Turbinenrad

Abstract

 Turbinenrad (1) mit einer Nabe (15) und Laufschaufeln (14), wobei
jede Laufschaufel (14) jeweils entlang eines Nabenschnitts (12) mit der Nabe verbunden ist,
die Laufschaufeln derart ausgebildet und auf der Nabe angeordnet sind, dass der Nabenschnitt (12) von der radialen Richtung abweichend, zur Druckseite der Laufschaufel hin gebogen verläuft, und
die Nabe zwischen jeweils zwei benachbarten Laufschaufeln im Bereich einer Nabenrückwand eine Scallopingkontur (11) aufweist.
Der Nabenschnitt (12) jeder Laufschaufel (14) ist bezüglich der Scallopingfläche (F₁,F₂) derart platziert, dass diese Fläche durch die Laufschaufel möglichst symmetrisch abgestützt ist.
Das Turbinenrad mit dreidimensional gekrümmten Laufschaufeln und Scalloping im Bereich der Nabenrückwand weist dadurch weniger, aufgrund von Scallopingverformungen auftretenden Spannungen auf.

Beschreibung

Technisches Gebiet

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Abgasturbolader. Sie betrifft ein Turbinenrad mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs.

[0002] Kompakte Abgasturbolader verfügen in der Regel über streng radial (Radialturbine) oder schräg (Mixed-Flow-Turbine) angeströmte Abgasturbinen. Der Abgasstrom wird durch das Turbinenrad umgelenkt und strömt in axialer Richtung ab.

[0003] Die Turbinenräder von Radial- und Mixed-Flow-Turbinen sind oft mit einem Scalloping versehen. Das Scalloping bezeichnet eine Aussparung in der Rückwand der Nabe des Turbinenrades zwischen den einzelnen Laufschaufeln. Das Scalloping dient hauptsächlich dazu das Massenträgheitsmoment zu reduzieren, indem im radial äussersten Bereich des Turbinenrades Material ausgespart wird.

Stand der Technik

[0004] Gemäss US 4,659,288 kann die Scallopingkontur bezüglich der Abgaseintrittskante der einzelnen Laufschaufeln des Turbinenrades symmetrisch ausgebildet sein. Die Scallopingkontur verläuft zur Abgaseintrittskante hin spitz oder abgerundet. Im radial innersten Punkt der Scallopingkontur, also im tiefsten Punkt der Aussparung in der Rückwand der Nabe des Turbinenrades, ist die Scallopingkontur in der Regel ebenfalls abgerundet, so dass es von Abgaseintrittskante zu Abgaseintrittskante benachbarter Laufschaufeln zu einem kontinuierlich verlaufenden Scallopingkontur kommt.

[0005] Alternativ kann die Scallopingkontur, wie etwa in EP 1 462 607 A1 dargestellt, zwischen den Abgaseintrittskanten benachbarter Laufschaufeln einen asymmetrischen Verlauf nehmen.

[0006] Insbesondere bei Mixed-Flow-Turbinen sind die Laufschaufeln dreidimensional gekrümmt ausgebildet. Einerseits weist der jeweilige Nabenschnitt, also der Übergang einer Laufschaufel auf die Nabe, bezüglich der Radialen einen gekrümmten Verlauf auf. Andererseits ist die Nabe im Bereich gegen den radial äussersten Rand nach hinten zur Turbinenwelle hin geneigt. Aufgrund der dreidimensionalen Schaufelform kann es bei hoher Drehzahl und der thermischen Belastung des Turbinenrades zu einer asymmetrischen Verformung im Bereich des Scalloping kommen. Die Rückwand der Nabe im Falle einer symmetrischen Scallopingkontur gemäss der Darstellung in Fig. 2 durch die starken Fliehkräfte radial nach aussen gezogen. Insbesondere die Fläche auf der Druckseite der Laufschaufel verdreht sich um den Fuss der Laufschaufel, wie dies mit dem dicken Pfeil in der Figur angedeutet ist. Dadurch entstehen im Bereich der Scallopingkontur, insbesondere im tiefsten Punkt hohe Spannungen, die für das Turbinenrad lebensdauerbeschränkend sein können.

