WO2014015959A1

WO2014015959A1 - Laufrad für eine fluidenergiemaschine

Info

Publication number: WO2014015959A1
Application number: PCT/EP2013/002104
Authority: WO
Inventors: Roberto De Santis; Daniel Just
Original assignee: IHI Charging Systems International GmbH
Current assignee: IHI Charging Systems International GmbH
Priority date: 2012-07-26
Filing date: 2013-07-16
Publication date: 2014-01-30
Anticipated expiration: 2015-01-26
Also published as: DE102012106810A8; CN104508245A; DE102012106810A1; DE102012106810B4; CN104508245B; JP2015522759A; JP6110942B2; US9951787B2; US20150125302A1

Description

Laufrad für eine Fluidenergiemaschine

Die Erfindung betrifft ein Laufrad für eine Fluidenergiemaschine der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art.

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 auf, 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.

Aus der DE 10 2010 020 307 A1 geht ein Laufrad in Form eines Verdichterrades für eine Fluidenergiemaschine in Form eines Radialverdichter hervor. Dieses Laufrad weist mindestens eine von einem Medium, welches üblicherweise bei einem Radialverdichter überwiegend Frischluft ist, umströmbare Laufschaufel auf, welche über einen

Übergangsbereich mit einer Nabe des Verdichterrades fest verbunden ist. Im Gegensatz zu üblichen Verdichterrädern, deren Übergangsbereich, welcher sich sowohl in

Längsrichtung der Laufschaufel als auch in Umfangsrichtung der Nabe erstreckt, eine Krümmung aufweist, die sowohl in Längsrichtung als auch in Umfangsrichtung gleich ausgebildet ist, weist das Verdichterrad dieser Offenlegung eine in Längsrichtung der Laufschaufel variable Krümmung auf. Allerdings ist die Herstellung eines derartigen Laufrades, welches unterschiedliche Radien des Übergangsbereiches über die Länge der Laufschaufeln aufweist, unter wirtschaftlichen Aspekten betrachtet, kostenintensiv.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Laufrad für eine

Fluidenergiemaschine zu entwickeln, welches eine sehr hohe Lebensdauer bei gleichzeitig niedrigen Kosten aufweist.

Diese Aufgabe wird durch ein Laufrad für eine Fluidenergiemaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nichttrivialen Weiterbildung der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Ein solches Laufrad für eine Fluidenergiemaschine, weist eine Nabe und eine von einem die Fluidenergiemaschine durchströmendem Medium umströmbare Mehrzahl von

Laufschaufeln auf, welche über eine erste Krümmung aufweisenden ersten

Übergangsbereich und einen eine zweite Krümmung aufweisenden zweiten

Übergangsbereich mit der Nabe verbunden sind. Zwischen jeweils zwei nebeneinander positionierten Laufschaufeln ist ein Schaufelkanal ausgebildet mit einer

Schaufelkanallänge, welche sich in axialer Richtung des Laufrades erstreckt.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass ein Schaufelkanalboden des Schaufelkanals zwischen dem ersten Übergangsbereich und dem zweiten Übergangsbereich zumindest bereichsweise variabel ausgebildet ist. Die variable Ausbildung des Schaufelkanalbodens führt zu einer gezielten Anpassung der Ausbildung des Laufrades an seine

Beanspruchung, so dass, abhängig vom Einsatzbereich des Laufrades eine

entsprechende Spannungsreduzierende und somit lebensdauerverlängernde Maßnahme realisierbar ist.

Ein besonderer und somit kostensparender Effekt dieser Erfindung ist auch darin zu sehen, dass nicht, wie im Allgemeinen üblich, zur Erzeugung einer Krümmung mehrere Radien hintereinander auszubilden sind, sondern es ist aufgrund der variablen

Ausbildung des Schaufelkanalbodens möglich die Krümmung mit einem Radius zu versehen, welcher einfach herzustellen ist, und zusätzlich den Schaufelkanalboden den Anforderungen an des Laufrad entsprechend auszubilden. Somit ist in allen

Herstellungsverfahren, gleich ob spanende oder spanlose Verfahren, eine

Kostenersparnis bei gleichzeitiger hoher Festigkeit und somit langer Lebensdauer des Laufrades erzielbar.

Insbesondere Laufräder mit sogenannten rückwärts geneigten Laufschaufeln, deren Übergangsbereich insbesondere auf der Druckseite stark belastet sind, erfahren eine starke Reduktion der im Betrieb auftretenden Spannungen.

