Vergleich die erste, erfindungsgemäße Austrittskante 24 gemäß Fig. 3 mit einer durchgezogenen Linie in Fig. 4 eingezeichnet und des Weiteren ein Beispiel einer Austrittskante 32 einer Laufschaufel 16 gemäß der zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform mit einer gestrichelten Linie.4, another meridional view of a turbine of a turbocharger is shown having a turbine housing and a turbine runner 14. More specifically, the turbine runner 14 is shown having blades 16 according to a second embodiment of the invention, with a blade 16 shown in a meridional view. For comparison, the first, inventive exit edge 24 according to FIG. 3 is shown with a solid line in FIG. 4 and furthermore an example of an exit edge 32 of a rotor blade 16 according to the second embodiment according to the invention with a dashed line.
Die Austrittskante 32 der Laufschaufel 16 des Turbinenlaufrads 14 gemäß der zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform weist dabei eine S-Form bzw. im Wesentlichen eine S-Form auf. Die Austrittskante 32 ist dabei beispielsweise in dem unteren Bereich 26 nach innen, entgegen der Strömungsrichtung in einem Bogen geschwungen bzw. konkav ausgebildet. Im Gegensatz dazu verläuft die erste, erfindungsgemäße Austrittskante 30, wie sie mit der durchgezogenen Linie in Fig. 4 dargestellt ist und außerdem in Fig. 3 gezeigt ist, in dem unteren Bereich 26 senkrecht. Daran anschließend ist die Austrittskante 32 gemäß der zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform in dem oberen Bereich 28 nach außen geschwungen bzw. konvex ausgebildet. Die Aufteilung der beiden Bereiche 26 und 28 kann be- liebig, geeignet variiert werden. Dies gilt für alle Ausführungsformen der Erfindung. Des Weiteren kann die Austrittskante auch in mehr als zwei Bereiche aufgeteilt werden. Dies gilt ebenfalls für alle Ausführungsformen. Die S-Form der Austrittskante 32 der Laufschaufel 16 ist insbesondere für die auftretenden mechanischen Spannungen in der Laufschaufel 16 vorteilhaft. Durch die S-Form der Austrittskante 32 der Laufschaufel 16 kann die Spannung infolge der Fliehkraftbe- lastung im unteren Bereich bzw. unteren Punkt A der Laufschaufel 16 reduziert werden.The trailing edge 32 of the rotor blade 16 of the turbine runner 14 according to the second embodiment of the invention has an S-shape or substantially an S-shape. In this case, the outlet edge 32 is, for example, curved inward in the lower region 26, curved in an arc against the direction of flow, or concave. In contrast, the first exit edge 30 of the invention, as shown in solid line in FIG. 4 and also shown in FIG. 3, is perpendicular in the lower region 26. Subsequently, the trailing edge 32 according to the second embodiment of the invention in the upper portion 28 is curved outward or convex. The division of the two regions 26 and 28 can be varied as desired. This applies to all embodiments of the invention. Furthermore, the trailing edge can also be divided into more than two areas. This also applies to all embodiments. The S-shape of the Exit edge 32 of the blade 16 is particularly advantageous for the occurring mechanical stresses in the blade 16. Due to the S-shape of the trailing edge 32 of the blade 16, the stress due to the centrifugal force in the lower region or lower point A of the blade 16 can be reduced.
Weiter ist in Fig. 5 eine Meridionalansicht einer Turbine eines Turboladers dargestellt, die ein Turbinengehäuse 10 und ein Turbinenlaufrad 14 aufweist. Das dargestellte Turbinenlaufrad 14 weist hierbei Laufschaufeln 16 gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung auf, wobei eine Laufschaufel 16 in einer Meridionalansicht gezeigt ist.Furthermore, FIG. 5 shows a meridional view of a turbine of a turbocharger, which has a turbine housing 10 and a turbine runner 14. The illustrated turbine runner 14 hereby comprises moving blades 16 according to a third embodiment of the invention, wherein a moving blade 16 is shown in a meridional view.
