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Title:
ROTOR FOR A TURBOMACHINE, IN PARTICULAR OF A MOTOR VEHICLE
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2018/072866
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a rotor (12) for a turbomachine, in particular of a motor vehicle. The rotor (12) has at least one shaft (14), at least one impeller wheel (16) arranged on the shaft (14) and connected to the shaft (14) for conjoint rotation, and at least one fastening element (18, 34), which is supported on the impeller wheel (16) by means of contact surfaces (26, 30, 36, 38) that are in contact with each other, in order to fix the impeller wheel (16) on the shaft (14) in an axial direction. At least one portion of the contact surface (30, 36) of the fastening element (18, 34) covers at least one portion of the contact surface (26, 38) of the impeller wheel (16) in a radially outward direction.

Inventors:
MUELLER, Markus (Fuggerstr. 51, Waiblingen, 71332, DE)
GREGORY, Jens (G.-Hauptmann-Str. 15, Remshalden, 73630, DE)
ORLICH, Juergen (Schwabstr. 3, Herrenberg, 71083, DE)
KRAETSCHMER, Stephan (Hainstrasse 9, Schwaebisch Gmuend, 73527, DE)
Application Number:
EP2017/001183
Publication Date:
April 26, 2018
Filing Date:
October 06, 2017
Export Citation:
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Assignee:
DAIMLER AG (Mercedesstraße 137, Stuttgart, 70327, DE)
International Classes:
F04D29/26; F01D5/02
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Claims:
Patentansprüche

1. Rotor (12) für eine Strömungsmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, mit wenigstens einer Welle (14), mit wenigstens einem auf der Welle (14)

angeordneten und drehfest mit der Welle (14) verbundenen Laufrad (16), und mit wenigstens einem über jeweilige, sich berührende Kontaktflächen (26, 30, 36, 38) an dem Laufrad (16) abgestützten Befestigungselement (18, 34) zum axialen Festlegen des Laufrades (16) auf der Welle (14),

dadurch gekennzeichnet, dass

zumindest ein Teilbereich der Kontaktfläche (26, 38) des Laufrades (16) in radialer Richtung nach außen von zumindest einem Teilbereich der Kontaktfläche (30, 36) des Befestigungselements (18, 34) überdeckt ist.

2. Rotor nach Anspruch 1 ,

dadurch gekennzeichnet, dass

die Kontaktflächen (26, 30, 36, 38) schräg zur axialen Richtung verlaufen.

3. Rotor nach Anspruch 1 oder 2,

dadurch gekennzeichnet, dass

die Kontaktflächen (26, 30, 36, 38) jeweils konusförmig ausgebildet sind.

4. Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass

das Laufrad (16) mit dem Befestigungselement (18, 34) in axialer Richtung verspannt ist.

5. Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass

das Befestigungselement (18) auf einer ersten Seite des Laufrades (16) angeordnet ist, wobei der Rotor (12) ein auf einer der ersten Seite in axialer Richtung abgewandten zweiten Seite des Laufrades (16) auf der Welle (14) angeordnetes, über jeweilige weitere, sich berührende Kontaktflächen (36, 38) an dem Laufrad (16) abgestütztes zweites Befestigungselement (34) zum axialen Festlegen des Laufrades (16) auf der Welle (14) umfasst, und wobei zumindest ein Teilbereich der weiteren Kontaktfläche (38) des Laufrades (16) in radialer Richtung nach außen von zumindest einem Teilbereich der weiteren Kontaktfläche (36) des zweiten

Befestigungselements (34) überdeckt ist.

6. Rotor nach Anspruch 5,

dadurch gekennzeichnet, dass

das erste Befestigungselement (18) eine Anlaufscheibe ist, welche auf die Welle (14) aufgesteckt ist.

7. Rotor nach Anspruch 5 oder 6,

dadurch gekennzeichnet, dass

das zweite Befestigungselement (34) als eine auf die Welle (14) aufgeschraubte Mutter ausgebildet ist, mittels welcher unter axialem Verspannen des Laufrades (16) mit der Mutter das Laufrad (16) gegen das erste Befestigungselement (18) in axialer Richtung gespannt ist.

8. Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass

das Laufrad (16) als ein Verdichterrad zum Verdichten von Luft ausgebildet ist.

9. Strömungsmaschine für ein Kraftfahrzeug, mit wenigstens einem Rotor (12), welcher wenigstens eine Welle (14), wenigstens ein auf der Welle (14)

angeordnetes und drehfest mit der Welle (14) verbundenes Laufrad (16), und wenigstens ein über jeweilige, sich berührende Kontaktflächen (26, 30, 36, 38) an dem Laufrad (16) abgestütztes Befestigungselement (18, 34) zum axialen

Festlegen des Laufrades (16) auf der Welle (14) aufweist,

dadurch gekennzeichnet, dass

zumindest ein Teilbereich der Kontaktfläche (26, 38) des Laufrades (16) in radialer Richtung nach außen von zumindest einem Teilbereich der Kontaktfläche (30, 36) des Befestigungselements (18, 34) überdeckt ist.