Durch diese an die Belastungen und den daraus resultierenden Beanspruchungen angepasste Ausgestaltung des Schaufelkanalbodens im Bereich des Übergangsbereichs weist das Laufrad eine sehr hohe Lebensdauer auf, da es auch hohe, in dem

Übergangsbereich auftretende Beanspruchungen über eine hohe Lebensdauer hinweg ertragen kann. Diese bedarfsgerechte Anpassung des Schaufelkanalbodens im Bereich des Übergangsbereichs vermeidet ein unerwünschtes, vorzeitiges Versagen des

Laufrads, wobei sich beispielsweise Risse in dem Übergangsbereich von der

Laufschaufel zu dem Grundkörper aufgrund einer Überlastung bilden.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Schaufelkanalboden zumindest teilweise einer überwiegend eben ausgebildeten Fläche anpassbar ausgestaltet, wobei die Fläche gegenüber einer Nabentangentenfläche geneigt ausgebildet ist und mit der

Nabentangentenfläche einen Winkel einschließt, wobei eine Schnittlinie zwischen der Fläche und der Nabentangentenfläche eine sich in Umfangsrichtung der Nabe

erstreckende Gesamtlänge der Fläche bestimmt. Mit anderen Worten ist der

Schaufelkanalboden an eine geneigte, überwiegend ebene Fläche anpassbar

ausgebildet. Das heißt, dass der Schaufelkanalboden nicht zwingend diese ebene Fläche offensichtlich aufweist, sondern der Schaufelkanalboden ist im Weitesten an die Fläche angepasst ausgebildet. Mit anderen Worten bedeutet dies, dass eine virtuelle Fläche aufgespannt ist, entlang derer sich der Schaufelkanalboden ausbildet, ohne allerdings penibel exakt deren Geometrie zu folgen. Das bedeutet, dass beispielsweise der

Schaufelkanalboden durchaus noch eine konvexe oder konkave Überlagerung der weitestgehend ebenen Fläche aufweisen kann. Der besondere Vorteil ist hierin zu sehen, dass eine zusätzliche Verstärkung des ersten und/oder zweiten Übergangsbereiches ermöglicht wird, wenn der Schaufelkanalboden im Bereich der Übergangsbereich entsprechend ausgestaltet ist. Diese Verstärkung führt zu einer Reduzierung der

Spannungen im Laufrad. Der besondere und somit kostensparende Effekt dieser Erfindung ist darin zu sehen, dass nicht, wie im Allgemeinen üblich, zur Erzeugung einer Krümmung mehrere Radien hintereinander auszubilden sind, sondern ist es ausreichend die Krümmung mit einem Radius zu versehen, welcher einfach herzustellen ist, und zusätzlich eine Fläche im Schaufelkanalboden auszubilden. Somit ist in allen Herstellungsverfahren, gleich ob spanende oder spanlose Verfahren, eine Kostenersparnis bei gleichzeitiger hoher Festigkeit und somit langer Lebensdauer des Laufrades erzielbar.

Als besonders vorteilhaft hat sich gezeigt, dass sofern das Laufrad in Form eines

Verdichterrades ausgebildet ist zumindest an einem Radaustritt oder sofern das Laufrad in Form eines Turbinenrades ausgebildet ist zumindest an einem Radeintritt der Winkel mit einem Wert in einem Wertebereich zwischen 0,5° und 10° ausgebildet ist. Das bedeutet, dass ein Materialaufwand einem Anforderungsbedarf des Laufrades

entsprechend anzupassen ist. So ist ein großer Winkel besonders bei

hochbeanspruchten Laufrädern auszubilden, wohingegen bei weniger beanspruchten Laufrädern ein kleinerer Winkel durchaus zur Erzielung einer, eine lange Lebensdauer sichernde, Spannungsreduktion ausreichend ist.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Gesamtlänge der Fläche, sofern das Laufrad in Form eines Verdichterrades ausgebildet ist zumindest an einem Radaustritt oder sofern das Laufrad in Form eines Turbinenrades ausgebildet ist zumindest an einem Radeintritt, derart ausgebildet, dass sie einen Wert in einem Wertebereich zwischen 1 mm und der Hälfte eines Abstandes zweier zueinander benachbarter Laufschaufeln aufweist.

Zu weiteren Gewichtsreduktion und somit auch Materialersparnis ist vorgesehen, dass im Falle eines Laufrades, welches in Form eines Verdichterrades ausgebildet ist ausgehend von dem Radaustritt in Richtung des Radeintritts oder im Falle eines Lufrades, welches in Form eines Turbinenrades ausgebildet ist ausgehend von dem Radeintritt in Richtung des Radaustritts die Gesamtlänge der Fläche stetig abnehmend ausgebildet ist. Insbesondere hat sich als ausreichend für eine hohe Lebensdauer gezeigt, dass die Gesamtlänge ausgehend von dem Radaustritt in Richtung des Radeintritts im Falle eines

