WO2018188775A1

WO2018188775A1 - Laufschaufel mit modifizierter abströmkante für den verdichter eines turboladers

Info

Publication number: WO2018188775A1
Application number: PCT/EP2018/000141
Authority: WO
Inventors: Andre Starke
Original assignee: Ihi Charging Systems International Gmbh
Priority date: 2017-04-13
Filing date: 2018-03-29
Publication date: 2018-10-18
Also published as: DE102017108098A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Laufschaufel (1) für ein um eine Drehachse (6) rotierbar gelagertes Laufrad (53) einer Fluidenergiemaschine (50), insbesondere einer Turboladerverdichterstufe, aufweisend: eine Oberfläche (7) einer Saugseite, welche ausgebildet ist, bei rotierendem Laufrad Fluid aus einem Einströmbereich (9) anzusaugen; eine Oberfläche einer Druckseite, welche ausgebildet ist, bei rotierendem Laufrad das Fluid zu verdichten; eine Anströmkante (19), von wo das Fluid die Laufschaufel (1) anströmt; eine stromabwärts der Anströmkante (19) liegende Abströmkante (23), bei welcher das Fluid von der Laufschaufel (1) abströmt; und eine radial äußere Seitenkante (25), wobei die Anströmkante (19), die radial äußere Seitenkante (25) und die Abströmkante (23) die Oberfläche (7) der Saugseite mit der Oberfläche der Druckseite verbinden. Erfindungsgemäß hat die Abströmkante (23) in einem ersten Bereich (27), der an ein Ende (29) der radial äußeren Seitenkante (25) angrenzt, eine erste, insbesondere konstante, Neigung (α1) gegenüber der Axialrichtung (5), in einem zweiten Bereich (35), der stromabwärts an den ersten Bereich (27) angrenzt, eine zweite, insbesondere variable, Neigung (α2) gegenüber der Axialrichtung (5) hat, die dasselbe Vorzeichen hat wie und größer ist als die erste Neigung (α1).

Description

LAUFSCHAUFEL MIT MODIFIZIERTER ABSTRÖMKANTE FÜR DEN VERDICHTER EINES TURBOLADERS

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Laufschaufel für ein Laufrad einer

Fluidenergiemaschine, insbesondere einer Turboladerverdichterstufe nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Sie betrifft ferner ein Laufrad, sowie einen Verdichter und einen Turbolader, insbesondere für ein Fahrzeug, gemäß der Patentansprüche 13 bzw. 14 bzw. 15.

Fluidenergiemaschinen werden zwischenzeitlich in Form eines Verdichters und einer Turbine, welche in Verbindung einen Abgasturbolader bilden, im Verbund als

Abgasturbolader nahezu jeder Verbrennungskraftmaschine zur Leistungssteigerung zugeordnet. Daher ist es anzustreben, dass diese Fluidenergiemaschinen eine mindestens der Verbrennungskraftmaschine entsprechende Lebensdauer aufweisen. Im Unterschied zu Verbrennungskraftmaschinen zeichnen sich diese

Fluidenergiemaschinen allerdings durch eine extrem hohe Drehzahl aus, welche zwischenzeitlich weit über 100000 min ¹ aufweisen. Dies erfordert aufgrund der im Betrieb auftretenden hohen Fliehkräfte große Ansprüche an die Spannungsfestigkeit der Laufräder der Fluidenergiemaschine.

DE 10 2011 120 167 A1 offenbart einen Verdichter für einen Abgasturbolader mit einem einen Aufnahmeraum aufweisenden Verdichtergehäuse, in dessen

Aufnahmeraum ein Verdichterrad um eine Drehachse relativ zum Verdichtergehäuse drehbar aufgenommen ist und welches wenigstens einen Abführkanal aufweist, über welchen in einem Abströmbereich des Verdichterrads abströmende Luft von dem Verdichterrad abführbar ist. In dem Abström bereich ist eine erste Abströmkante und wenigstens eine sich an die erste Abströmkante anschließende und mit der ersten Abströmkante einen von 180° unterschiedlichen Winkel einschließende zweite Abströmkante des Verdichterrads vorgesehen. EP 1 972 795 A2 offenbart ein Turboladersystem mit einem Verdichtergehäuse, welches ein rotierendes Verdichterrad mit einer Mehrzahl von Hauptschaufeln beinhaltet, welche einen Führungskanal definieren. Dabei hat jede Hauptschaufel eine Anströmkante, welche durch eine Erweiterung gekennzeichnet ist, welche eine nicht- planare, konische Anströmkante bildet und eine Abströmkante, welche durch eine reverse Cliperweiterung gekennzeichnet ist, welche eine nicht-zylindrische, konische Abströmkante bildet.

Die aus dem Stand der Technik bekannten Verdichter oder Laufräder für einen Verdichter weisen Probleme hinsichtlich eines Ansprechverhaltens im transienten Betriebsmodus auf. In herkömmlichen Laufrädem ist häufig eine transiente Antwort relativ langsam, was einen optimalen Betrieb einer von einem Turbolader

aufgeladenen Brennkraftmaschine behindert.

