WO2018046182A1 - Laufrad für eine turbine und verfahren zur herstellung eines laufrads - Google Patents

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WO2018046182A1
WO2018046182A1 PCT/EP2017/069289 EP2017069289W WO2018046182A1 WO 2018046182 A1 WO2018046182 A1 WO 2018046182A1 EP 2017069289 W EP2017069289 W EP 2017069289W WO 2018046182 A1 WO2018046182 A1 WO 2018046182A1
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WO
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impeller
turbine
ribbing
radial
shaft
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PCT/EP2017/069289
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English (en)
French (fr)
Inventor
Dietmar Uhlmann
Bernd Banzhaf
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/02—Blade-carrying members, e.g. rotors
    • F01D5/04—Blade-carrying members, e.g. rotors for radial-flow machines or engines
    • F01D5/043—Blade-carrying members, e.g. rotors for radial-flow machines or engines of the axial inlet- radial outlet, or vice versa, type
    • F01D5/048—Form or construction
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2220/00—Application
    • F05D2220/30—Application in turbines
    • F05D2220/31—Application in turbines in steam turbines
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2230/00—Manufacture
    • F05D2230/30—Manufacture with deposition of material
    • F05D2230/31—Layer deposition

Definitions

  • the present invention relates to an impeller for a turbine, the turbine in particular in a waste heat recovery system of a
  • the invention relates to a turbine with such an impeller and a method for producing such an impeller.
  • Wheels for turbines of waste heat recovery systems are known from the prior art, for example from DE 10 2014 209 624 A1.
  • Weight-optimized wheels usually have a reduced rigidity or are relatively expensive to produce over several components.
  • Welded joints wheels with trapped cavities can be produced, as known for example from DE 10 2012 222 205 A1. These wheels are weight and stiffness-optimized, but require a relatively expensive or complex production.
  • the impeller according to the invention for a turbine in contrast, has both a weight and stiffness-optimized structure, as well as a relatively simple manufacturing process by the impeller is produced by the SD printing process.
  • the impeller consists of a one-piece body.
  • the main body has a shaft, a front wall and a rear wall. On the
  • Front wall are arranged several blades.
  • the shaft, the front wall and the rear wall enclose a cavity.
  • the base body is manufactured in 3D printing process; in other manufacturing processes, the overall structure of the impeller may not be integral.
  • the weight and rigidity of the impeller can be optimized without having to use complex welded constructions.
  • the base body has a ribbing, wherein the ribbing formed in the cavity.
  • the main body or the impeller can be made very stiff. Unfavorable deflections of the front wall with the blades are thereby prevented. The dimensional tolerances or deviations in the operation of the impeller are thus minimized.
  • the ribbing has at least one
  • the radial rib is disposed substantially disc-shaped around the circumference of the shaft, and is for example orthogonal to
  • the perforations save material and thus weight at the ribbing.
  • the perforations are attached to outside the power flow, so that the stiffness of the impeller is virtually not reduced thereby.
  • the ribbing has one, more preferably several
  • longitudinal ribs on.
  • the longitudinal ribs are parallel to the shaft axis and support the front wall advantageously over its entire axial extent. Especially with radial turbines, deflections of the front wall are avoided by using several longitudinal ribs.
  • the ribbing 14 has longitudinal ribs which are arranged distributed equidistantly over the circumference.
  • the wall thickness of the individual longitudinal ribs extends over approximately 10 ° of the circumference of the shaft. This is a particularly effective in terms of weight-stiffness optimization
  • the longitudinal ribs each have at least one perforation.
  • the perforations save material and thus weight at the ribbing.
  • the perforations are outside the
  • the ribbing has at least one
  • the circumferential rib is made substantially cylindrical and arranged concentrically to the shaft. Especially with radial turbines, deflections of the front wall are avoided by the use of one or more circumferential ribs. The outer dimensions of the impeller can thus be kept very well in operation.
  • the perforations save material and thus weight at the ribbing.
  • the perforations are attached to outside the power flow, so that the stiffness of the impeller is virtually not reduced thereby.
  • the ribbing has a combination of radial ribs, longitudinal ribs and circumferential ribs.
  • the ribbing may thus be honeycombed.