Description:
Rotor für eine Strömungsmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs

Die Erfindung betrifft einen Rotor für eine Strömungsmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art.

Um einen besonders effizienten Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine zu erreichen, wird Luft für die Verbrennungskraftmaschine üblicherweise durch eine

Strömungsmaschine, die z. B. als Abgasturbolader ausgebildet sein kann, verdichtet, bevor die Luft einem Brennraum der Verbrennungskraftmaschine zugeführt wird. Dabei kommt in dem Abgasturbolader ein solcher Rotor zum Einsatz.

Zum Beispiel offenbart die DE 102014203840 A1 einen herkömmlichen Rotor für einen Abgasturbolader, mit wenigstens einer Welle, mit wenigstens einem auf der Welle angeordneten und drehfest mit der Welle verbundenen Laufrad, welches als Turbinenrad oder Verdichterrad ausgebildet sein kann. Weiter weist der Abgasturbolader wenigstens eine über jeweilige, sich berührende Kontaktflächen an dem Laufrad abgestützten Befestigungselement zum axialen Festlegen des Laufrades auf der Welle auf. Dabei ist das Befestigungselement an der Welle über einen Kegelsitz abgestützt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Rotor der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, dass eine besonders lange Lebensdauer des Rotors erreicht wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Rotor mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen

Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Patentansprüchen angegeben.

Um einen Rotor derart weiterzuentwickeln, dass der Rotor eine besonders lange

Lebensdauer hat, wird erfindungsgemäß ein Rotor für eine Strömungsmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs bereitgestellt, mit wenigstens einer Welle, mit wenigstens einem auf der Welle angeordneten und drehfest mit der Welle verbundenen Laufrad, und mit wenigstens einem über jeweilige, sich berührende Kontaktflächen an dem Laufrad abgestützten Befestigungselement zum axialen Festlegen des Laufrades auf der Welle, wobei zumindest ein Teilbereich der Kontaktfläche des Laufrades in radialer Richtung nach außen von zumindest einem Teilbereich der Kontaktfläche des Befestigungselements überdeckt ist.

Beispielsweise ist an dem Befestigungselement eine Aufnahme, insbesondere eine trichterförmige Lagerschale vorgesehen. Eine an dem Laufrad ausgebildete

Hervorstehung, die eine zu der trichterförmigen Lagerschale korrespondierende Form hat, ist in die Lagerschale in axialer Richtung eingeführt, sodass die Lagerschale zumindest einen Teil der Hervorstehung umschließt. Dabei berühren sich die

Kontaktfläche des Laufrades und die Kontaktfläche des Befestigungselements und liegen idealerweise bündig aneinander an. Zwischen den Kontaktflächen ist also eine Passform vorhanden. Mittels dieser Passform sind das Befestigungselement und das Laufrad durch bei einem Betrieb auftretende Fliehkräfte bzw. Zentrifugalkräfte miteinander verklemmt. Da die Kontaktfläche des Laufrades erfindungsgemäß zumindest teilweise von der Kontaktfläche des Befestigungselements umschlossen ist, wird die Kontaktfläche des Laufrades bei einer radialen Dehnung und der damit einhergehenden Aufweitung des Durchmessers des Laufrades gehalten.

Der Erfindung liegen insbesondere folgende Erkenntnisse zugrunde: Während eines Betriebs der Strömungsmaschine, insbesondere des Abgasturboladers, ist ein solcher Rotor hohen thermischen und/oder mechanischen Belastungen unterworfen.

Beispielsweise kann ein bei einer besonders hohen Drehzahl betriebener Rotor durch darauf einwirkende Zentrifugalkräfte wachsen. Dies bedeutet, dass ein Materialgefüge des Rotors in radialer Richtung einer elastischen Verformung unterworfen ist, also nach außen hin gedehnt und Spannungen ausgesetzt wird. Bei gleicher Drehzahl wachsen das Befestigungselement und die Welle weniger bzw. werden das Befestigungselement und die Welle in einem geringeren Maße gedehnt als das Laufrad, da sie geringeren

Zentrifugalkräften unterworfen sind bzw. da sie einen geringeren Durchmesser als das Laufrad haben. Da ein Durchmesser eines Durchgangslochs des Laufrades während des Betriebs aufgeweitet wird, sich aber der Durchmesser der Welle nicht in einem gleichen Maße ebenfalls aufgeweitet wird, kann aufgrund der Zentrifugalkräfte eine

Relativbewegung zwischen dem auf der Welle sitzenden Laufrad und der Welle entstehen. Durch diese Relativbewegung tritt zwischen dem Laufrad und der Welle eine unerwünschte Gleitreibung auf, welche auf Dauer zu einem erheblichen Schaden des Rotors führt, welcher in ein Versagen des Rotors mündet.