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Laufschaufel für ein Laufrad einer Fluidenergiemaschine bereitzustellen. Des Weiteren ist es die Aufgabe ein Laufrad, einen Verdichter sowie einen Turbolader bereitzustellen, bei deren Einsatz eine transiente Antwort schneller als im Stand der Technik erfolgt, um somit insbesondere eine Performanz einer durch den Turbolader aufgeladenen Brennkraftmaschine zu verbessern.

Die Aufgabe wird durch die Laufschaufel des unabhängigen Anspruchs 1 sowie durch ein Laufrad, einen Verdichter und einen Turbolader gemäß der Ansprüche 13 bzw. 14 bzw. 15 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Laufschaufel sind in weiteren abhängigen Ansprüchen angegeben.

Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist somit eine Laufschaufel für ein um eine Axialrichtung rotierbar gelagertes Laufrad einer Fluidenergiemaschine, insbesondere einer Turboladerverdichterstufe, bereitgestellt. Die Laufschaufel weist auf: eine Oberfläche einer Saugseite, welche ausgebildet ist, bei rotierendem Laufrad Fluid, insbesondere Luft, aus einem Einströmbereich anzusaugen, eine Oberfläche einer Druckseite, welche ausgebildet ist, bei rotierendem Laufrad das Fluid zu einem Ausströmbereich hin zu verdichten; eine, insbesondere die Oberfläche der Saugseite mit der Oberfläche der Druckseite verbindende Anströmkante, von wo das Fluid, insbesondere aus dem Einströmbereich, die Laufschaufel anströmt; eine insbesondere die Oberfläche der Saugseite mit den Oberflächen der Druckseite verbindende stromabwärts der Anströmkante liegende Abströmkante, bei welcher das Fluid, insbesondere nach Strömen entlang der Oberflächen der Saugseite und der Druckseite von der Laufschaufel, insbesondere zu dem Ausströmbereich hin, abströmt; und eine radial äußere Seitenkante, die insbesondere die Laufschaufel radial außen begrenzt. Dabei verbinden die Anströmkante, die radial äußere Seitenkante, die Abströmkante die Oberfläche der Saugseite mit der Oberfläche der Druckseite und umschließen diese insbesondere teilweise. Die Laufschaufel ist dadurch gekennzeichnet, dass die Abströmkante in einem ersten Bereich, der an ein insbesondere stromabwärts liegendes Ende der radial äußeren Seitenkante angrenzt, eine erste, insbesondere konstante, Neigung gegenüber der Axialrichtung hat, die parallel zu einer

Rotationsachse eines die Laufschaufel umfassendes Laufrades verläuft, in einem zweiten Bereich, der insbesondere stromabwärts, in Richtung eines Endes des radial inneren Verlaufs liegt an den ersten Bereich angrenzt, eine zweite, insbesondere variable, Neigung gegenüber der Axialrichtung hat, die dasselbe Vorzeichen hat wie und größer ist als die erste Neigung.

Die Laufschaufel sowie das Laufrad können für einen Radialverdichter ausgelegt sein, in welcher das verdichtete abströmende Fluid in Radialrichtung insbesondere in einen in Umfangsrichtung umlaufenden Ring bzw. eine umlaufende Spirale ausgegeben wird. Die axiale Richtung, die radiale Richtung und die Umfangsrichtung, sind auf die in dem Laufrad verbaute Laufschaufel bezogen. Das zu verdichtende Fluid, insbesondere Luft, kann im Wesentlichen entlang der axialen Richtung eingeführt werden, um somit eine Stromrichtung im Eingangsbereich zu definieren. In dem Laufrad kann das Fluid zwischen zwei in Umfangsrichtung beabstandet an einer Nabe des Laufrades befestigten Laufschaufeln innerhalb eines Kanals geführt werden und aufgrund der Rotation des Laufrades, welches insbesondere von einer von Abgas angetriebenen Turbinenstufe angetrieben wird, verdichtet werden, um schließlich an der

Abströmkante im Wesentlichen in radialer Richtung ausgegeben zu werden. Die Strömungsrichtung des Fluids ändert sich bei Strömen innerhalb des Kanals entlang der Oberflächen der Laufschaufel. Entlang einer Strömung an der Oberfläche der Saugseite und der Druckseite kann sich somit eine Strömungsrichtung des Fluids von im Wesentlichen axial zu im Wesentlichen radial, insbesondere kontinuierlich, ändern. Während des Betriebes kann das Laufrad, insbesondere von der Turbinenstufe des Turboladers, angetrieben werden, um eine Drehrichtung aufzuweisen, bei der die Drehung entlang einer Normalenrichtung erfolgt, welche senkrecht auf der Druckseite steht und nach außen der Laufschaufel gerichtet ist. Sowohl die Oberfläche der Saugseite als auch die Oberfläche der Druckseite können dabei im dreidimensionalen Raum verwunden bzw. gekrümmt sein, um eine geeignete Verdichtung in dem

Raumbereich zwischen einer Saugseite einer ersten Laufschaufel und einer Druckseite einer zweiten benachbarten Laufschaufel zu erreichen.

