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Die Erfindung betrifft eine Turbomaschine gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
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Eine solche Turbomaschine ist aus der
DE 10 2014 226 951 A1 bekannt. Die Turbomaschine weist ein Gehäuse und ein auf einer Welle angeordnetes und drehfest mit der Welle verbundenes Laufrad auf. Das Gehäuse kann von einem Arbeitsfluid wie beispielsweise Luft oder Abgas durchströmt werden. Das Laufrad weist eine erste axiale Stirnseite auf, die auch als Radrücken bezeichnet wird oder durch einen Radrücken gebildet wird. Das Laufrad weist eine der ersten axialen Stirnseite in axialer Richtung des Laufrads abgewandte, zweite axiale Stirnseite auf. Die Turbomaschine weist auch einen Verbindungskanal auf, über welchen die erste axiale Stirnseite des Laufrads und die zweite axiale Stirnseite des Laufrads fluidisch miteinander verbunden sind.
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Die
DE 10 2008 027 517 A1 offenbart ein Laufradgehäuse für einen Abgasturbolader, wobei in dem Laufradgehäuse ein Laufrad angeordnet ist, wobei das Laufrad mit seinem Radrücken und dem Gehäuse einen ersten Spalt bildet.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Turbomaschine der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, dass eine auf das Laufrad wirkende Axialkraft auf besonders vorteilhafte Weise besonders gering gehalten werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch eine Turbomaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
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Um eine Turbomaschine der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art derart weiterzuentwickeln, dass eine auf das Laufrad wirkende Axialkraft auf besonders vorteilhafte Weise besonders gering gehalten werden kann, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Verbindungskanal, der die erste axiale Stirnseite und die zweite axiale Stirnseite des Laufrads fluidisch miteinander verbindet, als eine in der Welle ausgebildeten Nut ausgebildet ist. Unter einer Nut ist insbesondere eine längliche, sich an einer Außenseite befindende Vertiefung zu verstehen, deren Längserstreckungsrichtung vorzugsweise parallel zur axialen Richtung der Welle verläuft. Bei alleiniger Betrachtung der Welle ist die Nut in radialer Richtung der Welle nach außen hin offen, das heißt unbegrenzt.
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Der Erfindung liegen insbesondere die folgenden Erkenntnisse und Überlegungen zugrunde: Herkömmliche Turbomaschinen ohne einen entsprechenden Verbindungskanal zwischen der ersten axialen Stirnseite und der zweiten axialen Stirnseite des Laufrads können zwischen der ersten axialen Stirnseite und der zweiten axialen Stirnseite eine ausgeprägte Druckdifferenz aufweisen. Diese Druckdifferenz verursacht eine besonders hohe, auf das Laufrad und über dieses auf die Welle wirkende Axialkraft, die von einer Lagerung, über welche beispielsweise die Welle drehbar an einem Gehäuse der Turbomaschine drehbar gelagert ist, aufgenommen werden muss. Dies erfordert eine entsprechende Dimensionierung der Lagerung mit besonders hoher Tragkraft, was zu hohen Kosten und zu einem Bauraumbedarf der Lagerung führt. Darüber hinaus kann aufgrund der hohen Axialkraft ein besonders hoher Verschleiß in der Lagerung auftreten.
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Demgegenüber kann in der erfindungsgemäßen Turbomaschine mittels des als Nut in der Welle ausgeführten Verbindungskanals die Druckdifferenz zwischen der ersten axialen Stirnseite und der zweiten axialen Stirnseite besonders gering gehalten oder vermieden werden. Mit anderen Worten ausgedrückt bewirkt der Verbindungskanal eine Entlüftung oder einen Druckausgleich zwischen den Stirnseiten. Dadurch können im Vergleich zur herkömmlichen Lösungen die Druckdifferenz zwischen den Stirnseiten und somit die Axialkraft besonders gering gehalten oder vermieden werden. Dadurch kann die Lagerung der Welle besonders bauraumgünstig dimensioniert werden, wodurch die Kosten und das Gewicht der Lagerung besonders gering gehalten werden können. Darüber kann der Verschleiß der Lagerung besonders gering gehalten werden, woraus eine besonders hohe Lebensdauer der Lagerung resultiert. Außerdem kann im Vergleich zu herkömmlichen Turbomaschinen der Verbindungskanal an sich bzw. die Welle mit dem Verbindungskanal besonders einfach und somit kostengünstig gefertigt werden.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen. 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.
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Dabei zeigt:
- 1 jeweils ausschnittsweise eine schematische Längsschnittansicht und eine schematische Querschnittsansicht einer erfindungsgemäßen Turbomaschine gemäß einer ersten Ausführungsform;
- 2 ausschnittsweise eine schematische Schnittansicht eines Abgasturboladers, mit der Turbomaschine gemäß einer zweiten Ausführungsform.