  • the ribbing is made very stiff or the wall thicknesses of the ribbing can be reduced accordingly.
  • the impeller is designed for a radial turbine.
  • the radial turbine has due to their radial flow and axial
  • Cavities in radial turbines therefore has a particularly large
  • Turbines in particular radial turbines, are very well suited for use in waste heat recovery systems of internal combustion engines. Therefore, the impeller according to the invention is very advantageous in one
  • Waste heat recovery system comprises a working medium leading circuit, wherein the circuit in the flow direction of the working medium comprises a feed fluid pump, an evaporator, an expansion machine and a condenser.
  • the expansion machine is designed as a turbine with an impeller according to the invention as described above.
  • Waste heat recovery system with very high speeds and is subjected to a relatively high pressure, so that the impeller high
  • FIG. 2 is a plan view of a ribbing of an impeller
  • Fig. 3 is a perspective view of a half-model of another
  • Fig. 5 is a half-model of yet another embodiment of a
  • Fig. 6 shows schematically a waste heat recovery system.
  • FIG. 1 shows an impeller 1 for a turbine, as shown in FIG.
  • Waste heat recovery systems for internal combustion engines can be used.
  • the impeller 1 is shown schematically as a half-model in a perspective view.
  • the impeller 1 has an integral base body 2, in which at least one cavity 3 is formed. According to the invention, the impeller 1 is formed only from the main body 2, all components of the impeller 1 are thus configured.
  • Such an impeller 1 is produced in the SD printing process, since completely enclosed cavities can not be realized with a conventional casting process.
  • the impeller 1 can be carried out significantly reduced weight and yet retains approximately the same rigidity as an impeller made of solid material.
  • the impeller 1 and the main body 2 has a shaft 4, a front wall 5 and a rear wall 6, wherein these with each other
  • blades 7 are integrally connected and enclose the cavity 3.
  • blades 7 are arranged, also cohesively with the Front wall 5 connected.
  • the blades 7 essentially form the
  • the shaft 4 is executed in the embodiment of Figure 1 as a hollow shaft; As a result, a connection with another shaft can be produced, for example, via a press fit. Alternatively, the execution as
  • Solid shaft for example, with reduced diameter possible.
  • the shaft 4 can be made significantly longer, so that the shaft 4, for example, at the same time is the drive shaft of a generator, not shown.
  • the impeller 1 is designed for a radial turbine, with a radial flow and an axial outflow, so that the blades 7 are designed accordingly.
  • the front wall 5 is hat-shaped.
  • a ribbing 8 is advantageously arranged in the cavity 3, in order to increase the rigidity of the impeller 1, in particular with regard to a deformation of the front wall 5.
  • the ribbing 8 of Figure 1 is designed as a radial ribbing and includes a disc-shaped radial rib 80a.
  • the radial rib 80a can be designed circumferentially, that is over the entire circumference of the shaft 4, or perforated, as shown in Fig.1
  • the base body 2 has wall thicknesses of about 1 mm.
  • the radial rib 80a has perforations 82 and accordingly also webs 81. 2 shows a plan view of such a ribbing 8.
  • the region of the shaft 4 forms an inner ring of the radial rib 80a, from which eight webs 81 lead away to the outside, which in turn into the circumferential
  • the ribbing 8 may also include one or more radial ribs 80a without perforations.
  • the cavity 3 would then be correspondingly subdivided into a plurality of partial cavities, which are closed against each other.
  • 3 shows a perspective view of a further embodiment of a ribbing 8, wherein the embodiment is shown only as a half-model.
  • the ribbing 8 is designed as an axial ribbing with a plurality of cake-piece-shaped longitudinal ribs 80 b.
  • the shaft 4 designed as a hollow shaft forms a basic structure, parallel to the axial direction 14 of which longitudinal ribs 80b are uniformly distributed over the circumference.
  • longitudinal rib 80b has a perforation 82 for weight optimization, so that a longitudinal rib 80b consists of a plurality of webs 81, wherein the webs 81 merge into the front wall 5 and into the rear wall 6.
  • the 14 perforations 82 are part of the cavity 3.
  • the wall thickness of the longitudinal ribs 80b and the webs 81 extends over 10 °.
  • FIG. 4 shows a half-model of another embodiment of the impeller 1 in a perspective view.
