EP2877701A1 - Rotor of an exhaust gas turbocharger - Google Patents

Rotor of an exhaust gas turbocharger

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EP2877701A1
EP2877701A1 EP13733304.3A EP13733304A EP2877701A1 EP 2877701 A1 EP2877701 A1 EP 2877701A1 EP 13733304 A EP13733304 A EP 13733304A EP 2877701 A1 EP2877701 A1 EP 2877701A1
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EP
European Patent Office
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blade
impeller
region
thickness distribution
edge
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EP13733304.3A
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German (de)
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Other versions
EP2877701B1 (en
Inventor
Michael Klaus
Timo MERENDA
Bernhard LEHMAYR
Meinhard Paffrath
Ivo Sandor
Endre Barti
Utz Wever
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Continental Automotive GmbH
Original Assignee
Continental Automotive GmbH
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Publication date
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Definitions

  • the invention relates to an impeller of an exhaust gas turbocharger having an impeller hub and arranged on the impeller hub impeller blades, each having a fluid inlet and knew a fluid outlet edge and each having a running in the flow direction of the fluid mass flow blade thickness distribution.
  • turbocharged turbocharger diesel or gasoline engines Due to the ever stricter laws regarding the emission of exhaust gases into the environment more and more vehicles are equipped with supercharged turbocharger diesel or gasoline engines. In addition, the requirements for the stationary behavior of the internal combustion engine, d. H. Power, torque and consumption need to be further improved. In turbocharged supercharged combustion engines in particular, the transient response is essential.
  • the simplest possible rotor blading allows turbomachinery with a small moment of inertia, which allows a better transient response can be achieved.
  • the minimum possible blade thickness is limited by the manufacturing process and the strength properties of the materials used.
  • Blade height running at the position of maximum blade height, shortened in Strö ⁇ tion direction, which is aerodynamically disadvantageous. Another possibility is to make the blade thicker overall. These solutions are neither inertial optimal nor strength optimal. Due to the comparatively poorer material utilization, further space is wasted, which could otherwise be used for additional blades with the same blade root clearance.
  • a blade of an impeller of a turbocharger which has a non-linear reduction of the axial length in the meridional view at its trailing edge at a turbine wheel blade or at its leading edge at a Ver emphasizerradschaufel at least in one or more sections, and in which the respective section and the reduction of the axial length of the blade are selected such that the blade has a predetermined ratio of natural frequency and a loss of efficiency of the blade or the impeller. Furthermore, this is from this Describing an impeller blade, which in the meridional view at its trailing edge at a turbine wheel blade or at its leading edge at a
  • Ver Whyrradschaufel in a first, upper region in the axial length is reduced and wherein the trailing edge in a second, lower region perpendicular, substantially perpendicular or rearward, opposite to the flow direction, runs, or the leading edge in a second lower region perpendicular, in the Is substantially perpendicular or rearward, in the flow direction, so that the loss of efficiency of the impeller is limited in a predetermined range.
  • the object of the invention is to provide an impeller of an exhaust gas turbocharger which has improved properties during operation.
  • An inventive impeller of an exhaust gas turbocharger has an impeller hub and arranged on the impeller hub impeller blades, each having a fluid inlet edge, a fluid outlet edge and a blade height and a blade thickness ⁇ distribution.
  • the impeller according to the invention is characterized in that the blade thickness distribution is selected such that the impeller blades along their extension from the fluid inlet edge to the fluid outlet edge, ie in the flow direction of the fluid flow, at least one transition between a stiffness-oriented blade thickness distribution and a inertial and voltage-oriented
  • An advantageous embodiment of the impeller is characterized in that the stiffness-oriented Schaufeldi ⁇ ckenver republic a bottle-shaped blade thickness distribution over the blade height and the inertia and voltage-oriented blade thickness distribution is an eiffel tower-shaped blade thickness distribution over the blade height.
  • a bottle-shaped blade thickness distribution represents a stiffness-optimized geometry and, at least on one side surface of the impeller blade, but preferably on both sides, pressure side and suction side, seen in a plane perpendicular to the impeller axis cutting plane, a flask-shaped side surface contour.
  • This side surface contour is characterized inter alia by a curvature change region, in which from radially inward to radially outward, with respect to an imaginary center line of the considered
  • said side surface contour between the blade root and the curvature change region has in each case a straight or a curved first transition region.
  • the result is a basic shape with a bulbous, stiff foot, wherein the blade thickness initially decreases radially outward until in the curvature change region slowly (bottle belly).
  • the blade thickness first decreases getting stronger at convex course of soflä ⁇ chenkontur.
  • the side surface contour merges into a concave profile, so that the blade thickness decreases beyond this region of the blade height to become weaker radially outward.
  • the side surface contour of the respective impeller blade between its radial blade edge and its curvature change region each have a straight or a curved second transition region (bottleneck).
  • the course of the side surface contour, ie the side surface curvature, in the direction of the radial blade edge in a predetermined curvature or inclined to an imaginary center line of the considered impeller vane cross-section to be designed or parallel to this center line, so that there is a second transition region the
  • the cross section of the impeller blade has a trapezoidal ⁇ taper or a constant thickness.
  • a eiffelturm shaped vane thickness distribution represents an inertia and tension-optimized geometry and but has at least on one side surface of the impeller blade, in ⁇ preferably on both sides (pressure side and suction side), a concave profile of the side surface contour, that is the side surface curvature of the runner blade in the radial direction outwards on, so that the blade thickness over the blade height decreases towards the outside radially weakening.
  • the outlet of the side surface curvature in the direction of the radial blade edge can be designed such that the concavely curved profile of the side surface contour of the respective
  • Impeller blade in the direction of the radial blade edge to continue continuously or in a straight, on an imaginary center line of the impeller blade cross-section to ge ⁇ tended or parallel to this center line gradient, so that there is a transition region, the trapezoidal cross-section of the impeller blade Has taper radially outward or a constant thickness.
  • the outlet in the blade root area can result from the curvature of the blade side wall or with an additional Foot rounding be executed.
  • Axial turbines or compressors are used. Furthermore, the invention favors the production engineering boundary conditions during casting with regard to minimum distances between adjacent blades.
  • Areas of the impeller blades which are of minor importance for the blade stiffness, and a stiffness-optimized thickness distribution in areas of the impeller blades, which are in danger of vibration, is made.
  • the areas of little importance for the overall blade stiffness are the areas with low blade height in the radial direction.
  • the areas with a high influence on the blade rigidity are the areas with large blade height in the radial direction.
  • the thickness distribution strategy according to the invention is based on a combination of the two fundamentally different blade thickness distributions, namely, for example, one eiffel tower-shaped blade thickness distribution and a flat-shaped blade thickness distribution such that the
  • Impeller blades along their extension from the fluid inlet edge to the fluid outlet edge have at least one transition between a stiffness-oriented blade thickness distribution and a inertial and stress-oriented blade thickness distribution over the blade height.
  • the Eiffel Tower shape is inertia and stress optimized, while the bottle shape is stiffness-optimized.
  • Figure 1 is a sketched partial section through an impeller of a
  • Figure 2 shows three examples of different blade thickness distributions over the blade height in a sectional view of an impeller blade (in a direction perpendicular to the impeller axis of rotation extending cutting plane);
  • FIG. 3 shows an illustration of the blade thickness distributions in the case of bottle-shaped and eiffel tower-shaped blade thickness distribution over the blade height of FIG
  • Impeller blade in sectional view according to Figure 2;
  • the impeller 1 shows a sketch to illustrate an impeller of an exhaust gas turbocharger, which is in the embodiment shown, for example, a turbine wheel of an exhaust gas turbocharger. If it is a turbine wheel, so this is located between the turbine housing 6 and the bearing housing 7 of the exhaust gas turbocharger and rotates during operation of the exhaust gas turbocharger to an impeller axis 10.
  • the impeller 1 is rotatably connected by means of its impeller hub 2 with a rotor shaft 11.
  • On the impeller hub 2 equidistant impeller blades 3 are arranged in the circumferential direction of the impeller, which impellers are attached to the impeller hub 2 by means of their blade root Bl.
  • the impeller hub 2 and the impeller blades 3 are manufactured in one step and materially connected to each other.
  • the impeller blades 3 each have a fluid inlet edge 4, 5 'and a fluid outlet edge 5, 4'. Since a turbine impeller and a compressor impeller hardly differ in the schematic representation, both embodiments are summarized in a representation in FIG. The main difference in the schematic representation consists in the flow direction of the fluid flow.
  • the turbine runner which is acted upon by exhaust gases of an internal combustion engine, has an exhaust gas inlet edge 4 and an exhaust gas outlet edge 5.
  • the flow direction of the exhaust gas is indicated in the figure 1 with arrows and designated by the reference numeral 8.
  • the compressor impeller which is acted upon by fresh air, has a fresh air inlet edge 5 'and a fresh air outlet edge 4'.
  • the flow direction of the fresh air is indicated in the figure 1 with arrows which are designated by the reference numeral 8 '.
  • the impeller blades over their extension from the fluid inlet edge 4, 5 'to the fluid outlet edge 5, 4', ie in each case in the flow direction of the fluid flow to a specific blade thickness distribution, which is achieved by the fact that the impeller blades in operation with respect to their rigidity , their inertia and their strength are optimized.
  • FIG. 2 shows three examples of blade thickness distributions over the blade height 9 of an impeller blade 3 in a sectional view with a plane perpendicular to the impeller axis 10 extending cutting plane.
  • a bottle-shaped blade thickness distribution is illustrated, in the middle representation of FIG. 2 an eiffel tower-shaped blade thickness distribution and in the right-hand representation of FIG. 2 a trapezoidal blade thickness distribution.
  • the respective blade thickness distribution is formed here by way of example symmetrically to an imaginary blade center line 13 of the respective impeller blade cross-section.
  • a blade thickness distribution takes place such that two fundamentally different blade thickness distributions, such as, for example, the Eiffel Tower shape and the bottle shape, are alternated or combined with one another in a specific manner.
  • the Eiffel Tower shape is inertial and tension optimal.
  • the bottle shape is stiffness-optimal.
  • the Eiffel Tower shape is characterized in particular by an outgoing from the foot, radially outward toward the inside, to the imaginary center line 13 to, curved course of soflä ⁇ chenkontur, the blade thickness in the direction ⁇ ⁇ outward direction becoming weaker weakening.
  • the side surface contour can continue to run in continuation of the Eiffelturmform, as can be seen from the middle view of Figure 2, or can also in a straight, to an imaginary center line of the impeller ⁇ blade to be inclined or parallel to this center line Overflow transition, so that there is a transition region whose cross-sectional area has a trapezoidal taper radially outward or a constant thickness.
  • the foot area may result from the curvature of the side wall of the scoop. Alternatively, the foot area can also be designed with an additional cognitive task.
  • the bottle shape which is illustrated in the left-hand illustration of FIG. 2, is distinguished, in contrast, in particular by a curvature change region, in which the Side surface contour of the impeller blade from radially inward to radially outward passes from a convex curvature into a concave curvature.
  • the trapezoidal blade thickness distribution as shown in the right-hand illustration of FIG. 2, is used in known blade thickness distributions according to the prior art and is present continuously in the flow direction between the fluid inlet and the fluid outlet edge.
  • Figure 3 each shows an example of a stiffness-optimized blade thickness distribution, which is referred to as a bottle shape and is referred to as the Eiffel Tower form an inertia and tension-optimized blade thickness ⁇ distribution, in a perpendicular sectional view according to a section plane for
  • Impeller rotational axis 10 the respective ⁇ vane blade thickness distribution in Figure 3 in the bottle shape in areas Bl to B5 and the Eiffelturmform in the areas Bl, C2, B4 and B5 divided, in both cases Bl the blade root and B5 the radial outer blade ⁇ border area is.
  • a first transitional region B2 (bottle belly), a curvature change region B3 (bottle shoulder) and a second transition region B4 (bottle neck) are predetermined.