Untersuchungen haben ferner gezeigt, dass mit einer Dehnung in radialer Richtung des Laufrades eine axiale Stauchung des Laufrades einhergehen kann, d. h. ein Maß des Laufrades in axialer Richtung ist während des Betriebs geringer als während eines Stillstands des Rotors. Einem Entfernen der im Stillstand bzw. bei niedriger Drehzahl aneinander anliegenden Kontaktflächen wird üblicherweise durch ein Vorspannen mittels des Befestigungselements der Welle in axialer Richtung entgegengewirkt. Verringert sich also während des Betriebs das Maß des Laufrades in axialer Richtung, kann sich die vorgespannte Welle zusammenziehen und die axiale Stauchung des Laufrades so ausgleichen, dass die Kontaktflächen während des Betriebs weiter aneinander anliegen.

Unter anderem der zuvor genannte Grund führt dazu, dass eine gewünschte, besonders lange Lebensdauer des Rotors, insbesondere eine Dauerstandfestigkeit des Rotors, nicht erreicht wird. Das heißt, ein herkömmlicher Rotor hat lediglich eine Zeitstandfestigkeit bezogen auf eine vorgegebene Laufradtemperatur.

Dadurch dass zumindest ein Teilbereich des Laufrades in radialer Richtung nach außen von zumindest einem Teilbereich der Kontaktfläche des Befestigungselements überdeckt ist, kann in das Laufrad eine radiale Druckspannung induziert werden, welche den betriebsbelastenden Zentrifugalkräften genau entgegenwirkt. Es können also durch die geometrischen Ausführungen nach Anspruch 1 die Belastung und auftretende

Spannungen für das in Betrieb befindliche Laufrad verringert werden, sodass eine, z. B. in einem Lastenheft geforderte Lebensdauer des Rotors erreicht wird. Insbesondere nimmt eine Zeitstandfestigkeit des Rotors, insbesondere des wenigstens einen Laufrades, bei einer vorgegebenen Laufradtemperatur einen besonders hohen Wert an. Idealerweise strebt der Wert gegen unendlich, d. h. der Rotor hat bei der vorgegebenen

Laufradtemperatur eine Dauerstandfestigkeit.

In einer weiteren Ausführungsform hat es sich als vorteilhaft erwiesen, dass die

Kontaktflächen schräg zur axialen Richtung verlaufen. Beispielsweise hat die jeweilige Kontaktfläche des Laufrades einen ersten radialen Durchmesser und einen zweiten radialen Durchmesser, welche jeweils senkrecht zu der axialen Richtung, also in radialer Richtung liegen, wobei der erste radiale Durchmesser, der nahe am Laufrad ist, größer ist als der zweite radiale Durchmesser, der entfernt vom Laufrad ist. Das hat den Vorteil, dass, im Falle der radialen Dehnung des Laufrades, die beiden schräg zueinander verlaufenden Kontaktflächen miteinander in Berührung stehen, sodass das Laufrad auf der Welle radial zentriert, axial gehalten und sich das Laufrad und die Welle miteinander verspannen, wodurch das Laufrad drehfest mit der Welle verbunden bleibt. Hierdurch kann eine radiale Druckspannung besonders gut in das Laufrad induziert werden, welche den betriebsbelastenden Zentrifugalkräften genau entgegenwirkt.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es von Vorteil, dass die Kontaktflächen jeweils konusförmig ausgebildet sind. Das bedeutet, dass, in einer Schnittebene, in der eine Längsmittenachse der Welle liegt, jeweilige von den Kontaktflächen und der Schnittebene gebildete Schnittgeraden mit der

Längsmittenachse jeweils einen Winkel bilden, der größer 0° und kleiner 90° ist. Das hat den Vorteil, dass, im Falle der radialen Dehnung des Laufrades, die beiden konus- bzw. kegelartig verlaufenden Kontaktflächen weiterhin miteinander in Berührung stehen, sodass das Laufrad auf der Welle radial zentriert, axial gehalten und drehfest mit der Welle verbunden bleibt. Des Weiteren ist ein konusartiger Verlauf der Kontaktflächen in einer Fertigung des Laufrades und des Befestigungselements besonders einfach zu realisieren.

Ferner ist es von Vorteil, dass das Laufrad mit dem Befestigungselement in axialer Richtung verspannt ist. Das bedeutet, dass die Kontaktfläche des Befestigungselements mit der Kontaktfläche des Laufrades untereinander derart in Berührung stehen, dass zwischen dem Laufrad und dem Befestigungselement eine reibschlüssige Verbindung hergestellt ist, sodass eine Rotationsbewegung des Laufrades bezogen auf das

Befestigungselement verhindert ist.

Eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sieht vor, dass das

Befestigungselement auf einer ersten Seite des Laufrades angeordnet ist, wobei der Rotor ein auf einer der ersten Seite in axialer Richtung abgewandten zweiten Seite des Laufrades auf der Welle angeordnetes, über jeweilige weitere, sich berührende

Kontaktflächen an dem Laufrad abgestütztes zweites Befestigungselement zum axialen Festlegen des Laufrades auf der Welle umfasst, und wobei zumindest ein Teilbereich der weiteren Kontaktfläche des Laufrades in radialer Richtung nach außen von zumindest einem Teilbereich der weiteren Kontaktfläche des zweiten Befestigungselements überdeckt ist.

Mit anderen Worten ist das Befestigungselement auf einer ersten Seite des Laufrades angeordnet, wobei der Rotor ein zweites Befestigungselement aufweist, welches auf einer zweiten Seite des Laufrades auf der Welle angeordnet ist. Die zweite Seite des Laufrades ist der ersten Seite in axialer Richtung abgewandt ist und liegt ihr gegenüber. Ferner umfassen die zweite Seite des Laufrades und das zweite Befestigungselement jeweils eine Kontaktfläche. Über diese sich berührenden Kontaktflächen stützt sich das zweite Befestigungselement an dem Laufrad ab, um das Laufrad axial auf der Welle

festzulegen.

Mit wieder anderen Worten weist das zweite Befestigungselement z. B. einen

Aufnahmebereich, insbesondere eine trichterförmige Lagerschale auf. An dem Laufrad ist eine Hervorstehung ausgebildet, die eine zu der trichterförmigen Lagerschale

korrespondierende Form hat. Die Hervorstehung ist in die Lagerschale in axialer Richtung eingeführt, sodass die Lagerschale zumindest einen Teil der Hervorstehung umschließt. Dabei berühren sich die Kontaktfläche des Laufrades und die Kontaktfläche des zweiten Befestigungselements und liegen idealerweise bündig aneinander an. Dabei sind das zweite Befestigungselement und das Laufrad durch bei einem Betrieb auftretende

Fliehkräfte bzw. Zentrifugalkräfte miteinander verklemmt, wodurch eine Relativbewegung des Laufrades auf der Welle verhindert wird.

Vorteilhafterweise ist das erste Befestigungselement eine Anlaufscheibe, welche auf die Welle aufgesteckt ist. Die Anlaufscheibe weist ein gewindeloses Durchgangsloch auf, durch welches die Welle hindurchgeführt werden kann, und das eingerichtet ist, einen Teil der Welle aufzunehmen und zu umschließen. Die Anlaufscheibe sitzt fest auf der Welle, sodass eine Wellenoberfläche und ein Fläche des Durchgangsloches miteinander in Kontakt stehen und idealerweise einen reibschlüssigen Kontakt herstellen, wodurch die Anlaufscheibe drehfest auf der Welle angeordnet ist. Ferner weist die Anlaufscheibe mindestens eine Nut auf, in die jeweils ein an einem Laufradgehäuse fest verspannter Kolbendichtring eingreift, wodurch eine sogenannte Labyrinthdichtung gebildet wird.

Durch einen Einsatz der Anlaufscheibe als Befestigungselement wird einerseits das Laufrad auf der Welle axial festgelegt, und andererseits wird das Laufradgehäuse durch die Labyrinthdichtung abgedichtet, sodass ein Gas, das das Laufrad umströmt nicht unerwünschter Weise aus dem Laufradgehäuse austreten kann.

Als vorteilhaft hat es sich weiter erwiesen, dass das zweite Befestigungselement als eine auf die Welle aufgeschraubte Mutter ausgebildet ist, mittels welcher unter axialem

Verspannen des Laufrades mit der Mutter das Laufrad gegen das erste

Befestigungselement in axialer Richtung gespannt ist. Das bedeutet, dass die Welle an einem freien Ende mit einem Außengewinde versehen ist, und die Mutter, welche als Laufradmutter bezeichnet werden kann, ein zu dem Außengewinde passendes

Innengewinde aufweist. Die Laufradmutter kann so auf die Welle aufgeschraubt werden, dass das Laufrad auf der Welle gehalten wird. Nach einem vollständigen Aufschrauben der Mutter auf die Welle berühren sich die Kontaktfläche der Laufradmutter und die Kontaktfläche des Laufrades und stellen einen reibschlüssigen Kontakt her, sodass die Laufradmutter eine Rotationsbewegung des Laufrades verhindert, wodurch eine

Rotationsbewegung des Laufrades bezogen auf die Welle verhindert ist. Des Weiteren verhindert die Laufradmutter durch das Verspannen mit dem Laufrad, dass das Laufrad in axialer Richtung gegenüber der Welle lose bzw. verschiebbar ist.