Die Anströmkante kann im Wesentlichen senkrecht zu der axialen Richtung, insbesondere im Wesentlichen gerade, verlaufen. Die Anströmkante kann jedoch auch einen gewissen Neigungswinkel gegen die Senkrechte der axialen Richtung aufweisen, etwa zwischen 5° und 15°, insbesondere in Projektion entlang einer Umfangsrichtung definiert.

Ein die Laufschaufel aufweisender Verdichter kann ein Verdichtergehäuse aufweisen, welches das Laufrad und somit auch die Laufschaufeln umgibt, so dass das Fluid in den Kanälen zwischen angrenzenden Laufschaufeln geführt wird. Insbesondere kann das Verdichtergehäuse eine Wand angrenzend an die radial äußere Seitenkante aufweisen, um die Kanäle zu definieren. Die radial innere Seitenkante kann an der Nabe des Laufrades angebracht sein oder einstückig mit der Nabe sein. Sowohl die radial innere Seitenkante als auch die radial äußere Seitenkante können gekrümmt verlaufen. Dabei kann die radial innere Seitenkante einen Winkel mit der Anströmkante in einem Anfangsbereich des Anströmbereichs zwischen zum Beispiel 70° und 110° aufweisen. Ein Winkel zwischen der Anströmkante und der radial äußeren Seitenkante kann in einem Anfangsbereich des Anströmbereichs nahe der Anströmkante zwischen 70° und 120° betragen. Andere Werte sind möglich.

Der radial innere Verlauf kann durch eine Grenze zwischen einerseits der Oberfläche der Saugseite und der Nabe des Verdichterrades und andererseits durch eine Grenze zwischen der Oberfläche der Druckseite und der Nabe des Verdichterrades definiert sein. Somit kann die Anströmkante, die radial äußere Seitenkante, die Abströmkante sowie der radial innere Verlauf auf der Druckseite die Oberfläche der Druckseite begrenzen und umschließen. Ferner kann die Anströmkante, die radial äußere Seitenkante, die Abströmkante und der radial innere Verlauf auf der Saugseite die Oberfläche der Saugseite begrenzen und umschließen.

Die Anströmkante, die radial äußere Seitenkante, die Abströmkante und die radial innere, saugseitige bzw. druckseitige, Seitenkante können die Oberfläche der Saugseite bzw. die Oberfläche der Druckseite vollständig umschließen. Die radial innere Seitenkante kann mit einer Nabe eines Verdichterrades verbunden sein. Das Verdichterrad weist dabei eine Radnase nahe oder stromaufwärts dem

Einströmbereich sowie einen Radrücken stromabwärts der Radnase auf. An der Nabe kann die Laufschaufel insbesondere entlang ihrer radial inneren Seitenkante befestigt sein oder einstückig damit verbunden ausgebildet sein. Das Verdichterrad kann zusammen mit allen Laufschaufeln einstückig gebildet sein, oder kann mehrstückig ausgebildet sein, so dass Laufschaufel und Nabe verschiedene Werkstücke sind, welche später verbunden werden. An der radial innen liegenden Seite der Oberfläche der Druckseite und der Oberfläche der Saugseite kann die Laufschaufel an einer Nabe fixiert sein.

Die Abströmkante ist derart geformt, um ein Trägheitsmoment relativ klein zu halten, ohne aerodynamische Performanz zu verschlechtern. Damit kann eine transiente Antwort schneller durch ein Laufrad, durch einen Verdichter bzw. einen Turbolader bereitgestellt werden, als es herkömmlich möglich war. Somit kann der Durchmesser und damit auch das Trägheitsmoment eines Verdichterrades aufgrund der Geometrie der Abströmkante vermindert sein. Insbesondere ist die radiale Ausdehnung der Laufschaufel in einem Bereich zu dem Radrücken der Nabe hin verringert gegenüber einer herkömmlichen Laufschaufel, welche eine gerade Abströmkante aufweist, so dass die gleiche, d.h. konstante Neigung über eine gesamte Erstreckung der

Abströmkante gegeben ist. Gegenüber einer solchen herkömmlichen Abströmkante fehlt somit in einem stromabwärts gelegenen Bereich der Abströmkante, insbesondere zu einem Radrücken einer Nabe hin, ein Teil von Material, was somit vorteilhaft ein Trägheitsmoment verringert. Damit kann ein Ansprechverhalten eines Verdichters, welcher die Laufschaufel enthält, verbessert und beschleunigt werden.

Der erste Bereich kann auch als ein erster Axialbereich, der zweite Bereich kann auch als ein zweiter Axialbereich bezeichnet werden. Eine Axialkomponente einer

Strömungsrichtung des Fluids kann entlang des gesamten Strömungsverlaufs in einer konstanten Richtung erfolgen, welche als axial stromabwärts bezeichnet wird. Der zweite Bereich kann axial stromabwärts des ersten Bereichs liegen. Der dritte Bereich kann axial stromabwärts des zweiten Bereichs liegen.