  • a concave area C2 and also a transition area B4 are defined between the blade root Bl and the blade edge area B5.
  • the foot area or blade foot Bl in which the blade 3 is connected to the hub, each has the greatest thickness and preferably merges with a foot rounding 12 in the impeller hub 2.
  • the radially outer blade edge closes the side surface contour with a defined edge and is preferably slightly rounded in each case, wherein the rounding follows the respective circumferential circle of the impeller or results from it.
  • the side surface contour of the impeller blade may be straight or preferably slightly convexly curved in the first transition region B2 provided between the foot region B1 and the bend change region B3.
  • the change of curvature region B3 takes place - as already stated above - a transition of the side surface contour of a convex curvature in a concave curvature.
  • the Eiffel tower shape is characterized in particular by the adjoining the foot area concave portion C2, in which the side surface contour in the radial direction R outwardly toward the imaginary center line 13 to, concave curved course, the blade thickness decreases in the radial direction outwardly weakening.
  • the side surface contour can turn slightly concave in both cases continue to run or in a to an imaginary center line of the impeller blade cross section to inclined or this with ⁇ telline parallel course go over so that is a
  • Transition region results, the cross-sectional area of a tra ⁇ pezförmige taper radially outward or a
  • the extending in the radial direction R portions of the different areas Bl to B5 and C2 can be optimized in their extension and their relationship to one another depending on the respective specific application, wherein the division of the sections of the different areas Bl to B5 in Ab ⁇ dependence of the Position along the extension of
  • the gradient of the course of the side surface contour in the bending change region B3 can be optimized depending on the particular application in order to achieve the best possible compromise between stiffness and inertia.
  • Two examples illustrating blade thickness distributions according to the invention are shown schematically in FIG. 4 in meridional view of the impeller blades.
  • the left-hand illustration refers to a radial-axial impeller and the right-hand depiction to a radial impeller.
  • the embodiments described below can be used both in turbine wheels and in compressor wheels.
  • the fluid inlet edge 4 is the area of small blade height (in each case the left-hand area of the illustration) and the fluid outlet edge 5 is the area of large blade height (in each case the right-hand area of the illustration).
  • the fluid inlet edge 5 'in the region of large blade height (in each case the right-hand region of the illustration) and the fluid outlet edge 4' is the region of small blade height (in each case the left-hand region of the illustration).
  • the sectional representations A to D according to FIG. 4 are thus to be understood as a blade thickness distribution perpendicular to the skeleton surface (which is approximately given by an imaginary center line of the profile over the blade length and appears in the respective section as the center line) of the blade profile.
  • the thickness distribution illustrated in the right-hand illustration (radial impeller) has an eiffel tower-shaped blade thickness distribution in the region of small radial blade height and at the same time greater distance from the impeller rotational axis, section AA, and goes in the axial direction (to the right in the illustration), as from the sections BB and CC is continuously in a bottle-shaped blade thickness distribution in the range of large radial blade height at the same time smaller distance to the impeller axis 10, section DD, over.
  • Such a distribution corresponds to the rule that at high blade height in particular a stiffness-oriented
  • Bucket thickness distribution is advantageous, whereas at low blade height a inertial and voltage-oriented
  • Blade thickness distribution is preferable. At the same time, however, this distribution has the additional effect that the larger mass arrangements required for rigidity, in the form of the "bottle belly" of the bottle-shaped blade thickness distribution , are arranged closer to the rotor axis of rotation and thus have less negative influence on the mass inertia of the rotor and thus on the rotor transient behavior of the turbocharger.
  • the eiffel tower-shaped blade thickness distribution in section A-A initially goes in the direction of greater blade height (in the illustration to the right) into the bottle-shaped blade thickness distribution.
  • the axial transition regions between different blade thickness distributions have Cross-sectional shapes that correspond to a combination of an eiffel tower-shaped blade thickness distribution and a flat-shaped blade thickness distribution.
  • Figure 5 shows an example for illustrating a specific embodiment of the invention. According to this embodiment, the respective course of the side surface contour of
  • Impeller blade 3 shown here by the example of the bottle-shaped blade thickness distribution, but in the same way transferable to an eiffel tower-shaped blade thickness distribution, in the radial direction outward in each case a plurality of each straight contour sections Gl to G7. However, in juxtaposition of the individual straight contour sections, this in turn results as a superordinate geometry in a bottle or eiffel tower shape
  • This embodiment has the advantage that a production of the impeller blades is made possible in the milling process shown.
  • FIG. 6 shows examples to illustrate further embodiments of the invention.
  • FIG. 6 shows examples of a different, asymmetrical blade thickness distribution on the suction side S and the pressure side P of the impeller blades 3, wherein the two outer contours have different contours with respect to an imaginary center line.
  • the name of the suction side and the pressure side of the impeller blades are chosen here freely and serve only to distinguish the two Schaufelsammlungn.
  • Representation 6.1 of figure 6 shows, for example, a tra ⁇ pezförmig just radially outwardly decreasing Schaufeldi- on the suction side S and an eiffel tower-shaped blade thickness distribution on the pressure side P of the impeller blade 3.
  • Figure 6.2 shows an eiffel tower-shaped blade thickness distribution on the suction side S and a flat blade thickness distribution on the pressure side P.
  • Figure 6.3 shows again a bottle-shaped display ⁇ pitch distribution on the Suction side S and a conical blade thickness distribution on the pressure side P. In this case, other combinations of different blade thickness distributions (not shown here) can be realized.
  • the lowest blade thickness that can be implemented in terms of production technology extends over larger blade height portions of the rotor blade than in the case of the bottle-shaped blade thickness distribution and in the case of the eiffel tower-shaped blade thickness distribution than in the case of a conical blade thickness distribution.
  • an inertia reduction is achieved in the blade thickness distribution according to the invention.
  • the stiffness compared to the conical Blade thickness distribution are maintained, since almost the maximum thickness in the blade root area is used over larger blade ⁇ heights shares.
  • a trim adjustment of a base design can be made without changing the thickness of the radial blade end region.
  • the thickness maximum at the hub can be placed in the flow direction to an almost arbitrary position. If it is in an ideal position perpendicular to the swing axis of the lowest eigenmode, then the maximum blade thickness can be minimized because the rigidity is optimized. This benefits the inertia of the turbobladder.
  • the wedge angle of the fluid outlet edge can be optimized by positioning the maximum thickness at the hub towards more acute exit angles.
  • the radial blade thickness distribution of the fluid outlet edge 5 is again designed in Eiffel tower shape, as in the left Representation of Figure 4 is shown in section DD.
  • a flatter wedge angle at the fluid outlet edge 5 of turbine impeller blades is possible due to the blade thickness distribution according to the invention.
  • the object of the invention can also be used advantageously to reduce by improving the rigidity of the turbine blading the so-called cut-back ⁇ .

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Abstract

The invention relates to a rotor of an exhaust gas turbocharger, which has a rotor hub and rotor vanes arranged on said rotor hub. The rotor vanes have a vane thickness distribution selected such that these rotor vanes have along their extent from the fluid leading edge (4) to the fluid trailing edge (5) at least one transition between a stiffness-oriented vane thickness distribution and an inertia and stress-oriented vane thickness distribution over the height of the vane.

Description

Beschreibung description
Laufrad eines Abgasturboladers Impeller of an exhaust gas turbocharger
Die Erfindung betrifft ein Laufrad eines Abgasturboladers, welches eine Laufradnabe und auf der Laufradnabe angeordnete Laufradschaufeln aufweist, die jeweils eine Fluideintritts- kannte und eine Fluidaustrittskante enthalten und die jeweils eine in Strömungsrichtung des Fluidmassenstromes verlaufende Schaufeldickenverteilung aufweisen . The invention relates to an impeller of an exhaust gas turbocharger having an impeller hub and arranged on the impeller hub impeller blades, each having a fluid inlet and knew a fluid outlet edge and each having a running in the flow direction of the fluid mass flow blade thickness distribution.
Aufgrund der ständig verschärften Gesetze bezüglich der Emission von Abgasen in die Umwelt werden immer mehr Fahrzeuge mit über Abgasturbolader aufgeladene Diesel- oder Ottomotoren ausgerüstet. Zusätzlich steigen die Anforderungen an das stationäre Verhalten des Verbrennungsmotors, d. h. Leistung, Drehmoment und Verbrauch müssen weiter verbessert werden. Bei mittels Turboladern aufgeladenen Verbrennungsmotoren ist insbesondere auch das transiente Ansprechverhalten essentiell. Eine möglichst leichte Rotorbeschaufelung ermöglicht Turbomaschinen mit einem kleinen Trägheitsmoment, wodurch ein besseres transientes Ansprechverhalten erzielt werden kann. Die minimale mögliche Schaufeldicke ist durch das Herstellverfahren und die Fes- tigkeitseigenschaften der verwendeten Werkstoffe begrenzt.Due to the ever stricter laws regarding the emission of exhaust gases into the environment more and more vehicles are equipped with supercharged turbocharger diesel or gasoline engines. In addition, the requirements for the stationary behavior of the internal combustion engine, d. H. Power, torque and consumption need to be further improved. In turbocharged supercharged combustion engines in particular, the transient response is essential. The simplest possible rotor blading allows turbomachinery with a small moment of inertia, which allows a better transient response can be achieved. The minimum possible blade thickness is limited by the manufacturing process and the strength properties of the materials used.
Neben den Fliehkräften wirken auf die Laufradschaufeln aerodynamische Kräfte in Form von Schubspannungen und Druckkräften. Bei der Anströmung der Turbomaschinen entstehen Druckun- gleichförmigkeiten, die bei jeder Umdrehung auf die Laufrad- schaufeln wirken. Die Laufradschaufeln müssen eine Steifigkeit aufweisen, die ihre Eigenfrequenz so weit anhebt, dass sie nicht durch diese Druckpulsationen zu kritischen Schwingungen angeregt werden können. Es ist bereits bekannt, eine Dickenverteilung der Laufrad¬ schaufeln eines Abgasturboladers in radialer Richtung mit linear abnehmendem Dickenverlauf, ausgehend von niedrigem Durchmesser zu hohem Durchmesser, vorzusehen. Statt der radialen Strahlen können auch zum Strömungskanal senkrechte Strahlen als Defi¬ nitionsbasis dienen, sogenannte Meridionalstrahlen . Andere bekannte Lösungen sind Dickenverteilungen mit einfachen parametrischen Funktionen wie beispielsweise Parabeln oder Ex- ponentialfunktionen . Die Parameter der jeweiligen Funktion oder der Funktionstyp selbst werden nach Festigkeitskriterien optimiert, so dass geringe mechanische Spannungen in der Lauf¬ radschaufel und insbesondere im Fußbereich der Laufradschaufel , auch als Schaufelfuß bezeichnet, auftreten und dass eine ausreichende Steifigkeit der Laufradschaufel erzielt wird. Im Fußbereich der Schaufel wird die eigentliche Dickenverteilung typischerweise durch einen Füllradius im Übergang zur Nabe überdeckt. Je größer dieser Radius ist, desto geringer sind die Spannungen und desto höher ist die Steifigkeit der Schaufel. Fertigungs- und aerodynamische Kriterien limitieren allerdings die maximale Größe des Füllradius. Typischerweise ist die Laufradschaufel an ihrer Spitze, also im radialen Randbereich, dünner als an der Nabe. Wenn die Steifigkeit bzw. die Eigen¬ frequenz der Schaufel nicht ausreicht, wird häufig die In addition to the centrifugal forces act on the impeller blades aerodynamic forces in the form of shear stresses and compressive forces. As the turbomachines approach, pressure irregularities occur, which act on the impeller blades at each revolution. The impeller vanes must have a stiffness that raises their natural frequency so far that they can not be excited by these pressure pulsations to critical vibrations. It is already known to provide a thickness distribution of the impeller blades of an exhaust gas turbocharger in the radial direction with a linearly decreasing thickness progression, starting from a low diameter to a high diameter. Instead of the radial rays also to the flow channel vertical rays can serve as defi ¬ nitionsbasis called meridional. Other known solutions are thickness distributions with simple parametric functions such as parabolas or exponential functions. The parameters of the respective function or the function type itself are optimized according to strength criteria, so that low mechanical stresses in the run ¬ blade and especially in the foot of the impeller blade, also referred to as blade root, occur and that sufficient rigidity of the impeller blade is achieved. In the foot region of the blade, the actual thickness distribution is typically covered by a filling radius in the transition to the hub. The larger this radius, the lower the stresses and the higher the rigidity of the blade. Production and aerodynamic criteria, however, limit the maximum size of the filling radius. Typically, the impeller blade at its top, ie in the radial edge region, thinner than at the hub. If the rigidity or the eigenfrequency of the blade is not sufficient, the
Schaufelhöhe, an der Position größter Schaufelhöhe, in Strö¬ mungsrichtung verkürzt ausgeführt, was jedoch aerodynamisch nachteilig ist. Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Schaufel insgesamt dicker auszuführen. Diese Lösungen sind weder trägheitsoptimal noch festigkeitsoptimal. Durch die ver- gleichsweise schlechtere Materialauslastung wird des Weiteren Bauraum verschwendet, der ansonsten für zusätzliche Schaufeln bei gleichem Schaufelfußabstand verwendet werden könnte. Blade height, running at the position of maximum blade height, shortened in Strö ¬ tion direction, which is aerodynamically disadvantageous. Another possibility is to make the blade thicker overall. These solutions are neither inertial optimal nor strength optimal. Due to the comparatively poorer material utilization, further space is wasted, which could otherwise be used for additional blades with the same blade root clearance.
