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Die
Erfindung betrifft eine Schaufel bzw. die Beschaufelung für ein Laufrad
eines Turboladers, beispielsweise für ein Turbinenlaufrad oder
ein Verdichterlaufrad.
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Ein
Turbolader weist im Allgemeinen eine Turbine und einen Verdichter
auf. Das Laufrad der Turbine wird hierbei über den Abgasmassenstrom angetrieben
und treibt wiederum ein Laufrad des Verdichters an, welcher Frischluft
verdichtet und einer Brennkraftmaschine zuführt. Beide Laufräder sind hierbei
auf einer gemeinsamen Welle angeordnet. Sind die Laufräder dabei
beispielsweise nicht genau ausgewuchtet, so können ungewollte Vibrationen entstehen.
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Des
Weiteren unterliegen beispielsweise Turbinenschaufeln in Turboladern
einer Anregung durch Druckpulsationen oder periodische Druckschwankungen
aufgrund einer nicht symmetrischen Zuströmgeometrie. Um Ausfälle durch
Schaufelbrüche
zu verhindern, ist es daher notwendig die Laufräder bei einem Turbolader so
zu konstruieren, dass die Eigenfrequenzen deutlich über den
Anregungsfrequenzen liegen. Eine Möglichkeit die Eigenfrequenz
zu erhöhen
besteht hierbei darin, die axiale Erstreckung der Schaufeln an der
Gehäusekontur
zu reduzieren.
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Aus
dem Stand der Technik ist es bisher bekannt, Turbinen mit einer
linear zurückgeschnittenen Hinterkante
(in der Meridionalansicht) zu versehen.
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Demnach
ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte
Schaufelgeometrie für
einen Turbolader bereitzustellen.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Schaufel mit den Merkmalen des Patentanspruchs
1 oder 2 gelöst.
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Demgemäß wird erfindungsgemäß eine Schaufel
eines Laufrads eines Turboladers bereitgestellt,
- – wobei
die Schaufel in der Meridionalansicht bei einer Turbinenradschaufel
an ihrer Austrittskante und bei einer Verdichterradschaufel an ihrer
Eintrittskante zumindest in einem oder mehreren Abschnitten bzw.
Bereichen eine nicht-lineare Reduzierung der axialen Länge aufweist,
und
- – wobei
der jeweilige Abschnitt bzw. Bereich und das Maß der Reduzierung der axialen
Länge der Schaufel
derart gewählt
ist, so dass die Schaufel ein vorbestimmtes Verhältnis zwischen Eigenfrequenzen
und dem Wirkungsgradverlust der Schaufel bzw. des Laufrads, der
aus der axialen Kürzung
der Schaufel resultiert, aufweist, wobei vorzugsweise möglichst
hohe Eigenfrequenzen bei einem möglichst
geringen Wirkungsgradverlust der Schaufel bzw. des Laufrads angestrebt werden.
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Aus
dem Stand der Technik sind bisher nur Schaufeln bekannt, deren Austrittskante
in der Meridionalansicht entweder senkrecht verläuft (s. h. z. B. 1),
was geringe Eigenfrequenzen zur Folge hat, oder Schaufeln mit einer
linearen Reduzierung der axialen Länge über die gesamte Austrittskante,
wie in nachfolgender 2 dargestellt ist. Solche Schaufeln
haben zwar höhere
Eigenfrequenzen aber dafür einen
schlechteren Wirkungsrad des dazu gehörenden Laufrads. Die erfindungsgemäße Schaufel
hat dem gegenüber
den Vorteil, dass sie eine Schaufel mit einem optimalen Verhältnis aus
Eigenfrequenzen und einem Wirkungsgrad der Schaufel bzw. des Laufrads
bereitstellt, indem sie die Austrittskante bei der Turbinenradschaufel
bzw. die Eintrittskante bei der Verdichterradschaufel geeignet anpasst
und die axiale Länge
der Schaufel bei der Austrittskante bzw. Eintrittkante in wenigstens
einem oder mehreren geeigneten Abschnitten bzw. Bereichen nichtlinear
reduziert. Mit anderen Worten, die Austrittskante einer Turbinenradschaufel
verläuft
in dem Abschnitt in Form einer Kurve nach hinten entgegen der Strömungsrichtung,
um die Eigenfrequenzen zu erhöhen ohne
den Wirkungsgrad zu stark zu reduzieren, wie in dem Beispiel in
nachfolgender 3. Bei einem Verdichterlaufrad
verläuft
die Eintrittskante in dem Abschnitt in Form einer Kurve nach hinten
in Strömungsrichtung,
um die Eigenfrequenzen zu erhöhen ohne
den Wirkungsgrad zu stark zu reduzieren.