In einer Richtung nach axial stromabwärts kann sich eine Radialkomponente, d.h. eine Radialkoordinate, bei der sich die Abströmkante befindet, der Abströmkante in dem zweiten Bereich schneller vermindern als im ersten, und insbesondere auch dritten Bereich. Insbesondere kann sich die Radialkomponente der Abströmkante in dem ersten Bereich linear entlang der axialen Richtung ändern, insbesondere vermindern und in dem zweiten Bereich stärker als in dem ersten Bereich ändern, insbesondere vermindern. Eine Verkleinerung der Laufschaufel in dem axial stromabwärts gelegenen Bereich, insbesondere bis zu der Nabe des Laufrades reichend, durch Beschneiden der Abströmkante vorzusehen, kann vorteilhaft ein Trägheitsmoment vermindern, ohne eine aerodynamische Performanz überhaupt oder wesentlich zu verschlechtern.

Die zweite Neigung in dem zweiten Bereich kann konstant oder variabel sein. Um eine Ecke zwischen dem ersten Bereich und dem zweiten Bereich zu vermeiden, kann die zweite Neigung sich kontinuierlich von der ersten Neigung zu einem Maximum erhöhen und sich wiederum kontinuierlich zum Ende des zweiten Bereichs hin vermindern. Auch in dem zweiten Bereich kann die Radialkomponente der Abströmkante in einer Richtung axial stromabwärts abnehmen.

Die Laufschaufel kann dadurch gekennzeichnet sein, dass eine Tangentiallinie an die Abströmkante im ersten Bereich die Axialrichtung axial stromabwärts der Abströmkante schneidet. Herkömmliche Laufschaufeln können Abströmkanten aufweisen, welche über eine gesamte Erstreckung gerade sind, so dass sie mit einer Tangentiallinie an die Abströmkante im ersten Bereich zusammenfallen. Wenn sich die Tangentiallinie an die Abströmkante im ersten Bereich mit der Axialrichtung axial stromabwärts der Abströmkante schneidet, so vermindert sich die Radialkomponente der Laufschaufel in einer Richtung axial stromabwärts.

Die Neigungen können jeweils als Neigungen einer Projektion der Laufschaufel entlang einer Umfangsrichtung, d.h. senkrecht zu einer radialen Richtung und senkrecht zu einer axialen Richtung bzw. Axialrichtung, definiert sein. Eine Richtung der

Abströmkante kann sowohl eine Axialkomponente als auch eine Umfangskomponente als auch eine Radialkomponente aufweisen.

Ein Maximum der zweiten Neigung, falls die zweite Neigung in dem zweiten Bereich nicht konstant ist, kann zwischen 5° und 80° größer als der erste Neigungswinkel sein, insbesondere zwischen 20° und 50°. Das Maximum kann kontinuierlich durch Erhöhen der Neigung von dem ersten Bereich her angenommen werden und kann kontinuierlich zu der Nabe hin, bzw. zu einem dritten Bereich hin, abnehmen.

Die Laufschaufel kann dadurch gekennzeichnet sein, dass die Abströmkante in einem dritten Bereich, der an den zweiten Bereich angrenzt und sich bis zu dem Ende des radial inneren Verlaufs erstreckt, im Wesentlichen die erste, insbesondere konstante, Neigung hat.

Die erste Neigung im ersten Bereich kann derart gewählt sein, dass Strömungslinien von abströmendem Fluid im Wesentlichen senkrecht zu der Abströmkante in diesem Bereich verlaufen. Wenn in dem dritten Bereich die Neigung insbesondere die erste Neigung ist, kann auch in diesem Bereich eine Strömungsrichtung im Wesentlichen senkrecht zu der Abströmkante in dem dritten Bereich verlaufen. Damit kann eine vorteilhafte, performante Abströmung gewährleistet werden. Der zweite Bereich kann von relativ geringer Ausdehnung, z.B. zwischen 5 % und 20 % einer

Gesamtausdehnung der Abströmkante, z.B. tangential zu der Abströmkante gemessen, sein. In dem zweiten Bereich muss eine Strömungsrichtung nicht notwendigerweise senkrecht zu der Abströmkante in dem zweiten Bereich sein. Wird jedoch die Ausdehnung des zweiten Bereichs relativ gering gehalten, so können Nachteile begrenzt werden. In dem dritten Bereich kann alternativ eine andere Neigung als die erste Neigung angenommen werden. Die Laufschaufel kann ferner dadurch gekennzeichnet sein, dass sich entlang einer Erstreckung der Abströmkante von dem Ende der radial äußeren Seitenkante zu dem Ende des radial inneren Verlaufs hin die Neigung von der ersten Neigung zu der zweiten Neigung und zurück auf die erste Neigung ändert.

Wenn sich die Neigung von der ersten Neigung zu der zweiten Neigung und zurück auf die erste Neigung ändert, kann vorteilhafterweise insbesondere in dem dritten Bereich gewährleistet werden, dass die Strömungsrichtung des Fluids im Wesentlichen senkrecht zu der Abströmkante, insbesondere in dem dritten Bereich, ausgerichtet ist, um somit eine vorteilhafte Abströmung zu erreichen.