Aus der DE 10 2008 059 874 AI ist eine Schaufel eines Laufrades eines Turboladers bekannt, welche in der Meridionalansicht an ihrer Austrittskante bei einer Turbinenradschaufel bzw. an ihrer Eintrittskante bei einer Verdichterradschaufel zumindest in einem oder mehreren Abschnitten eine nichtlineare Reduzierung der axialen Länge aufweist, und bei welcher der jeweilige Abschnitt und die Reduzierung der axialen Länge der Schaufel derart gewählt sind, dass die Schaufel ein vorbestimmtes Verhältnis aus Eigenfrequenz und einem Wirkungsgradverlust der Schaufel bzw. des Laufrades aufweist. Des Weiteren ist aus dieser Schrift eine Laufradschaufel bekannt, welche in der Meridionalansicht an ihrer Austrittskante bei einer Turbi- nenradschaufel bzw. an ihrer Eintrittskante bei einer From DE 10 2008 059 874 AI a blade of an impeller of a turbocharger is known, which has a non-linear reduction of the axial length in the meridional view at its trailing edge at a turbine wheel blade or at its leading edge at a Verdichterradschaufel at least in one or more sections, and in which the respective section and the reduction of the axial length of the blade are selected such that the blade has a predetermined ratio of natural frequency and a loss of efficiency of the blade or the impeller. Furthermore, this is from this Describing an impeller blade, which in the meridional view at its trailing edge at a turbine wheel blade or at its leading edge at a
Verdichterradschaufel 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. die Eintrittskante in einem zweiten unteren Bereich senkrecht, im Wesentlichen senkrecht oder nach hinten, in Strömungsrichtung verläuft, so dass der Wirkungsgradverlust des Laufrades in einem vorbestimmten Bereich begrenzt ist. Verdichterradschaufel in a first, upper region in the axial length is reduced and wherein the trailing edge in a second, lower region perpendicular, substantially perpendicular or rearward, opposite to the flow direction, runs, or the leading edge in a second lower region perpendicular, in the Is substantially perpendicular or rearward, in the flow direction, so that the loss of efficiency of the impeller is limited in a predetermined range.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Laufrad eines Abgasturboladers anzugeben, das im Betrieb verbesserte Ei- genschaften aufweist. The object of the invention is to provide an impeller of an exhaust gas turbocharger which has improved properties during operation.
Diese Aufgabe wird durch ein Laufrad mit den im Folgenden angegebenen Merkmalen gelöst. This object is achieved by an impeller with the features indicated below.
Ein erfindungsgemäßes Laufrad eines Abgasturboladers, weist eine Laufradnabe und auf der Laufradnabe angeordnete Laufradschaufeln auf, die jeweils eine Fluideintrittskante, eine Fluidaus- trittskante und eine Schaufelhöhe sowie eine Schaufeldicken¬ verteilung aufweisen. Das erfindungsgemäße Laufrad ist dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufeldickenverteilung derart ge- wählt ist, dass die Laufradschaufeln entlang ihrer Erstreckung von der Fluideintrittskante bis zur Fluidaustrittskante, also in Strömungsrichtung des Fluidstromes , mindestens einen Übergang zwischen einer steifigkeitsorientierten Schaufeldickenverteilung und einer trägheits- und spannungsorientierten An inventive impeller of an exhaust gas turbocharger has an impeller hub and arranged on the impeller hub impeller blades, each having a fluid inlet edge, a fluid outlet edge and a blade height and a blade thickness ¬ distribution. The impeller according to the invention is characterized in that the blade thickness distribution is selected such that the impeller blades along their extension from the fluid inlet edge to the fluid outlet edge, ie in the flow direction of the fluid flow, at least one transition between a stiffness-oriented blade thickness distribution and a inertial and voltage-oriented
Schaufeldickenverteilung über die Schaufelhöhe aufweisen. Have blade thickness distribution over the blade height.
Dabei ist unter der Schaufelhöhe die Erstreckung der jeweiligen Laufradschaufel vom Übergangsbereich zwischen der Laufradnabe (2) und der Laufradschaufel (3) , dem Schaufelfuß oder Fußbereich (Bl), aus in Radialrichtung, in Bezug auf die Laufraddrehachse, bis in den von der Laufradnabe (2) abgelegenen radialen In this case, under the blade height, the extent of the respective impeller blade from the transition region between the impeller hub (2) and the impeller blade (3), the blade root or foot (Bl), from in the radial direction, with respect to the impeller axis of rotation, to that of the impeller hub ( 2) remote radial
Schaufelrand zu verstehen. Die Erstreckung der Laufradschaufel in Strömungsrichtung des Fluidstromes , kennzeichnet die„Schaufellänge", beginnend an der Fluideintrittskante und endend an der Fluidaustrittskante der Laufradschaufel . Shovel edge to understand. The extent of the impeller blade in the flow direction of the fluid flow, characterizes the "blade length", starting at the fluid inlet edge and ending at the fluid outlet edge of the impeller blade.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Laufrades ist dadurch gekennzeichnet, dass die steifigkeitsorientierte Schaufeldi¬ ckenverteilung eine flaschenförmige Schaufeldickenverteilung über die Schaufelhöhe und die trägheits- und spannungs- orientierte Schaufeldickenverteilung eine eiffelturmförmige Schaufeldickenverteilung über die Schaufelhöhe ist. An advantageous embodiment of the impeller is characterized in that the stiffness-oriented Schaufeldi ¬ ckenverteilung a bottle-shaped blade thickness distribution over the blade height and the inertia and voltage-oriented blade thickness distribution is an eiffel tower-shaped blade thickness distribution over the blade height.
Eine flaschenförmige Schaufeldickenverteilung stellt eine steifigkeitsoptimierte Geometrie dar und weist zumindest auf einer Seitenfläche der Laufradschaufel , vorzugsweise jedoch auf beiden Seiten, Druckseite und Saugseite, in einer senkrecht zur Laufraddrehachse stehenden Schnittebene gesehen, eine fla- schenförmige Seitenflächenkontur auf. Diese Seitenflächenkontur ist unter Anderem durch einen Krümmungswechselbereich ge- kennzeichnet, in welchem von radial innen nach radial außen ein, in Bezug auf eine gedachte Mittellinie des betrachteten A bottle-shaped blade thickness distribution represents a stiffness-optimized geometry and, at least on one side surface of the impeller blade, but preferably on both sides, pressure side and suction side, seen in a plane perpendicular to the impeller axis cutting plane, a flask-shaped side surface contour. This side surface contour is characterized inter alia by a curvature change region, in which from radially inward to radially outward, with respect to an imaginary center line of the considered
Laufradschaufelquerschnitts , konvexer Verlauf der Seitenflä¬ chenkontur, also der Seitenflächenkrümmung, in einen konkaven Verlauf übergeht. Impeller blade cross-section, convex course of Seitenflä ¬ chenkontur, ie the side surface curvature, merges into a concave profile.
In Weiterbildung des Gegenstandes weist die genannte Seiten¬ flächenkontur zwischen dem Schaufelfuß und dem Krümmungswechselbereich jeweils einen geraden oder einen gekrümmten ersten Übergangsbereich auf. So entsteht eine Grundform mit einem bauchigen, steifen Fuß, wobei die Schaufeldicke zunächst nach radial außen hin bis in den Krümmungswechselbereich langsam abnimmt (Flaschenbauch) . Im Krümmungswechselbereich nimmt die Schaufeldicke zunächst bei konvexem Verlauf der Seitenflä¬ chenkontur stärker werdend ab. Im Anschluss daran geht die Seitenflächenkontur in einen konkaven Verlauf über, sodass die Schaufeldicke über diesen Bereich der Schaufelhöhe nach radial außen hin schwächer werdend abnimmt. In Weiterbildung des Gegenstandes der flaschenförmigen In a further development of the subject, said side surface contour between the blade root and the curvature change region has in each case a straight or a curved first transition region. The result is a basic shape with a bulbous, stiff foot, wherein the blade thickness initially decreases radially outward until in the curvature change region slowly (bottle belly). In the change of curvature area, the blade thickness first decreases getting stronger at convex course of Seitenflä ¬ chenkontur. Following this, the side surface contour merges into a concave profile, so that the blade thickness decreases beyond this region of the blade height to become weaker radially outward. In development of the subject of the bottle-shaped
Schaufeldickenverteilung weist die Seitenflächenkontur der jeweiligen Laufradschaufel zwischen ihrem radialen Schaufelrand und ihrem Krümmungswechselbereich jeweils einen geraden oder einen gekrümmten zweiten Übergangsbereich (Flaschenhals) auf. Dabei kann der Verlauf der Seitenflächenkontur, also der Seitenflächenkrümmung, in Richtung des radialen Schaufelrands in einer vorgegebenen Krümmung auslaufen oder geneigt auf eine gedachte Mittellinie des betrachteten Laufradschaufelquer- Schnitts zu oder parallel zu dieser Mittellinie gestaltet sein, so dass sich ein zweiter Übergangsbereich ergibt, der im Querschnitt der Laufradschaufel beispielsweise eine trapez¬ förmige Verjüngung oder eine gleichbleibende Dicke aufweist. So ergibt sich, im Querschnitt gesehen, insgesamt eine Sei- tenflächenkrümmung der Laufradschaufel , die der Konturlinie einer Flasche ähnlich ist und deshalb hier so benannt wird. Bucket thickness distribution, the side surface contour of the respective impeller blade between its radial blade edge and its curvature change region each have a straight or a curved second transition region (bottleneck). In this case, the course of the side surface contour, ie the side surface curvature, in the direction of the radial blade edge in a predetermined curvature or inclined to an imaginary center line of the considered impeller vane cross-section to be designed or parallel to this center line, so that there is a second transition region, the For example, in the cross section of the impeller blade has a trapezoidal ¬ taper or a constant thickness. Thus, as seen in cross-section, there is a total of a side surface curvature of the impeller blade, which is similar to the contour line of a bottle and is therefore named here in this way.