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Des
Weiteren wird erfindungsgemäß eine Schaufel
eines Laufrads eines Turboladers bereitgestellt,
- – wobei
die Schaufel des Laufrads, d. h. die Turbinenradschaufel an ihrer
Austrittskante bzw. die Verdichterradschaufel an ihrer Eintrittskante
in einem ersten, oberen Bereich in der axialen Länge reduziert ist und
- – wobei
die Austrittskante in einem zweiten, unteren Bereich senkrecht,
im Wesentlichen senkrecht oder nach hinten, entgegen der Strömungsrichtung
verläuft
bzw. wobei die Eintrittskante in einem zweiten, unteren Bereich
senkrecht, im Wesentlichen senkrecht oder nach hinten, in Strömungsrichtung
verläuft,
so dass der Wirkungsgradverlust des Laufrads einen vorbestimmten Grenzwert
nicht übersteigt
bzw. in einem vorbestimmten Toleranzbereich liegt.
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Die
Schaufel eines Laufrads eines Turboladers hat dabei den Vorteil,
im Gegensatz zu den Schaufeln, wie sie bisher aus dem Stand der
Technik bekannt sind, dass die erfindungsgemäße Schaufel nur in dem ersten,
oberen Bereich geeignet in der axialen Länge gekürzt wird, um hierbei die Eigenfrequenzen
des Laufrads geeignet zu erhöhen.
Im zweiten, unteren Bereich, erfolgt dagegen kein kürzen der axialen
Länge der
Schaufel, zum Zweck deren Eigenfrequenzen zu erhöhen. Mit anderen Worten, in
dem zweiten, unteren Bereich erfolgt entweder keine Kürzung der
axialen Länge
der Schaufel, so dass die Austrittskante bzw. Eintrittskante hier
senkrecht verläuft.
Oder es erfolgt alternativ nur eine verhältnismäßig geringfügige Kürzung der axialen Länge der Schaufel,
wobei die Kürzung
der axialen Länge
der Schaufel nur in soweit erfolgt, so dass der Wirkungsgradverlust
des Laufrads auf einen vorbestimmten zulässigen Bereich beschränkt wird
bzw. vorzugsweise minimiert wird. Es ist im Allgemeinen wünschenswert,
den Wir kungsgradverlust möglichst
klein zu halten und gleichzeitig aber auch ausreichend hohe Eigenfrequenzen
des Laufrads zu erhalten, um schädlichen
Resonanzen entgegen zu wirken.
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Die
Erfindung erlaubt durch die Unterteilung der Schaufel beispielsweise
in wenigstens zwei Bereiche bzw. die Ausgestaltung dieser beiden
Bereiche, ein geeignetes Optimum für das Verhältnis von Eigenfrequenzen und
Wirkungsgrad des Laufrads zu erreichen. Der obere und/oder untere
Bereich kann dabei so gekürzt
werden, dass höchstens
ein bestimmter Wirkungsgradverlust auftritt. Dabei kann der untere
Bereich beispielsweise weniger stark gekürzt werden als der obere Bereich,
um den Wirkungsgradverlust möglichst
gering zu halten. Für
den Wirkungsgradverlust ist sowohl der obere Bereich wie auch der
untere Bereich relevant.
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Beispielsweise
kann eine Kürzung
der axialen Länge
in dem unteren Bereich und/oder oberen Bereich nur soweit erfolgen,
wie sich kein Wirkungsgradverlust des Laufrads von beispielsweise
größer als
1% ergibt. Dieser Wert von 1% ist beispielhaft und die Erfindung
ist nicht darauf beschränkt.
Grundsätzlich
kann auch jeder andere Wert gewählt
werden der größer oder
kleiner als 1% ist, je nach Funktion und Einsatzzweck des Laufrads
bzw. dessen Schaufeln.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus
den Unteransprüchen
sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen.
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In
einer erfindungsgemäßen Ausführungsform
ist die Austrittskante (Turbinenradschaufel) der Schaufel innerhalb
des ersten, oberen Bereichs und/oder des zweiten, unteren Bereichs
nach hinten entgegen der Strömungsrichtung
durchgehend gekrümmt
oder zumindest teilweise gekrümmt.
Bei der Verdichterradschaufel ist die Eintrittskante innerhalb des
ersten, oberen Bereichs und/oder des zweiten, unteren Bereichs nach
hinten in Strömungsrichtung durchgehend
gekrümmt
oder zumindest teilweise gekrümmt.
Durch die Krümmung
oder teilweise Krüm mung
der Austrittskante bzw. Eintrittskante in dem ersten, oberen Bereich
nach hinten entgegen der Strömungsrichtung
bzw. nach hinten in Strömungsrichtung
können
die Eigenfrequenzen der Schaufel bzw. des Laufrads erhöht werden.
