DE2926135C2

DE2926135C2 - Laufrad einer einflutigen, zentripetal durchströmten Radialturbine

Info

Publication number: DE2926135C2
Application number: DE2926135A
Authority: DE
Inventors: Yasuo Yokohama Sumi
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1978-10-12
Filing date: 1979-06-28
Publication date: 1983-05-19
Also published as: JPS5933841Y2; GB2031528A; DE2926135A1; GB2031528B; JPS5559105U; US4305698A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Laufrad einer einflutigen, zentripetal durchströmten Radialturbine mit gekrümmten Schaufeln und einer Laufradscheibe.

Ein Laufrad einer Radialturbine weist im allgemeinen Schaufeln und eine Laufradscheibe auf, die üblicherweise einstückig durch Formschmieden oder spanabhebende Bearbeitung ausgebildet sind, und es ist eine Welle vorgesehen, die durch das Laufrad geht Die Schaufeln sind üblichen»/sise unter Berücksichtigung einer leichten Herstellung derart geformt, daß die stromaufwärtigen Abschnitte der Schaufeln im wesentlichen parallel zu der Drehachse und die st>omabwärtigen Abschnitte in radialer Blickrichtung gesehen gebogen sind. Durch diese Gestaltung wird versucht, die Einlaßweite zwischen benachbarten Blättern eng zu halten und den Blattwinkel an der radial außen liegenden Seite des Rotors im Bereich des Rotorauslasses zu vergrößern, um damit Rückströmungsbereiche an der Druckseite der Blätter im Bereich der Nabe zu unterbinden oder zumindest einzuschränken und damit den Führungsverlauf und den Wirkungsgrad des Turbinenrotors zu verbessern. Bei diesen bekannten Turbinenrotoren ist es zur Erzielung einer einen annehmbaren Wirkungsgrad ergebenden Strömung zwischen den Blättern erforderlich, eine relativ hohe Anzahl von Rotorblättern anzuordnen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Laufrad der eingangs erläuterten Art zu schaffen, welches bei einfachem Aufbau und wirtschaftlicher Herstellung einen gegenüber bekannten Laufrädern dieser Art verbesserten Wirkungsgrad ermöglicht und insbesondere zur Verwendung als Antrieb von Abgasturboladern in Verbrennungskraftmaschinen geeignet ist

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die konkave Oberfläche jeder Schaufel als Teil einer Fläche geformt ist, die in bezug auf eine senkrecht zur eo Laufradachse durch den Mittelabschnitt der axialen Längserstreckung der Laufradscheibe verlaufende Ebene symmetrisch gekrümmt ist.

Das erfindungsgemäße Laufrad hat gegenüber dem Stand der Technik wesentliche Vorteile. Bei dem erfindungsgemäßen Laufrad ist jede Schaufel aus einer zu einer Mittelebene symmetrisch gekrümmt verlaufenden Fläche gebildet Dies ermöglicht einmal eine einfache und wirtschaftliche Herstellung des Laufrades, Die erfindungsgemäße Ausbildung der Schaufeln eröffnet aber auch die Möglichkeit, alle Flächenelemente jeder Schaufel in radialen Richtungen bezüglich der Laufradachse verlaufen zu lassen. Hierdurch sind bei Rotation des Laufrads durch Fliehkräfte hervorgerufene Biegebeanspruchungen von Schaufelbereichen im Gegensatz zu den Schaufeln der bekannten Turbinenlaufräder vermieden. Hierdurch ergibt sich eine hohe Beanspruchbarkeit des erfindungsgemäßen Laufrads und die Möglichkeit des Einsatzes bei hohen Drehzahlen und hohen Temperaturen. Durch die erfindungsgemäße Gestaltung der Schaufeln des Laufrads wird aber vor allem im Vergleich zu den bekannten Laufrädern, bei denen die Schaufein am Einlauf in einem rechten Winkel zur Laufradscheibe ansetzen, eine wesentliche Verbesserung des Strömungsverlaufs zwischen den Schaufeln erreicht Insbesondere ist das Entstehen einer Rückströmung an der Druckseite der Schaufeln im Bereich der Nabe (Fußbereich der Schaufeln) am Einlauf des Laufrads, aber auch längs des gesamten Strömungswegs im Laufrad vermieden. Der durch die Schaufelgestaltung beim erfindungsgemäßen Laufrad gegebene günstige Strömungsverlauf macht es möglich, beim erfindungsgemäßen Laufrad zur Erzielung einer bestimmten Antriebsleistung mit einer geringeren Anzahl von Schaufeln auszukommen als bei den bisher bekannten Laufredern. Hierdurch ergibt sich eine weitere Vereinfachung und Erhöhung der Wirtschaftlichkeit der Herstellung der erfindungsgemäßen Laufräder und ein sehr geringes Trägheitsmoment der erfindungsgemäßen Laufräder. Dieses geringe Trägheitsmoment macht das erfindungsgemäße Laufrad besonders geeignet für die Verwendung in Abgasturboladern zur Aufladung von Verbrennungskraftmaschinen für Kraftfahrzeuge, wo im Vergleich zu der Verwendung von bisher bekannten Radialturbinen das Beschleunigungsverhalten im Niedrigiastbetrieb wesentlich verbessert wird. Insgesamt gesehen ist das erfindungsgemäße Laufrad im Vergleich zu bekannten Laufrädern einfacher aufgebaut, wirtschaftlicher herstellbar und weist bei gleicher Schaufelanzahl einen verbesserten Wirkungsgrad ^uf.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Laufrades ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung in Verbindung mit der Zeichnung erläutert Es zeigt

