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Patent Searching and Data


Title:
TURBINE WHEEL FOR A TURBINE OF AN EXHAUST GAS TURBOCHARGER
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2017/045738
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a turbine wheel (10) for a turbine of an exhaust gas turbocharger, comprising at least one turbine blade (14) against which exhaust gas can flow; the maximum ratio of the wheel outlet diameter (A) of the turbine wheel (10) to the thickness (B) of the turbine blade (14) is 111.75.

Inventors:
VOLPERT ANDREAS (DE)
Application Number:
PCT/EP2016/001361
Publication Date:
March 23, 2017
Filing Date:
August 09, 2016
Export Citation:
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Assignee:
DAIMLER AG (DE)
International Classes:
F02C6/12; F01D5/04; F02B39/00
Domestic Patent References:
WO2006018189A12006-02-23
Foreign References:
DE102008045171A12010-03-04
US20070128018A12007-06-07
Other References:
None
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Claims:
Patentansprüche

Turbinenrad (10) für eine Turbine eines Abgasturboladers, mit wenigstens einer von Abgas anströmbaren Turbinenschaufel (14),

dadurch gekennzeichnet, dass

ein Verhältnis aus Radaustrittsdurchmesser (A) des Turbinenrads (10) und Dicke (B) der Turbinenschaufel (14) höchstens 1 1 1 ,75 beträgt.

Turbinenrad (10) nach Anspruch 1 ,

dadurch gekennzeichnet, dass

die Turbinenschaufel (14) einen Verjüngungswinkel (a) von höchstens 8 Grad aufweist.

3. Turbinenrad (10) nach Anspruch 2,

dadurch gekennzeichnet, dass

die Turbinenschaufel (14) wenigstens eine Anströmkante (28) aufweist, über welche das Abgas das Turbinenrad (10) bei einem Betrieb der Turbine anströmt, wobei die Turbinenschaufel (14) den Verjüngungswinkel (a) von höchstens 8 Grad an einer Spitze (26) der Anströmkante (28) aufweist.

4. Turbinenrad (10) nach Anspruch 3,

dadurch gekennzeichnet, dass

das Turbinenrad (10) einen Radrücken (30) aufweist, wobei sich auf einer in axialer Richtung des Turbinenrad (10) von dem Radrücken (30) abgewandten Seite ein Längenbereich (34) der Turbinenschaufel (14) an die Spitze (26) anschließt, wobei die Anströmkante (28) über die Spitze (26) in den Längenbereich (34) übergeht. Turbinenrad (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass

die Turbinenschaufel (14) eine Abströmkante (36) aufweist, über welche das Abgas das Turbinenrad (10) bei einem Betrieb der Turbine abströmt, wobei die

Turbinenschaufel (14) die Dicke (B) an einer Spitze (38) der Abström kante (36) aufweist.

Turbinenrad (10) nach Anspruch 5,

dadurch gekennzeichnet, dass

die Spitze (38) der Abströmkante (36) auf dem Radaustrittsdurchmesser (A) angeordnet ist.

Turbinenrad (10) nach Anspruch 5 oder 6 in dessen Rückbezug auf Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass

sich der Längenbereich (34) zwischen der Spitze (26) der Anströmkante (28) und der Spitze (38) der Abströmkante (36) erstreckt ist.

Description:
Turbinenrad für eine Turbine eines Abgasturboladers

Die Erfindung betrifft ein Turbinenrad für eine Turbine eines Abgasturboladers gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.

Derartige Turbinenräder für Turbinen von Abgasturboladern sind aus dem allgemeinen Stand der Technik und insbesondere aus dem Serienfahrzeugbau bereits hinlänglich bekannt. Ein solcher Abgasturbolader kommt beispielsweise bei einer

Verbrennungskraftmaschine eines Kraftwagens zum Einsatz, um die jeweilige

Verbrennungskraftmaschine mit verdichteter Luft zu versorgen. Im fertig hergestellten Zustand der jeweiligen Turbine ist das jeweilige Turbinenrad in einem jeweiligen

Turbinengehäuse der Turbine angeordnet und dabei von Abgas anströmbar und dadurch antreibbar. Hierzu umfasst das Turbinenrad wenigstens eine von dem Abgas anströmbare Turbinenschaufel. Üblicherweise umfasst das Turbinenrad eine Mehrzahl von in

Umfangsrichtung des Turbinenrads aufeinanderfolgenden Turbinenschaufeln, welche mit einer gemeinsamen Nabe verbunden und dabei insbesondere einstückig mit der Nabe ausgebildet sind.