Eine Krümmung oder
teilweise Krümmung
der Austrittskante bzw. Eintrittskante in dem zweiten, unteren Bereich
führt ebenfalls
zu einer zusätzlichen,
wenn auch geringfügigeren
Erhöhung
der Eigenfrequenzen, wobei die Krümmung bzw. teilweise Krümmung aber
soweit beschränkt
wird, dass der Wirkungsgrad des zugeordneten Laufrads nicht über ein
vorbestimmtes Maß abnimmt.
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In
einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform
ist die Austrittskante (Turbinenradschaufel) der Schaufel innerhalb
des ersten, oberen Bereichs und/oder des zweiten, unteren Bereichs nach
hinten abgeknickt entgegen der Strömungsrichtung. Bei der Verdichterradschaufel
ist die Eintrittskante innerhalb des ersten, oberen Bereichs und/oder
des zweiten, unteren Bereichs nach hinten abgeknickt in Strömungsrichtung.
Die Austrittskante bzw. Eintrittskante weist dabei in dem ersten,
oberen Bereich bzw. zweiten, unteren Bereich beispielsweise die
Form einer durchgehenden Gerade auf oder weist zumindest einen oder
mehrere geradlinige Abschnitte auf. Ähnlich wie zuvor beschrieben,
bewirkt das Abknicken der Austrittskante nach hinten, entgegen der
Strömungsrichtung
bzw. bei der Eintrittskante nach hinten in Strömungsrichtung eine Erhöhung der
Eigenfrequenzen der Schaufel bzw. des Laufrads. Dabei wird der zweite,
untere Bereich jedoch weniger stark abgeknickt oder bei der Turbinenradschaufel
nach hinten entgegen der Strömungsrichtung
gekrümmt
bzw. bei der Verdichterradschaufel nach hinten in Strömungsrichtung
gekrümmt
als der erste, obere Bereich, um den Wirkungsgrad des Laufrads nicht
zu stark zu reduzieren bzw. auf ein vorbestimmtes Maß zu begrenzen.
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Gemäße einer
Weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform
ist zumindest der Übergang
zwischen dem ersten, oberen Bereich und dem zweiten, unteren Bereich
der Austrittskante (Turbinenradschaufel) bzw. Eintrittskante (Verdichterradschaufel) vorzugsweise
abgerundet ausgebildet. Dies ist sowohl thermodynamisch und strukturmechanisch
als auch aus fertigungstechnischen Gesichtspunkten vorteilhafter
gegenüber
einem scharfen Knick als Übergang.
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In
einer erfindungsgemäßen Ausführungsform
weist die Austrittskante (Turbinenradschaufel) bzw. Eintrittskante
(Verdichterradschaufel) der Schaufel eine S-Form auf bzw. der erste,
obere Bereich und der zweite, untere Bereich der Austrittskante
bzw. Eintrittskante bilden zusammen eine S-Form aus. Die S-Form
ist vorteilhaft insbesondere in Bezug auf mechanische Spannungen,
die in der Schaufel auftreten können.
In der erfindungsgemäßen Ausführungsform
ist der obere Teil der S-Form dabei beispielsweise konvex bzw. nach
außen
gewölbt
und der untere Teil der S-Form konkav bzw. nach innen gewölbt. Dadurch
können
höhere
Eigenfrequenzen der Schaufel bzw. des Laufrads erzielt werden, im Vergleich
zu einer Schaufel mit einer senkrechten Austrittskante bzw. Eintrittskante.
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Gemäß einer
weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform
ist die Schaufel eine Schaufel eines Turbinerads und/oder eines
Verdichterrads, beispielsweise einer Radialturbine bzw. eines Radialverdichters.
Die Schaufel kann hierbei durch Gießen (Metallguss) und/oder Fräsen hergestellt
werden. Mit anderen Worten, es kann eine Gussform hergestellt werden,
bei welcher die Austrittskante (Turbinenradschaufel) bzw. Eintrittskante
(Verdichterradschaufel) der Schaufel bereits die fertige oder im
Wesentlichen fertige Form aufweist. Alternativ kann die Schaufel aber
auch als Ganzes gefräst
werden oder mittels Fräsen
die Kontur der Austrittskante bzw. Eintrittskante entsprechend der
Erfindung ausgebildet werden.