Kurze Darstellung der Erfindung

[0007] Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Turbinenrad mit dreidimensional gekrümmten Laufschaufeln und Scalloping im Bereich der Nabenrückwand zu schaffen, bei welchem im Betrieb die aufgrund von Scallopingverformungen auftretenden Spannungen verringert sind.

[0008] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass der Nabenschnitt jeder Laufschaufel bezüglich der Scallopingfläche derart platziert wird, dass diese Fläche möglichst symmetrisch abgestützt ist.

[0009] Hierfür wird die Laufschaufel bezüglich der Scallopingkontur zur Druckseite hin verschoben. Die Abgaseintrittskante der zur Druckseite hin gebogenen Laufschaufel befindet sich bei einer wellenförmigen, symmetrischen Scallopingkontur somit nicht auf dem höchsten Punkt der Scallopingkontur, sonder zur Druckseite hin verschoben.

[0010] In einer vorteilhaften Ausführungsform teilt der Nabenschnitt der Laufschaufel die von der Scallopingkontur begrenzte Fläche der Rückwand der Wellennabe in zwei gleich grosse Teilflächen. Die Belastung der beiden Teilflächen bezüglich der Verformung im Betrieb werden dadurch angeglichen und die einseitige Höchstbelastung reduziert.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

[0011] Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Figuren genauer erläutert. Hierbei zeigt

Fig. 1

ein unter Belastung dargestelltes, erfindungsgemäss ausgeführtes Turbinenrad mit bezüglich dem Symmetriepunkt der Scallopingkontur verschobenen Abgaseintrittskanten der Laufschaufeln,

Fig. 2

ein unter Belastung dargestelltes Turbinenrad gemäss dem Stand der Technik, mit im Symmetriepunkt der Scallopingkontur angeordneten Abgaseintrittskanten der Laufschaufeln,

Fig. 3

eine schematische Darstellung der Rückwand der Nabe des Turbinenrades nach Fig. 1 in einem axial geführten Schnitt, und

Fig.4

eine schematische Darstellung der Rückwand der Nabe des Turbinenrades nach Fig. 3 in einem entlang der Nabenoberfläche (IV-IV) geführten Schnitt.

Weg zur Ausführung der Erfindung

[0012] Das Turbinenrad gemäss Fig. 1 weist eine Nabe 15 und mehrere, rund um die Nabe angeordnete Laufschaufeln 14 auf. Die Nabe ist am Ende einer drehbar im Gehäuse eines Abgasturboladers gelagerten Turbinenwelle 2 angeordnet. Die Nabe kann mit der Turbinenwelle materialschlüssig oder über eine Gewindeverbindung verbunden sein. Am anderen Ende der Turbinenwelle ist ein nicht dargestelltes Verdichterrad angeordnet. Im Betrieb treibt das Turbinenrad das Verdichterrad an. Das dargestellte Turbinenrad einer Mixed-Flow-Turbine weist nur einige wenige Laufschaufeln auf. Die Anzahl der Laufschaufeln kann je nach Betriebsanforderungen frei gewählt werden. Die Eintrittskanten 16 der Laufschaufeln des Turbinenrades sind bei der Mixed-Flow-Turbine senkrecht zur Strömungsrichtung angeordnet. Dabei sind die Eintrittskante nicht wie bei der Radial-Turbine senkrecht zur Radialen, sondern schräg zur Radialen geneigt angeordnet. Zusätzlich ist die Rückwand der Nabe zum radial äussersten Bereich des Turbinenrades zur Turbinenwelle hin geneigt ausgebildet. Dieser radial äusserste Bereich der Nabe weist eine Scallopingkontur auf, d.h. jeweils zwischen zwei Laufschaufeln ist von der Nabenrückwand Material ausgespart.