Des Weiteren kann das Laufrad als ein Verdichterrad zum Verdichten von Luft ausgebildet sein. Ein solches rotierendes Verdichterrad wird von der Luft umströmt und verdichtet diese durch eine Rotation des Verdichterrades. Hierfür umfasst das

Verdichterrad eine Mehrzahl an Schaufeln, die entlang eines Umfanges angeordnet sind. Eine Geometrie jener Schaufeln führt während des Betriebs der Strömungsmaschine dazu, dass Luft verdichtet wird und an einen Verdichterausgang geführt wird. Das Verdichterrad kann, z. B. im Falle des Abgasturboladers, über eine auf einer

gemeinsamen Welle sitzenden und vom Abgas der Verbrennungskraftmaschine angetriebenen Turbinenrad angetrieben sein, oder, anstatt des Turbinenrades, kann die Welle von einem Elektromotor angetrieben sein.

Außerdem betrifft die Erfindung eine Strömungsmaschine für ein Kraftfahrzeug, mit wenigstens einem Rotor, welcher wenigstens eine Welle, wenigstens ein auf der Welle angeordnetes und drehfest mit der Welle verbundenes Laufrad, und wenigstens ein über jeweilige, sich berührende Kontaktflächen an dem Laufrad abgestütztes

Befestigungselement zum axialen Festlegen des Laufrades auf der Welle aufweist, wobei zumindest ein Teilbereich der Kontaktfläche des Laufrades in radialer Richtung nach außen von zumindest einem Teilbereich der Kontaktfläche des Befestigungselements überdeckt ist.

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 der Figur 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. Dabei zeigt die einzige Figur in einer Querschnittsdarstellung einen Teil eines Rotors einer Strömungsmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs.

In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.

In der Figur ist in einer Querschnittsdarstellung ein Teil 10 eines Rotors 12 der

Strömungsmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, abgebildet.

Das Kraftfahrzeug kann von einer Verbrennungskraftmaschine antreibbar sein, welche wenigstens einen Brennraum aufweist, welcher beispielsweise als Zylinder ausgebildet ist. Während eines gefeuerten Betriebs der Verbrennungskraftmaschine werden dem Brennraum Luft und Kraftstoff zum Betreiben der Verbrennungskraftmaschine zugeführt. Dadurch bildet sich im Brennraum ein Kraftstoff-Luft-Gemisch, welches verbrannt wird. Daraus resultiert Abgas der Verbrennungskraftmaschine. Die

Verbrennungskraftmaschine umfasst weiter einen Ansaugtrakt, der von der Luft durchströmbar ist bzw. durchströmt wird. Durch den Ansaugtrakt wird die Luft zu dem und insbesondere in den Brennraum geführt. Die Verbrennungskraftmaschine weist außerdem einen von Abgas durchströmbaren Abgastrakt auf, durch welchen das Abgas aus dem Brennraum abgeführt wird.

Ferner kann die Verbrennungskraftmaschine die Strömungsmaschine aufweisen, welche eine besonders dichte Füllung des Brennraums der Verbrennungskraftmaschine mit Luft gewährleistet. Die Strömungsmaschine kann z. B. als Abgasturbolader ausgebildet sein, welcher einen in dem Ansaugtrakt angeordneten Verdichter und eine in dem Abgastrakt angeordnete Turbine aufweist. Die Turbine wird durch das Abgas der

Verbrennungskraftmaschine angetrieben und treibt ihrerseits den Verdichter an, welcher die Luft ansaugt, verdichtet und dem Brennraum der Verbrennungskraftmaschine zuführt. Alternativ kann die Strömungsmaschine z. B. als elektrisch antreibbarer Verdichter ausgebildet sein, dessen in dem Ansaugtrakt angeordneter Verdichter von einem

Elektromotor angetrieben wird.

In der Strömungsmaschine befindet sich der in der Figur teilweise gezeigte Rotor 12, der eine Welle 14 mit wenigstens einem Laufrad 16 und wenigstens einem

Befestigungselement 18 aufweist. Die Welle 14 ist ein rotationssymmetrisch um eine Längsmittenachse 1 ausgebildetes rotierbares Element, wobei die Längsmittenachse 1 entlang einer Längserstreckung der Welle 14 verläuft. Ausgehend von der Längsmittenachse 1 verläuft in radialer Richtung ein Wellenradius, welcher einen Abstand einer Wellenoberfläche 22 von der

Längsmittenachse 1 definiert.