  • the ribbing 8 of this impeller 1 has both radial ribs 80a and circumferential ribs 80c.
  • the circumferential ribs 80c are cylindrical in shape and arranged concentrically with the shaft 4.
  • the ribs 80a, 80c may also be provided with perforations, so that the cavity 3 is continuous.
  • FIG. 5 shows a half-model of a still further embodiment of the impeller 1 in a perspective view.
  • the ribs 80a, 80c are not orthogonal or parallel to the shaft 4, but at angles and in a curved design.
  • Circumferential ribs 80c open at the angle ß in the shaft 4, preferably ß while 30 °.
  • the ribbing 8 of the impeller 1 according to the invention can be designed with arbitrary geometries, provided that a one-piece basic body 2 is formed, since the 3D printing process also permits any desired geometries.
  • combinations of radial ribs 80a, longitudinal ribs 80b and circumferential ribs 80c are used for rigidity optimization for the ribbing.
  • the concrete embodiments of the ribbing 8 depend both on the stress of the impeller 1, as well as on the outer geometry, ie front wall 5, rear wall 6 and blades 7. Accordingly, radial turbines are particularly well suited for a design with the described ribs 8, as radial turbines have comparatively large dimensions in the axial direction.
  • FIG. 6 shows a waste heat recovery system 100 of an internal combustion engine 110.
  • the internal combustion engine 110 is supplied with oxygen via an air supply 112; the exhaust gas discharged after the combustion process is discharged from the engine 110 through an exhaust pipe 111.
  • the waste heat recovery system 100 comprises a working medium leading circuit 100a, which includes a feed fluid pump 102, an evaporator 103, an expansion machine 104 and a condenser 105 in the flow direction of the working medium.
  • the working medium can be fed as needed via a branch line from a sump 101 and a valve unit 101a in the circuit 100a.
  • the collecting container 101 may alternatively be incorporated into the circuit 100a.
  • the evaporator 103 is connected to the exhaust pipe 111 of the internal combustion engine 110, thus uses the heat energy of the exhaust gas of the
  • the expansion machine is designed as a turbine with a weight and stiffness-optimized impeller 1.
  • Liquid working medium is conveyed by the feed fluid pump 102, possibly from the collecting container 101, into the evaporator 103 and vaporized there by the heat energy of the exhaust gas of the internal combustion engine 110.
  • the evaporated working medium is then in the turbine or
  • Expansionsmaschine 104 under release of mechanical energy, for example, to a generator, not shown, or to a non-illustrated transmission relaxed. Subsequently, the working fluid in the condenser 105 is re-liquefied and returned to the sump 101 or the
  • the internal combustion engine 110 is preferably used in vehicles, so weight optimization is very important for the efficiency of the engine
  • Waste heat recovery system 100 is because each mass is a moving mass. Furthermore, the impeller 1 of the turbine of such runs
  • the impeller 1 according to the invention with an optimized ratio of stiffness to weight is therefore particularly well suited for such turbines.

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  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
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Abstract

Laufrad (1) für eine Turbine, wobei das Laufrad (1) aus einem einstückigen Grundkörper (2) besteht. Der Grundkörper (2) weist eine Welle (4), eine Vorderwand (5) und eine Rückwand (6) auf. Auf der Vorderwand (5) sind mehrere Schaufeln (7) angeordnet. Die Welle (4), die Vorderwand (5) und die Rückwand (6) schließen einen Hohlraum (3) ein. Um dies fertigungstechnisch realisieren zu können, ist der Grundkörper (2) im 3D-Druck-Verfahren gefertigt.

Description

Beschreibung
Titel
Laufrad für eine Turbine und Verfahren zur Herstellung eines Laufrads
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Laufrad für eine Turbine, wobei die Turbine insbesondere in einem Abwärmerückgewinnungssystem einer
Brennkraftmaschine verwendet wird. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Turbine mit einem derartigen Laufrad und ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Laufrads.
Stand der Technik
Laufräder für Turbinen von Abwärmerückgewinnungssystemen sind aus dem Stand der Technik bekannt, beispielsweise aus der DE 10 2014 209 624 A1.