Es ist bekannt, das jeweilige Turbinenrad durch Gießen, das heißt mittels eines

Gussverfahrens herzustellen. Hierbei hat sich als vorteilhaft erwiesen, das jeweilige Turbinenrad mittels eines Feingussverfahrens herzustellen. Üblicherweise weisen Turbinenräder an ihrem jeweiligen Radaustritt jedoch dicke Turbinenschaufeln auf. Mit anderen Worten sind die Turbinenschaufeln von herkömmlichen Turbinenrädern am Radaustritt üblicherweise dick, um die Turbinenräder gießtechnisch herstellen zu können. Dicke Turbinenschaufeln jedoch erzeugen hohe Strömungsverluste und führen somit zu Wirkungsgradbeeinträchtigungen, wodurch der Wirkungsgrad der Turbinen insgesamt beeinträchtigt wird. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Turbinenrad der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, dass das Turbinenrad durch Gießen, insbesondere Feingießen, herstellbar ist, wobei mittels des Turbinenrads ein besonders hoher Wirkungsgrad der Turbine realisierbar ist.

Diese Aufgabe wird durch ein Turbinenrad mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.

Um ein Turbinenrad der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art derart weiterzuentwickeln, dass das Turbinenrad durch Gießen, insbesondere Feingießen, hergestellt werden kann, wobei mittels des Turbinenrads ein besonders hoher

Wirkungsgrad der Turbine realisiert werden kann, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass ein Verhältnis aus Radaustrittsdurchmesser des Turbinenrads und Dicke der Turbinenschaufel höchstens 11 1 ,75 beträgt. Die Dicke der Turbinenschaufel wird auch als Schaufeldicke bezeichnet, wobei der Radaustrittsdurchmesser ein Durchmesser ist, auf welchem beziehungsweise über welchen das Turbinenrad während eines Betriebs der Turbine von dem Abgas abgeströmt wird.

Ferner hat es sich als besonders vorteilhaft gezeigt, wenn die Turbinenschaufel einen Verjüngungswinkel von höchstens 8 Grad aufweist. Dies bedeutet, dass sich die

Turbinenschaufel vorzugsweise in radialer Richtung von außen nach innen um höchstens 8 Grad verjüngt. Es wurde überraschend gefunden, dass durch die Einhaltung des genannten Verhältnisses insbesondere in Zusammenspiel mit der Einhaltung des

Verjüngungswinkels eine besonders vorteilhafte Herstellung des Turbinenrads, insbesondere durch Gießen und vorzugsweise durch Feingießen, realisiert werden kann, da durch das genannte Verhältnis insbesondere in Zusammenspiel mit dem

Verjüngungswinkel eine pauschale Aufdickung der Turbinenschaufel vermieden werden kann. Dabei ist es möglich, eine geometrische Optimierung zwischen Thermodynamik, Lebensdauer und gießtechnischer Fertigung zu erzeugen, sodass das Turbinenrad kostengünstig und mit einer besonders hohen Qualität, insbesondere Gussqualität, hergestellt werden kann. Dies führt zu einer Lebensdauersteigerung im Vergleich zu herkömmlichen Turbinenrädern. Ferner kann das erfindungsgemäße Turbinenrad mit einem nur geringem Materialeinsatz und somit gewichts- und kostengünstig hergestellt werden. 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.

Die Zeichnung zeigt in:

Fig. 1 eine schematische Seitenansicht eines Turbinenrads für eine Turbine eines

Abgasturboladers, mit wenigstens einer von Abgas antreibbaren

Turbinenschaufel, wobei ein Verhältnis aus Radaustrittsdurchmessers des Turbinenrads und Dicke der Turbinenschaufel höchstens 1 1 1 ,75 beträgt;

Fig. 2 ausschnittsweise eine schematische und geschnittene Vorderansicht des

Turbinenrads.