Auf der Wellenoberfläche 22 ist das wenigstens eine Laufrad 16, mit einem

Laufraddurchmesser und einer Laufradlänge angeordnet, durch welches hindurch ein rotationssymmetrisches, axiales Durchgangsloch gebildet ist. Das Durchgangsloch hat einen Durchmesser hat und weist eine Oberfläche 24 auf, die in montiertem Zustand die Wellenoberfläche 22 berührt. Bevorzugt herrscht zwischen der Oberfläche 24 des Laufrades 16 und der Wellenoberfläche 22 eine reibschlüssige Verbindung, sodass eine Rotation des Laufrades 16 relativ zur Welle 14 verhindert wird. Zumindest auf einer Seite des Laufrades 16 weist das Laufrad 16 eine Kontaktfläche 26 auf.

Weiter weist der Rotor 12 auf der einen Seite des Laufrades das Befestigungselement 18 auf, durch welches ein weiteres rotationssymmetrisches, axiales Durchgangsloch verläuft. Das weitere Durchgangsloch weist eine Oberfläche 28 auf, die in montiertem Zustand die Wellenoberfläche 22 berührt, sodass eine Rotation des Befestigungselements 18 relativ zur Welle 14 verhindert wird, z. B. mittels einer reibschlüssigen Verbindung. Weiter weist das Befestigungselement 18 eine Kontaktfläche 30 auf, die der Kontaktfläche 26 des Laufrades zugewandt ist und diese in montiertem Zustand berührt, sodass das

Befestigungselement 18 eine axiale Bewegung des Laufrades verhindert.

Bei bestimmten Betriebszuständen der Strömungsmaschine, z. B. bei einer hohen bis hin zu einer überhöhten Drehzahl des Laufrades 16, ist der Rotor 12 besonders hohen thermischen und/oder mechanischen Belastungen ausgesetzt, welche z. B. zu einem von Zentrifugalkräften verursachten, reversiblen sogenannten Wachsen des Rotors 12 führen können, wodurch ein Materialgefüge im Betrieb der Strömungsmaschine einer radial gerichteten, elastischen Verformung unterworfen wird. Hierdurch entstehen insbesondere in dem Material des Laufrades 16 hohe und ungünstig verlaufende Spannungen, die sich nachteilig auf die Lebensdauer des Laufrades 16 auswirken.

Da das Befestigungselement 18 und die Welle 14 im Vergleich zu dem Laufrad 16 einen besonders geringen Durchmesser haben, greifen an der Welle 14 und dem

Befestigungselement 22 geringere Zentrifugalkräfte als an dem Laufrad 16 an, wodurch die Welle 14 und das Befestigungselement 18 im Vergleich zu dem Laufrad 16 in einem geringeren Maße wachsen bzw. gedehnt werden. Es wird der also Durchmesser des Durchgangsloches des Laufrades 16 während des Betriebs aufgeweitet, während der Durchmesser der Welle 14 nicht in gleichem Maße aufgeweitet wird, weshalb aufgrund der Zentrifugalkräfte eine Relativbewegung zwischen dem auf der Welle 14 sitzenden Laufrad 16 und der Welle 14 entstehen.

Die an dem Laufrad 16 angreifenden Zentrifugalkräfte bewirken also schließlich, dass das Laufrad 16 relativ zu der Welle 14 rotieren kann. Hierdurch kann zwischen dem

Laufrad 16 und der Welle 14 eine ungewollte Gleitreibung auftreten, wodurch sich die Leistung des Laufrades 16 verringern kann. Des Weiteren kann die ungewollte

Gleitreibung zu Schäden an der Welle 14, dem Laufrad 16 und/oder dem

Befestigungselement 18 kommen, was sich nachteilig auf die Lebensdauer des Rotors auswirkt.

Bei einem Herunterfahren des Rotors 12 der Strömungsmaschine - also bei sinkender Drehzahl - verringern sich die an dem Rotor 12 angreifenden Zentrifugalkräfte, sodass sich das Material elastisch wieder zusammenzieht, wodurch die ungewollte Gleitreibung nicht mehr auftritt und die im Material des Laufrades ungünstig verlaufenden Spannungen abgebaut werden.