Aufgrund von Restriktionen in der Fertigungstechnik weisen derartige Laufräder ein vergleichsweise hohes Gewicht auf.
Gewichtsoptimierte Laufräder haben üblicherweise eine reduzierte Steifigkeit oder sind vergleichsweise aufwändig über mehrere Bauteile herstellbar. Durch
Schweißverbindungen können Laufräder mit eingeschlossenen Hohlräumen hergestellt werden, wie beispielsweise aus der DE 10 2012 222 205 A1 bekannt. Diese Laufräder sind gewichts- und steifigkeitsoptimiert, erfordern jedoch eine vergleichsweise teure bzw. aufwändige Fertigung.
Offenbarung der Erfindung
Das erfindungsgemäße Laufrad für eine Turbine weist demgegenüber sowohl eine gewichts- und steifigkeitsoptimierte Struktur auf, als auch einen vergleichsweise einfachen Fertigungsprozess, indem das Laufrad mit dem SD- Druck-Verfahren hergestellt wird.
Dazu besteht das Laufrad aus einem einstückigen Grundkörper. Der
Grundkörper weist eine Welle, eine Vorderwand und eine Rückwand auf. Auf der
Vorderwand sind mehrere Schaufeln angeordnet. Die Welle, die Vorderwand und die Rückwand schließen einen Hohlraum ein. Um dies fertigungstechnisch realisieren zu können, ist der Grundkörper im 3D-Druck-Verfahren gefertigt; in anderen Fertigungsverfahren kann die Gesamtstruktur des Laufrads nicht einstückig ausgeführt sein.
Dadurch können Gewicht und Steifigkeit des Laufrads optimiert werden ohne dabei aufwändige Schweißkonstruktionen verwenden zu müssen. In vorteilhaften Ausführungen weist der Grundkörper eine Verrippung auf, wobei die Verrippung in dem Hohlraum ausgebildet. Dadurch kann der Grundkörper bzw. das Laufrad sehr steif gestaltet werden. Unvorteilhafte Durchbiegungen der Vorderwand mit den Schaufeln werden dadurch verhindert. Die Maßtoleranzen bzw. Maßabweichungen im Betrieb des Laufrads sind somit minimiert.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung weist die Verrippung zumindest eine
Radialrippe auf. Die Radialrippe ist im Wesentlichen scheibenförmig um den Umfang der Welle angeordnet, und steht beispielsweise orthogonal zur
Wellenachse. Besonders bei Radialturbinen werden Durchbiegungen der Vorderwand durch den Einsatz einer oder mehrerer Radialrippen vermieden. Die
Außenabmaße des Laufrads können damit auch im Betrieb sehr gut gehalten werden.
In vorteilhaften Weiterbildungen weist die zumindest eine Radialrippe
Perforationen auf. Durch die Perforationen wird Material und damit auch Gewicht an der Verrippung eingespart. Die Perforationen sind dazu außerhalb des Kraftflusses angebracht, so dass die Steifigkeit des Laufrads dadurch quasi nicht verringert wird. In einer vorteilhaften Ausgestaltung weist die Verrippung eine, besser mehrere
Längsrippen auf. Die Längsrippen verlaufen parallel zur Wellenachse und unterstützen die Vorderwand vorteilhafterweise über deren gesamte axiale Erstreckung. Besonders bei Radialturbinen werden Durchbiegungen der Vorderwand durch den Einsatz mehrerer Längsrippen vermieden. Die
Außenabmaße des Laufrads können damit auch im Betrieb sehr gut gehalten werden.
Vorzugsweise weist die Verrippung 14 Längsrippen auf, die äquidistant über den Umfang verteilt angeordnet sind. Vorteilhafterweise verläuft die Wanddicke der einzelnen Längsrippen dabei über etwa 10° des Umfangs der Welle. Dies stellt hinsichtlich der Gewichts-Steifigkeits-Optimierung ein besonders effektives
Design der Verrippung dar.