Eine eiffelturmförmige Schaufeldickenverteilung stellt eine trägheits- und spannungsoptimierte Geometrie dar und weist zumindest auf einer Seitenfläche der Laufradschaufel , vor¬ zugsweise jedoch auf beiden Seiten (Druckseite und Saugseite), einen konkaven Verlauf der Seitenflächenkontur, also der Seitenflächenkrümmung der Laufradschaufel in Radialrichtung nach außen auf, sodass die Schaufeldicke über die Schaufelhöhe nach radial außen hin schwächer werdend abnimmt. A eiffelturm shaped vane thickness distribution represents an inertia and tension-optimized geometry and but has at least on one side surface of the impeller blade, in ¬ preferably on both sides (pressure side and suction side), a concave profile of the side surface contour, that is the side surface curvature of the runner blade in the radial direction outwards on, so that the blade thickness over the blade height decreases towards the outside radially weakening.
Der Auslauf der Seitenflächenkrümmung in Richtung des radialen Schaufelrandes kann dabei so gestaltet sein, dass der konkav gewölbte Verlauf der Seitenflächenkontur der jeweiligen The outlet of the side surface curvature in the direction of the radial blade edge can be designed such that the concavely curved profile of the side surface contour of the respective
Laufradschaufel , in Richtung auf den radialen Schaufelrand zu, kontinuierlich weitergeführt wird oder in einen geraden, auf eine gedachte Mittellinie des Laufradschaufelquerschnitts zu ge¬ neigten oder zu dieser Mittellinie parallelen Verlauf übergeht, so dass sich ein Übergangsbereich ergibt, der im Querschnitt der Laufradschaufel eine trapezförmige Verjüngung nach radial außen hin oder eine gleichbleibende Dicke aufweist. Impeller blade, in the direction of the radial blade edge to continue continuously or in a straight, on an imaginary center line of the impeller blade cross-section to ge ¬ tended or parallel to this center line gradient, so that there is a transition region, the trapezoidal cross-section of the impeller blade Has taper radially outward or a constant thickness.
Der Auslauf im Schaufelfußbereich kann sich aus der Krümmung der Schaufelseitenwand ergeben oder mit einer zusätzlichen Fußverrundung ausgeführt sein. So ergibt sich, im Querschnitt gesehen, eine Seitenflächenkrümmung der Laufradschaufel , die der Konturlinie des Eiffelturmes ähn21ich ist und deshalb hier so benannt wird. The outlet in the blade root area can result from the curvature of the blade side wall or with an additional Foot rounding be executed. Thus, seen in cross-section, there is a side surface curvature of the impeller vane, which is similar to the contour line of the Eiffel Tower, and is therefore named here.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Laufrades mit den oben angegebenen Merkmalen werden im Folgenden anhand der Figurenbeschreibung erläutert. Die Vorteile eines erfindungsgemäßen Laufrades bestehen ins¬ besondere darin, dass das Laufrad im Hinblick auf die von ihm im Betrieb geforderten Eigenschaften, insbesondere im Hinblick auf dessen Steifigkeit, Trägheit und Festigkeit, optimiert ist. Die beanspruchte Schaufeldickenverteilung kann für gegossene, erodierte und auch für gefräste Radial-, Radial-Axial- undFurther advantageous embodiments and developments of the impeller according to the invention with the above-mentioned features are explained below with reference to the description of the figures. The advantages of an impeller according to the invention are made into ¬ special is that the wheel is in terms of what he called for in the operating characteristics, particularly with regard to its rigidity, inertia and strength optimized. The claimed blade thickness distribution can be used for cast, eroded and also for milled radial, radial-axial and
Axial-Turbinen bzw. -Verdichter verwendet werden. Des Weiteren begünstigt die Erfindung die fertigungstechnischen Randbedingungen beim Gießen hinsichtlich minimaler Abstände zwischen einander benachbarten Schaufeln. Axial turbines or compressors are used. Furthermore, the invention favors the production engineering boundary conditions during casting with regard to minimum distances between adjacent blades.
Bei einer Herstellung im Gussverfahren besteht die Möglichkeit, die Schaufeldickenverteilung sowohl über die Schaufelhöhe als auch über die Schaufellänge beliebig einzustellen. Diese Möglichkeit wird bei der vorliegenden Erfindung dahingehend genutzt, dass eine trägheitsoptimierte Dickenverteilung inWhen produced by casting, it is possible to set the blade thickness distribution as desired both over the blade height and over the blade length. This possibility is used in the present invention in that an inertia-optimized thickness distribution in
Bereichen der Laufradschaufeln, die für die Schaufelsteifigkeit von untergeordneter Bedeutung sind, sowie eine steifigkeits- optimierte Dickenverteilung in Bereichen der Laufradschaufeln, die schwingungsgefährdet sind, vorgenommen wird. Bei den Be- reichen geringer Bedeutung für die gesamte Schaufelsteifigkeit handelt es sich um die Bereiche mit geringer Schaufelhöhe in Radialrichtung. Bei den Bereichen mit großem Einfluss auf die Schaufelsteifigkeit handelt es sich um die Bereiche mit großer Schaufelhöhe in Radialrichtung. Areas of the impeller blades, which are of minor importance for the blade stiffness, and a stiffness-optimized thickness distribution in areas of the impeller blades, which are in danger of vibration, is made. The areas of little importance for the overall blade stiffness are the areas with low blade height in the radial direction. The areas with a high influence on the blade rigidity are the areas with large blade height in the radial direction.
Die erfindungsgemäße Dickenverteilungsstrategie basiert auf einer Kombination der zwei grundsätzlich unterschiedlichen Schaufeldickenverteilungen, nämlich beispielsweise einer eiffelturmförmigen Schaufeldickenverteilung und einer fla- schenförmigen Schaufeldickenverteilung derart, dass die The thickness distribution strategy according to the invention is based on a combination of the two fundamentally different blade thickness distributions, namely, for example, one eiffel tower-shaped blade thickness distribution and a flat-shaped blade thickness distribution such that the
Laufradschaufeln entlang ihrer Erstreckung von der Fluidein- trittskante bis zur Fluidaustrittskante mindestens einen Übergang zwischen einer steifigkeitsorientierten Schaufeldickenverteilung und einer trägheits- und spannungsorientierten Schaufeldickenverteilung über die Schaufelhöhe aufweisen . Dabei ist die Eiffelturmform trägheits- und spannungsoptimiert , während die Flaschenform steifigkeitsoptimiert ist. Impeller blades along their extension from the fluid inlet edge to the fluid outlet edge have at least one transition between a stiffness-oriented blade thickness distribution and a inertial and stress-oriented blade thickness distribution over the blade height. The Eiffel Tower shape is inertia and stress optimized, while the bottle shape is stiffness-optimized.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele für die Erfindung anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigt: Embodiments of the invention will be explained in more detail with reference to the figures. It shows:
Figur 1 einen skizzierten Teilschnitt durch ein Laufrad eines Figure 1 is a sketched partial section through an impeller of a
Abgasturboladers (in Richtung der Laufraddrehachse) zur Exhaust gas turbocharger (in the direction of the impeller axis of rotation) for
Veranschaulichung der Laufradschaufeln in Seitenansicht ; Illustration of the impeller blades in side view;
Figur 2 drei Beispiele für unterschiedliche Schaufeldicken- Verteilungen über die Schaufelhöhe in Schnittdarstellung einer Laufradschaufel (in einer senkrecht zur Laufraddrehachse verlaufenden Schnittebene) ; Figure 2 shows three examples of different blade thickness distributions over the blade height in a sectional view of an impeller blade (in a direction perpendicular to the impeller axis of rotation extending cutting plane);
Figur 3 eine Veranschaulichung der Schaufeldickenverteilungen bei flaschenförmiger und eiffelturmförmiger Schaufeldickenverteilung über die Schaufelhöhe einer FIG. 3 shows an illustration of the blade thickness distributions in the case of bottle-shaped and eiffel tower-shaped blade thickness distribution over the blade height of FIG
Laufradschaufel , in Schnittdarstellung gemäß Figur 2 ;  Impeller blade, in sectional view according to Figure 2;
Figur 4 zwei Beispiele zur Veranschaulichung von Schaufeldi- ckenverteilungen über die Schaufelhöhe und die Er¬ streckung einer Laufradschaufel in axialer Richtung, in Meridionalansicht der Laufradschaufeln; 4 shows two examples illustrating Schaufeldi- ckenverteilungen over the blade height and the He ¬ stretching an impeller blade in the axial direction, in meridional view of the impeller blades;
Figur 5 ein Beispiel zur Veranschaulichung eines Ausfüh- rungsbeispiels mit jeweils gerade verlaufenden Ab¬ schnitten einer Seitenflächenkontur, Figur 6 Beispiele zur Veranschaulichung unterschiedlicher5 shows an illustrative example of an embodiment with just extending respectively from ¬ cut a side surface contour, Figure 6 Examples illustrating different
Ausführungen asymmetrischer Schaufeldickenverteilungen, in Schnittdarstellung gemäß Figur 2 und Figur 7 eine überlagerte Darstellung zur Veranschaulichung von verschiedenen Schaufeldickenverteilungen, in Schnittdarstellung gemäß Figur 2. Embodiments of asymmetric blade thickness distributions, in sectional view according to FIG. 2 and FIG. 7 a superimposed illustration to illustrate different blade thickness distributions, in sectional view according to FIG. 2.
Funktions- und Benennungsgleiche Gegenstände sind in den Figuren durchgehend mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet. Function and naming equals objects are marked in the figures throughout with the same reference numerals.
Die Figur 1 zeigt eine Skizze zur Veranschaulichung eines Laufrades eines Abgasturboladers, bei dem es sich beim gezeigten Ausführungsbeispiel zum Beispiel um ein Turbinenlaufrad eines Abgasturboladers handelt. Wenn es sich um ein Turbinenlaufrad handelt, so ist dieses zwischen dem Turbinengehäuse 6 und dem Lagergehäuse 7 des Abgasturboladers angeordnet und dreht sich im Betrieb des Abgasturboladers um eine Laufraddrehachse 10. Das Laufrad 1 ist mittels seiner Laufradnabe 2 mit einer Läuferwelle 11 drehfest verbunden. Auf der Laufradnabe 2 sind in Um- fangsrichtung des Laufrades äquidistant Laufradschaufeln 3 angeordnet, die mittels ihres Schaufelfußes Bl an der Laufradnabe 2 befestigt sind. Beispielsweise sind die Laufradnabe 2 und die Laufradschaufeln 3 in einem Schritt gefertigt und stoffschlüssig miteinander verbunden. 1 shows a sketch to illustrate an impeller of an exhaust gas turbocharger, which is in the embodiment shown, for example, a turbine wheel of an exhaust gas turbocharger. If it is a turbine wheel, so this is located between the turbine housing 6 and the bearing housing 7 of the exhaust gas turbocharger and rotates during operation of the exhaust gas turbocharger to an impeller axis 10. The impeller 1 is rotatably connected by means of its impeller hub 2 with a rotor shaft 11. On the impeller hub 2 equidistant impeller blades 3 are arranged in the circumferential direction of the impeller, which impellers are attached to the impeller hub 2 by means of their blade root Bl. For example, the impeller hub 2 and the impeller blades 3 are manufactured in one step and materially connected to each other.
Die Laufradschaufeln 3 weisen jeweils eine Fluideintrittskante 4, 5' und eine Fluidaustrittskante 5, 4' auf. Da sich ein Turbinenlaufrad und ein Verdichterlaufrad in der schematischen Darstellung kaum unterscheiden, sind in Figur 1 beide Ausführungen in einer Darstellung zusammengefasst . Der Hauptunterschied in der schematischen Darstellung besteht dabei in der Strömungsrichtung des Fluidstromes . The impeller blades 3 each have a fluid inlet edge 4, 5 'and a fluid outlet edge 5, 4'. Since a turbine impeller and a compressor impeller hardly differ in the schematic representation, both embodiments are summarized in a representation in FIG. The main difference in the schematic representation consists in the flow direction of the fluid flow.