Verdichterrades oder ausgehend von dem Radeintritt in Richtung des Radaustritts im Falles eines Turbinenrades, bei ca. 35% einer gesamten Länge der Laufschaufel einen Wert von 0mm aufweist. Mit anderen Worten ist die Fläche nahezu dreiecksförmig ausgebildet. Mit Hilfe dieser Ausgestaltung ist es möglich besonders effektiv auf die hochbelasteten Bereiche eine Laufrades einzugehen, da nicht der sich über die gesamte Länge der Laufschaufel erstreckende Übergangsbereich mit hohen Spannungen belastet ist, sondern dies Spannungen nur partiell in den Bereichen eines Laufrades auftreten, welche hohen Drücken und damit hohen Strömungsgeschwindigkeiten sowie hohen Fliehkräften ausgesetzt sind. Das sind im Fall eines Verdichterlaufrades der hoch belastete und somit hohen Spannungen ausgesetzte Bereich des Radaustritts, wohingegen im Fall eines Turbinenrades der besonders hoch belastete Bereich der Radeintritt ist.

Eine weitere Gewichtsreduktion bei gleichzeitiger Spannungsreduzierung ergibt sich, ist, sofern das Laufrad in Form eines Verdichterrades ausgebildet ist ausgehend vom

Radaustritt Richtung des Radeintritts oder sofern das Laufrad in Form eines

Turbinenrades ausgebildet ist ausgehend vom Radeintritt in Richtung des Radaustritts, der Winkel stetig abnehmend ausgebildet, wobei insbesondere ausgehend vom

Radaustritt in Richtung des Radeintritts für den Fall eines im Form eines Verdichterrades ausgebildeten Laufrades oder ausgehend vom Radeintritt in Richtung des Radaustritts für den Fall eines im Form eines Turbinenrades ausgebildeten Laufrades der Winkel bei ca. 35% einer gesamten Länge der Laufschaufel eine Wert von 0° aufweist.

Die Vermeidung dieser vorzeitigen Rissbildung infolge einer Überlastung ist bei dem erfindungsgemäßen Laufrad auf sehr effiziente Art und Weise realisiert, da der

Übergangsbereich infolge der variablen Gestaltung der Fläche bedarfsgerecht und somit mit einem sehr effizienten aterialeinsatz ausgebildet ist. Bei dem erfindungsgemäßen Laufrad ist ein unerwünscht und unnötig hoher Materialeinsatz zur Darstellung der sehr hohen Lebensdauer vermieden, wodurch das erfindungsgemäße Laufrad ein sehr geringes Gewicht sowie geringe Kosten aufweisen. Mit anderen Worten bedeutet dies, dass dort, wo hohe Beanspruchungen auftreten, ein entsprechender und gegebenenfalls höhere Materialeinsatz vorgesehen ist, als in Bereichen des übrigen Übergangsbereichs, in welchen niedrigere Beanspuchungen während eines Betriebs des Laufrads vorliegen. Dort ist ein geringer Materialeinsatz zur Darstellung der sehr hohen Lebensdauer des Laufrads möglich.

Liegen während des Betriebs des Laufrads in einem Bereich der Laufschaufel höhere Belastungen als in einem anderweitigen Bereich der Laufschaufel vor, wobei aus den höheren Belastungen höhere Spannungen resultieren als aus den niedrigeren Belastungen, so weist der Übergangsbereich in dem Bereich mit den aus den höheren Belastungen resultierenden Beanspruchungen eine größere Fläche mit einem größeren Winkel und einer größeren Gesamtlänge auf als in den Bereichen mit den geringen Beanspruchungen.

Das erfindungsgemäße Laufrad ist somit den entsprechenden Anforderungen an seine im Betrieb auftretenden Belastungen mit Hilfe einer variablen Gestaltung der geneigten Fläche kostengünstig herzustellen. Dies bedeutet weiterhin, dass das Laufrad

bedarfsgerecht ohne einen unerwünscht und unnötig hohen Materialaufwand und

Herstellungskosten ausgebildet ist bei gleichzeitiger hoher Belastbarkeit über eine hohe Lebensdauer hinweg.

In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der erste

Übergangsbereich vom zweiten Übergangsbereich abweichend ausgebildet. Das bedeutet, dass insbesondere für Laufräder, welche deren Laufschaufeln eine Neigung zur Druckseite oder zur Saugseite aufweisen die Übergangsbereiche den unterschiedlichen Beanspruchungen entsprechend unterschiedlich gestaltbar sind. Weisen beispielsweise die Laufschaufeln eine Neigung zur Druckseite auf, so ist es zur Reduzierung der Spannung erforderlich insbesondere den Übergangsbereich welcher auf der Saugseite angeordnet ist, mit einer Krümmung und einer sich an die Krümmung anschließenden geneigten Fläche auszugestalten. Für den Übergangsbereich, welcher auf der Saugseite ausgebildet ist, ist es zur Erzielung einer hohen Lebensdauer ausreichend, diesen ausschließlich mit einer Krümmung zu versehen. Diese Ausführungsform bedeutet eine sehr effiziente und kostengünstige sowie bedarfsgerechte Ausgestaltung des Laufrads, welches beispielsweise als Verdichterrad eines Verdichters eines Abgasturboladers ausgebildet ist, bei gleichzeitiger Realisierung einer sehr hohen Lebensdauer des

Laufrads.