In vorteilhaften Weiterbildungen weisen die Längsrippen jeweils zumindest eine Perforation auf. Durch die Perforationen wird Material und damit auch Gewicht an der Verrippung eingespart. Die Perforationen sind dazu außerhalb des
Kraftflusses angebracht, so dass die Steifigkeit des Laufrads dadurch quasi nicht verringert wird.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung weist die Verrippung zumindest eine
Umfangsrippe auf. Die Umfangsrippe ist im Wesentlichen zylindrisch ausgeführt und konzentrisch zur Welle angeordnet. Besonders bei Radialturbinen werden Durchbiegungen der Vorderwand durch den Einsatz einer oder mehrerer Umfangsrippen vermieden. Die Außenabmaße des Laufrads können damit auch im Betrieb sehr gut gehalten werden.
In vorteilhaften Weiterbildungen weist die zumindest eine Umfangsrippe
Perforationen auf. Durch die Perforationen wird Material und damit auch Gewicht an der Verrippung eingespart. Die Perforationen sind dazu außerhalb des Kraftflusses angebracht, so dass die Steifigkeit des Laufrads dadurch quasi nicht verringert wird.
In vorteilhaften Ausführungen weist die Verrippung eine Kombination von Radialrippen, Längsrippen und Umfangsrippen auf. Beispielsweise kann die Verrippung somit wabenförmig gestaltet sein. Dadurch ist die Verrippung sehr steif ausgeführt bzw. die Wandstärken der Verrippung können dementsprechend reduziert werden. Durch den Einsatz des 3D-Druck-Verfahrens zur Herstellung der Verrippung kann diese quasi beliebig komplex ausgeführt werden ohne gleichzeitig die Fertigungskosten erhöhen zu müssen.
In vorteilhaften Ausführungen ist das Laufrad für eine Radialturbine konzipiert. Die Radialturbine weist aufgrund ihrer radialen Anströmung und axialen
Abströmung eine vergleichsweise komplexe Strömungsgeometrie auf. Die Außengeometrien von Radialturbinen sind dementsprechend komplex und vergleichsweise groß, bzw. umschließen ein vergleichsweise großes Volumen, insbesondere hinsichtlich der axialen Erstreckung. Die Ausbildung von
Hohlräumen in Radialturbinen hat demzufolge ein besonders großes
Einsparpotenzial hinsichtlich Gewichtsreduzierung.
Turbinen, insbesondere Radialturbinen, eignen sich sehr gut für die Anwendung in Abwärmerückgewinnungssystemen von Brennkraftmaschinen. Daher ist das erfindungsgemäße Laufrad sehr vorteilhaft in einem
Abwärmerückgewinnungssystem verwendbar. Das
Abwärmerückgewinnungssystem weist einen ein Arbeitsmedium führenden Kreislauf auf, wobei der Kreislauf in Flussrichtung des Arbeitsmediums eine Speisefluidpumpe, einen Verdampfer, eine Expansionsmaschine und einen Kondensator umfasst. Die Expansionsmaschine ist dabei als Turbine mit einem erfindungsgemäßen Laufrad wie vorhergehend beschrieben ausgeführt.
Besonders bei Brennkraftmaschinen, welche in Fahrzeugen eingesetzt werden, ist eine Gewichtsminimierung aller Teile sehr wichtig für Kraftstoffe! nsparungen etc. Weiterhin dreht das Laufrad einer Turbine eines derartigen
Abwärmerückgewinnungssystems mit sehr hohen Drehzahlen und ist mit einem vergleichsweise hohen Druck beaufschlagt, so dass das Laufrad hohen
Beanspruchungen unterliegt. Eine Optimierung des Gewichts-Steifigkeits- Verhältnisses des Laufrads ist für diese Anwendungen damit besonders effektiv.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Im Nachfolgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter
Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt: Fig. 1 schematisch ein Halbmodell eines Laufrads für eine Turbine in perspektivischer Ansicht,
Fig. 2 eine Draufsicht auf eine Verrippung eines Laufrads,
Fig. 3 eine perspektivische Ansicht eines Halbmodells eines weiteren
Ausführungsbeispiels einer Verrippung,
Fig. 4 ein Halbmodell eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Laufrads,
Fig. 5 ein Halbmodell eines noch weiteren Ausführungsbeispiels eines
Laufrads,
Fig. 6 schematisch ein Abwärmerückgewinnungssystem.