Bei der Darstellung der Laufschaufel 16 ist dabei zum Vergleich die erste Ausführungsform der Austrittskante 18 einer Laufschaufel 16 gemäß dem Stand der Technik als durchgezogene Linie eingezeichnet. Diese Laufschaufei 16 wurde bereits in Fig. 1 dargestellt und kennzeichnet sich dadurch, dass die Austrittskante 18 durchgehend senkrecht ausgebildet ist.In the illustration of the blade 16, the first embodiment of the trailing edge 18 of a blade 16 according to the prior art is shown as a solid line for comparison. This rotor blade 16 has already been shown in FIG. 1 and is characterized in that the outlet edge 18 is designed to be continuous vertically.
Des Weiteren sind in Fig. 5 drei Beispiele für Austrittskanten 34, 36, 38 für eine erfindungsgemäße Laufschaufel 16 eines Turbinenrads 14 dargestellt in Form einer gestrichelten Linie 34, einer strichpunktieren Linie 36 und einer gepunkteten Linie 38. Die drei Verläufe für die Austrittskante 34, 36, 38 zeichnen sich dadurch aus, dass sie nach hinten, entgegen der Strömungsrichtung geschwungen sind. Im Gegensatz zu der zweiten Ausführungsform der Austrittskante 20 einer Lauf- schaufei 16 gemäß dem Stand der Technik ist die erfindungsgemäße Austrittskante 34, 36, 38 nicht in Form einer Gerade 20 ausgebildet, die einfach nach hinten geneigt ist, wie im Stand der Technik in Fig. 2 gezeigt ist. Stattdessen beschreibt die Austrittskante 34, 36, 38 der erfindungsgemäßen Laufschaufel 16 eine Kurve oder einen Bogen welche nach hinten geschwungen ist entgegen der Strömungsrichtung, wobei die Austrittkante 34, 36, 38 selbst keine durchgehende Gerade bildet, sondern keinen oder allenfalls nur wenigstens einen oder mehrere Geradenabschnitte aufweist.Furthermore, FIG. 5 shows three examples of exit edges 34, 36, 38 for a rotor blade 16 according to the invention of a turbine wheel 14 in the form of a dashed line 34, a dot-dash line 36 and a dotted line 38. The three curves for the exit edge 34, 36, 38 are characterized in that they are curved backwards, against the direction of flow. In contrast to the second embodiment of the trailing edge 20 of a running shoe 16 according to the prior art, the trailing edge 34, 36, 38 according to the invention is not formed in the form of a straight line 20, which is simply inclined backwards, as in the prior art in FIG 2 is shown. Instead, the trailing edge 34, 36, 38 of the blade 16 according to the invention describes a curve or a curve which is curved backwards against the flow direction, wherein the outlet edge 34, 36, 38 itself no continuous straight line forms, but no or at most only at least one or more straight line sections.
Je stärker die Austrittskante 34, 36, 38 der erfindungsgemä- ßen Laufschaufel 16 dabei nach hinten geschwungen ist desto höher sind die Eigenfrequenzen der Laufschaufel 16 und desto mehr kann aber auch der Wirkungsgrad des Laufrads 14 abnehmen. Mit anderen Worten, die Laufschaufel 16 mit der äußeren, erfindungsgemäßen Austrittskante 34, die mit einer gestri- chelten Linie eingezeichnet ist, hat geringere Eigenfrequenzen und einen höheren Wirkungsgrad als beispielsweise die Laufschaufel 16 mit der am weitesten innen liegenden, erfindungsgemäßen Austrittskante 38, die in Fig. 5 mit einer gepunkteten Linie eingezeichnet ist.The stronger the trailing edge 34, 36, 38 of the rotor blade 16 according to the invention swings towards the rear, the higher the natural frequencies of the rotor blade 16 and the more, however, the efficiency of the rotor 14 can decrease. In other words, the blade 16 with the outer, inventive trailing edge 34, which is drawn with a dashed line, has lower natural frequencies and a higher efficiency than, for example, the blade 16 with the innermost, inventive trailing edge 38, the Fig. 5 is shown with a dotted line.