Ist das Laufrad, wie in einer weiteren Ausgestaltung vorgesehen im Wesentlichen aus Aluminium, einer Aluminiumlegierung oder dergleichen ausgebildet, ist neben der langen Lebensdauer eine Reduktion des Gewichtes des Laufrads und damit der gesamten Fluidenergiemaschine erwirkt. Diese Gewichtsreduzierung wirkt sich besonders vorteilhaft auf einen Kraftstoffverbrauch einer Verbrennungskraftmaschine aus. Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele 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.

Die Zeichnung zeigt in:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Verdichterrades gemäß dem Stand der Technik mit einer im Betrieb vorliegenden Spannungsverteilung,

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Ausschnitt einer Abwicklung eines Schnitts am Radaustritt eines Laufrades gemäß dem Stand der Technik,

Fig. 3 einen Ausschnitt einer schematischen Darstellung einer Abwicklung eines

erfindungsgemäßen Laufrades am Laufradaustritt,

Fig. 4 ein Diagramm eines Spannungsverlaufes bei Änderung eines

Übergangsbereiches des Laufrades mit entsprechenden Ausschnitten eines Laufrades in einer perspektivischen Darstellung und der entsprechenden vorliegenden Spannungsverteilung, und

Fig. 5 in einer schematischen Darstellung eine Detailansicht eines gefrästen

Übergangsbereiches eines Laufrades gemäß dem Stand der Technik.

Die Fig. 1 zeigt ein Laufrad 1 in Form eines Verdichterrades für einen nicht näher dargestellten Verdichter, insbesondere ein Radialverdichter, eines nicht näher dargestellten Abgasturboladers für eine nicht näher dargestellte

Verbrennungskraftmaschine. Der Verdichter ist dabei auf einer, im Wesentlichen Frischluft ansaugenden, Frischluftseite der Verbrennungskraftmaschine angeordnet, wobei mittel Hilfe des Verdichterrades 1 eine von der Verbrennungskraftmaschine angesaugte Luft verdichtbar ist. Das Verdichterrad 1 weist eine Nabe 2 sowie eine Mehrzahl von Laufschaufeln 3 auf, welche fest mit der Nabe 2 verbunden sind. Die Nabe 2 weist eine nicht näher

dargestellte Aufnahmeöffnung auf, mittel Hilfe derer das Verdichterrad 1 auf einer nicht näher dargestellten Welle des Abgasturboladers anzuordnen und mit der Welle drehfest verbindbar ist, so dass das Verdichterrad 1 über die Welle von einem nicht näher dargestellten Turbinenrad einer nicht näher dargestellten Turbine des Abgasturboladers zum Verdichten der Luft antreibbar ist. Die Laufschaufeln 3 und die Nabe 2 sind einstückig miteinander ausgebildet. Zwischen jeweils zwei nebeneinander positionierten Laufschaufeln 3 ist ein Schaufelkanal 12 ausgebildet. Der Schaufelkanal 12 weist eine Schaufelkanallänge SL auf, welche sich in axialer Richtung des Laufrades 1 erstreckt.

Fig. 2 zeigt in einer schematischen Darstellung einen Ausschnitt einer Abwicklung eines Schnitts an einem Radaustritt 1 1 des Verdichterrades 1 gemäß dem Stand der Technik. Die Laufschaufeln 3 sind sowohl auf einer Saugseite 4 wie auch auf einer Druckseite 5 der Laufschaufeln 3 über einen ersten Übergangsbereich 6 auf der Druckseite sowie über einen zweiten Übergangsbereich 7 der Saugseite 4, mit der Nabe 2 verbunden. Der erste Übergangsbereich 6 sowie der zweite Übergangsbereich 7 sind sich an einer

Nabenmantelfläche 8 der Nabe 2 sowohl über einen Umfang der Nabe 2 als auch über eine axiale Ausdehnung der Nabe 2 erstreckend ausgebildet. Grundsätzlich kann zur allgemeinen Erläuterung des Übergangsbereiches 6, 7 gesagt werden, dass der

Übergangsbereich 6, 7 dadurch gekennzeichnet ist, dass er zwischen der Laufschaufel 3 und der Nabe 2 eine harmonische Verbindung ausbildet. Das heißt mit anderen Worten, dass mit Hilfe des Übergangsbereiches 6, 7 Unstetigkeiten, wie bspw. kantige

Übergänge, in der Verbindung zwischen Nabe 2 und Laufschaufel 3 eliminiert werden sollen.