In dem ersten Bereich kann die erste Neigung konstant, insbesondere zwischen 0° und 50°, sein, so dass die Abströmkante in dem ersten Bereich gerade sein kann. Der genaue Winkel der ersten Neigung kann in Abhängigkeit von einer Gesamtgeometrie der Laufschaufel so gewählt werden, dass zum Beispiel die Abströmrichtung im Wesentlichen senkrecht zu der Abströmkante in diesem Bereich ist bzw. gute aerodynamische Eigenschaften erreicht sind.

Die Laufschaufel kann ferner eine Stufe zwischen dem ersten und dem dritten Bereich aufweisen, bei der die Radialkomponente der Abströmkante stärker abnimmt als im ersten Bereich. Die Abnahme der Radialkomponente kann somit, insbesondere als Rate, das heißt Änderung der Radialkomponente pro Fortschreitungsinkrement in Axialrichtung, in dem zweiten Bereich größer sein als in dem ersten Bereich und auch in dem dritten Bereich.

Eine Ausdehnung des zweiten Bereichs kann zwischen 5% und 30% einer

Ausdehnung des ersten Bereichs sein und eine Ausdehnung des dritten Bereichs kann zwischen 5% und 30% einer Ausdehnung des ersten Bereichs sein. Die

Ausdehnungen können z.B. tangential an die Abströmkante gemessen sein. Wird die Ausdehnung des zweiten Bereichs relativ gering gehalten, bezogen auf den ersten Bereich, so kann eine Beeinträchtigung der Performanz durch nicht optimale

Abströmungsverhältnisse im zweiten Bereich relativ gering gehalten werden. Wird die Ausdehnung des dritten Bereichs relativ klein gehalten, so kann eine Leistungsfähigkeit der Verdichtung im Wesentlichen aufrechterhalten werden.

Die Ausdehnung, senkrecht zu Strömungslinien des Fluids, der Oberfläche der Saugseite und der Oberfläche der Druckseite kann sich jeweils von der Anströmseite zu der Abströmkante hin kontinuierlich verringern. Damit kann eine effektive

Verdichtung bewirkt werden.

Die Abströmkante im ersten Bereich und im dritten Bereich, aber nicht im zweiten Bereich, kann im Wesentlichen senkrecht zu Strömungslinien des Fluids verlaufen. Dadurch kann ein gutes Strömungsverhalten gewährleistet werden, um eine effektive Verdichtung zu erreichen.

Eine Ausdehnung der Abströmkante kann zwischen 5% und 25% einer Ausdehnung der Anströmkante betragen, wodurch eine Verjüngung der Ausdehnung bzw.

Verringerung der Ausdehnung der Oberfläche der Saugseite und auch der Oberfläche der Druckseite für eine effektive Verdichtung gegeben ist.

Erfindungsgemäß ist ferner ein Laufrad mit mindestens einer Laufschaufel nach einer der vorangehend beschriebenen Ausführungsformen bereitgestellt. Das Laufrad kann insbesondere eine Mehrzahl von Laufschaufeln aufweisen, welche in Umfangsrichtung beabstandet voneinander angeordnet sind. Zur Fixierung der Laufschaufel kann das Laufrad dazu eine Nabe aufweisen, welche um eine Drehachse drehbar gelagert sein kann.

Ferner ist erfindungsgemäß ein Verdichter mit einem Laufrad nach einer der vorangehend beschriebenen Ausführungsformen bereitgestellt, sowie ein Turbolader mit einem solchen Verdichter. Der Turbolader kann insbesondere in einem Fahrzeug, insbesondere Pkw oder Lkw, vorhanden sein. Der Turbolader kann eine

Brennkraftmaschine, zum Beispiel einen Dieselmotor oder einen Ottomotor, mit komprimierter Luft zur Verbrennung in Zylindern versorgen. Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und

Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen

Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

Es zeigen:

Fig. 1 in einer Abwicklung eine erfindungsgemäße Laufschaufel,

Fig. 2 in einer Detailansicht einen Ausschnitt der Laufschaufel gem. Fig. 1 , und

Fig. 3 in einem Längsschnitt einen erfindungsgemäßen Verdichter, welcher die Laufschaufel gem. Fig. 1 umfasst.

Die in Fig. 1 schematisch in einer Abwicklung über eine Umfangsrichtung 3 illustrierte Laufschaufel 1 für ein um eine Drehachse 6, welche sich entlang einer axialen

Richtung 5 erstreckt, rotierbar gelagertes Laufrad 53, s. Fig. 3, einer

Fluidenergiemaschine weist eine Oberfläche 7 einer Saugseite auf, welche ausgebildet ist, aus einem Einströmbereich 9 Fluid, insbesondere Luft, entlang einer

Einströmrichtung 11 anzusaugen. Auf einer der Zeichenebene der Fig. 1 abgewandten Seite weist die Laufschaufel 1 ferner eine Oberfläche einer Druckseite auf, welche ausgebildet ist, bei rotierendem Laufrad 53 das Fluid zu einem Ausström bereich 13 hin zu verdichten. Eine radiale Richtung ist mit Bezugszeichen 17 bezeichnet.