[0013] Die Laufschaufeln und die Nabe des Turbinenrades sind in der Regel einstückig gegossen oder gefräst, d.h. die Laufschaufeln sind fest mit der Nabe verbunden. Im Bereich der Befestigung ergibt sich eine Schnittkurve zwischen der Laufschaufelkontur und der Nabenoberfläche. Zur verständlicheren Erläuterung der Erfindung und zur vereinfachten Darstellung ist der Nabenschnitt 12 in den Figuren auf eine Linie reduziert. In der Fig. 4 ist jedoch neben dem Nabenschnitt 12 gepunktet auch der effektive Verlauf der Schnittkurve zwischen Laufschaufelkontur und Nabenoberfläche angedeutet.

[0014] Wie bereits eingangs geschildert sind die Laufschaufeln der Turbinenräder dreidimensional gebogen. Der Nabenschnitt 12 weist somit gemäss Fig. 3 und Fig. 4 einen doppelt gekrümmten Verlauf auf.

[0015] Die Laufschaufeln des erfindungsgemässen Turbinenrades sind bezüglich der Scallopingkontur 11 so angeordnet, dass die Flächen der Nabenrückwand auf beiden Seiten der Laufschaufeln gleichmässig abgestützt sind. Anhand der Fig. 4 lässt sich dies einfach erläutern.

[0016] Würde ein gedachter Nabenschnitt der Laufschaufel gemäss der gestrichelten Linie 12' verlaufen, so kreuzte die Eintrittskante der Laufschaufel die Scallopingkontur 11 im Symmetriepunkt C. Im dargestellten Fall mit der wellenförmigen Scallopingkontur wäre dies der höchste Punkt der Welle. Die Flächen auf den beiden Seiten des gedachten Nabenschnitts 12' wären unterschiedlich gross und bezüglich dem Verlauf des gedachten Nabenschnitts 12' ungleich verteilt. Im Betrieb der Turbine, bei hohen Drehzahlen würde die Nabenrückwand im Bereich der grösseren Fläche auf der Druckseite der Laufschaufel verdreht. Die von der Radialen abweichend zur Welle hin geneigte Nabenwand würde von den Fliehkräften erfasst und in Richtung nach radial aussen verformt.

[0017] Diese Verdrehung ist auch in der Darstellung des Turbinenrades gemäss dem Stand der Technik aus Fig. 2 deutlich zu sehen und mit einem Pfeil verdeutlicht. Die Figur zeigt ein Turbinenrad unter Belastung, so dass die durch die Fliehkräfte verursachten Verformungen sichtbar gemacht sind. Die radial äusserste Kante der Nabe des Turbinenrades wird aufgrund dieser Verdrehung mit einer hohen Spannung belastet.

[0018] Verläuft nun aber der Nabenschnitt 12 der Laufschaufel erfindungsgemäss bezüglich dem Symmetriepunkt C der Scallopingkontur zur Druckseite hin versetzt, werden die beiden Flächen F₁ und F₂ einander angeglichen. Die beiden Flächen werden von der Scallopingkontur 11 einerseits, und von einer Verbindungslinie zwischen den saugseitig und druckseitig der Laufschaufel radial innenliegendsten Punkten A und B der Scallopingkontur andererseits begrenzt. Der gekrümmte Nabenschnitt 12 verläuft nunmehr mitten durch die beiden Flächen und stützt diese optimal ab. Die Verdrehungen aufgrund der Fliehkräfte werden kleiner und das Turbinenrad wird geringeren Spannungen ausgesetzt. Diese geringfügigeren Verdrehungen sind auch der Darstellung des erfindungsgemässen Turbinenrades gemäss Fig. 1 zu entnehmen. Die beiden Pfeile deuten die geringfügigen Verformungen an. Die Figur zeigt das Turbinenrad unter derselben Belastung wie das Turbinenrad gemäss Fig. 2. Die radial äusserste Kante der Nabe des Turbinenrades wird aufgrund dieser geringfügigeren Verdrehungen mit deutlich geringerer Spannung belastet.