Das Turbinenlaufrad, das mit Abgasen eines Verbrennungsmotors beaufschlagt wird, weist eine Abgaseintrittskante 4 und eine Abgasaustrittskante 5 auf. Die Strömungsrichtung des Abgases ist in der Figur 1 mit Pfeilen angedeutet und mit der Bezugsziffer 8 bezeichnet. „ The turbine runner, which is acted upon by exhaust gases of an internal combustion engine, has an exhaust gas inlet edge 4 and an exhaust gas outlet edge 5. The flow direction of the exhaust gas is indicated in the figure 1 with arrows and designated by the reference numeral 8. "
Das Verdichterlaufrad, das mit Frischluft beaufschlagt wird, weist eine Frischlufteintrittskante 5' und eine Frischluft¬ austrittskante 4' auf. Die Strömungsrichtung der Frischluft ist in der Figur 1 mit Pfeilen angedeutet die mit der Bezugsziffer 8 'bezeichnet sind. The compressor impeller, which is acted upon by fresh air, has a fresh air inlet edge 5 'and a fresh air outlet edge 4'. The flow direction of the fresh air is indicated in the figure 1 with arrows which are designated by the reference numeral 8 '.
Bei der vorliegenden Erfindung weisen die Laufradschaufeln über ihre Erstreckung von der Fluideintrittskante 4, 5' bis zu der Fluidaustrittskante 5, 4', also jeweils in Strömungsrichtung des Fluidstromes eine spezielle Schaufeldickenverteilung auf, durch welche erreicht wird, dass die Laufradschaufeln im Betrieb bezüglich ihrer Steifigkeit, ihrer Trägheit und ihrer Festigkeit optimiert sind. In the present invention, the impeller blades over their extension from the fluid inlet edge 4, 5 'to the fluid outlet edge 5, 4', ie in each case in the flow direction of the fluid flow to a specific blade thickness distribution, which is achieved by the fact that the impeller blades in operation with respect to their rigidity , their inertia and their strength are optimized.
Die Figur 2 zeigt drei Beispiele für Schaufeldickenverteilungen über die Schaufelhöhe 9 einer Laufradschaufel 3 in einer Schnittdarstellung mit einer senkrecht zur Laufraddrehachse 10 verlaufenden Schnittebene. Dabei ist in der linken Darstellung in Figur 2 eine flaschenförmige Schaufeldickenverteilung, in der mittleren Darstellung von Figur 2 eine eiffelturmförmige Schaufeldickenverteilung und in der rechten Darstellung von Figur 2 eine trapezförmige Schaufeldickenverteilung veranschaulicht. Die jeweilige Schaufeldickenverteilung ist hier beispielhaft symmetrisch zu einer gedachten Schaufelmittellinie 13 des jeweiligen Laufradschaufelquerschnitts ausgebildet. Gemeinsam ist diesen Schaufeldickenverteilungen, dass in ihrem jeweiligen Fußbereich, also im Bereich der Anbindung an die Laufradnabe (nicht dargestellt), die Dicke der jeweiligen Laufradschaufel am größten ist und in ihrem radialen Schau¬ felrandbereich, der dem Fußbereich entgegengesetzt angeordnet ist, die Dicke der jeweiligen Laufradschaufel am kleinsten ist. Im Fußbereich ist jeweils eine Fußverrundung 12 angedeutet, die den Übergang zur Laufradnabe darstellt. Im Falle einer Herstellung der Laufradschaufeln im Gussverfahren besteht die Möglichkeit, die Schaufeldickenverteilung beliebig einzustellen. Diese Möglichkeit wird bei der Erfindung dazu ausgenutzt, in Schaufelbereichen, die für die Schaufelsteif- igkeit von untergeordneter Bedeutung sind, eine trägheitsop¬ timale Dickenverteilung vorzunehmen, und in Schaufelbereichen, die schwingungsgefährdet sind, eine steifigkeitsoptimale Di¬ ckenverteilung vorzunehmen. 2 shows three examples of blade thickness distributions over the blade height 9 of an impeller blade 3 in a sectional view with a plane perpendicular to the impeller axis 10 extending cutting plane. In the left-hand illustration in FIG. 2, a bottle-shaped blade thickness distribution is illustrated, in the middle representation of FIG. 2 an eiffel tower-shaped blade thickness distribution and in the right-hand representation of FIG. 2 a trapezoidal blade thickness distribution. The respective blade thickness distribution is formed here by way of example symmetrically to an imaginary blade center line 13 of the respective impeller blade cross-section. Common to these blade thickness distributions, that in their respective foot region, ie in the region of the connection to the impeller hub (not shown), the thickness of the respective impeller blade is greatest and in its radial Schau ¬ edge edge region, which is arranged opposite to the foot region, the thickness of respective impeller blade is smallest. In the foot area in each case a foot rounding 12 is indicated, which represents the transition to the impeller hub. In the case of production of the impeller blades in the casting process, it is possible to set the blade thickness distribution as desired. This possibility is exploited in the invention for use in blade areas which are responsible for the blade stiffness. accuracy of minor importance to pre-trägheitsop ¬ timale thickness distribution, and blade areas which are vibration-endangered to make a rigidity optimum Di ¬ ckenverteilung.
Diejenigen Bereiche, die von geringer Bedeutung für die gesamte Schaufelsteifigkeit sind, sind die Schaufelbereiche mit geringer Schaufelhöhe. Diejenigen Bereiche, die große Bedeutung bzw. großen Einfluss auf die Schaufelsteifigkeit haben, sind die Schaufelbereiche mit großer Schaufelhöhe. Those areas that are of little importance to overall blade stiffness are the low blade height blade areas. Those areas of great importance to the blade stiffness are the blade areas with large blade heights.
Bei der Erfindung erfolgt eine Schaufeldickenverteilung derart, dass zwei grundsätzlich unterschiedliche Schaufeldickenverteilungen, wie zum Beispiel die Eiffelturmform und die Fla- schenform, in bestimmter Weise miteinander abwechseln bzw. kombiniert werden. Die Eiffelturmform ist trägheits- und spannungsoptimal. Die Flaschenform ist steifigkeitsoptimal . In the invention, a blade thickness distribution takes place such that two fundamentally different blade thickness distributions, such as, for example, the Eiffel Tower shape and the bottle shape, are alternated or combined with one another in a specific manner. The Eiffel Tower shape is inertial and tension optimal. The bottle shape is stiffness-optimal.
Die Eiffelturmform ist insbesondere durch einen vom Fußbereich ausgehenden, nach radial außen hin zunächst nach innen, auf die gedachte Mittellinie 13 zu, gewölbten Verlauf der Seitenflä¬ chenkontur gekennzeichnet, wobei die Schaufeldicke in Radi¬ alrichtung nach außen schwächer werdend abnimmt. In Richtung auf den radialen Schaufelrand zu kann die Seitenflächenkontur in Weiterführung der Eiffelturmform auslaufen, wie es aus der mittleren Darstellung von Figur 2 ersichtlich ist, oder kann auch in einen geraden, auf eine gedachte Mittellinie der Laufrad¬ schaufel zu geneigten oder zu dieser Mittellinie parallelen Verlauf übergehen, so dass sich ein Übergangsbereich ergibt, dessen Querschnittsfläche eine trapezförmige Verjüngung nach radial außen hin oder eine gleichbleibende Dicke aufweist. Dabei kann sich der Fußbereich aus der Krümmung der Seitenschaufelwand ergeben. Alternativ dazu kann der Fußbereich auch mit einer zusätzlichen Fußverrundung 12 ausgeführt sein. The Eiffel Tower shape is characterized in particular by an outgoing from the foot, radially outward toward the inside, to the imaginary center line 13 to, curved course of Seitenflä ¬ chenkontur, the blade thickness in the direction ¬ ¬ outward direction becoming weaker weakening. In the direction of the radial blade edge, the side surface contour can continue to run in continuation of the Eiffelturmform, as can be seen from the middle view of Figure 2, or can also in a straight, to an imaginary center line of the impeller ¬ blade to be inclined or parallel to this center line Overflow transition, so that there is a transition region whose cross-sectional area has a trapezoidal taper radially outward or a constant thickness. The foot area may result from the curvature of the side wall of the scoop. Alternatively, the foot area can also be designed with an additional Fußverrundung 12.
Die Flaschenform, die in der linken Darstellung von Figur 2 veranschaulicht ist, ist im Unterschied dazu insbesondere durch einen Krümmungswechselbereich gekennzeichnet, in welchem die Seitenflächenkontur der Laufradschaufel von radial innen nach radial außen von einer konvexen Krümmung in eine konkave Krümmung übergeht . Die trapezförmige Schaufeldickenverteilung, wie sie in der rechten Darstellung von Figur 2 gezeigt ist, kommt bei bekannten Schaufeldickenverteilungen gemäß dem Stand der Technik zum Einsatz und liegt dabei in Strömungsrichtung zwischen der Fluideintritts- und der Fluidaustrittskante kontinuierlich vor. The bottle shape, which is illustrated in the left-hand illustration of FIG. 2, is distinguished, in contrast, in particular by a curvature change region, in which the Side surface contour of the impeller blade from radially inward to radially outward passes from a convex curvature into a concave curvature. The trapezoidal blade thickness distribution, as shown in the right-hand illustration of FIG. 2, is used in known blade thickness distributions according to the prior art and is present continuously in the flow direction between the fluid inlet and the fluid outlet edge.
Die Figur 3 zeigt je ein Beispiel für eine steifigkeitsoptimierte Schaufeldickenverteilung, die als Flaschenform bezeichnet wird und eine trägheits- und spannungsoptimierte Schaufeldicken¬ verteilung, die als Eiffelturmform bezeichnet wird in einer Schnittdarstellung gemäß einer Schnittebene senkrecht zurFigure 3 each shows an example of a stiffness-optimized blade thickness distribution, which is referred to as a bottle shape and is referred to as the Eiffel Tower form an inertia and tension-optimized blade thickness ¬ distribution, in a perpendicular sectional view according to a section plane for
Laufraddrehachse 10. Zur einfacheren Erläuterung ist die je¬ weilige Schaufeldickenverteilung in Figur 3 bei der Flaschenform in Bereiche Bl bis B5 und bei der Eiffelturmform in die Bereiche Bl, C2, B4 und B5 unterteilt, wobei in beiden Fällen Bl der Schaufelfußbereich und B5 der radial außenliegende Schaufel¬ randbereich ist. Impeller rotational axis 10. For ease of explanation, the respective ¬ vane blade thickness distribution in Figure 3 in the bottle shape in areas Bl to B5 and the Eiffelturmform in the areas Bl, C2, B4 and B5 divided, in both cases Bl the blade root and B5 the radial outer blade ¬ border area is.
Weiterhin sind bei der Flaschenform ein erster Übergangsbereich B2 (Flaschenbauch) , ein Krümmungswechselbereich B3 (Flaschenschulter) und ein zweiter Übergangsbereich B4 (Fla- schenhals) vorgegeben. Bei der Eiffelturmform ist zwischen dem Schaufelfuß Bl und dem Schaufelrandbereich B5 ein Konkavbereich C2 und ebenfalls ein Übergangsbereich B4 vorgegeben.  Furthermore, in the case of the bottle shape, a first transitional region B2 (bottle belly), a curvature change region B3 (bottle shoulder) and a second transition region B4 (bottle neck) are predetermined. In the Eiffel tower shape, a concave area C2 and also a transition area B4 are defined between the blade root Bl and the blade edge area B5.