Während der Rotation des Laufrades 53, an welchem eine Mehrzahl von Laufschaufeln 1 an einer Nabe 55 des Laufrades 53 in Umfangsrichtung beabstandet befestigt sind, wird das Fluid in zwischen den Laufschaufeln 1 liegenden Kanälen von dem

Einströmbereich 9 zu dem Ausströmbereich 13 geführt und dabei verdichtet, so dass verdichtetes Fluid in dem Ausströmbereich 13 entlang einer Strömungsrichtung 15 ausströmt. Die Laufschaufel 1 weist ferner eine die Oberfläche 7 der Saugseite mit der Oberfläche der Druckseite verbindende Anströmkante 19 auf, von wo das Fluid aus dem Einströmbereich 9 die Laufschaufel 1 anströmt. Das Fluid wird sodann entlang von Strömungslinien 21 innerhalb der zwischen den Laufschaufeln 1 ausgebildeten Kanäle geführt, wobei die Strömungslinien 21 eine gekrümmte Form aufweisen und wobei sich eine Ausdehnung der Laufschaufel 1 senkrecht zu den Strömungslinien 21 kontinuierlich von dem Einströmbereich 9 her zu dem Ausström bereich 13 hin verjüngt.

Die Laufschaufel 1 weist ferner eine die Oberfläche 7 der Saugseite mit der Oberfläche der Druckseite verbindende stromabwärts der Anströmkante 19 liegende Abströmkante 23 auf, bei welcher das Fluid, nach Strömen entlang der Oberflächen der Saugseite und der Druckseite, von der Laufschaufel 1 zu dem Ausströmbereich 13 hin abströmt. Die Laufschaufel 1 weist ferner eine radial äußere Seitenkante 25 auf, welche in einem Verdichter nahe eines Verdichtergehäuses liegt, um zwischen Laufschaufeln Kanäle zu bilden. Die radial äußere Seitenkante 25 hat eine gekrümmte Form und ist relativ zu einer Gehäusewandung eines das Laufrad 53 aufweisenden Verdichtergehäuses 51 eines Verdichters 50 beweglich.

Die Abströmkante 23 weist eine in Fig. 2 im Detail dargestellte Geometrie auf, welche einerseits dazu beiträgt, das Trägheitsmoment der Laufschaufel 1 im Vergleich zu einer herkömmlichen Laufschaufel zu verringern, die aerodynamische Performanz jedoch nicht signifikant zu beeinträchtigen. Dazu hat die Abströmkante 23 in einem ersten Bereich 27, der an ein Ende 29 der radial äußeren Seitenkante 25 angrenzt, eine erste konstante Neigung a1 gegenüber der axialen Richtung 5. Hierbei ist eine Tangentiallinie an die Abströmkante 23 im ersten Bereich 27 mit Bezugsziffer 31 bezeichnet. Eine Richtung 33 bezeichnet eine Axialkomponente der Strömungslinien 21 , welche in Fig. 1 horizontal nach rechts weist. Die Richtung 33 wird auch als axial stromabwärts gerichtet bezeichnet.

Neben dem ersten Bereich 27 der ersten Neigung a1 weist die Abströmkante 23 ferner, axial stromabwärts des ersten Bereichs 27, einen zweiten Bereich 35 auf, welcher eine zweite, variable Neigung a2, gegenüber der axialen Richtung 5 hat, wobei die zweite Neigung a2 dasselbe Vorzeichen hat wie die erste Neigung und größer ist als die erste Neigung ort . In Fig. 1 ist dazu das Maximum a2max der zweiten Neigung a2 illustriert, indem eine Tangentiallinie 37 an der Stelle innerhalb des zweiten Bereichs 35 eingezeichnet ist, an welcher die größte Neigung vorhanden ist. Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, beträgt a2max zwischen 1 ,5 und 3 Mal der ersten Neigung crt . Andere Werte sind möglich.

Sowohl in dem ersten Bereich 27 als auch in dem zweiten Bereich 35, und auch in einem weiter unten beschriebenen dritten Bereich 39, nimmt die Radialkomponente der Abströmkante 23 in Richtung axial stromabwärts, d.h. in Richtung 33 ab. Die Radialkomponente der Abströmkante 23 ist dabei in einem Zustand zu verstehen, wie die Laufschaufel 1 in einem Verdichter montiert ist. Zum Beispiel hat der Radius der Laufschaufel 1 an dem Ende 29 der radial äußeren Seitenkante 25 den Betrag r1. Am Ende des ersten Bereichs 27 beträgt der Radius der Laufschaufel 1 r2. Am Ende des zweiten Bereichs 35 beträgt der Radius der Laufschaufel 1 r3 und am Ende des dritten Bereichs beträgt der Radius der Laufschaufel 1 r4. Es ist ersichtlich, dass ein starker Sprung S, d.h. mit anderen Worten eine Verminderung des Radius, z.B. durch Abstand der Tangentiallinien im ersten Bereich und dritten Bereich, zwischen dem Ende des ersten Bereichs 27 und dem Ende des zweiten Bereichs 35 gegeben ist. Somit kann in dem dritten Bereich 39 die Laufschaufel 1 verkleinert gegenüber einer herkömmlichen Laufschaufel 1 ' sein, welche herkömmlich entlang der Tangentiallinie 31 verläuft, welche tangential an die Abströmkante 23 im ersten Bereich 27 liegt. Die

herkömmliche Laufschaufel 1' ist gestrichelt dargestellt. Dadurch kann

vorteilhafterweise ein Trägheitsmoment verringert werden, ohne signifikant die aerodynamische Performanz zu beeinträchtigen.

Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, würde die Tangentiallinie 31 an die Abströmkante 23 im ersten Bereich 27 die Drehachse 6 axial stromabwärts der Abströmkante 23 schneiden. Die Neigungen cd , a2max sind als die Neigungen der Projektion entlang der Umfangsrichtung 3 zu verstehen.

Die Abströmkante 23 hat in dem zuvor schon bereits erwähnten dritten Bereich 39, der an den zweiten Bereich 35 angrenzt und sich bis zu einem Ende 41 eines radial inneren Verlaufs 43 erstreckt, im Wesentlichen die erste Neigung crt. Im Allgemeinen kann jedoch in diesem Bereich eine dritte Neigung a3, z.B Winkel zwischen einer Tangentialen 38 an die Abströmkante im dritten Bereich 39, angenommen sein, welche auch verschieden von der ersten Neigung a1 sein kann. Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, ändert sich entlang einer Erstreckung der Abströmkante 23 von dem Ende 29 der radial äußeren Seitenkante 25 zu dem Ende 41 des radial inneren Verlaufs 43 hin die Neigung von der ersten Neigung a1 zu der maximalen zweiten Neigung a2max und zurück auf die erste Neigung a1.

Wenn die erste Neigung a1 in dem ersten Bereich 27 konstant ist, so ist die

Abströmkante 23 in diesem Bereich gerade. Insbesondere kann die Abströmkante in diesem Bereich 27 im Wesentlichen senkrecht zu den Strömungslinien 21 sein, um eine effektive Abströmung und somit effektive Verdichtung zu erreichen. Eine

Erstreckung, zum Beispiel senkrecht zu Strömungslinien 21 oder tangential an die Abströmkante, des zweiten Bereichs 35 ist mit Bezugszeichen a2 bezeichnet und zum Beispiel zwischen 5% und 30% einer Erstreckung a1 des ersten Bereichs 27. Ferner kann eine Erstreckung a3 des dritten Bereichs 39 zwischen 5% und 30% der

Erstreckung a1 des ersten Bereichs 27 sein. Eine Ausdehnung A der Anströmkante 19 ist größer als eine Ausdehnung B der Abströmkante 23, zum Beispiel senkrecht zu den Strömungslinien 21 gemessen. Die Ausdehnung B der Abströmkante 23 kann zum Beispiel zwischen 5% und 25% einer Ausdehnung A der Anströmkante 19 sein. Wie aus Fig. 2 ferner ersichtlich ist, kann die Abströmkante 23 im ersten Bereich 27 und auch im dritten Bereich 39 im Wesentlichen senkrecht zu den Strömungslinien 21 des Fluids verlaufen, jedoch nicht im zweiten Bereich 35.

Sind eine Mehrzahl von Laufschaufeln 1 , wie sie in Fig. 1 illustriert sind, auf der Nabe 55 montiert, so kann ein Laufrad gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung geschaffen werden.

Fig. 3 illustriert in einem Längsschnitt schematisch einen Verdichter 50 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, welcher eine Mehrzahl von

Laufschaufeln 1 , wie sie zum Beispiel in den Figuren 1 und 2 illustriert sind, umfasst. Der Verdichter 50 weist das Verdichtergehäuse 51 auf, innerhalb dessen das Laufrad 53 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit einer Welle 8, die um eine Drehachse 6 rotierbar ist, aufgenommen und drehbar gelagert ist. Das Laufrad 53 weist ferner die Nabe 55 auf, welche eine Radnase 57 sowie einen Radrücken 59 aufweist. Die Nabe 55 ist mit der Welle 8 fest verbunden. An der Nabe 55 ist eine Mehrzahl von Laufschaufeln 1 an bzw. über einen radial inneren Verlauf 43 befestigt. Eine Nabenkante grenzt an den radial inneren Verlauf 43 der Laufschaufel 1 an. In dem Verdichtergehäuse 51 ist durch verschiedene Wandabschnitte 61 , 63 der Einströmbereich 9 gebildet, durch welchen das Fluid entlang der Einströmrichtung 11 die Anströmkante 19 des Laufrades 53 anströmt. Stromabwärts der Abströmkante 23, welche ähnlich wie in Fig. 1 illustriert ausgeführt sein kann, ist ein Diffusorbereich 65 durch weitere Gehäuseabschnitte gebildet. Ferner ist ein ringförmiges oder spiralförmiges Volumen 67 stromabwärts des Diffusors 65 gebildet, um komprimierte Luft zu sammeln und über einen nicht illustrierten Ausgang einer

Verbrennungskraftmaschine zuzuführen.

Der in Fig. 3 illustrierte Verdichter 50 kann einem Turbolader gemäß einer

Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zugeordnet sein.