Ausführungsformen der Erfindung
In Fig.1 ist ein Laufrad 1 für eine Turbine dargestellt, wie es in
Abwärmerückgewinnungssystemen für Brennkraftmaschinen eingesetzt werden kann. Das Laufrad 1 ist schematisch als Halbmodell in perspektivischer Ansicht abgebildet.
Das Laufrad 1 weist einen einstückigen Grundkörper 2 auf, in dem zumindest ein Hohlraum 3 ausgebildet ist. Erfindungsgemäß ist das Laufrad 1 nur aus dem Grundkörper 2 gebildet, alle Bestandteile des Laufrads 1 sind somit
stoffschlüssig untereinander verbunden. Ein derartiges Laufrad 1 wird im SD- Druck-Verfahren hergestellt, da komplett eingeschlossene Hohlräume mit einem herkömmlichen Gussverfahren nicht zu realisieren sind.
Durch den Hohlraum 3 kann das Laufrad 1 deutlich gewichtsreduziert ausgeführt werden und behält dennoch annähernd die gleiche Steifigkeit wie ein Laufrad aus Vollmaterial. Das Laufrad 1 bzw. der Grundkörper 2 weist eine Welle 4, eine Vorderwand 5 und eine Rückwand 6 auf, wobei diese untereinander
stoffschlüssig verbunden sind und den Hohlraum 3 einschließen. Auf der Vorderwand 5 sind Schaufeln 7 angeordnet, ebenfalls stoffschlüssig mit der Vorderwand 5 verbunden. Die Schaufeln 7 bilden im Wesentlichen die
Strömungsgeometrie für das in einer Radialturbine eingesetzte Laufrad 1 der Ausführung der Fig.1. Die Welle 4 ist in der Ausführung der Fig.1 als Hohlwelle ausgeführt; dadurch kann beispielsweise über einen Pressverband eine Verbindung mit einer weiteren Welle hergestellt werden. Alternativ ist auch die Ausführung als
Vollwelle, beispielsweise mit reduziertem Durchmesser möglich. Auch kann die Welle 4 deutlich länger ausgeführt sein, so dass die Welle 4 beispielsweise gleichzeitig die Antriebswelle eines nicht dargestellten Generators ist.
In der Ausführung der Fig.1 ist das Laufrad 1 für eine Radialturbine ausgeführt, mit einer radialen Anströmung und einer axialen Abströmung, so dass die Schaufeln 7 dementsprechend gestaltet sind. Dazu ist auch die Vorderwand 5 hutförmig gestaltet. Dementsprechend ist vorteilhafterweise eine Verrippung 8 in dem Hohlraum 3 angeordnet, um die Steifigkeit des Laufrads 1 , insbesondere im Hinblick auf eine Verformung der Vorderwand 5, zu erhöhen. Die Verrippung 8 der Fig.1 ist als radiale Verrippung ausgeführt und umfasst eine scheibenförmige Radialrippe 80a. Die Radialrippe 80a kann dabei umlaufend, also über den kompletten Umfang der Welle 4, oder perforiert gestaltet sein, wie in Fig.1
gezeigt, mit mehreren Stegen 81 und Perforationen 82. In vorteilhaften
Ausführungen weist der Grundkörper 2 Wandstärken von etwa 1 mm auf.
Dadurch kann bei nahezu gleichbleibender Steifigkeit bis zu 50% Material eingespart werden.