Die Eigenfrequenzen der Laufschaufeln 16 mit den drei erfindungsgemäßen Austrittkanten 34, 36, 38 haben aber jeweils höhere Eigenfrequenzen als die Laufschaufel 16 mit der Austrittskante 18 gemäß dem Stand der Technik. Der Turbinenwir- kungsgrad der Laufschaufeln 16 mit den drei erfindungsgemäßen Austrittskanten 34, 36, 38 ist dabei geringer als der Wirkungsgrad der Laufschaufel 16 mit der Austrittskante 18 gemäß dem Stand der Technik. Dafür wirken die Laufschaufeln 16 mit dem erfindungsgemäßen frei nach hinten geschwungen Verlauf der jeweiligen Austrittskante 34, 36, 38 entgegen der Strömungsrichtung dem Auftreten von unerwünschten Resonanzen geeignet entgegen, im Gegensatz zu den Laufschaufeln 16 gemäß dem Stand der Technik, wie z.B. in den Fig. 1 und 5 gezeigt ist .However, the natural frequencies of the rotor blades 16 with the three exit edges 34, 36, 38 according to the invention each have higher natural frequencies than the rotor blade 16 with the exit edge 18 according to the prior art. The turbine efficiency of the rotor blades 16 with the three exit edges 34, 36, 38 according to the invention is less than the efficiency of the rotor blade 16 with the exit edge 18 according to the prior art. For this purpose, the blades 16 counteract the occurrence of unwanted resonances counter to the direction of flow according to the invention with the freely curved backward profile of the respective outlet edge 34, 36, 38 in contrast to the blades 16 according to the prior art, such as e.g. in Figs. 1 and 5 is shown.
In der erfindungsgemäßen Geometrie wird der Wirkungsgradverlust durch die Reduzierung der axialen Länge vorzugsweise nur in einem bestimmten, ausgewählten Bereich oder Bereichen minimiert. Des Weiteren können die Eigenfrequenzen in einem ge- wünschten Bereich oder Bereichen erhöht werden und die Belastung der Schaufeln durch Resonanzen vermieden werden. Dies gilt für alle Ausführungsformen der Erfindung. Die vorliegende Erfindung kann sowohl bei Turbinenlaufrädern wie auch bei Verdichterlaufrädern eingesetzt werden. Die zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Ausführungsformen wurden anhand eines Turbinenlaufrads und seiner Laufschaufeln bzw. Schaufeln erläutert. Die Ausführungen gelten aber, wie zuvor beschrieben, auch im Wesentlichen entsprechend für ein Verdichterlaufrad und seine Laufschaufeln bzw. Schaufeln und werden daher hierfür nicht wiederholt.In the geometry according to the invention, the loss of efficiency due to the reduction of the axial length is preferably minimized only in a certain, selected area or areas. Furthermore, the natural frequencies in a desired range or ranges can be increased and the loading of the blades by resonances can be avoided. This applies to all embodiments of the invention. The present invention can be used with both turbine runners and compressor runners. The above-described embodiments of the present invention have been explained with reference to a turbine runner and its blades. However, the embodiments apply, as described above, also substantially corresponding to a compressor impeller and its blades or blades and are therefore not repeated for this purpose.
Bei den Laufrädern, d.h. Turbinenlaufrädern bzw. Verdichterlaufrädern (beispielsweise Radialturbinenlaufräder bzw. Radialverdichterlaufräder) , können wenigstens ein, zwei, mehrere oder alle Schaufeln gemäß der erfindungsgemäßen Schaufel bzw. Laufschaufei ausgebildet sein. Des Weiteren kann das Laufrad, d.h. ein Turbinenlaufrad bzw. ein Verdichterlaufrad, beispielsweise gegossen werden und/oder gefräst werden, um zwei Herstellungsverfahren als Beispiele zu nennen.For the wheels, i. Turbine wheels or compressor wheels (for example, radial turbine wheels or radial compressor wheels), at least one, two, several or all blades can be formed according to the blade or rotor blade according to the invention. Furthermore, the impeller, i. a turbine runner or a compressor runner, for example cast and / or milled, to name two manufacturing methods as examples.