Um nun eine besonders lange Lebensdauer des Rotors 12 zu erreichen, ist die

Kontaktfläche 26 des Laufrades 16 derart ausgeformt, dass sie eine Hervorstehung 32 bildet, welche einen dem Laufrad 16 nahen radialen Durchmesser und einen dem Laufrad 16 in axialer Richtung entfernten radialen Durchmesser aufweist, welcher kleiner ist als der dem Laufrad 16 nahen radiale Durchmesser. Weiter ist die Kontaktfläche 30 des Befestigungselements 18 derart ausgeformt, dass sie eine Aufnahme, z. B. eine trichterförmige Lagerschale ausbildet, die eine der Hervorstehung 32 entsprechende Form hat, sodass die Hervorstehung 32 in die Lagerschale eingeführt werden kann. Dadurch stehen die Kontaktfläche 26 und die Kontaktfläche 30 miteinander in Berührung und haben idealerweise eine reibschlüssige Verbindung. Hierdurch ist zumindest ein Teilbereich der Kontaktfläche 26 des Laufrades 16 in radialer Richtung nach außen von zumindest einem Teilbereich der Kontaktfläche 30 des Befestigungselements 18 überdeckt, sodass dem Wachsen des Laufrades 16 zumindest in dem überdeckten Bereich des Laufrades 16 entgegengewirkt wird. Anders ausgedrückt ergibt sich ein günstigerer Verlauf der Spannungen im Material des Laufrades 16 im Vergleich zu einem herkömmlichen Rotor, da durch das das Laufrad 16 teilweise überdeckende

Befestigungselement 18 in das Laufrad 16 eine radiale Druckspannung induziert wird, welche den betriebsbelastenden Zentrifugalkräften genau entgegenwirkt. So wird eine besonders lange Lebensdauer des Rotors 12 erreicht, d. h. eine Zeitstandfestigkeit des Rotors 12 wird erhöht und idealerweise erhält der Rotor 12 eine Dauerstandfestigkeit.

Ferner ist in der Figur erkennbar, dass die in der Querschnittdarstellung dargestellten, von der Schnittebene und der Kontaktfläche 26 und 30 gebildeten Schnittgeraden schräg zu der Längsmittenachse 1 der Welle 14 verlaufen, was bedeutet, dass die

Kontaktflächen im Allgemeinen schräg zu der Welle 14 verlaufen. Dies führt dazu, dass die Kontaktfläche 26 des Laufrades 16 während des Betriebs bei einer hohen Drehzahl, insbesondere bei einer aximaldrehzahl an der Kontaktfläche 30 des

Befestigungselements 18 anliegt. Mit anderen Worten sind die Kontaktfläche 26 und die Kontaktfläche 30 durch die Zentrifugalkräfte miteinander verklemmt, wodurch das Laufrad 16 an einer bestimmungsgemäßen axialen Position und zentriert um die

Längsmittenachse 1 gehalten wird.

Des Weiteren hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, dass die Hervorstehung 32 des Laufrades 16 und die Lagerschale des Befestigungselements 18 mit der jeweils zugehörigen Kontaktfläche 26 und 30 eine konusförmige Form aufweisen. Hierdurch kann das Laufrad 16 zentrisch in die Lagerschale aufgenommen und, bezogen auf die

Längsmittenachse 1 , zentriert werden.

Außerdem kann das Laufrad 16 mit dem Befestigungselement 18 in axialer Richtung verspannt sein, d. h. eine axiale Bewegung des Laufrades 16 relativ zur Welle 14 wird verhindert.

In der Figur ist ferner zu erkennen, dass der Rotor 12 ein zweites Befestigungselement 34 aufweist, welches auf einer zweiten Seite des Laufrades 16 auf der Welle 14 angeordnet ist. Die zweite Seite des Laufrades 16 ist der ersten Seite in axialer Richtung abgewandt ist und liegt ihr gegenüber. Ferner umfasst die zweite Seite des Laufrades 6 eine Kontaktfläche 38 und das zweite Befestigungselement 34 eine Kontaktfläche 36. Kontaktfläche 36 und Kontaktfläche 38 stehen miteinander in Berührung, wodurch sich das zweite Befestigungselement 34 an dem Laufrad 16 abstützt, um das Laufrad 16 axial auf der Welle 4 festzulegen. Hierbei wird zumindest ein Teilbereich der weiteren

Kontaktfläche 38 des Laufrades 16 in radialer Richtung nach außen von zumindest einem Teilbereich der weiteren Kontaktfläche 38 des zweiten Befestigungselements 34 überdeckt. Das bedeutet, dass die Kontaktfläche 38 des Laufrades 16 derart ausgeformt ist, dass sie eine Hervorstehung 39 bildet, welch© einen dem Laufrad 16 nahen radialen Durchmesser und einen dem Laufrad 16 in axialer Richtung entfernten radialen Durchmesser aufweist, welcher kleiner ist als der dem Laufrad 16 nahen radiale

Durchmesser. Weiter ist die Kontaktfläche 36 des Befestigungselements 34 derart ausgeformt, dass sie eine Aufnahme, z. B. eine trichterförmige Lagerschale, ausbildet, der eine der Hervorstehung 39 entsprechende Form hat, sodass die Hervorstehung 39 in die Lagerschale eingeführt werden kann, damit die Kontaktfläche 38 und die

Kontaktfläche 36 miteinander in Berührung stehen und idealerweise eine reibschlüssige Verbindung haben. Dies bringt die gleichen Vorteile mit sich, wie bei einer Konfiguration der Kontaktfläche 26 des Laufrades 16 und der Kontaktfläche 30 des ersten