Claims

Patentansprüche

1. Laufschaufel (1 ) für ein um eine Drehachse (6) rotierbar gelagertes Laufrad (53) einer Fluidenergiemaschine (50), insbesondere einer Turboladerverdichterstufe, aufweisend:

eine Oberfläche (7) einer Saugseite, welche ausgebildet ist, bei rotierendem Laufrad Fluid aus einem Einströmbereich (9) anzusaugen;

eine Oberfläche einer Druckseite, welche ausgebildet ist, bei rotierendem Laufrad das Fluid zu verdichten;

eine Anströmkante (19), von wo das Fluid die Laufschaufel (1 ) anströmt;

eine stromabwärts der Anströmkante (19) liegende Abströmkante (23), bei welcher das Fluid von der Laufschaufel (1 ) abströmt; und

eine radial äußere Seitenkante (25),

wobei die Anströmkante (19), die radial äußere Seitenkante (25) und die Abströmkante (23) die Oberfläche (7) der Saugseite mit der Oberfläche der Druckseite verbinden,

dadurch gekennzeichnet, dass

die Abströmkante (23) in einem ersten Bereich (27), der an ein Ende (29) der radial äußeren Seitenkante (25) angrenzt, eine erste, insbesondere konstante, Neigung (a1 ) gegenüber der Axialrichtung (5) hat, in einem zweiten Bereich (35), der stromabwärts an den ersten Bereich (27) angrenzt, eine zweite, insbesondere variable, Neigung (a2) gegenüber der Axialrichtung (5) hat, die dasselbe Vorzeichen hat wie und größer ist als die erste Neigung (a1 ).

2. Laufschaufel nach Anspruch 1 ,

dadurch gekennzeichnet, dass eine Tangentiallinie (31 ) an die Abströmkante (23) im ersten Bereich (27) die Drehachse (6) axial stromabwärts der Abströmkante (23) schneidet.

3. Laufschaufel nach Anspruch 1 oder 2,

dadurch gekennzeichnet, dass

die Neigungen (α1 , a2) jeweils als Neigungen einer Projektion der Laufschaufel (1 ) entlang einer Umfangsrichtung (3) definiert sind.

4. Laufschaufel nach einem der vorangehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass

ein Maximum (a2max) der zweiten Neigung ( 2) zwischen 5° und 80° größer ist als die ersten Neigung (a1 ), insbesondere zwischen 20° und 50°.

5. Laufschaufel nach einem der vorangehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass

die Abströmkante (23) in einem dritten Bereich (39), der an den zweiten Bereich (35) angrenzt und sich bis zu dem Ende (41 ) des radial inneren Verlaufs (43) erstreckt, im wesentlichen die erste, insbesondere konstante, Neigung ( 1 ) hat.

6. Laufschaufel nach einem der vorangehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass

sich entlang einer Erstreckung der Abströmkante (23) von dem Ende (29) der radial äußeren Seitenkante (25) zu dem Ende (41 ) des radial inneren Verlaufs (43) hin die Neigung von der ersten Neigung (a1 ) zu der zweiten Neigung (a2) und zurück auf die erste Neigung (a1 ) ändert.

7. Laufschaufel nach einem der vorangehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass

in dem ersten Bereich (27) die erste Neigung (a1 ) konstant, insbesondere zwischen 0° und 50°, ist, sodass die Abströmkante (23) in dem ersten Bereich (27) gerade ist.

8. Laufschaufel nach einem der vorangehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass

eine Stufe (S) zwischen dem ersten Bereich (27) und dem dritten Bereich (39) gebildet ist, bei der eine Radialkomponente (r2, r4) der Abströmkante (23) stärker abnimmt als im ersten Bereich (27).

9. Laufschaufel nach einem der vorangehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass

eine Ausdehnung (a2) des zweiten Bereichs (35) zwischen 5% und 30% einer Ausdehnung (a1) des ersten Bereichs (27) beträgt,

insbesondere ferner dadurch gekennzeichnet, dass

eine Ausdehnung (a3) des dritten Bereichs (39) zwischen 5% und 30% einer Ausdehnung (a1) des ersten Bereichs (27) beträgt.

10. Laufschaufel nach einem der vorangehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass

sich eine Ausdehnung (A), senkrecht zu Strömungslinien (21) des Fluids, der Oberfläche der Saugseite (7) und der Druckseite von der Anströmkante (19) zu der Abströmkante (23) hin kontinuierlich verringert.

11. Laufschaufel nach einem der vorangehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass

die Abströmkante (23) im ersten Bereich (27) und im dritten Bereich (39), aber nicht im zweiten Bereich (35), im Wesentlichen senkrecht zu Strömungslinien (21 ) des Fluids ist.

12. Laufschaufel nach einem der vorangehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass

eine Ausdehnung (B) der Abströmkante (23) zwischen 5% und 25% einer Ausdehnung (A) der Anströmkante (19) ist.

13. Laufrad (53), mit mindestens einer Laufschaufel (1 ) nach einem der vorangehenden Ansprüche.

14. Verdichter (50), mit einem Laufrad (53) nach dem vorangehenden Anspruch.

15. Turbolader mit einem Verdichter (50) nach dem vorangehenden Anspruch.