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Bei
einem Turbinenrad oder Verdichterrad eines Turboladers können hierbei
wenigstens eine, mehrere oder alle Schaufeln gemäß der erfindungsgemäßen Schaufel
ausgebildet sein. Dies hat den Vorteil, dass durch die hohen Eigenfrequenzen
des jeweiligen Laufrads, die höher
sind als die Anregungsfrequenz des Laufrads, das Auftreten unerwünschter,
schädlicher
Resonanzen verhindert werden kann.
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Die
Erfindung wird nachfolgend, anhand der in den schematischen Figuren
der Zeichnungen angegebenen Ausführungsbeispiele
näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine
Meridionalansicht einer Turbine bestehend aus dem Turbinengehäuse und
dem Turbinenlaufrad, welches Laufschaufeln gemäß dem Stand der Technik aufweist;
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2 eine
Meridionalansicht einer Turbine bestehend aus dem Turbinengehäuse und
dem Turbinenlaufrad, welches Laufschaufeln gemäß einer weiteren Ausführungsform
des Standes der Technik aufweist;
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3 eine
Meridionalansicht einer Turbine bestehend aus dem Turbinengehäuse und
dem Turbinenlaufrad, welches Laufschaufeln gemäß einer ersten Ausführungsform
der Erfindung aufweist, im Vergleich zu einer Ausführungsform
gemäß dem Stand
der Technik;
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4 eine
Meridionalansicht einer Turbine bestehend aus dem Turbinengehäuse und
dem Turbinenlaufrad, welches Laufschaufeln gemäß einer zweiten Ausführungsform
der Erfindung aufweist, im Vergleich zu der in 3 beschriebenen
Ausführungsform;
und
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5 eine
Meridionalansicht einer Turbine bestehend aus dem Turbinengehäuse und
dem Turbinenlaufrad, welches Laufschaufeln gemäß einer dritten Ausführungsform
der Erfindung aufweist, im Vergleich zu einer Ausführungsform
gemäß dem Stand
der Technik.
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In
allen Figuren sind gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente und Vorrichtungen – sofern
nichts anderes angegeben ist – mit
denselben Bezugszeichen versehen worden.
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Die
nachfolgenden Figuren stellen eine Turbine mit einem Turbinengehäuse und
einem Turbinenrad und dessen Laufschaufel in einer Meridionalansicht
dar. Die Meridionalansicht der Turbine und deren Turbinengehäuse und
Turbinenrad, ebenso der Laufschaufel ist dabei stark vereinfacht
und rein schematisch. Insbesondere ist der Verlauf der Austrittskante
der dabei gezeigten Turbinenradschaufel stark vereinfacht und rein
schematisch, um den Unterschied zwischen dem Stand der Technik und
der Erfindung zu erläutern
und zu verdeutlichen. Die Darstellungen sind nicht maßstäblich.
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Die
vorliegende Erfindung wird anhand des Beispiels einer Turbinenradschaufel
näher erläutert und
der Anpassung deren Austrittskante. Die Erfindung gilt aber entsprechend
auch für
ein Verdichterlaufrad. Bei dem Verdichterlaufrad wird aber statt
der Austrittskante die Eintrittskante entsprechend angepasst. Die
Ausführungen
zu der Turbinenradschaufel und deren Austrittskante gelten daher
im Wesentlichen entsprechend für
das Verdichterlaufrad und dessen Eintrittskante und werden daher
nicht wiederholt.
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In 1 ist
eine Meridionalansicht einer Turbine eines Turboladers dargestellt,
die ein Turbinengehäuse
und ein Turbinenrad aufweist. In dem Turbinengehäuse 10 ist auf einer
Welle 12 das Turbinenlaufrad 14 der Turbine angeordnet.
Das Turbinenlaufrad 14 weist dabei Laufschaufeln 16 gemäß dem Stand
der Technik auf. Wie aus dem Ausschnitt in 1 einer
Laufschaufel 16 des Turbinenlaufrads 14 entnommen
werden kann, weist dieses eine durchgehend senkrechte Austrittskante 18 auf.
Das bedeutet, dass die Laufschaufel 16 über seine gesamte Austrittskante 18 keine
Reduzierung der axialen Länge
aufweist. Auf diese Weise kann zwar ein guter Wirkungsgrad der Turbine
erzielt werden, jedoch sind die Eigenfrequenzen dieser Laufschaufel 16 und
damit des Turbinenlaufrades 14 vergleichsweise niedrig.
Aufgrund der niedrigen Eigenfrequenzen kann es daher zu unerwünschten
Resonanzen kommen, die im schlimmsten Fall zu einem Schaufelbruch
führen können.