Befestigungselements 18.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann das erste Befestigungselement 18 als eine Anlaufscheibe ausgebildet sein, welche alternativ als Dichtungsbuchse bezeichnet werden kann und auf die Welle aufgesteckt ist. Die Anlaufscheibe umfasst ein rotationssymmetrisches, axiales, gewindeloses Durchgangsloch mit einer Oberfläche 28, die in montiertem Zustand die Wellenoberfläche 22 berührt, wobei die Oberfläche 28 glatt ist, sodass bei einer Montage die Welle 14 durch das Durchgangsloch hindurch geführt werden kann. Die Anlaufscheibe selbst ist gegen einen nicht gezeigte Wellenschulter abgestützt und weist mehrere entlang einem Umfang der Anlaufscheibe verlaufende Nuten 42 auf, in welche eine Mehrzahl von fest mit dem Laufradgehäuse 40 verspannte Kolbendichtringe 44 eingreifen, um eine sogenannte Labyrinthdichtung zu realisieren, welche ein unerwünschtes Austreten von einem Gas, das das Laufrad 16 umströmt, aus dem Laufradgehäuse 40 bestmöglich unterbindet.

Wie in der Figur gezeigt, kann das zweite Befestigungselement 34 als eine auf die Welle aufgeschraubte Mutter ausgebildet sein, welche auch als Laufradmutter bezeichnet wird. Ferner ist die Laufradmutter mit einem Innengewinde 46 versehen. Die Welle 14 weist ein zu dem Innengewinde 46 der Mutter passendes Außengewinde 48 auf, das an dem freien Ende 20 der Welle 14 ausgeformt ist. Um das Laufrad 16 in axialer Richtung gegen das erste Befestigungselement 18 bzw. die Anlaufscheibe zu spannen, wird die Mutter mit dem Innengewinde 46 auf das Außengewinde 48 aufgedreht. Durch das Aufdrehen der Laufradmutter auf die Welle 14 wird das Laufrad 16 mit der Laufradmutter in axialer Richtung verspannt.

Ferner kann das in der Figur abgebildete Laufrad 16 als ein Verdichterrad ausgebildet sein, mittels welchem die Luft, die dem Brennraum der Verbrennungskraftmaschine zugeführt wird, verdichtet wird. Mit anderen Worten ist eine Beschaffenheit und eine Geometrie des Laufrades 16 derart ausgelegt, dass die Luft, die das Laufrad 16 umströmt, bei einer bestimmungsgemäßen Rotation des Laufrades komprimiert und an einen Verdichterausgang geleitet wird, der im Ansaugtrakt der

Verbrennungskraftmaschine angerordnet ist. Durch das Verdichten bzw. Komprimieren der Luft wird ein besonders effizienter Betrieb der Verbrennungskraftmaschine erreicht.

Durch die zumindest teilweise Überdeckung der Kontaktfläche 26 bzw. 38 durch das erste bzw. das zweite Befestigungselement 18 bzw. 34 wird erreicht, dass das Laufrad 16 im Betrieb auch bei hohen Drehzahlen des Rotors 12 in seiner gewünschten axialen Position zentriert und drehfest um die Längsmittenachse 1 gehalten bleibt, wodurch eine

Relativbewegung des Laufrades 16 bezogen auf die Welle 14 verhindert wird. Durch ein Ausbleiben der Relativbewegung wird die zwischen der Welle 14 und dem Laufrad 16 auftretende, unerwünschte Gleitreibung verhindert. Weiterhin können in dem Laufrad 16 während des Betriebs auftretende Spannungen im Vergleich zu einem herkömmlichen Rotor verringert werden, da durch das das Laufrad 16 teilweise überdeckende

Befestigungselement 18 in das Laufrad 16 eine radiale Druckspannung induziert wird, welche den betriebsbelastenden Zentrifugalkräften, genau entgegenwirkt. Durch die ausbleibende Relativbewegung des Laufrades 16 und die im Vergleich zu einem herkömmlichen Rotor günstigeren Spannungsverläufe im Laufrad 16, wird eine besonders hohe Lebensdauer des Rotors, idealerweise eine Dauerstandfestigkeit, erreicht.

Bezugszeichenliste

1 Längsmittenachse

10 Teil der Strömungsmaschine

12 Rotor

14 Welle

16 Laufrad

18 (erstes) Befestigungselement

20 freies Ende

22 Wellenoberfläche

24 Oberfläche

26 Kontaktfläche

28 Oberfläche

30 Kontaktfläche

32 Hervorstehung

34 zweites Befestigungselement

36 Kontaktfläche

38 Kontaktfläche

39 Hervorstehung

40 Laufradgehäuse

42 Nuten

44 Kolbenringe

46 Innengewinde

48 Außengewinde