Obwohl die vorliegende Erfindung vorstehend anhand der bevor- zugten Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar. Die zuvor beschriebenen Ausführungsformen sind dabei miteinander kombinierbar, insbesondere einzelne Merkmale davon . Although the present invention has been described above with reference to the preferred embodiments, it is not limited thereto, but modifiable in a variety of ways. The embodiments described above can be combined with one another, in particular individual features thereof.

Claims

Patentansprüche claims
1. Schaufel (16) eines Laufrads (14) eines Turboladers: wobei die Schaufel (16) in der Meridionalansicht an ih- rer Austrittskante (24, 30, 32, 34, 36, 38) bei einerA blade (16) of an impeller (14) of a turbocharger: wherein the blade (16) in the meridional view at its trailing edge (24, 30, 32, 34, 36, 38) at a
Turbinenradschaufel bzw. an ihrer Eintrittskante bei einer Verdichterradschaufel zumindest in einem oder mehreren Abschnitten eine nicht-lineare Reduzierung der axialen Länge aufweist, und wobei der jeweilige Abschnitt und die Reduzierung der axialen Länge der Schaufel (16) derart gewählt ist, so dass die Schaufel (16) ein vorbestimmtes Verhältnis aus Eigenfrequenzen und einem Wirkungsgradverlust der Schaufel bzw. des Laufrads aufweist .Turbine wheel blade or at its leading edge in a Verdichterradschaufel at least in one or more sections has a non-linear reduction of the axial length, and wherein the respective section and the reduction of the axial length of the blade (16) is selected such that the blade ( 16) has a predetermined ratio of natural frequencies and a loss of efficiency of the blade or the impeller.
2. Schaufel (16) eines Laufrads (14) eines Turboladers: wobei die Schaufel (16) des Laufrads (14) in der Meridionalansicht an ihrer Austrittskante (24, 30, 32, 34, 36, 38) bei einer Turbinenradschaufel bzw. an ihrer Ein- trittskante bei einer Verdichterradschaufel in einem ersten, oberen Bereich (28) in der axialen Länge reduziert ist und wobei die Austrittskante (24, 30, 32, 34, 36, 38) in einem zweiten, unteren Bereich (26) senkrecht, im Wesentlichen senkrecht oder nach hinten, ent- gegen der Strömungsrichtung verläuft, bzw. die Eintrittskante in einem zweiten, unteren Bereich senkrecht, im Wesentlichen senkrecht oder nach hinten, in Strömungsrichtung verläuft, so dass der Wirkungsgradverlust des Laufrads (14) in einem vorbestimmten Bereich be- grenzt ist.2. Blade (16) of a rotor (14) of a turbocharger: wherein the blade (16) of the impeller (14) in the meridional view at its trailing edge (24, 30, 32, 34, 36, 38) at a turbine blade or its leading edge in a compressor impeller is reduced in axial length in a first, upper region (28), and wherein the trailing edge (24, 30, 32, 34, 36, 38) is perpendicular in a second, lower region (26); is substantially perpendicular or rearward, runs counter to the flow direction, or the leading edge in a second, lower region perpendicular, substantially perpendicular or rearward, in the flow direction, so that the loss of efficiency of the impeller (14) in a predetermined range is limited.
3. Schaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufel (16) in einem ersten, oberen Bereich3. A blade according to claim 1, characterized in that the blade (16) in a first, upper region
(28) wenigstens einen Abschnitt mit einer nicht-linearen Reduzierung der axialen Länge aufweist, wobei die Austrittskante der Schaufel (16) bzw. Turbinenradschaufel in einem zweiten, unteren Bereich (26) senkrecht, im Wesentlichen senkrecht oder nach hinten, entgegen der Strömungsrichtung verläuft, bzw. wobei die Eintrittskante der Schaufel (16) bzw. Verdichterradschaufel in einem zweiten, unteren Bereich (26) senkrecht, im Wesentlichen senkrecht oder nach hinten, in Strömungsrichtung verläuft, so dass der Wirkungsgradverlust des Laufrads (14) in einem vorbestimmten Bereich begrenzt ist.(28) has at least one section with a non-linear reduction of the axial length, wherein the trailing edge of the blade (16) or turbine wheel blade in a second, lower region (26) perpendicular, substantially perpendicular or rearward, runs counter to the flow direction, or wherein the leading edge of the blade (16) or compressor wheel blade in a second, lower region (26) perpendicular, substantially perpendicular or rearward, in the flow direction, so that the loss of efficiency of the impeller (14) is limited in a predetermined range.
4. Schaufel nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittskante (24, 30, 32, 34, 36, 38) der Schaufel (16) bzw. Turbinenradschaufel innerhalb des ersten, oberen Bereichs (28) und/oder des zweiten, unteren Bereichs (26) nach hinten entgegen der Strömungs- richtung durchgehend gekrümmt oder zumindest teilweise gekrümmt verläuft, bzw. die Eintrittskante der Schaufel (16) bzw. Verdichterradschaufel innerhalb des ersten, oberen Bereichs (28) und/oder des zweiten, unteren Bereichs (26) nach hinten in Strömungsrichtung durchgehend gekrümmt oder zumindest teilweise gekrümmt verläuft.4. A blade according to claim 2 or 3, characterized in that the trailing edge (24, 30, 32, 34, 36, 38) of the blade (16) or turbine blade within the first, upper region (28) and / or the second , the lower region (26) runs backwards against the direction of flow continuously curved or at least partially curved, or the leading edge of the blade (16) or Verdichterradschaufel within the first, upper region (28) and / or the second, lower region (26) extends continuously curved backwards in the flow direction or at least partially curved.
5. Schaufel nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittskante (24, 30, 32, 34, 36, 38) der Schaufel (16) bzw. Turbinenradschaufel innerhalb des ersten, oberen Bereichs (28) und/oder des zweiten, unteren Bereichs (26) nach hinten abgeknickt entgegen der Strömungsrichtung in Form einer durchgehenden Gerade verläuft oder zumindest einen geradlinigen Abschnitt aufweist, bzw. die Eintrittskante der Schaufel (16) bzw. Verdichterradschaufel innerhalb des ersten, oberen Bereichs (28) und/oder des zweiten, unteren Bereichs (26) nach hinten abgeknickt in Strömungsrichtung in Form einer durchgehenden Gerade verläuft oder zumindest einen geradlinigen Abschnitt aufweist. 5. A blade according to claim 2, 3 or 4, characterized in that the trailing edge (24, 30, 32, 34, 36, 38) of the blade (16) or turbine blade within the first, upper region (28) and / or the second, lower region (26) bent backwards against the flow direction in the form of a continuous straight line or at least has a rectilinear section, or the leading edge of the blade (16) or Verdichterradschaufel within the first, upper region (28) and / or the second, lower region (26) bent backwards in the flow direction in the form of a continuous straight line or at least has a rectilinear section.
6. Schaufel nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittskante (24, 30, 32, 34, 36, 38) der Schaufel (16) bzw. Turbinenradschaufel in dem ersten, oberen Bereich (28) stärker bzw. weiter nach hinten entgegen der Strömungsrichtung verläuft als in dem zweiten, unteren Bereich (26), bzw. die Eintrittskante der Schaufel (16) bzw. Verdichterradschaufel in dem ersten, oberen Bereich (28) stärker bzw. weiter nach hinten in Strömungsrichtung verläuft als in dem zweiten, unteren Bereich (26) .Bucket according to one of claims 2 to 5, characterized in that the trailing edge (24, 30, 32, 34, 36, 38) of the blade (16) or turbine wheel blade in the first, upper region (28) stronger or continues to the rear against the flow direction than in the second, lower region (26), or the leading edge of the blade (16) or Verdichterradschaufel in the first, upper region (28) is stronger or further backward in the flow direction than in the second, lower area (26).