[0019] Das genaue Ausmass der Verschiebung der Laufschaufel bezüglich der Scallopingkontur ist abhängig von verschiedenen Faktoren. Beispielsweise ist die Krümmung des Nabenschnitts und die genaue Form der Scallopingkontur von Bedeutung.

[0020] Die Scallopingkontur der dargestellten Turbinenräder weist einen symmetrischen, wellenförmigen Verlauf auf. Alternativ kann die Scallopingkontur jedoch auch einen asymmetrischen Verlauf aufweisen und kann etwa dem Verlauf der Laufschaufel im Bereich des Nabenschnitts angepasst verlaufen.

Bezugszeichenliste

[0021] 

1

Turbinenrad

2

Turbinen-Welle

11

Scallopingkontur

12, 12'

Nabenschnitt

13

Radiale, welche die Nabenfläche innerhalb der Scallopingkontur halbiert

14

Turbinen-Laufschaufel

15

Turbinenrad-Nabe

16

Abgaseintrittskante

A

Druckseitig radial innerster (tiefster) Punkte der Scallopingkontur

B

Saugseitig radial innerster (tiefster) Punkte der Scallopingkontur

C

Schnittpunkt der Radialen mit der Scallopingkontur

R₁₁

maximaler Aussenradius des Rückhaltevorsprungs

F₁

Druckseitige Nabenfläche innerhalb Scallopingkontur

F₂

Saugseitige Nabenfläche innerhalb Scallopingkontur

Ansprüche

1. Turbinenrad (1) mit einer Nabe (15) und Laufschaufeln (14), wobei
jede Laufschaufel (14) jeweils entlang eines Nabenschnitts (12) mit der Nabe verbunden ist,
die Laufschaufeln derart ausgebildet und auf der Nabe angeordnet sind, dass der Nabenschnitt (12) von der radialen Richtung abweichend, zur Druckseite der Laufschaufel hin gebogen verläuft, und
die Nabe zwischen jeweils zwei benachbarten Laufschaufeln im Bereich einer Nabenrückwand eine Scallopingkontur (11) aufweist,
dadurch gekennzeichnet, dass
im Bereich jeder Laufschaufel eine Nabenfläche (F₁ + F₂) von der Scallopingkontur zwischen den saugseitig und druckseitig der Laufschaufel radial innenliegendsten Punkten (A, B) der Scallopingkontur und einer durch diese beiden Punkte verlaufenden Gerade begrenzt ist, dass
eine Radiale (13) die Nabenfläche (F₁ + F₂) halbiert, dass
ein gedachter Nabenschnitt (12') die Scallopingkontur (11) in dem Schnittpunkt (C) schneidet, in welchem auch die Radiale (13) die Scallopingkontur schneidet, welche, und dass
der Nabenschnitt (12) jeder Laufschaufel (14) jeweils bezüglich des gedachten Nabenschnitts (12') versetzt angeordnet ist.

2. Turbinenrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Nabenschnitt (12) bezüglich des gedachten Nabenschnitts zur Druckseite der Laufschaufel hin versetzt angeordnet ist.

3. Turbinenrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Nabenschnitt (12) jeder Laufschaufel die von der Scallopingkontur zwischen den saugseitig und druckseitig der Laufschaufel radial innenliegendsten Punkten (A, B) der Scallopingkontur und einer durch diese beiden Punkte verlaufenden Gerade begrenzte Nabenfläche (F₁ + F₂) halbiert.

4. Abgasturbolader, gekennzeichnet durch eine Abgasturbine mit einem Turbinenrad nach einem der Ansprüche 1 bis 3.

Zeichnung