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In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt auf ihrer linken Seite ausschnittsweise eine schematische Längsschnittansicht einer ersten Ausführungsform einer Turbomaschine 10. Bei der ersten Ausführungsform ist die Turbomaschine 10 beispielsweise als ein Verdichter, insbesondere als ein Radialverdichter, eines Abgasturboladers ausgeführt. Die Turbomaschine 10 umfasst ein Gehäuse 12, eine Welle 14 und ein Laufrad 16, welches auf der Welle 14 angeordnet und drehfest mit der Welle verbunden ist. Die Welle 14 und das Laufrad 16 sind separat voneinander ausgebildete Komponenten, die derart miteinander verbunden sind, dass Relativdrehungen zwischen den Komponenten sowie in axialer Richtung und in radialer Richtung der Welle 14 relativ zueinander erfolgende Bewegungen der Komponenten unterbleiben bzw. vermieden sind. Das Laufrad 16 weist Schaufeln 18 sowie eine erste axiale Stirnseite 20 und eine der ersten axialen Stirnseite 20 in axialer Richtung des Laufrads 16 bzw. der Welle 14 abgewandte, zweite axiale Stirnseite 22 auf. Die erste axiale Stirnseite wird auch als Radrücken bezeichnet oder ist durch einen Radrücken des Laufrads 16 gebildet. Die erste axiale Stirnseite 20 und die zweite axiale Stirnseite 22 sind mittels wenigstens eines Verbindungskanals 24 bzw. über den Verbindungskanal 24 fluidisch miteinander verbunden.
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Der zuvor genannte Verdichter wird beispielsweise genutzt, um Luft, die einer Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeugs zugeführt wird, zu verdichten. Bei der ersten Ausführungsform ist das Laufrad 16 ein Verdichterrad, insbesondere ein Radialverdichterrad. Während eines Betriebs des Verdichters strömt die mittels des Verdichterrads zu verdichtende Luft das Verdichterrad in axialer Richtung des Verdichterrads an, und die Luft strömt das Verdichterrad in radialer Richtung des Verdichterrads ab. Somit ist beispielsweise die Stirnseite 22 auf einer Eintrittsseite oder in einem Eintrittsbereich des Laufrads 16 angeordnet, auf der bzw. in dem die Luft das Laufrad 16 anströmt.
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Alternativ könnte die Turbomaschine 10 als eine Turbine, insbesondere als eine Radialturbine, eines oder des Abgasturboladers ausgebildet sein. Das Laufrad 16 ist dann als ein Turbinenrad, insbesondere als ein Radialturbinenrad, der Turbine ausgebildet. Das Turbinenrad ist von Abgas der Verbrennungskraftmaschine antreibbar. Während eines Betriebs der Turbine strömt das Abgas das Turbinenrad in radialer Richtung des Turbinenrads an, und das Abgas strömt das Turbinenrad in axialer Richtung des Turbinenrads ab. Bezogen auf das Turbinenrad ist beispielsweise die Stirnseite 22 auf einer Auslassseite oder in einem Auslassbereich des Laufrads 16 angeordnet, auf der bzw. in dem das Abgas von dem Laufrad 16 abströmt. Die Luft und das Abgas werden zusammenfassen auch als Fluide oder Medien bezeichnet. Im Folgenden wird die Turbomaschine am Beispiel des Verdichters beschrieben.
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Um nun eine auf das Laufrad 16 wirkende Axialkraft auf besonders vorteilhafte Weise besonders gering halten zu können, ist der Verbindungskanal 24 als eine in der Welle 14 ausgebildete Nut ausgebildet. Diese Nut ist bei alleiniger Betrachtung der Welle 14 in radialer Richtung der Welle 14 nach außen offen, das heißt unbegrenzt, und zwar vorzugsweise über ihre gesamte, in axialer Richtung der Welle 14 verlaufende Erstreckung. Insbesondere während eines Betriebs der Turbomaschine 10 herrscht auf der zweiten axialen Stirnseite 22 ein Druck P1 der Luft. Die Luft weist stromab des Laufrads 16 und somit nachdem sie mittels des Laufrads 16 verdichtet wurde einen gegenüber dem Druck P1 höheren Druck P1* auf. Aufgrund einer Entlüftung oder eines Druckausgleiches durch den Verbindungskanal 24 zwischen den Stirnseiten 20 und 22 stellt sich an der ersten axialen Stirnseite 20 Druck P2 ein, welcher geringer als der Druck P1* ist. Eine Wirkrichtung des Druckausgleichs ist durch Pfeile 26 veranschaulicht, welche eine Strömungsrichtung der Luft von der Stirnseite 20 auf die Stirnseite 22 veranschaulichen. Aufgrund des Druckausgleichs kann während des Betriebs eine auf die das Laufrad 16 und Welle 14 wirkende Axialkraft besonders gering gehalten werden. Auch bezogen auf die Turbine ist der Druck P1* höher als der Druck P1, da das Abgas durch das Turbinenrad entspannt wird. Die vorigen und folgenden Ausführungen zum Verdichter bzw. zur Luft können daher ohne weiteres auch auf die Turbine und das Abgas übertragen werden.