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

Fig. 1 zeigt in einer schematischen Seitenansicht ein im Ganzen mit 10 bezeichnetes Turbinenrad für eine Turbine eines Abgasturboladers. Der Abgasturbolader kommt beispielsweise bei einer Verbrennungskraftmaschine, insbesondere einer Hubkolben- Verbrennungskraftmaschine, eines Kraftwagens, insbesondere eines

Personenkraftwagens, zum Einsatz und wird genutzt, um die Verbrennungskraftmaschine, insbesondere wenigstens einen Brennraum insbesondere in Form eines Zylinders der Verbrennungskraftmaschine, mit verdichteter Luft zu versorgen. Hierfür umfasst der Abgasturbolader einen Verdichter, welcher in einem von Luft durchströmbaren

Ansaugtrakt der Verbrennungskraftmaschine angeordnet ist. Während ihres Betriebs saugt die Verbrennungskraftmaschine Luft aus der Umgebung über den Ansaugtrakt an, mittels welchem die Luft zu dem beziehungsweise in den Brennraum geleitet wird. Der Verdichter weist ein Verdichtergehäuse sowie ein Verdichterrad auf, welches in dem Verdichtergehäuse angeordnet und um eine Drehachse relativ zu dem Verdichtergehäuse drehbar ist. Die den Ansaugtrakt und somit den Verdichter beziehungsweise das

Verdichtergehäuse durchströmende Luft wird mittels des Verdichterrads verdichtet.

Ferner umfasst der Abgasturbolader eine Turbine, welche in einem Abgastrakt der Verbrennungskraftmaschine angeordnet ist. Dem Brennraum werden die Luft sowie Kraftstoff, insbesondere flüssiger Kraftstoff, zugeführt, sodass im Brennraum ein

Kraftstoff-Luft-Gemisch gebildet wird. Dieses Kraftstoff-Luft-Gemisch wird verbrannt, woraus Abgas der Verbrennungskraftmaschine resultiert. Das Abgas kann aus dem Brennraum aus- und in den Abgastrakt einströmen, sodass das Abgas mittels des Abtgastrakts aus dem Brennraum abgeführt wird. Demzufolge sind der Abgastrakt und somit die im Abgastrakt angeordnete Turbine von dem Abgas durchströmbar, wobei die Turbine von dem Abgas antreibbar ist. Hierzu umfasst die Turbine ein Turbinengehäuse, in welchem das Turbinenrad 10 angeordnet ist. Dabei ist das Turbinenrad 10 um eine Drehachse 12 relativ zu dem Turbinengehäuse drehbar, wobei die Drehachse 12 mit der axialen Richtung des Turbinenrads 10 und somit der Turbine insgesamt zusammenfällt. Dabei ist die Turbine als Radialturbine ausgebildet, sodass das Turbinenrad 10 als Radialturbinenrad ausgebildet ist. Dies bedeutet, dass das Abgas während eines Betriebs der Turbine das Turbinenrad 10 in dessen radialer Richtung anströmt. Das Abgas wird mittels des Turbinenrads 10 umgelenkt beziehungsweise umgeleitet, sodass das Abgas das Turbinenrad 10 in axialer Richtung abströmt.

Das Turbinenrad 10 und das Verdichterrad sind Bestandteile eines Rotors des

Abgasturboladers, wobei der Rotor auch eine in den Fig. nicht dargestellte Welle umfasst. Das Turbinenrad 10 und das Verdichterrad sind drehfest mit der Welle verbunden, sodass das Verdichterrad über die Welle von dem Turbinenrad 10 antreibbar ist. Durch das Antreiben des Verdichterrads wird die dem Ansaugtrakt durchströmende Luft verdichtet, wobei das Turbinenrad 10 von dem Abgas, das das Turbinenrad anströmt, angetrieben wird. Somit kann im Abgas enthaltene Energie zum Verdichten der Luft genutzt werden, sodass ein besonders effizienter Betrieb der Verbrennungskraftmaschine realisierbar ist.

Aus Fig. 1 und 2 ist besonders gut erkennbar, dass das Turbinenrad 10 eine Mehrzahl von in Umfangsrichtung des Turbinenrads 10 aufeinanderfolgenden Turbinenschaufeln 14 umfasst, welche auch als Laufradschaufeln bezeichnet werden. Jeweils zwei in

Umfangsrichtung des Turbinenrads 10 aufeinanderfolgende der Turbinenschaufeln 14 begrenzen einen Radkanal 16, durch welchen das Abgas jeweils strömt. Die

Umfangsrichtung des Turbinenrads 10 ist dabei in Fig. 2 durch einen Doppelpfeil 18 veranschaulicht. Außerdem sind in Fig. 2 zwei Radiale 20 gezeigt, welche in radialer Richtung des Turbinenrads 10 verlaufen.