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In 2 ist
nun eine weitere Meridionalansicht einer Turbine eines Turboladers
dargestellt, die ein Turbinengehäuse
und ein Turbinenrad aufweist. Dabei ist eine Laufschaufel 16 des
Turbinenlaufrads 14 eines Turboladers gezeigt. Hierbei
ist in dem Turbinengehäuse 10 auf
einer Welle 12 das Turbinenlaufrad 14 der Turbine
angeordnet. Die Laufschaufeln 16 des Turbinenlaufrads 14 stellen
hierbei eine weitere Ausführungsform
da, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt ist.
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In
der Meridionalansicht in 2 ist dabei eine der Laufschaufeln 16 des
Turbinenlaufrads 14 gezeigt. Die Laufschaufel 16 weist
dabei jedoch im Gegensatz zu der ersten Ausführungsform gemäß dem Stand
der Technik keine senkrechte Austrittskante 18 auf, sondern
eine nach hinten bzw. entgegen der Strömungsrichtung geneigte, geradlinige Austrittskante 20 auf.
Die Strömungsrichtung
des Abgasmassenstroms ist in allen Figuren durch Pfeile dargestellt.
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In 2 ist
zunächst
zum Vergleich die senkrechte Austrittskante 18 gemäß der Ausführungsform
in 1 mit einer durchgezogenen Linie eingezeichnet.
Die geneigte Austrittskante 20 gemäß der zweiten Ausführungsform
des Standes der Technik ist in 2 mit einer
gestrichelten Linie eingezeichnet. Gegenüber der Ausführungsform
in 1 wurde bei der zweiten Ausführungsform des Standes der
Technik ein dreieckiger Abschnitt 22 sozusagen entfernt,
um die nach hinten bzw. zurück
geneigte Austrittskante 20 der Laufschaufel 16 vorzusehen. Mit
anderen Worten, bei der zweiten Ausführungsform liegt eine lineare
Reduzierung (in der Meridionalansicht) der axialen Länge der
Laufschaufel 16 vor.
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Bei
den nachfolgenden erfindungsgemäßen Ausführungsformen
erfolgt dagegen eine nicht-lineare Reduzierung der axialen Länge der
Schaufel (in der Meridionalansicht) zumindest in einem Abschnitt der
Austrittskante, um auf diese Weise das Verhältnis von Eigenfrequenzen und
Wirkungsgrad der Schaufel bzw. des Laufrads zu optimieren, so dass
sich möglichst
hohe Ei genfrequenzen bei einem möglichst
geringen Wirkungsgradverlust der Schaufel bzw. des Laufrads ergeben.
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Die
lineare Reduzierung der axialen Länge bei der zweiten Ausführungsform
der Laufschaufel 16 gemäß dem Stand
der Technik erhöht
nun zwar die Eigenfrequenzen der Turbinenschaufel 14. Die
lineare Reduzierung hat jedoch den Nachteil, dass die Strömung im
gesamten Austrittsbereich der Turbinenschaufel 14 weniger
geführt
wird. Hierdurch wird der Wirkungsgrad der Turbine gesenkt.
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In 3 ist
eine Meridionalansicht einer Turbine eines Turboladers dargestellt,
die ein Turbinengehäuse
und ein Turbinenlaufrad 14 aufweist. Dabei ist eine Laufschaufel 16 des
Turbinenlaufrads 14 gemäß einer
ersten Ausführungsform
der Erfindung gezeigt. Dabei ist zunächst die Laufschaufel 16 der zweiten
Ausführungsform
gemäß dem Stand
der Technik, wie er in 2 gezeigt ist, zum Vergleich
mit einer durchgezogenen Linie 20 eingezeichnet.
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Die
Austrittskante 24, 30 der erfindungsgemäßen Laufschaufel 16 setzt
sich nun beispielsweise aus zwei Bereichen 26, 28 zusammen.
In dem unteren Bereich 26 verläuft die Austrittskante 24, 30 zunächst senkrecht
oder im Wesentlichen senkrecht. In dem anschließenden oberen Bereich 28 ist
der Verlauf der Austrittskante 24 zurück gerichtet bzw. die Austrittskante 24, 30 ist
nach hinten bzw. entgegen der Strömungsrichtung abgeknickt. Dabei
ist der Verlauf der Austrittkante 24, 30 in dem
oberen Bereich 26 nach hinten entgegen der Strömungsrichtung
abgeknickt.
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In 3 sind
hierbei zwei Beispiele für
eine Austrittskante 24, 30 einer Laufschaufel 16 gemäß der ersten,
erfindungsgemäßen Ausführungsform dargestellt.