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1 zeigt auf ihrer rechten Seite ausschnittsweise eine schematische Querschnittsansicht der Turbomaschine 10, insbesondere der Welle 14. Wie erkennbar ist, kann die Welle mehrere Verbindungskanäle 24 aufweist. Die Verbindungskanäle 24 sind in Umfangsrichtung der Welle 14 voneinander beabstandet und als Nuten ausgebildet, die bei alleiniger Betrachtung der Welle 14 in radialer Richtung der Welle 14 nach außen offen sind.
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Bei der ersten Ausführungsform mündet der Verbindungskanal 24 auf der ersten axialen Stirnseite 20 in einen teilweise durch das Laufrad 16, teilweise durch das Gehäuse 12 und teilweise durch die Welle 14 begrenzten Raum 30. Dieser Raum 30 ist mittels separat von dem Gehäuse 12, separat von der Welle 14 und separat von dem Laufrad 16 ausgebildeten Dichtungen 32a, b abgedichtet, wobei mittels der Dichtung 32a das Laufrad 16 gegen das Gehäuse 12 und mittels der Dichtung 32b die Welle 14 gegen das Gehäuse 12 abgedichtet ist.
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Die Nut kann über ihre gesamte, in axialer Richtung der Welle 14 verlaufende Erstreckung in radialer Richtung der Welle 14 nach außen von der Mitte der Welle 14 beabstandet sein. In einer insbesondere eigenen, separaten Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass es sich bei dem Verbindungskanal 24 um einen beliebigen Kanal handeln kann, welcher beispielsweise über seine gesamte, in axialer Richtung der Welle 14 und in der Welle 14 verlaufende Erstreckung in radialer Richtung der Welle 14 von der Mitte der Welle 14 versetzt ist. Alternativ oder zusätzlich kann der Verbindungskanal 24 unter Umgehung des Laufrads 16 beliebig durch die Welle 14 geführt sein, das heißt unter Umgehung des Laufrads 16 auf den Stirnseiten 20 und 22 münden. Mit anderen Worten verläuft der gesamte Verbindungskanal 24 dann nicht durch das Laufrad 16 hindurch.
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2 zeigt ausschnittsweise eine schematische Schnittansicht eines Abgasturboladers 34. Der Abgasturbolader 34 weist eine zweite Ausführungsform der Turbomaschine 10 auf, die bei der zweiten Ausführungsform als ein Verdichter des Abgasturboladers 34 ausgebildet ist. Somit ist das Laufrad 16 als ein bzw. das zuvor genannte Verdichterrad ausgebildet. Dabei sind die Schaufeln 18 als Verdichterschaufeln ausgebildet. Als weitere Turbomaschine umfasst der Abgasturbolader 34 eine Turbine, welche ein weiteres, auf der Welle 14 angeordnetes und drehfest mit der Welle 14 verbundenes Laufrad 16b aufweist, welches auch als Turbinenlaufrad bezeichnet wird und auch als Turbinenschaufeln bezeichnete Schaufeln 18b aufweist. Auch bei der zweiten Ausführungsform ist die erste axiale Stirnseite 20 mit der zweiten axialen Stirnseite 22 über den Verbindungskanal 24 fluidisch verbunden, der - insbesondere ausschließlich - durch die Welle 14 führt. Der Verbindungskanal 24 ist in 2 nicht dargestellt. Allerdings ist dort der mittels des Verbindungskanals 24 realisierte Druckausgleich durch einen Pfeil 26 veranschaulicht. Somit kann auch bei der zweiten Ausführungsform eine auf das Laufrad 16 und die Welle 14 wirkende Axialkraft besonders gering gehalten werden.
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Die Turbomaschine 10 kann als eine elektrische bzw. elektrisch unterstütze Turbomaschine, insbesondere als ein elektrischer oder elektrisch unterstützter Verdichter, ausgebildet sein und somit eine elektrische Maschine aufweisen, mittels welcher unter Nutzung von elektrischer Energie das Laufrad 16 antreibbar ist. Ferner ist es denkbar, dass die Turbomaschine 10 einer Brennstoffzelle zugeordnet ist, sodass mittels des Verdichterrads Luft, die der Brennstoffzelle zugeführt wird, zu verdichten ist, und/oder sodass das Turbinenrad von Abgas der Brennstoffzelle antreibbar ist.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Turbomaschine
- 12
- Gehäuse
- 14
- Welle
- 16
- Laufrad
- 16b
- Turbinenlaufrad
- 18
- Schaufeln
- 18b
- Turbinenschaufeln
- 20
- Erste axiale Stirnseite
- 22
- Zweite axiale Stirnseite
- 24
- Verbindungskanal
- 26
- Strömungsrichtung
- 28
- Schnittansicht
- 30
- Raum
- 32a
- Dichtung
- 32b
- Dichtung
- 34
- Turbolader
- P1
- Druck
- P1*
- Druck
- P2
- Druck
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102014226951 A1 [0002]
- DE 102008027517 A1 [0003]