Die Radialrippe 80a weist Perforationen 82 und dementsprechend auch Stege 81 auf. Fig.2 zeigt eine Draufsicht auf eine derartige Verrippung 8. Der Bereich der Welle 4 bildet dabei einen inneren Ring der Radialrippe 80a, von welchem acht Stege 81 nach außen wegführen, welche wiederum in die umlaufende
Vorderwand 5 übergehen. Zwischen den acht Stegen 81 sind acht Perforationen
82 ausgebildet, welche Bestandteil des Hohlraums 3 sind. So kann - je nach Beanspruchung des Laufrads 1 - ein bestmöglicher Kompromiss aus maximaler Steifigkeit und minimalem Gewicht für das Laufrad 1 umgesetzt werden. Alternativ kann die Verrippung 8 auch eine oder mehrere Radialrippen 80a ohne Perforationen aufweisen. Der Hohlraum 3 wäre dann entsprechend in mehrere Teilhohlräume untergliedert, welche gegeneinander abgeschlossen sind. Fig.3 zeigt eine perspektivische Ansicht auf ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Verrippung 8, wobei die Ausführung nur als Halbmodell abgebildet ist. In dieser Ausführung ist die Verrippung 8 als axiale Verrippung ausgeführt mit mehreren kuchenstückförmigen Längsrippen 80b. Die als Hohlwelle ausgeführte Welle 4 bildet dabei eine Grundstruktur, parallel zu deren axialer Richtung 14 Längsrippen 80b gleichverteilt über den Umfang angeordnet sind. Jede
Längsrippe 80b weist dabei zur Gewichtsoptimierung eine Perforation 82 auf, so dass eine Längsrippe 80b aus mehreren Stegen 81 besteht, wobei die Stege 81 in die Vorderwand 5 bzw. in die Rückwand 6 übergehen. Die 14 Perforationen 82 sind Bestandteil des Hohlraums 3. Vorzugsweise erstreckt sich die Wandstärke der Längsrippen 80b bzw. der Stege 81 über 10°.
Fig.4 zeigt ein Halbmodell eines weiteren Ausführungsbeispiels des Laufrads 1 in perspektivischer Ansicht. Die Verrippung 8 dieses Laufrads 1 weist sowohl Radialrippen 80a als auch Umfangsrippen 80c auf. Die Umfangsrippen 80c sind dabei zylindrisch gestaltet und konzentrisch zur Welle 4 angeordnet. Die Rippen
80a, 80c weisen in dieser Ausführung keine Perforationen auf, so dass der Hohlraum 3 in kleine umlaufende Kammern 30 unterteilt ist, wobei die Kammern 30 gegeneinander verschlossen sind. Alternativ können die Rippen 80a, 80c jedoch auch mit Perforationen versehen sein, so dass der Hohlraum 3 durchgängig ist.
Fig.5 zeigt ein Halbmodell eines noch weiteren Ausführungsbeispiels des Laufrads 1 in perspektivischer Ansicht. Im Unterschied zur Ausgestaltung der Fig.4 verlaufen die Rippen 80a, 80c dabei nicht orthogonal bzw. parallel zu der Welle 4, sondern unter Winkeln und in gekrümmter Ausführung. Die
Umfangsrippen 80c münden unter dem Winkel ß in die Welle 4, vorzugsweise ist ß dabei 30°.
Generell lässt sich die Verrippung 8 des erfindungsgemäßen Laufrads 1 mit beliebigen Geometrien gestalten, sofern ein einstückiger Grundkörper 2 gebildet wird, da das 3D-Druck-Verfahren auch beliebige Geometrien gestattet. Vorteilhafterweise werden zur Steifigkeitsoptimierung für die Verrippung 8 Kombinationen aus Radialrippen 80a, Längsrippen 80b und Umfangsrippen 80c verwendet. Die konkreten Ausführungen der Verrippung 8 hängen dabei sowohl von der Beanspruchung des Laufrads 1 ab, als auch von der Außengeometrie, also Vorderwand 5, Rückwand 6 und Schaufeln 7. Demzufolge eignen sich Radialturbinen besonders gut für eine Ausführung mit den beschriebenen Verrippungen 8, da Radialturbinen vergleichsweise große Abmaße in axialer Richtung haben.
Fig.6 zeigt ein Abwärmerückgewinnungssystem 100 einer Brennkraftmaschine 110. Der Brennkraftmaschine 110 wird Sauerstoff über eine Luftzufuhr 112 zugeführt; das nach dem Verbrennungsvorgang ausgestoßene Abgas wird durch eine Abgasleitung 111 aus der Brennkraftmaschine 110 abgeführt.
Das Abwärmerückgewinnungssystem 100 weist einen ein Arbeitsmedium führenden Kreislauf 100a auf, der in Flussrichtung des Arbeitsmediums eine Speisefluidpumpe 102, einen Verdampfer 103, eine Expansionsmaschine 104 und einen Kondensator 105 umfasst. Das Arbeitsmedium kann nach Bedarf über eine Stichleitung aus einem Sammelbehälter 101 und eine Ventileinheit 101a in den Kreislauf 100a eingespeist werden. Der Sammelbehälter 101 kann dabei alternativ auch in den Kreislauf 100a eingebunden sein.