In ihrer Erstreckung über den Umfang der Nabe 2, weisen der erste Übergangsbereich 6 eine erste Krümmung K1 mit einem ersten Krümmungsradius R1 auf und der zweite Übergangsbereich 7 eine zweite Krümmung K2 mit einem zweiten Krümmungsradius R2 auf, wobei der zweite Krümmungsradius R2 kleiner ausgebildet ist als der erste

Krümmungsradius R1. Ebenso könnte allerdings der erste Krümmungsradius R1 auch dem zweiten Krümmungsradius R2 entsprechend ausgebildet sein, oder der erste Krümmungsradius R1 ist kleiner ausgebildet als der Krümmungsradius R2. Dies ist abhängig von einer Neigung der Laufschaufel 3 gegenüber der Nabe 2. Auch könnte die erste Krümmung K1 wie auch die zweite Krümmung K2 nicht nur einen Radius aufweisen, sondern mehrere ineinander über gehende Radien aufweisen, derart, dass in einem Schnitt quer zu eine Drehachse D die erste Krümmung K1 bzw. die zweite Krümmung K2 einer beliebigen Kurvenfunktion folgend, gekrümmt ausgebildet sind.

In ihrer axialen Ausdehnung sind der Krümmungsradius R1 und der Krümmungsradius R2 des ersten Übergangsbereiches 6 bzw. des zweiten Übergangsbereichs 7

gleichförmig oder variabel ausgebildet. Der erste Übergangsbereich 6 und der zweite Übergangsbereich 7 sind im Stand der Technik im Wesentlichen kreissegmentförmig ausgebildet.

Ein erfindungsgemäßes Laufrad 1 , hier beispielhaft in Form eines Verdichterrades, ist gemäß Fig. 3 ausgestaltet. Ein erstes Ende 9 des ersten Übergangsbereiches 6 der Laufschaufel 3, welches dem zweiten Übergangsbereich 7 der benachbarten

Laufschaufel 3 gegenüberliegend angeordnet ist, ist mit Hilfe eines tiefsten Punktes TP der ersten Krümmung K1 festgelegt. Das bedeutet, dass der erste Übergangsbereich 6 entlang des Schaufelkanals 12 über die gesamte Schaufelkanallänge SL eine erste Endkurve 14 aufweist. Ebenso ist ein zweite Ende 10 des zweiten Übergangsbereiches 7 der zur Laufschaufel 3 benachbart angeordneten Laufschaufel 3 ist mit Hilfe des tiefsten Punktes TP der zweiten Krümmung K2 festgelegt. Das bedeutet, dass der zweite

Übergangsbereich 7 entlang des Schaufelkanals 12 über die gesamte

Schaufelkanallänge SL eine zweite Endkurve 15 aufweist, wobei die erste Endkurve 14 und die zweite Endkurve 15 benachbart positioniert sind und der Schaufelkanalboden 13 sich zwischen der ersten Endkurve 14 und der zweiten Endkurve 15 sowohl axial als auch in Umfangsrichtung der Nabe 2 erstreckend ausgebildet ist.

Zwischen dem ersten Übergangsbereich 6 und dem zweiten Übergangsbereich 7 der benachbarter Laufschaufeln 3, und somit zwischen der ersten Endkurve 14 und der zweiten Endkurve 15, ist der Schaufelkanalboden 13 sowohl in Umfangsrichtung als auch zumindest teilweise in axialer Richtung des Schaufelkanals 12 variabel ausgebildet.

Der Schaufelkanalboden 13 ist in diesem Ausführungsbeispiel derart variabel ausgebildet, dass der Schaufelkanalboden 13 ausgehend von der ersten Endkurve 14 einer überwiegend eben ausgebildeten Fläche F anpassbar ausgestaltet ist. Diese Fläche F ist gegenüber einer Nabentangentenfläche NT um einen Winkel α geneigt ausgebildet. Mit anderen Worten ist die Fläche F ausgehend von dem ersten

Übergangsbereich 6 im Uhrzeigersinn gen Drehachse D geneigt ausgebildet.

Zwischen der Nabentangentenfläche NT und der Fläche F ist eine Schnittlinie S ausgebildet, welche eine Gesamtlänge GL der Fläche F in Umfangsrichtung definiert. Das bedeutet, dass der Winkel α abhängig ist von der Gesamtlänge GL. Auch könnte der Schaufelkanalboden 13 ausgehend von der zweiten Endkurve 15 der Fläche F anpassbar ausgestaltet sein. Das heißt, die Fläche F wäre dann entgegen dem Uhrzeigersinn ausgehend von dem zweiten Übergangsbereich 7 gen Drehachse D geneigt ausgebildet. Das bedeutet mit anderen Worten, dass der tatsächlich ausgebildete Schaufelkanalboden 13 nicht wirklich eben ausgebildet sein muss, sondern mit Hilfe dieser Fläche F beschreibbar ist. Die Fläche F könnte somit auch als eine virtuelle Fläche F angesehen werden, welche ausgehend von der Schnittlinie S mit Hilfe des Winkels α und der Gesamtlänge GL im Schaufelkanalboden 13 virtuell aufspannbar ist.