Der Fußbereich oder Schaufelfuß Bl, in welchem die Laufschaufel 3 mit der Nabe verbunden ist, hat jeweils die größte Dicke und geht vorzugsweise mit einer Fußverrundung 12 in die Laufradnabe 2 über. Der radial außenliegende Schaufelrand schließt die Seitenflächenkontur mit einer definierten Kante ab und ist jeweils vorzugsweise leicht abgerundet ausgebildet, wobei die Rundung dem jeweiligen Umfangskreis des Laufrades folgt bzw. sich daraus ergibt. Bei der Flaschenform kann die Seitenflächenkontur der Laufradschaufel in dem zwischen dem Fußbereich Bl und dem Krümmungswechselbereich B3 vorgesehenen ersten Übergangsbereich B2 gerade oder vorzugsweise leicht konvex gekrümmt ausgebildet sein. Im Krümmungswechselbereich B3 erfolgt - wie bereits oben ausgeführt wurde - ein Übergang der Seitenflächenkontur von einer konvexen Krümmung in eine konkave Krümmung. The foot area or blade foot Bl, in which the blade 3 is connected to the hub, each has the greatest thickness and preferably merges with a foot rounding 12 in the impeller hub 2. The radially outer blade edge closes the side surface contour with a defined edge and is preferably slightly rounded in each case, wherein the rounding follows the respective circumferential circle of the impeller or results from it. In the case of the bottle shape, the side surface contour of the impeller blade may be straight or preferably slightly convexly curved in the first transition region B2 provided between the foot region B1 and the bend change region B3. In the change of curvature region B3 takes place - as already stated above - a transition of the side surface contour of a convex curvature in a concave curvature.
Die Eiffelturmform ist insbesondere durch den an den Fußbereich anschließenden Konkavbereich C2 gekennzeichnet, in dem die Seitenflächenkontur in Radialrichtung R nach außen hin einen auf die gedachte Mittellinie 13 zu, konkav gewölbten Verlauf aufweist, wobei die Schaufeldicke in Radialrichtung nach außen schwächer werdend abnimmt. The Eiffel tower shape is characterized in particular by the adjoining the foot area concave portion C2, in which the side surface contour in the radial direction R outwardly toward the imaginary center line 13 to, concave curved course, the blade thickness decreases in the radial direction outwardly weakening.
In dem zwischen dem Krümmungswechselbereich B3 oder dem Konkavbereich C2 und dem radial außenliegenden Schaufelendbereich B5 vorgesehenen Übergangsbereich B4 kann in beiden Fällen die Seitenflächenkontur wiederum leicht konkav gekrümmt weiter verlaufen oder in einen auf eine gedachte Mittellinie des Laufradschaufelquerschnitts zu geneigten oder zu dieser Mit¬ tellinie parallelen Verlauf übergehen, so dass sich ein In the case provided between the curvature changing region B3 or the concave portion C2 and the radially outer shroud tip region B5 transition region B4 the side surface contour can turn slightly concave in both cases continue to run or in a to an imaginary center line of the impeller blade cross section to inclined or this with ¬ tellinie parallel course go over so that is a
Übergangsbereich ergibt, dessen Querschnittsfläche eine tra¬ pezförmige Verjüngung nach radial außen hin oder eine Transition region results, the cross-sectional area of a tra ¬ pezförmige taper radially outward or a
gleichbleibende Dicke aufweist. having constant thickness.
Die sich in Radialrichtung R erstreckenden Abschnitte der einzelnen Bereiche Bl bis B5 und C2 können in ihrer Ausdehnung und ihrem Verhältnis zueinander in Abhängigkeit vom jeweils konkreten Anwendungsfall optimiert werden, wobei die Aufteilung der Abschnitte der einzelnen Bereiche Bl bis B5 auch in Ab¬ hängigkeit von der Position entlang der Erstreckung der The extending in the radial direction R portions of the different areas Bl to B5 and C2 can be optimized in their extension and their relationship to one another depending on the respective specific application, wherein the division of the sections of the different areas Bl to B5 in Ab ¬ dependence of the Position along the extension of
Laufradschaufel zwischen Fluideintrittskante und Fluidaus- trittskante und der dort vorliegenden Schaufelhöhe erfolgt. Auch der Gradient des Verlaufs der Seitenflächenkontur im Krümmungswechselbereich B3 kann in Abhängigkeit vom jeweiligen Anwendungsfall optimiert werden, um den bestmöglichen Kompromiss aus Steifigkeit und Trägheit zu erzielen. Zwei Beispiele zur Veranschaulichung von Schaufeldickenverteilungen gemäß der Erfindung sind schematisch in der Figur 4 in Meridionalansicht der Laufradschaufeln gezeigt. Dabei bezieht sich die linke Darstellung auf ein Radial-Axial-Laufrad und die rechte Darstellung auf ein Radial-Laufrad . Die im Folgenden beschriebenen Ausführungen können sowohl bei Turbinenlaufrädern als auch bei Verdichterlaufrädern zur Anwendung kommen. Im Falle eines Turbinenlaufrades ist die Fluideintrittskante 4 der Bereich kleiner Schaufelhöhe (jeweils linker Bereich der Darstellung) und die Fluidaustrittskante 5 der Bereich großer Schaufelhöhe (jeweils rechter Bereich der Darstellung) . Im Falle eines Verdichterlaufrades ist die Fluideintrittskante 5' im Bereich großer Schaufelhöhe (jeweils rechter Bereich der Darstellung) und die Fluidaustrittskante 4' der Bereich kleiner Schaufelhöhe (jeweils linker Bereich der Darstellung). Impeller blade between the fluid inlet edge and fluid outlet edge and the blade height present there occurs. The gradient of the course of the side surface contour in the bending change region B3 can be optimized depending on the particular application in order to achieve the best possible compromise between stiffness and inertia. Two examples illustrating blade thickness distributions according to the invention are shown schematically in FIG. 4 in meridional view of the impeller blades. The left-hand illustration refers to a radial-axial impeller and the right-hand depiction to a radial impeller. The embodiments described below can be used both in turbine wheels and in compressor wheels. In the case of a turbine runner, the fluid inlet edge 4 is the area of small blade height (in each case the left-hand area of the illustration) and the fluid outlet edge 5 is the area of large blade height (in each case the right-hand area of the illustration). In the case of a compressor impeller, the fluid inlet edge 5 'in the region of large blade height (in each case the right-hand region of the illustration) and the fluid outlet edge 4' is the region of small blade height (in each case the left-hand region of the illustration).
In beiden Darstellungen sind die Fußbereiche der Übersicht¬ lichkeit wegen nicht gezeichnet. Da die dargestellte In both representations, the foot portions of the index ¬ friendliness are not drawn for. As the illustrated
Meridionalansicht eine Projektion der dreidimensionalen Meridional view a projection of the three-dimensional
Laufradschaufel auf eine zweidimensionale Ebene darstellt, ist der Umlenkungswinkel der Schaufel in den Darstellungen nicht erfasst. Durch den real vorliegenden Umlenkungswinkel und die Betrachtung der Dickenverteilungen in einer senkrecht zur Laufraddrehachse liegenden Schnittebene, sind, im Gegensatz zu der Darstellung, die realen Konturverläufe der Seitenflä¬ chenkonturen in dieser Schnittebene auf beiden Seiten der Laufradschaufeln in den in der Figur 4 gezeigten Schnittebenen Abis D im Allgemeinen nicht vollkommen symmetrisch, wenn sie auch prinzipiell den gleichen Konturverlauf aufweisen. In Abhän- gigkeit von dem Umlenkungswinkel der Schaufel ergeben sich in Realität beidseitig leicht abweichende Konturverläufe. Represents impeller blade on a two-dimensional plane, the deflection angle of the blade is not detected in the representations. By real deflection angle and the consideration of the thickness distributions in a plane perpendicular to the impeller axis cutting plane are, in contrast to the representation, the real contour curves of Seitenflä ¬ chenkonturen in this sectional plane on both sides of the impeller blades in the sectional planes shown in Figure 4 Abis D are generally not perfectly symmetrical, although they have in principle the same contour. As a function of the deflection angle of the blade, in reality slightly differing contour profiles result on both sides.
Die Schnittdarstellungen A bis D gemäß der Figur 4 sind somit als Schaufeldickenverteilung senkrecht zur Skelettfläche (die näherungsweise durch eine gedachte Mittellinie des Profils im Verlauf über die Schaufellänge gegeben ist und im jeweiligen Schnitt als Mittellinie erscheint) des Schaufelprofils zu verstehen . Die in der rechten Darstellung (Radial-Laufrad) veranschaulichte Dickenverteilung weist im Bereich kleiner radialer Schaufelhöhe und gleichzeitig größerem Abstand zur Laufraddrehachse, Schnitt A-A, eine eiffelturmförmige Schaufeldickenverteilung auf und geht in axialer Richtung (in der Darstellung nach rechts) , wie aus den Schnitten B-B und C-C ersichtlich wird, kontinuierlich in eine flaschenförmige Schaufeldickenverteilung im Bereich großer radialer Schaufelhöhe bei gleichzeitig kleinerem Abstand zur Laufraddrehachse 10 , Schnitt D-D, über. The sectional representations A to D according to FIG. 4 are thus to be understood as a blade thickness distribution perpendicular to the skeleton surface (which is approximately given by an imaginary center line of the profile over the blade length and appears in the respective section as the center line) of the blade profile. The thickness distribution illustrated in the right-hand illustration (radial impeller) has an eiffel tower-shaped blade thickness distribution in the region of small radial blade height and at the same time greater distance from the impeller rotational axis, section AA, and goes in the axial direction (to the right in the illustration), as from the sections BB and CC is continuously in a bottle-shaped blade thickness distribution in the range of large radial blade height at the same time smaller distance to the impeller axis 10, section DD, over.
Eine solche Verteilung entspricht der Regel, dass bei großer Schaufelhöhe insbesondere eine steifigkeitsorientierte Such a distribution corresponds to the rule that at high blade height in particular a stiffness-oriented
Schaufeldickenverteilung vorteilhaft ist, wogegen bei kleiner Schaufelhöhe eine trägheits- und spannungsorientierten Bucket thickness distribution is advantageous, whereas at low blade height a inertial and voltage-oriented
Schaufeldickenverteilung zu bevorzugen ist. Gleichzeitig jedoch hat diese Verteilung den zusätzlichen Effekt, dass die für die Steifigkeit erforderlichen größeren Massenanordnungen, in Form des „Flaschenbauches" der flaschenförmige Schaufeldickenver¬ teilung näher bei der Laufraddrehachse angeordnet sind und somit weniger negativ Einfluss nehmen auf die Massenträgheit des Laufrades und somit auf das transiente Verhalten des Turboladers. Blade thickness distribution is preferable. At the same time, however, this distribution has the additional effect that the larger mass arrangements required for rigidity, in the form of the "bottle belly" of the bottle-shaped blade thickness distribution , are arranged closer to the rotor axis of rotation and thus have less negative influence on the mass inertia of the rotor and thus on the rotor transient behavior of the turbocharger.
In der linken Darstellung, Axial-Radial-Laufrad, geht die eiffelturmförmige Schaufeldickenverteilung in Schnitt A-A zunächst Richtung größerer Schaufelhöhe (in der Darstellung nach rechts) in die flaschenförmige Schaufeldickenverteilung,In the left-hand illustration, axial-radial impeller, the eiffel tower-shaped blade thickness distribution in section A-A initially goes in the direction of greater blade height (in the illustration to the right) into the bottle-shaped blade thickness distribution.
Schnitt C-C über. Zu der Fluidaus-/Fluideintrittskante 5, 5' hin findet dann ein erneuter Übergang zu der eiffelturmförmigen Schaufeldickenverteilung statt. Dieser zusätzliche Übergang und die so an der Fluidaus-/Fluideintrittskante 5, 5' vorliegende eiffelturmförmige Schaufeldickenverteilung kann optional verwendet werden, einerseits um kritische Spannungen im Na¬ benbereich der Fluidaus-/Fluideintrittskante 5, 5' zu reduzieren und andererseits um aerodynamische Vorteile durch Reduzierung der Dicke der Fluidaus-/Fluideintrittskante 5, 5 'bzw. des entsprechenden Kantenradius zu erzielen. Cut CC over. Toward the fluid outlet / fluid inlet edge 5, 5 'there then takes place a renewed transition to the eiffel tower-shaped blade thickness distribution. This additional transition and the eiffel tower-shaped blade thickness distribution thus present at the fluid outlet / fluid inlet edge 5, 5 'can optionally be used, on the one hand to reduce critical stresses in the Na ¬ benbereich the Fluidaus- / fluid inlet edge 5, 5' and on the other hand to aerodynamic advantages by reducing the thickness of the Fluidaus- / fluid inlet edge 5, 5 'or to achieve the appropriate edge radius.