Die erste, erfindungsgemäße Austrittskante 24 ist
dabei in 3 mit einer gestrichelten Linie
und die zweite, erfindungsgemäße Austrittskante 30 mit
einer gepunkteten Linie eingezeichnet. Die beiden erfindungsgemäßen Austrittskanten 24, 30 weisen
beide einen un teren Bereich 26 auf, in welchem die Austrittskante 24, 30 der
Laufschaufel 16 beispielsweise senkrecht verläuft. Der
untere Bereich 26 kann dabei beispielsweise bis zur Hälfte der Schaufelhöhe verlaufen,
wie in 3 angedeutet ist, oder bis zu einem ersten Drittel
oder zweiten Drittel der Schaufelhöhe oder auch nur bis ein Viertel
oder auch bis zu drei Viertel der Schaufelhöhe. Dies ist jedoch lediglich
beispielhaft und die Erfindung ist auf diese Größen des unteren Bereichs 26 nicht
beschränkt.
Grundsätzlich
können
der obere Bereich 28 und der entsprechend dazu gehörende untere
Bereich 26 beliebig groß gewählt werden, je nach Funktion
und Einsatzzweck. Die zuvor genannten Größen für den unteren Bereich 26 sind
rein beispielhaft.
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In
jedem Fall ist gemäß der ersten
erfindungsgemäßen Ausführungsform
der Laufschaufel 16 deren Austrittskante 24, 30 in
dem unteren Bereich 26 senkrecht, im Wesentlichen senkrecht
oder geringfügig
entgegen der Strömungsrichtung
nach hinten abgeknickt oder gekrümmt.
In dem oberen Bereich 28 ist die Austrittskante 24, 30 des
Weiteren entgegen der Strömungsrichtung
nach hinten abgenickt oder gekrümmt.
Dabei ist die Austrittskante 24, 30 im oberen
Bereich 28 stärker
nach hinten, entgegen der Strömungsrichtung
gerichtet als im unteren Bereich 26, um die Eigenfrequenzen
des Laufrads 14 zu erhöhe.
Dadurch, dass der untere Bereich 26 weniger stark nach
hinten gekrümmt
ist, wird eine zu starke Reduktion des Wirkungsgrades des Laufrads 14 vermieden.
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Die
beiden dargestellten erfindungsgemäßen Austrittskanten 24, 30 unterscheiden
sich dabei voneinander, wie in 3 gezeigt
ist, dass die zweite Austrittskante 30 in dem oberen Bereich 28 stärker nach
hinten bzw. entgegen der Strömungsrichtung gerichtet
verläuft
als die erste erfindungsgemäße Austrittskante 24.
Des Weiteren verläuft
die Austrittskante 24 der ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform
der Schaufel 16 in ihrem oberen Bereich 28 in
einem Bogen nach hinten entgegen der Strömungsrichtung. Die Austrittskante 30 der
zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform
der Schaufel 16 ist wiederum in ihrem oberen Bereich 28 nach
hinten linear abgeknickt, wobei der Übergang der Austrittskante 30 zwischen
dem unteren Bereich 26 und dem oberen Bereich 28 vorzugsweise
abgerundet ausgebildet ist.
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Wenn
man nun alle drei möglichen
Verläufe der
Austrittskante 20, 24, 30 der Turbinenlaufschaufel 16 miteinander
vergleicht, so kann man folgendes feststellen.
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Die
erste und zweite erfindungsgemäße Austrittskante 24, 30 weist
jeweils einen besseren bzw. höheren
Wirkungsgrad der Turbine auf als die Austrittskante 20 gemäß dem Stand
der Technik, wie sie auch in 2 dargestellt
ist. Dies liegt daran, dass die erste und zweite erfindungsgemäße Austrittskante 24, 30 in
dem unteren Abschnitt 26 beispielsweise senkrecht verlaufen,
d. h. die jeweilige Schaufel 16 ist in ihrer Länge in axialer
Richtung nicht reduziert, im Gegensatz zu der Austrittskante 20 gemäß dem Stand
der Technik, wie sie in 2 gezeigt ist. Dadurch wird
sowohl im oberen und unteren Bereich der Austrittskante eine bessere
Strömungsführung erreicht,
wodurch der Wirkungsgrad steigt.
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Des
Weiteren weist die erste erfindungsgemäße Austrittskante 24,
die mit einer gestrichelten Linie eingezeichnet ist, etwas geringere
Eigenfrequenzen auf als die Austrittskante 20 gemäß dem Stand der
Technik, wie sie auch in 2 gezeigt ist. Die Eigenfrequenzen
der ersten erfindungsgemäßen Austrittskante 24 sind
aber höher
als die Eigenfrequenzen der anderen Austrittskante 18 gemäß dem Stand der
Technik, wie sie in 1 gezeigt ist, welche in der Länge in axialer
Richtung ungekürzt
ist.