Die Gesamtlänge GL der Fläche F wiederum ist abhängig von einem Abstand zweier benachbart positionierter Laufschaufeln 3. Der Abstand zweier benachbart positionierter Laufschaufeln 3 entspricht einer Schaufelkanalbreite in Umfangsrichtung und ist somit der Abstand, welcher im Uhrzeigersinn betrachtet, zwischen der ersten Endkurve 14 und der zweiten Endkurve 15 ausgebildet ist.

In Fig. 4 zeigt ein Diagramm, welches Spannungsverhältnisse in einem Verdichterrad zeigt, wobei die Gesamtlänge GL und der Winkels oc variiert sind. Ausgehend von dem in Abb. a) dargestellten Verdichterrad 1 , welches keinen variabel ausgebildeten

Schaufelkanalboden 13 aufweist, ist mit ansteigender Gesamtlänge GL und

ansteigendem Winkel α eine deutliche Spannungsreduzierung erzielbar.

Als besonders vorteilhaft hat sich gezeigt, wie in Fig. 4, Abb. b) dargestellt, dass die Gesamtlänge GL eine Mindestlänge mit einem Wert von 1 mm und der Winkel oc einen Wert von 0,5° nicht unterschreiten sollte, damit eine Spannungsreduzierung erzielbar ist. Aus Gründen der Anschaubarkeit weisen die Abbildungen nur die notwendigsten

Bezugszeichen auf.

Das erfinderische Laufrad 1 in Form eines Verdichterrades, welches gemäß Fig. 4, Abb. e) ausgebildet ist, ist, bezogen auf einen Abstand zwischen der Drehachse D und dem Schaufelkanalboden 13 ein höchster Punkt bzw. eine höchste Kurve des

Schaufelkanalbodens 13 nicht zwingenderweise mit der ersten Endkurve 14

übereinstimmend. Dies ist darin begründet, dass je nach Ausgestaltung des Laufradesl sowie dessen Belastungsverlaufes bzw. Belastungszyklus und der maximalen Belastung bzw. der daraus resultierenden Beanspruchung eine entsprechend angepasste

Ausgestaltung des Schaufelkanalbodens 13 notwendig ist.

Der erste Übergangsbereich 6 ist sich in axialer Richtung der Nabe 2 erstreckend weitestgehend konstant mit der ersten Krümmung K1 ausgebildet, wobei die Fläche F des Schaufelkanalbodens 13 bezüglich der Gesamtlänge GL sowie des Winkels α sich ausgehend von einem nicht näher dargestellten Radeintritt hin zum Radaustritt 11 vergrößert.

Im Betriebs des Verdichterrads 1 strömt die von der Verbrennungskraftmaschine angesaugte Luft das Verdichterrad 1 über den nicht näher dargestellten Radeintritt an, wobei die Laufschaufeln 3 umströmt werden. Über den Radaustritt 11 strömt die Luft in einen überwiegend diffusorartig ausgebildeten nicht näher dargestellten Kanal, wobei die Luft verdichtet wird.

In Strömungsrichtung der Luft, somit ausgehend vom Radeintritt hin zum Radaustritt 11 steigen die Belastungen und damit die Spannungen in dem ersten Übergangsbereich 6 und in dem zweiten Übergangsbereich 7 an, wobei insbesondere im ersten

Übergangsbereich 6, da im Druckbereich ausgebildet, die größeren Spannungen auftreten. Damit eine besonders hohe Lebensdauer des Verdichterrades 1 erzielt werden kann, weist beispielsweise der erste Übergangsbereich 6 ausgehend vom Radeintritt über eine Längserstreckung von ca. 65% einer gesamten Länge der Laufschaufeln 3 den konstanten Krümmungsradius R1 auf.

Die Fläche F ist ab ca. 65% der gesamten Länge der Laufschaufel 3 sich ausgehend von einem Wert der Gesamtlänge GL mit 0 mm sowie einem Wert dem Winkel α von 0° sich stetig vergrößernd ausgebildet, wobei am Radaustritt 11 der Wert der Gesamtlänge GL auf ca. die Hälfte des Abstandes zweier benachbarter Laufschaufeln 3 sowie der Wert des Winkel α auf ca. 10° gestiegen ist. Der erste Übergangsbereich 6 weist somit eine Fläche F auf, welche in Verbindung mit einer radialen Ausdehnung des ersten Übergangsbereiches 6 als rampenartig ausgebildeter Bereich am Radaustritt 1 1 ausgestaltet ist.