Die in Axialrichtung vorliegenden Übergangsbereiche zwischen unterschiedlichen Schaufeldickenverteilungen weisen Querschnittsformen auf, die einer Kombination aus einer eiffelturmförmigen Schaufeldickenverteilung und einer fla- schenförmigen Schaufeldickenverteilung entsprechen. Die Figur 5 zeigt ein Beispiel zur Veranschaulichung einer speziellen Ausführung der Erfindung. Gemäß dieser Ausführung weist der jeweilige Verlauf der Seitenflächenkontur der The axial transition regions between different blade thickness distributions have Cross-sectional shapes that correspond to a combination of an eiffel tower-shaped blade thickness distribution and a flat-shaped blade thickness distribution. Figure 5 shows an example for illustrating a specific embodiment of the invention. According to this embodiment, the respective course of the side surface contour of
Laufradschaufel 3, hier dargestellt am Beispiel der fla- schenförmigen Schaufeldickenverteilung, jedoch in gleicher Weise auf eine eiffelturmförmige Schaufeldickenverteilung übertragbar, in Radialrichtung nach außen jeweils eine Mehrzahl von jeweils gerade verlaufenden Konturabschnitten Gl bis G7 auf. In Aneinanderreihung der einzelnen gerade verlaufenden Konturabschnitte ergibt sich jedoch daraus wiederum als überge- ordnete Geometrie eine flaschen- oder eiffelturmförmige Impeller blade 3, shown here by the example of the bottle-shaped blade thickness distribution, but in the same way transferable to an eiffel tower-shaped blade thickness distribution, in the radial direction outward in each case a plurality of each straight contour sections Gl to G7. However, in juxtaposition of the individual straight contour sections, this in turn results as a superordinate geometry in a bottle or eiffel tower shape
Schaufeldickenverteilung . Bucket thickness distribution.
Diese Ausführung weist den Vorteil auf, dass eine Fertigung der Laufradschaufeln im gezeilten Fräsverfahren ermöglicht wird. Die Figur 6 zeigt Beispiele zur Veranschaulichung weiterer Ausführungen der Erfindung.  This embodiment has the advantage that a production of the impeller blades is made possible in the milling process shown. FIG. 6 shows examples to illustrate further embodiments of the invention.
Bei den anhand der vorherigen Figuren beschriebenen Dickenverteilungen liegt auf beiden Seiten der Laufradschaufeln, der Saug- und der Druckseite, jeweils ein im Wesentlichen sym¬ metrischer Verlauf der Seitenflächenkontur der Laufradschaufel , gezeigt in Schnittdarstellung, vor. In the thickness distributions described with reference to the previous figures is on both sides of the impeller blades, the suction and the pressure side, in each case a substantially sym ¬ metric course of the side surface contour of the impeller blade, shown in section.
Im Unterschied dazu zeigt die Figur 6 Beispiele für eine un- terschiedliche, asymmetrische Schaufeldickenverteilung auf der Saugseite S und der Druckseite P der Laufradschaufeln 3, wobei die beiden Außenkonturen in Bezug auf eine gedachte Mittellinie unterschiedliche Konturverläufe aufweisen. Die Bezeichnung der Saugseite und der Druckseite der Laufradschaufeln sind hier frei gewählt und dienen hier lediglich zur Unterscheidung der beiden SchaufelSeiten . In contrast, FIG. 6 shows examples of a different, asymmetrical blade thickness distribution on the suction side S and the pressure side P of the impeller blades 3, wherein the two outer contours have different contours with respect to an imaginary center line. The name of the suction side and the pressure side of the impeller blades are chosen here freely and serve only to distinguish the two SchaufelSeiten.
Darstellung 6.1 der Figur 6 zeigt beispielsweise eine tra¬ pezförmig gerade nach radial außen abnehmende Schaufeldi- ckenverteilung auf der Saugseite S und eine eiffelturmförmige Schaufeldickenverteilung auf der Druckseite P der Laufradschaufel 3. Darstellung 6.2 dagegen zeigt eine eiffelturmförmige Schaufeldickenverteilung auf der Saugseite S und eine fla- schenförmige Schaufeldickenverteilung auf der Druckseite P. Darstellung 6.3 wiederum zeigt eine flaschenförmige Schau¬ feldickenverteilung auf der Saugseite S und eine konische Schaufeldickenverteilung auf der Druckseite P. Dabei sind durchaus auch weitere, hier nicht gezeigte Kombinationen un- terschiedlicher Schaufeldickenverteilungen realisierbar. Representation 6.1 of figure 6 shows, for example, a tra ¬ pezförmig just radially outwardly decreasing Schaufeldi- on the suction side S and an eiffel tower-shaped blade thickness distribution on the pressure side P of the impeller blade 3. Figure 6.2 shows an eiffel tower-shaped blade thickness distribution on the suction side S and a flat blade thickness distribution on the pressure side P. Figure 6.3 shows again a bottle-shaped display ¬ pitch distribution on the Suction side S and a conical blade thickness distribution on the pressure side P. In this case, other combinations of different blade thickness distributions (not shown here) can be realized.
Durch solche asymmetrischen Schaufeldickenverteilungen auf der Saug- und der Druckseite S, P kann thermisch bedingten Spannungen im Schaufelmaterial, Eigenspannungen des Schaufelmaterials und im Betrieb auftretenden aerodynamischen Kräften entgegengewirkt werden. Alternativ oder zusätzlich dazu kann dies auch dadurch geschehen, dass die Schaufel nicht mehr exakt an Radialstrahlen ausgerichtet wird, sondern leicht in Umfangsrichtung geneigt oder gekrümmt wird. Die Figur 7 zeigt eine überlagerte Darstellung von Schnitt¬ ansichten zur Veranschaulichung von verschiedenen Schaufeldickenverteilungen. Bei diesen Schaufeldickenverteilungen handelt es sich um die bereits oben in der Figur 2 gezeigten Ausführungen . By such asymmetric blade thickness distributions on the suction and the pressure side S, P can be counteracted thermally induced stresses in the blade material, residual stresses of the blade material and during operation occurring aerodynamic forces. Alternatively or additionally, this can also be done by the fact that the blade is not exactly aligned with radial rays, but slightly inclined or curved in the circumferential direction. 7 shows a superimposed view of cross-sectional views for illustrating various ¬ blade thickness distributions. These blade thickness distributions are the embodiments already shown above in FIG.
Aus der Überlagerung wird jedoch ersichtlich, dass die maximale Dicke im Schaufelfußbereich bei flaschenförmiger Schaufeldickenverteilung bei gleicher erzielter Steifigkeit und Festigkeit niedriger ist als bei einer konischen Schaufeldickenverteilung. From the superimposition, however, it can be seen that the maximum thickness in the blade root area for bottle-shaped blade thickness distribution is lower for the same rigidity and strength achieved than for a conical blade thickness distribution.
Die niedrigste herstelltechnisch umsetzbare Schaufeldicke erstreckt sich sowohl bei der flaschenförmigen Schaufeldickenverteilung als auch bei der eiffelturmförmigen Schaufeldickenverteilung über größere Schaufelhöhenanteile der Lauf- radschaufel als bei einer konischen Schaufeldickenverteilung. Durch diese Konfiguration wird bei der erfindungsgemäßen Schaufeldickenverteilung eine Trägheitsverringerung erzielt. Gleichzeitig kann aber die Steifigkeit im Vergleich zur konischen Schaufeldickenverteilung beibehalten werden, da nahezu die maximale Dicke im Schaufelfußbereich über größere Schaufel¬ höhenanteile verwendet wird. Des Weiteren besteht fertigungstechnisch bedingt die Notwendigkeit, einen minimalen Schaufelabstand im Bereich des The lowest blade thickness that can be implemented in terms of production technology extends over larger blade height portions of the rotor blade than in the case of the bottle-shaped blade thickness distribution and in the case of the eiffel tower-shaped blade thickness distribution than in the case of a conical blade thickness distribution. By this configuration, an inertia reduction is achieved in the blade thickness distribution according to the invention. At the same time, however, the stiffness compared to the conical Blade thickness distribution are maintained, since almost the maximum thickness in the blade root area is used over larger blade ¬ heights shares. Furthermore, there is a need for manufacturing technology, a minimum blade clearance in the range of
Schaufelfußes sowie eine minimale Verrundung einzuhalten. Dieses Kriterium ist bei einem erfindungsgemäßen Laufrad vergleichsweise einfach zu erfüllen, da die maximale Schaufeldicke im Vergleich zu einer konischen Schaufeldickenverteilung geringer ist. Dadurch besteht die Möglichkeit, die Schaufelanzahl zu erhöhen, was sich vorteilhaft auf den thermodynamischen Wirkungsgrad auswirkt. Das Vorliegen einer konstanten Schaufeldicke im Bereich großer Durchmesser, also im Übergangsbereich B4 in der Nähe des radialen Schaufelrandes B5, verbessert die CAD-Erstellbarkeit von gießbaren Rohteilen aus dem Fertigteil. Für die Aufmaßerstellung kann eine Flächenextrapolation verwendet werden, da die Dicke im radialen Schaufelendbereich bei einem erfindungsgemäßen Laufrad konstant bleibt. Des Weiteren kann beim Konturdrehen eine Trimmanpassung eines Basisdesigns vorgenommen werden, ohne dass sich die Dicke des radialen Schaufelendbereiches ändert. Das Dickenmaximum an der Nabe kann in Strömungsrichtung an eine nahezu beliebige Position gelegt werden. Liegt es in idealer Position senkrecht zur Schwingachse der niedrigsten Eigenform, dann kann die maximale Schaufeldicke minimiert werden, weil die Steifigkeit optimiert ist. Dies kommt der Trägheit des Tur- boladers zugute. Shovel foot and a minimum rounding to comply. This criterion is comparatively easy to fulfill in an impeller according to the invention, since the maximum blade thickness is lower compared to a conical blade thickness distribution. This makes it possible to increase the number of blades, which has an advantageous effect on the thermodynamic efficiency. The presence of a constant blade thickness in the region of large diameter, ie in the transition region B4 in the vicinity of the radial blade edge B5, improves the CAD capability of castable blanks from the finished part. For the Aufmaßerstellung a surface extrapolation can be used, since the thickness remains constant in the radial Schaufelendbereich in an impeller according to the invention. Furthermore, during contour turning, a trim adjustment of a base design can be made without changing the thickness of the radial blade end region. The thickness maximum at the hub can be placed in the flow direction to an almost arbitrary position. If it is in an ideal position perpendicular to the swing axis of the lowest eigenmode, then the maximum blade thickness can be minimized because the rigidity is optimized. This benefits the inertia of the turbobladder.
Wird die aerodynamische Güte der Schaufeldickenverteilung in die Optimierung einbezogen, dann kann beispielsweise auch der Keilwinkel der Fluidaustrittskante durch eine Positionierung des Dickenmaximums an der Nabe hin zu spitzeren Austrittswinkeln optimiert werden. Dabei wird im Falle eines Turbinenlaufrades die radiale Schaufeldickenverteilung der Fluidaustrittskante 5 wiederum in Eiffelturmform gestaltet, wie es in der linken Darstellung von Figur 4 beim Schnitt D-D gezeigt ist . Im Vergleich zu einer durchgehend konischen Schaufeldickenverteilung ist durch die erfindungsgemäße Schaufeldickenverteilung ein flacherer Keilwinkel an der Fluidaustrittskante 5 von Turbinen- laufradschaufeln möglich. Der Gegenstand der Erfindung kann in vorteilhafter Weise auch dazu genutzt werden, um durch eine verbesserte Steifigkeit der Turbinenbeschaufelung den soge¬ nannten Cut-Back zu reduzieren. If the aerodynamic quality of the blade thickness distribution is included in the optimization, then, for example, the wedge angle of the fluid outlet edge can be optimized by positioning the maximum thickness at the hub towards more acute exit angles. In this case, in the case of a turbine wheel, the radial blade thickness distribution of the fluid outlet edge 5 is again designed in Eiffel tower shape, as in the left Representation of Figure 4 is shown in section DD. Compared to a continuous conical blade thickness distribution, a flatter wedge angle at the fluid outlet edge 5 of turbine impeller blades is possible due to the blade thickness distribution according to the invention. The object of the invention can also be used advantageously to reduce by improving the rigidity of the turbine blading the so-called cut-back ¬.