Der Verdampfer 103 ist an die Abgasleitung 111 der Brennkraftmaschine 110 angeschlossen, nutzt also die Wärmeenergie des Abgases der
Brennkraftmaschine 110. Erfindungsgemäß ist die Expansionsmaschine als Turbine mit einem gewichts- und steifigkeitsoptimierten Laufrad 1 ausgeführt.
Flüssiges Arbeitsmedium wird durch die Speisefluidpumpe 102, gegebenenfalls aus dem Sammelbehälter 101, in den Verdampfer 103 gefördert und dort durch die Wärmeenergie des Abgases der Brennkraftmaschine 110 verdampft. Das verdampfte Arbeitsmedium wird anschließend in der Turbine bzw.
Expansionsmaschine 104 unter Abgabe mechanischer Energie, beispielsweise an einen nicht dargestellten Generator oder an ein nicht dargestelltes Getriebe, entspannt. Anschließend wird das Arbeitsmedium im Kondensator 105 wieder verflüssigt und in den Sammelbehälter 101 zurückgeführt bzw. der
Speisefluidpumpe 102 zugeführt. Die Brennkraftmaschine 110 ist vorzugsweise in Fahrzeugen eingesetzt, so dass eine Gewichtsoptimierung sehr wichtig für die Effizienz des
Abwärmerückgewinnungssystems 100 ist, da jede Masse eine bewegte Masse ist. Weiterhin läuft das Laufrad 1 der Turbine eines derartigen
Abwärmerückgewinnungssystems 100 mit sehr hohen Drehzahlen und ist dementsprechend auch einer hohen Beanspruchung ausgesetzt. Das erfindungsgemäße Laufrad 1 mit einem optimierten Verhältnis von Steifigkeit zu Gewicht eignet sich demzufolge besonders gut für derartige Turbinen.

Claims

Ansprüche
Laufrad (1) für eine Turbine, wobei das Laufrad (1) aus einem einstückigen Grundkörper (2) besteht, wobei der Grundkörper (2) eine Welle (4), eine Vorderwand (5) und eine Rückwand (6) aufweist, wobei auf der Vorderwand (5) mehrere Schaufeln (7) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass
die Welle (4), die Vorderwand (5) und die Rückwand (6) einen Hohlraum (3) einschließen.
Laufrad (1) nach Anspruch 1
dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper
(2) eine Verrippung (8) aufweist, wobei die Verrippung (8) in dem Hohlraum (3) ausgebildet ist.
3. Laufrad (1) nach Anspruch 2
dadurch gekennzeichnet, dass
die Verrippung (8) zumindest eine Radialrippe (80a) aufweist.
4. Laufrad (1) nach Anspruch 3
dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Radialrippe (80a) Perforationen (82) aufweist.
5. Laufrad (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 4
dadurch gekennzeichnet, dass
die Verrippung (8) mehrere, vorzugsweise 14, Längsrippen (80b) aufweist.
6. Laufrad (1) nach Anspruch 5
dadurch gekennzeichnet, dass die Längsrippen (80b) jeweils eine Perforation (82) aufweisen.
7. Laufrad (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 6
dadurch gekennzeichnet, dass
die Verrippung (80c) zumindest eine Umfangsrippe (80c) aufweist.
8. Laufrad (1) nach Anspruch 7
dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Umfangsrippe (80c) Perforationen (82) aufweisen.
9. Turbine mit einem Laufrad (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Turbine als Radialturbine ausgeführt ist.
10. Verfahren zur Herstellung eines Laufrads (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8
dadurch gekennzeichnet, dass
der Grundkörper (2) im 3D-Druck-Verfahren gefertigt wird.
11. Abwärmerückgewinnungssystem (100) mit einem ein Arbeitsmedium führenden Kreislauf (100a), wobei der Kreislauf (100a) in Flussrichtung des Arbeitsmediums eine Speisefluidpumpe (102), einen Verdampfer (103), eine Expansionsmaschine (104) und einen Kondensator (105) umfasst, wobei die Expansionsmaschine (104) als Turbine ausgeführt ist, dadurch gekennzeichnet, dass
die Turbine ein Laufrad (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 aufweist.
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