Aus Fig. 2 ist darüber hinaus besonders gut erkennbar, dass das Turbinenrad 10 eine sogenannte Nabe 22 aufweist, wobei die Turbinenschaufeln 14 mit der den

Turbinenschaufeln 14 gemeinsamen Nabe 22 verbunden beziehungsweise an der Nabe 22 gehalten sind. Vorliegend sind die Turbinenschaufeln 14 einstückig mit der Nabe 22 ausgebildet, wobei die jeweilige Turbinenschaufel 14 eine Schaufelwurzel 24 aufweist, über welche die jeweilige Turbinenschaufel 14 in die Nabe 22 übergeht. Während Fig. 1 eine schematische Seitenansicht des Turbinenrads 10 zeigt, zeigt Fig. 2 eine radiale Schnittansicht des Turbinenrads 10 an einer in Fig. 1 und 2 mit S1 bezeichneten ersten Stelle der jeweiligen Turbinenschaufel 14.

Um nun das Turbinenrad 0 besonders vorteilhaft durch Gießen, insbesondere

Feingießen, herstellen sowie einen besonders hohen Wirkungsgrad der Turbine mittels des Turbinenrads 10 realisieren zu können, beträgt ein Verhältnis aus

Radaustrittsdurchmesser A des Turbinenrads 10 und Dicke B der jeweiligen

Turbinenschaufel 14 höchstens 11 ,75. Mit anderen Worten gilt:

Ferner weist die jeweilige Turbinenschaufel - wie aus Fig. 2 erkennbar ist - an der ersten Stelle S1 einen Verjüngungswinkel α von höchstens 8 Grad auf, wobei der

Verjüngungswinkel α auch als Schaufelverjüngungswinkel bezeichnet wird. Wie im

Folgenden noch genauer erläutert wird, ist die Stelle S1 an einem Radeintritt des

Turbinenrads 10 angeordnet, wobei der Radeintritt auch als Turbinenradeintritt bezeichnet wird. Mit anderen Worten ist es bei dem Turbinenrad 10 vorgesehen, dass sich die jeweilige Turbinenschaufel 14, insbesondere an der ersten Stelle S1 , in radialer Richtung von außen nach innen um höchstens 8 Grad verjüngt, um dadurch einen besonders sanften Schaufelübergang von der Nabe 22 zu einer Spitze 26 der jeweiligen

Turbinenschaufel 14 zu realisieren. Dadurch kann eine besonders gleichmäßige

Formfüllung beim Feingießen erreicht werden.

Aus Fig. 1 ist besonders gut erkennbar, dass die Turbinenschaufel 14 wenigstens eine Anströmkante 28 aufweist, welche auch als Eintrittskante bezeichnet wird. Die

Anströmkante 28 ist zumindest teilweise und vorliegend zumindest überwiegend, insbesondere vollständig, auf einem sogenannten Radeintrittsdurchmesser des

Turbinenrads 10 angeordnet, wobei das Turbinenrad 10 auf dem beziehungsweise über den Radeintrittsdurchmesser von dem Abgas angeströmt wird. Dies bedeutet, dass das Abgas während eines Betriebs der Turbine die Anströmkante 28 anströmt, sodass die jeweilige Turbinenschaufel 14 beziehungsweise das Turbinenrad 10 insgesamt über die Anströmkante 28 von dem Abgas angeströmt wird. Vorliegend erstreckt sich die

Anströmkante 28 parallel zur axialen Richtung.