Claims

Patentansprüche claims
1. Laufrad (1) eines Abgasturboladers, welches eine Laufradnabe (2) und auf der Laufradnabe angeordnete Laufradschaufeln (3) aufweist, die jeweils eine Fluideintrittskante (4), eine1. impeller (1) of an exhaust gas turbocharger having an impeller hub (2) and arranged on the impeller hub impeller blades (3), each having a fluid inlet edge (4), a
Fluidaustrittskante (5), einen Schaufelfuß (Bl), einen radialen Schaufelrand (B5) und eine Schaufelhöhe (9) sowie eine Fluid outlet edge (5), a blade root (Bl), a radial blade edge (B5) and a blade height (9) and a
Schaufeldickenverteilung aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufeldickenverteilung derart gewählt ist, dass die Laufradschaufeln (3) entlang ihrer Erstreckung von der Have blade thickness distribution, characterized in that the blade thickness distribution is selected such that the impeller blades (3) along its extension from the
Fluideintrittskante (4) bis zur Fluidaustrittskante (5) mindestens einen Übergang zwischen einer steifigkeitsorien- tierten Schaufeldickenverteilung und einer trägheits- und spannungsorientierten Schaufeldickenverteilung über die Fluid inlet edge (4) to the fluid outlet edge (5) at least one transition between a stiffness-oriented blade thickness distribution and a inertial and voltage-oriented blade thickness distribution over the
Schaufelhöhe aufweisen. Have blade height.
2. Laufrad (1) eines Abgasturboladers gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die steifigkeitsorientierte Schaufeldi¬ ckenverteilung eine flaschenförmige Schaufeldickenverteilung über die Schaufelhöhe und die trägheits- und spannungsorien- tierte Schaufeldickenverteilung eine eiffelturmförmige Second impeller (1) of an exhaust gas turbocharger according to claim 1, characterized in that the stiffness-oriented Schaufeldi ¬ ckenverteilung a bottle-shaped blade thickness distribution over the blade height and the inertial and voltage-oriented blade thickness distribution an eiffel tower-shaped
Schaufeldickenverteilung über die Schaufelhöhe ist. Vane thickness distribution over the blade height is.
3. Laufrad (1) nach Anspruch 2 , dadurch gekennzeichnet, dass eine Seitenflächenkontur der jeweiligen Laufradschaufel (3) im3. impeller (1) according to claim 2, characterized in that a side surface contour of the respective impeller blade (3) in
Bereich der flaschenförmigen Schaufeldickenverteilung zwischen ihrem Schaufelfuß (Bl) und ihrem radialen Schaufelrand (B5) jeweils einen Krümmungswechselbereich (B3) aufweist. Region of the bottle-shaped blade thickness distribution between its blade root (Bl) and its radial blade edge (B5) each having a curvature change region (B3).
4. Laufrad (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Seitenflächenkontur der j eweiligen Laufradschaufel (3) zwischen ihrem Schaufelfuß (Bl) und ihrem Krümmungswechselbereich (B3) jeweils einen geraden oder einen gekrümmten ersten Übergangsbereich (B2) aufweist. 4. impeller (1) according to claim 3, characterized in that the side surface contour of the j eweiligen impeller blade (3) between its blade root (Bl) and its curvature change region (B3) each have a straight or a curved first transition region (B2).
5. Laufrad nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Seitenflächenkontur der j eweiligen Laufradschaufel (3) zwischen ihrem radialen Schaufelrand (B5) und ihrem Krümmungswechsel- bereich (B3) jeweils einen geraden oder einen gekrümmten zweiten Übergangsbereich (B4) aufweist. 5. An impeller according to claim 4, characterized in that the side surface contour of the j eweiligen impeller blade (3) between its radial blade edge (B5) and its curvature change Region (B3) each having a straight or a curved second transition region (B4).
6. Laufrad (1) nach Anspruch 2 , dadurch gekennzeichnet, dass eine Seitenflächenkontur der jeweiligen Laufradschaufel (3) im6. impeller (1) according to claim 2, characterized in that a side surface contour of the respective impeller blade (3) in
Bereich der eiffelturmförmigen Schaufeldickenverteilung zwischen ihrem Schaufelfuß (Bl) und ihrem radialen Schaufelrand (B5 ) einen derart konkav gewölbten Verlauf aufweist, dass die Schaufeldicke über die Schaufelhöhe (9), nach radial außen hin schwächer werdend abnimmt. Region of the eiffel tower-shaped blade thickness distribution between its blade root (Bl) and its radial blade edge (B5) has a concavely curved course such that the blade thickness over the blade height (9), weakening towards the outside radially decreases.
7. Laufrad (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der konkav gewölbte Verlauf der Seitenflächenkontur der jeweiligen Laufradschaufel (3) , in Richtung auf den radialen Schaufelrand (B5) zu, in einen auf eine gedachte Mittellinie (13) der7. impeller (1) according to claim 6, characterized in that the concavely curved course of the side surface contour of the respective impeller blade (3), in the direction of the radial blade edge (B5) to, in an imaginary center line (13) of
Laufradschaufel (3) zu geneigten oder zu dieser Mittellinie (13) parallelen Verlauf übergeht, so dass sich ein Übergangsbereich (B4) ergibt, der im Querschnitt der Laufradschaufel eine trapezförmige Verjüngung nach radial außen hin oder eine gleichbleibende Dicke aufweist. Runner blade (3) to inclined or to this center line (13) parallel course, so that a transition region (B4) results, which has a trapezoidal taper in the cross section of the impeller blade radially outward or a constant thickness.
8. Laufrad (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch ge¬ kennzeichnet, dass das Laufrad (1) ein Turbinenlaufrad ist und dass die Laufradschaufeln (3) im Bereich ihrer Fluidein- trittskante (4) jeweils eine eiffelturmförmige Schaufeldi¬ ckenverteilung über die Schaufelhöhe und im Bereich ihrer Fluidaustrittskante (5) jeweils eine flaschenförmige Schau¬ feldickenverteilung über die Schaufelhöhe aufweisen. 8. impeller (1) according to one of claims 2 to 7, characterized ge ¬ indicates that the impeller (1) is a turbine wheel and that the impeller blades (3) in the region of its fluid inlet edge (4) each have a eiffel tower-shaped Schaufeldi ¬ ck distribution have over the blade height and in the region of their fluid outlet edge (5) each have a bottle-shaped show ¬ feldickenverteilung over the blade height.
9. Laufrad (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch ge¬ kennzeichnet, dass das Laufrad (1) ein Turbinenlaufrad ist und dass die Laufradschaufeln (3) im Bereich ihrer Fluidein- trittskante (4) und im Bereich ihrer Fluidaustrittskante (5) jeweils eine eiffelturmförmige Schaufeldickenverteilung über die Schaufelhöhe aufweisen und zwischen dem Bereich ihrer Fluideintrittskante (4) und dem Bereich ihrer Fluidaus¬ trittskante (5) j eweils einen Bereich mit einer flaschenförmigen Schaufeldickenverteilung über die Schaufelhöhe (9) aufweisen. 9. impeller (1) according to one of claims 2 to 7, characterized ge ¬ indicates that the impeller (1) is a turbine impeller and that the impeller blades (3) in the region of its fluid inlet edge (4) and in the region of its fluid outlet edge ( 5) each have a eiffelturm shaped vane thickness distribution over the blade height, and between the region of its fluid inlet edge (4) and the region of its fluid from ¬ occurs edge (5) j in each case have a region with a bottle-shaped blade thickness distribution over the blade height (9).
10. Laufrad (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass es ein Verdichterlaufrad ist und dass die Laufradschaufeln (3) im Bereich ihrer Fluideintrittskante (5') jeweils eine flaschenförmige Schaufeldickenverteilung aufweisen und im Bereich ihrer Fluidaustrittskante (4') jeweils eine eiffelturmförmige Schaufeldickenverteilung aufweisen. 10. impeller (1) according to one of claims 2 to 7, characterized in that it is a compressor impeller and that the impeller blades (3) in the region of its fluid inlet edge (5 ') each have a bottle-shaped blade thickness distribution and in the region of its fluid outlet edge (4'. ) each have an eiffel tower-shaped blade thickness distribution.
11. Laufrad (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass es ein Verdichterlaufrad ist und dass die Laufradschaufeln (3) im Bereich ihrer Fluideintrittskante (5') und im Bereich ihrer Fluidaustrittskante (4') jeweils eine eiffelturmförmige Schaufeldickenverteilung über die Schaufelhöhe aufweisen und zwischen dem Bereich ihrer Fluideintrittskante (5') und dem Bereich ihrer Fluidaustrittskante (4') jeweils einen Bereich mit einer flaschenförmige Schaufeldi¬ ckenverteilung aufweisen. 11. impeller (1) according to one of claims 2 to 7, characterized in that it is a compressor impeller and that the impeller blades (3) in the region of its fluid inlet edge (5 ') and in the region of its fluid outlet edge (4') each have an eiffel tower-shaped blade thickness distribution have over the blade height and between the region of its fluid inlet edge (5 ') and the region of its fluid outlet edge (4') each having a region with a bottle-shaped Schaufeldi ¬ ckenverteilung.
12. Laufrad nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Seitenflächenkontur der Laufrad- schaufeln (3) im Bereich der flaschenförmigen Schaufeldickenverteilung und im Bereich der eiffelturmförmigen Schaufeldickenverteilung in Radialrichtung nach außen jeweils eine Mehrzahl von gerade verlaufenden Konturabschnitten aufweisen. 12. Impeller according to one of claims 2 to 7, characterized in that a side surface contour of the impeller blades (3) in the region of the bottle-shaped blade thickness distribution and in the region of the eiffel tower-shaped blade thickness distribution in the radial direction outwards each having a plurality of straight contour sections.
13. Laufrad (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufradschaufeln (3) jeweils eine Saugseite (S) und eine Druckseite (P) mit einer jeweiligen Seitenflächenkontur und gleichen Schaufeldickenverteilungen auf der Saugseite (S) und der Druckseite (P) aufweisen, sodass die beiden Seitenflächenkonturen der jeweiligen Laufradschaufel in Bezug auf eine gedachte Mittellinie symmetrisch zueinander verlaufen . 13. impeller (1) according to any one of the preceding claims, characterized in that the impeller blades (3) each have a suction side (S) and a pressure side (P) with a respective side surface contour and the same blade thickness distributions on the suction side (S) and the pressure side ( P), so that the two side surface contours of the respective impeller blade with respect to an imaginary center line are symmetrical to each other.
14. Laufrad nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch ge- kennzeichnet, dass die Laufradschaufeln (3) jeweils eine14. Impeller according to one of claims 1 to 12, characterized in that the impeller blades (3) each have a
Saugseite (S) und eine Druckseite (P) mit einer jeweiligen Seitenflächenkontur und unterschiedlichen Schaufeldickenverteilungen auf der Saugseite (S) und der Druckseite (P) aufweisen, sodass die beiden Seitenflächenkonturen in Bezug auf eine gedachte Mittellinie unterschiedliche Konturverläufe aufweisen. Suction side (S) and a pressure side (P) having a respective side surface contour and different blade thickness distributions on the suction side (S) and the pressure side (P), such that the two side surface contours have different contours with respect to an imaginary center line.
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