Damit werden die vom Radeintritt hin zum Radaustritt 11 ansteigenden Spannungen in dem ersten Übergangsbereich 6 gering gehalten, da der Schaufelkanalboden 13 im Bereich des ersten Übergangsbereiches 6 an die ansteigenden Belastungen und den daraus resultierenden Spannungen angepasst ausgebildet ist.

Diese an einen entsprechenden Bedarf anpassbare Ausgestaltung des

Schaufelkanalbodens 13 bedeutet einen effizienten Materialeinsatz zur Ausgestaltung des Verdichterrads 1 , wodurch dieses ein sehr geringes Gewicht sowie sehr geringe Kosten aufweist bei gleichzeitiger Realisierung einer sehr hohen Lebensdauer. Bei dem Verdichterrad 1 ist somit der Schaufelkanalboden 13 in Bereichen, in welchen hohe Belastungen und damit hohe Spannungen vorliegen, abweichend zu den Bereichen, in welchen geringere Belastungen bzw. Spannungen vorliegen, ausgebildet. Somit ist eine Vermeidung insbesondere einer Rissbildung im Übergangsbereich 6, welche zu einem vorzeitigen Versagen des Verdichterrads 1 führt, realisiert.

Vorliegend ist ein Laufrad 1 beispielhaft beschrieben, dessen Schaufelkanalboden 13 im Bereich des ersten Übergangsbereich 6 auf der Saugseite 4 der Laufschaufel 3 variabel ausgebildet ist. Ebenso könnte auch der Schaufelkanalboden 13 im Bereich des zweiten Übergangsbereiches sich von dem zweiten Übergangsbereich 7 auf der Druckseite 5 der Laufschaufel 3 variabel ausgebildet ist. Die Ausbildung des Schaufelkanalbodens 13 im Bereich des ersten Übergangsbereiches 6 bzw. im Bereich des zweiten

Übergangsbereiches 7 sind der Neigung der Laufschaufel 3 gegenüber der Nabe 2 anzupassend auszubilden. Beispielsweise ist bei einer Neigung der Laufschaufel 3 in Richtung der Saugseite 4 insbesondere der Schaufelkanalboden 13 im Bereich des zweiten Übergangsbereiches 5 entsprechend variabel auszugestalten. Oder vorteilhafter ist der Schaufelkanalboden 13 sowohl im Bereich des ersten Übergangsbereiches 4 als auch im Bereich des zweiten Übergangsbereiches 5 bei einer weitestgehend ungeneigten Laufschaufel 3 variabel auszugestalten.

Es sei daraufhin gewiesen, dass die Gestaltung eines Laufrades 1 beispielhaft für ein Laufrad in Form eines Verdichterrades beschrieben ist, wobei allerdings ebenso ein Turbinenrad entsprechend ausgestaltet sein kann. Allerdings ist hier der Radeintrittsbereich des Turbinenrades gemäß dem Radaustrittsbereich des

Verdichterrades zu gestalten, da im Turbinenrad die größeren Spannung am Radeintritt auftreten.

Das Laufrad 1 ist sowohl mit Hilfe eines Fräsverfahrens als auch mit Hilfe eines

Gießverfahrens herstellbar. Sofern die Erzielung einer von einem Kreisabschnitt abweichenden Krümmung K, somit eine ellipsenabschnittsähnliche Ausgestaltung der Krümmung K angestrebt ist, wird dies gemäß dem Stand der Technik im Fräsverfahren durch Aneinanderlegen unterschiedlicher Radien Rx erzielt. Dies hat zur Folge, dass zumindest mikroskopisch betrachtet die Oberfläche der Krümmung K nicht gleichmäßig ausgestaltet ist, sondern Spitzen 16 aufweist, wie in Fig. 5 dargestellt. Insbesondere für einen Einsatz als ein Verdichterlaufrad für einen Abgasturbolader einer

Verbrennungskraftmaschine eines PKW ist das erfindungsgemäße Laufrad 1 besonders vorteilhaft geeignet, da ohne einen zusätzlichen Fertigungskostenaufwand sehr große Spannungsreduktionen und somit eine deutlich verbesserte Lebensdauer erzielbar ist.

Insbesondere ist das Laufrad 1 aus beispielsweise dem Werkstoff Inconel 713C , Inconel 718, MAR246 oder TiAl herzustellen.