7. Schaufel nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest der Übergang zwischen dem ersten, oberen Bereich (28) und dem zweiten, unteren Be- reich (26) der Austrittskante (24, 30, 32, 34, 36, 38) bzw. Eintrittskante vorzugsweise abgerundet ausgebildet ist.7. Blade according to one of claims 2 to 6, characterized in that at least the transition between the first, upper region (28) and the second, lower region (26) of the trailing edge (24, 30, 32, 34, 36 , 38) or inlet edge is preferably rounded.
8. Schaufel nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittskante (32) bzw. Eintrittskante der Schaufel (16) eine S-Form aufweist bzw. der erste, obere Bereich (28) und der zweite, untere Bereich (26) der Austrittskante bzw. Eintrittskante zusammen eine S-Form ausbilden.8. A blade according to at least one of claims 1 to 7, characterized in that the outlet edge (32) or the leading edge of the blade (16) has an S-shape or the first, upper region (28) and the second, lower region (26) of the trailing edge or the leading edge together form an S-shape.
9. Schaufel nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine S-Form der Austrittskante (32) bzw. der Eintrittskante der Schaufel (16) o- ben konvex und unten konkav ausgebildet ist.9. A blade according to at least one of claims 1 to 8, characterized in that an S-shape of the trailing edge (32) or the leading edge of the blade (16) is convex above convex and convex at the bottom.
10. Schaufel nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufel (16) eine Schaufel eines Turbinerads (14) und/oder eines Verdichterrads ist, beispielsweise ein Radialturbinenlaufrad bzw. ein Radialverdichterlaufrad. 10. Blade according to at least one of claims 1 to 9, characterized in that the blade (16) is a blade of a turbine wheel (14) and / or a compressor wheel, for example a radial turbine impeller or a radial compressor impeller.
11. Schaufel nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufel (16) gegossen und/oder gefräst ist.11. A blade according to at least one of claims 1 to 10, characterized in that the blade (16) is cast and / or milled.
12. Schaufel nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Größe des zweiten, unteren Bereichs (26) beispielsweise wenigstens in einem Bereich von 1/6, 1/5, 1/4, 1/3, 1/2, 2/3 bis 3/4 der Schaufelhöhe liegt.12. A blade according to at least one of claims 1 to 11, characterized in that the size of the second, lower region (26), for example, at least in a range of 1/6, 1/5, 1/4, 1/3, 1 / 2, 2/3 to 3/4 of the blade height is.
13. Schaufel nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittskante bzw. Eintrittskante der Schaufel (16) wenigsten in einen, zwei, drei, vier und mehr Bereiche (26, 28) aufteilbar ist, wobei wenigstens ein Bereich (26, 28) eine nichtlineare Reduzierung der axialen Länge aufweist, wobei die Größe von wenigstens zwei, mehr oder allen Bereichen (26, 28) gleich oder unterschiedlich ist.Shovel according to at least one of claims 1 to 12, characterized in that the trailing edge or leading edge of the blade (16) at least in one, two, three, four or more areas (26, 28) is divisible, wherein at least one area (26, 28) has a nonlinear reduction in axial length, wherein the size of at least two, more or all regions (26, 28) is the same or different.
14. Laufrad eines Turboladers, wobei das Laufrad (14) wenigstens eine, mehrere oder alle Schaufeln (16) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13 aufweist.14. An impeller of a turbocharger, wherein the impeller (14) has at least one, several or all blades (16) according to one of claims 1 to 13.
15. Laufrad nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Laufrad (14) ein Turbinenlaufrad oder ein Verdichterlaufrad ist, beispielsweise ein Radialturbinenlaufrad bzw. Radialverdichterlaufrad.15. Impeller according to claim 14, characterized in that the impeller (14) is a turbine impeller or a compressor impeller, for example a radial turbine impeller or radial compressor impeller.
16. Laufrad nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Laufrad (14) gegossen und/oder gefräst ist. 16. Impeller according to claim 14 or 15, characterized in that the impeller (14) is cast and / or milled.
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