Dabei ist aus Fig. 1 und 2 erkennbar, dass die Turbinenschaufel 14 den

Verjüngungswinkel α von höchstens 8 Grad an der Spitze 26 der Anströmkante 28 aufweist. Mit anderen Worten wird die Spitze 26 durch die Anströmkante 28 gebildet. Dabei weist das Turbinenrad 10 einen Radrücken 30 auf, welcher einem Austrittsbereich 32 des Turbinenrads 10 abgewandt ist. Das Abgas strömt das Turbinenrad 10 während des Betriebs der Turbine über den Austrittsbereich 32 ab. Auf einer in axialer Richtung des Turbinenrads 10 dem Radrücken 30 abgewandten und somit dem Radaustrittsbereich 32 zugewandten Seite schließt sich ein Längenbereich 34 an die Spitze 26 an, wobei die Anströmkante 28 über die Spitze 26 in den Längenbereich 34 übergeht. An dieser Spitze 26 weist die Turbinenschaufel 14 den Verjüngungswinkel α auf.

Darüber hinaus weist die jeweilige Turbinenschaufel 14 eine Abströmkante 36 auf, welche dem Radrücken 30 abgewandt und somit dem Radaustrittsbereich 32 zugewandt ist. Während des Betriebs der Turbine strömt das Abgas über die Austrittskante von der jeweiligen Turbinenschaufel 14 und somit von dem Turbinenrad 10 insgesamt ab, sodass die Austrittskante auch als Abströmkante bezeichnet wird. Dabei weist die

Turbinenschaufel 14 die genannte Dicke B an einer zweiten Stelle S2 auf, wobei diese zweite Stelle S2 an einer Spitze 38 der Austrittskante angeordnet ist. Dabei geht der Längenbereich 34 über die an der zweiten Stelle S2 angeordnete Spitze 38 in die

Austrittskante (Abströmkante 36) über, wobei der Längenbereich 34 zwischen den Spitzen 26 und 38 angeordnet ist und sich insbesondere von der Spitze 26 zur Spitze 38 beziehungsweise umgekehrt erstreckt. Dabei ist die Spitze 38 auf einer der

Schaufelwurzel 24 in radialer Richtung gegenüberliegenden Seite angeordnet, wobei - wie aus Fig. 1 erkennbar ist - die Spitze 38 auf dem Radaustrittsdurchmesser A angeordnet ist.

Das Verhältnis des Radaustrittsdurchmessers A zur Schaufeldicke B von < 1 11 ,75 bewirkt eine besonders vorteilhafte Formfüllung, insbesondere an der Spitze 38 am Radaustritt, sodass die Gefahr von Gussfehlern besonders gering gehalten und ein übermäßiger Fertigungsausschuss vermieden werden kann.

Der Ausgestaltung des Turbinenrads 10 liegt die Erkenntnis zugrunde, dass

Turbinenräder üblicherweise über eine Größe wie dem Radaustrittsdurchmesser A ausgelegt werden. Die Schaufeldicke war bislang kein generelles Auslegungskriterium und ergab sich üblicherweise aus der Radaustrittsfläche und dem

Radaustrittsdurchmesser A. durch das Verhältnis von Radaustrittsdurchmesser A zu der Dicke B an der Spitze 38 von kleiner gleich 1 11 ,75 wird die Schaufeldicke in Abhängigkeit von dem Radaustrittsdurchmesser A gestellt und als Auslegungskriterium genutzt. Dies entspricht auch der Theorie, dass ein großes Turbinenrad eine entsprechend große Schaufeldicke für den Guss benötigt. Die folgende Beispielrechnung für die

Radaustrittsdurchmesser Α Ί = 70 Millimeter und A 2 = 88 Millimeter lautet:

B T = 70 Millimeter / 11 1 ,75 = 0,626 Millimeter

B 2 = 88 Millimeter / 111 ,75 = 0,787 Millimeter

Dabei bezeichnet die Schaufeldicke an der Spitze 38 für den Radaustrittsdurchmesser A L wobei B 2 die Schaufeldicke an der Spitze 38 für den Radaustrittsdurchmesser A 2 bezeichnet. In Fig. 2 ist auch ein Winkel ß erkennbar, welcher beispielsweise 90 Grad beträgt.

Bezugszeichenliste

10 Turbinenrad

12 Drehachse

14 Turbinenschaufel

16 Radkanal

18 Doppelpfeil

20 Radiale

22 Nabe

24 Schaufelwurzel

26 Spitze

28 Anströmkante

30 Radrücken

32 Radaustrittsbereich

34 Längenbereich

36 Abström kante

38 zweite Spitze

A Radaustrittsdurchmesser

B Dicke

S1 erste Stelle

S2 zweite Stelle

α Verjüngungswinkel ß Winkel