Claims

Patentansprüche

1. Laufrad für eine Fluidenergiemaschine, mit einer Nabe (2) und mit einer von einem die Fluidenergiemaschine durchströmendem Medium umströmbaren Mehrzahl von Laufschaufeln (3), und wobei zwischen jeweils zwei nebeneinander positionierten Laufschaufeln (3) ein Schaufelkanal (12) ausgebildet ist mit einer

Schaufelkanallänge (SL), welche sich in axialer Richtung des Laufrades (1 ) erstreckt, wobei jede Laufschaufel (3) über einen wenigstens eine erste Krümmung (K1 ) aufweisenden ersten Übergangsbereich (6) und einen wenigstens eine zweite Krümmung (K2) aufweisenden zweiten Übergangsbereich (7) mit der Nabe (2) verbunden ist,

dadurch gekennzeichnet, dass

ein Schaufelkanalboden (13) des Schaufelkanals (12) zwischen dem ersten

Übergangsbereich (6) und dem zweiten Übergangsbereich (7) zumindest bereichsweise variabel ausgebildet ist.

2. Laufrad nach Anspruch 1 ,

dadurch gekennzeichnet, dass

der Schaufelkanalboden (13) zumindest teilweise einer überwiegend eben ausgebildeten Fläche (F) anpassbar ausgestaltet ist, wobei die Fläche (F) gegenüber einer Nabentangentenfläche (NT) geneigt ausgebildet ist und mit der Nabentangentenfläche (NT) einen Winkel (a) einschließt, wobei eine Schnittlinie (S) zwischen der Fläche (F) und der Nabentangentenfläche (NT) eine sich in

Umfangsrichtung der Nabe (2) erstreckende Gesamtlänge (GL) der Fläche (F) bestimmt.

3. Laufrad nach Anspruch 2,

dadurch gekennzeichnet, dass sofern das Laufrad (1 ) in Form eines Verdichterrades ausgebildet ist zumindest an einem Radaustritt (11 ) oder sofern das Laufrad (1 ) in Form eines Turbinenrades ausgebildet ist zumindest an einem Radeintritt der Winkel (a) einen Wert in einem Wertebereich zwischen 0,5° und 10° aufweist.

Laufrad nach Anspruch 2 oder 3,

dadurch gekennzeichnet, dass

sofern das Laufrad (1 ) in Form eines Verdichterrades ausgebildet ist zumindest an einem Radaustritt (11 ) oder sofern das Laufrad (1 ) in Form eines Turbinenrades ausgebildet ist zumindest an einem Radeintritt die Gesamtlänge (GL) der Fläche (F) einen Wert in einem Wertebereich zwischen 1 mm und der Hälfte eines Abstandes zweier zueinander benachbarter Laufschaufeln (3) aufweist.

Laufrad nach einem der Ansprüche 2 bis 4,

dadurch gekennzeichnet, dass

die Gesamtlänge (GL) der Fläche (F) sofern das Laufrad (1 ) in Form eines

Verdichterrades ausgebildet ist in Richtung des Radeintritts oder sofern das Laufrad (1 ) in Form eines Turbinenrades ausgebildet ist in Richtung des Radaustritts (11 ) stetig abnehmend ausgebildet ist.

Laufrad nach Anspruch 5,

dadurch gekennzeichnet, dass

die Gesamtlänge (GL) sofern das Laufrad (1 ) in Form eines Verdichterrades ausgebildet ist ausgehend von dem Radaustritt (11 ) in Richtung des Radeintritts oder sofern das Laufrad (1 ) in Form eines Turbinenrades ausgebildet ist ausgehend von dem Radeintritt in Richtung des Radaustritts (11 ) bei ca. 35% einer gesamten Länge der Laufschaufel (3) einen Wert von 0mm aufweist

Laufrad nach einem der Ansprüche 2 bis 6,

dadurch gekennzeichnet, dass

sofern das Laufrad (1 ) in Form eines Verdichterrades ausgebildet ist ausgehend vom Radaustritt (11 ) in Richtung des Radeintritts oder sofern das Laufrad (1 ) in Form eines Turbinenrades ausgebildet ist ausgehend vom Radeintritt in Richtung des Radaustritts (11) der Winkel (a) stetig abnehmend ausgebildet ist.

8. Laufrad nach einem der Ansprüche 2 bis 7,

dadurch gekennzeichnet, dass

sofern das Laufrad in (1 ) Form eines Verdichterrades ausgebildet ist ausgehend vom Radaustritt (11 ) in Richtung des Radeintritts oder sofern das Laufrad (1 ) in Form eines Turbinenrades ausgebildet ist ausgehend vom Radeintritt in Richtung des Radaustritts (11 ) der Winkel (a) bei ca. 35% einer gesamten Länge der Laufschaufel (3) eine Wert von 0° aufweist.

9. Laufrad nach einem der vorherigen Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass

der erste Übergangsbereich (6) vom zweiten Übergangsbereich (7) abweichend ausgebildet ist.

10. Laufrad nach einem der vorherigen Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass

das Laufrad (1 ) im Wesentlichen aus Aluminium ausgebildet ist.