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Weiter
sind die Eigenfrequenzen der zweiten erfindungsgemäßen Austrittskante 30,
die mit einer gepunkteten Linie eingezeichnet ist, größer als
die Eigenfrequenzen der ersten erfindungsgemäßen Austrittskante 24,
da die zweite erfindungsgemäße Austrittskante 30 weiter
nach hinten entgegen der Strömungsrichtung
verläuft.
Dafür sinkt
allerdings etwas der Wirkungsgrad.
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Die
Laufschaufeln 16 gemäß der Erfindung, wie
sie in dem Beispiel in 3 gezeigt sind, sind vorzugsweise
im Wesentlichen nur in dem Bereich in ihrer axialen Länge reduziert,
der wesentlich zu einer Vergrößerung der
Eigenfrequenzen führt,
hier in dem oberen Bereich 28.
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In 4 ist
eine weitere Meridionalansicht einer Turbine eines Turboladers dargestellt,
die ein Turbinengehäuse
und ein Turbinenlaufrad 14 aufweist. Genauer gesagt ist
das Turbinenlaufrad 14 gezeigt, welches Laufschaufeln 16 gemäß einer
zweiten Ausführungsform
der Erfindung aufweist, wobei eine Laufschaufel 16 in einer
Meridionalansicht gezeigt ist. Dabei ist zum Vergleich die erste,
erfindungsgemäße Austrittskante 24 gemäß 3 mit
einer durchgezogenen Linie in 4 eingezeichnet und
des Weiteren ein Beispiel einer Austrittskante 32 einer
Laufschaufel 16 gemäß der zweiten
erfindungsgemäßen Ausführungsform
mit einer gestrichelten Linie.
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Die
Austrittskante 32 der Laufschaufel 16 des Turbinenlaufrads 14 gemäß der zweiten
erfindungsgemäßen Ausführungsform
weist dabei eine S-Form bzw. im Wesentlichen eine S-Form auf. Die Austrittskante 32 ist
dabei beispielsweise in dem unteren Bereich 26 nach innen,
entgegen der Strömungsrichtung
in einem Bogen geschwungen bzw. konkav ausgebildet. Im Gegensatz
dazu verläuft
die erste, erfindungsgemäße Austrittskante 30,
wie sie mit der durchgezogenen Linie in 4 dargestellt
ist und außerdem
in 3 gezeigt ist, in dem unteren Bereich 26 senkrecht.
Daran anschließend
ist die Austrittskante 32 gemäß der zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform
in dem oberen Bereich 28 nach außen geschwungen bzw. konvex
ausgebildet. Die Aufteilung der beiden Bereiche 26 und 28 kann beliebig,
geeignet variiert werden. Dies gilt für alle Ausführungsformen der Erfindung.
Des Weiteren kann die Austrittskante auch in mehr als zwei Bereiche
aufgeteilt werden. Dies gilt ebenfalls für alle Ausführungsformen. Die S-Form der Austrittskante 32 der
Laufschaufel 16 ist insbesondere für die auftretenden mechanischen
Spannungen in der Laufschaufel 16 vorteilhaft. Durch die
S-Form der Austrittskante 32 der Laufschaufel 16 kann
die Spannung infolge der Fliehkraftbelastung im unteren Bereich bzw.
unteren Punkt A der Laufschaufel 16 reduziert werden.
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Weiter
ist in 5 eine Meridionalansicht einer Turbine eines Turboladers
dargestellt, die ein Turbinengehäuse 10 und
ein Turbinenlaufrad 14 aufweist. Das dargestellte Turbinenlaufrad 14 weist
hierbei Laufschaufeln 16 gemäß einer dritten Ausführungsform
der Erfindung auf, wobei eine Laufschaufel 16 in einer
Meridionalansicht gezeigt ist.
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Bei
der Darstellung der Laufschaufel 16 ist dabei zum Vergleich
die erste Ausführungsform
der Austrittskante 18 einer Laufschaufel 16 gemäß dem Stand
der Technik als durchgezogene Linie eingezeichnet. Diese Laufschaufel 16 wurde
bereits in 1 dargestellt und kennzeichnet
sich dadurch, dass die Austrittskante 18 durchgehend senkrecht ausgebildet
ist.
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Des
Weiteren sind in 5 drei Beispiele für Austrittskanten 34, 36, 38 für eine erfindungsgemäße Laufschaufel 16 eines
Turbinenrads 14 dargestellt in Form einer gestrichelten
Linie 34, einer strichpunktieren Linie 36 und
einer gepunkteten Linie 38. Die drei Verläufe für die Austrittskante 34, 36, 38 zeichnen sich
dadurch aus, dass sie nach hinten, entgegen der Strömungsrichtung
geschwungen sind. Im Gegensatz zu der zweiten Ausführungsform
der Austrittskante 20 einer Laufschaufel 16 gemäß dem Stand der
Technik ist die erfindungsgemäße Austrittskante 34, 36, 38 nicht
in Form einer Gerade 20 ausgebildet, die einfach nach hinten
geneigt ist, wie im Stand der Technik in 2 gezeigt
ist. Stattdessen beschreibt die Austrittskante 34, 36, 38 der
erfindungsgemäßen Laufschaufel 16 eine
Kurve oder einen Bogen welche nach hinten geschwungen ist entgegen
der Strömungsrichtung,
wobei die Austrittkante 34, 36, 38 selbst
keine durchgehende Gerade bildet, sondern keinen oder allenfalls
nur wenigstens einen oder mehrere Geradenabschnitte aufweist.
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Je
stärker
die Austrittskante 34, 36, 38 der erfindungsgemäßen Laufschaufel 16 dabei
nach hinten geschwungen ist desto höher sind die Eigenfrequenzen
der Laufschaufel 16 und desto mehr kann aber auch der Wirkungsgrad
des Laufrads 14 abnehmen. Mit anderen Worten, die Laufschaufel 16 mit der äußeren, erfindungsgemäßen Austrittskante 34, die
mit einer gestrichelten Linie eingezeichnet ist, hat geringere Eigenfrequenzen
und einen höheren
Wirkungsgrad als beispielsweise die Laufschaufel 16 mit der
am weitesten innen liegenden, erfindungsgemäßen Austrittskante 38,
die in 5 mit einer gepunkteten Linie eingezeichnet ist.
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Die
Eigenfrequenzen der Laufschaufeln 16 mit den drei erfindungsgemäßen Austrittkanten 34, 36, 38 haben
aber jeweils höhere
Eigenfrequenzen als die Laufschaufel 16 mit der Austrittskante 18 gemäß dem Stand
der Technik. Der Turbinenwirkungsgrad der Laufschaufeln 16 mit
den drei erfindungsgemäßen Austrittskanten 34, 36, 38 ist
dabei geringer als der Wirkungsgrad der Laufschaufel 16 mit
der Austrittskante 18 gemäß dem Stand der Technik. Dafür wirken
die Laufschaufeln 16 mit dem erfindungsgemäßen frei
nach hinten geschwungen Verlauf der jeweiligen Austrittskante 34, 36, 38 entgegen
der Strömungsrichtung
dem Auftreten von unerwünschten
Resonanzen geeignet entgegen, im Gegensatz zu den Laufschaufeln 16 gemäß dem Stand
der Technik, wie z. B. in den 1 und 5 gezeigt
ist.
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In
der erfindungsgemäßen Geometrie
wird der Wirkungsgradverlust durch die Reduzierung der axialen Länge vorzugsweise
nur in einem bestimmten, ausgewählten
Bereich oder Bereichen minimiert. Des Weiteren können die Eigenfrequenzen in
einem gewünschten
Bereich oder Bereichen erhöht
werden und die Belastung der Schaufeln durch Resonanzen vermieden
werden. Dies gilt für
alle Ausführungsformen
der Erfindung.
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Die
vorliegende Erfindung kann sowohl bei Turbinenlaufrädern wie
auch bei Verdichterlaufrädern eingesetzt
werden. Die zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Ausführungsformen wurden anhand eines
Turbinenlaufrads und seiner Laufschaufeln bzw. Schaufeln erläutert. Die
Ausführungen
gelten aber, wie zuvor beschrieben, auch im Wesentlichen entsprechend
für ein
Verdichterlaufrad und seine Laufschaufeln bzw. Schaufeln und werden
daher hierfür
nicht wiederholt.
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Bei
den Laufrädern,
d. h. Turbinenlaufrädern bzw.
Verdichterlaufrädern
(beispielsweise Radialturbinenlaufräder bzw. Radialverdichterlaufräder), können wenigstens
ein, zwei, mehrere oder alle Schaufeln gemäß der erfindungsgemäßen Schaufel
bzw. Laufschaufel ausgebildet sein. Des Weiteren kann das Laufrad,
d. h. ein Turbinenlaufrad bzw. ein Verdichterlaufrad, beispielsweise
gegossen werden und/oder gefräst
werden, um zwei Herstellungsverfahren als Beispiele zu nennen.
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Obwohl
die vorliegende Erfindung vorstehend anhand der bevorzugten Ausführungsbeispiele beschrieben
wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art
und Weise modifizierbar. Die zuvor beschriebenen Ausführungsformen
sind dabei miteinander kombinierbar, insbesondere einzelne Merkmale
davon.