F i g. 1 eine Seitenansicht eines Laufrades einer einflutigen Radialturbine nach dem Stand der Technik, das in einem Gasströmungskanal angeordnet ist,

F i g. 2 bis 4 schematische Darstellungen zur Erläuterung der Konfiguration von Schaufeln eines Ausführungsbeispiels eines Laufrades einer Radtalturbine gemäß der Erfindung, und

Fig.5 und 6 weitere Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen Turbinenlaufrades.

In F i g. 1 ist ein Laufrad nach dem Stand der Technik (nachstehend als Rotor bezeichnet) in einem Gasströmungskanal einer Radialturbine angeordnet, das in einer Seitenansicht dargestellt ist. Der Rotor umfaßt Schaufeln 1 und eine Scheibe 2, die üblicherweise durch Formschmieden oder spanabhebende Bearbeitung einstückig ausgeformt sind. Des weiteren ist eine Welle 3 vorgesehen, die durch das Laufrad geht, wie dies in der Zeichnung gezeigt ist. Die Schaufeln sind derart geformt, daß die einlaßseitigen Abschnitte der Schaufeln etwa parallel zu der Welle 3 und die auslaßseitigen

Abschnitte in radialen Richtungen stark gebogen sind.

Wenn Gas in und durch den Rotor strömt, wirkt die Komponente des Gasstromes, die senkrecht zu den Flächen der Schaufeln gerichtet ist, derart, daß der Rotor in Drehrichtung angetrieben wird,

Jede Schaufel 11 eines Rotors nach der Erfindung ist Teil einer gekrümmten Fläche, die mit A-B-C-D-E-F-G- H-I-J bezeichnet ist, die relaiiv zu der Ebene gekrümmt ist, die eine Drehachse L und eine parallel dazu verlaufende Linie M enthält, wie dies in den F i g. 2 bis 4 ι ο gezeigt ist Die gekrümmte Fläche ist symmetrisch zu einer Ebene, die in der Nähe eines Mittelabschnittes C der Längserstreckung der Scheibe 12 in axialer Richtung durchgeht (vgl. die Linie C-H, die durch einen Scheitel Hder Schaufel 11 in F i g. 3 geht).

Wenn, wie mit Pfeilen in F i g. 4 gezeigt, der Gasstrom durch den Rotor strömt, wirken Kraftkomponenten des Gasstromes in senkrechter Richtung auf die gekrümmten Flächen der Schaufeln ein, die die Schaufeln in Drehrichtung zu verdrehen suchen.

In F i g. 5 ist eine Ausführungsform eines Rotors nach der Erfindung gezeigt, dessen Auslegung derart getroffen ist, daß sie nicht nur symmetrisch zu den Krümmungen der Schaufeln, sondern auch zu der Längserstreckung a ist In Fig.6 ist eine weitere Ausführungsform eines Rotors nach der Erfindung gezeigt, bei dem die Krümmungen der Schaufeln symmetrisch sind, jedoch die axiale Lftngserstreckung von stromabwärtigen (9) und stromeufwärtigen (b) Abschnitten der Schaufeln asymmetrisch ist. Bei dieser Ausführungsform ist die Länge 9 größer als die Länge b. Der Längenunterschied zwischen 3 und b kann innerhalb folgenden Bereiches liegen; s; b = 2:1,

Wie zuvor beschrieben, werden nach der Erfindung die Schaufeln eines Laufrades für eine Radialturbine derart ausgelegt, daß sie aus symmetrisch gekrümmten Teilen gebildet sind. Hierdurch ergibt sich ein Laufrad für einen Turbolader oder eine Gasturbine, das einen einfachen Aufbau mit hohem Wirkungsgrad und hoher Beanspruchbarkeit verbindet

Des weiteren kann das Laufrad für eine Radialturbine nach der Erfindung derart ausgelegt werden, daß die Drücke auf den stromabwärtigen Abschnitten der Schaufeln dazu genutzt werden, die Antriebskomponenten auf die Scheibe im Vergleich zu dem Stand der Technik zu vergrößern. Hierdurch kann die Anzahl der Schaufeln verringert werden. So hat sich beispielsweise ergeben, daß bei einem Rotor mit e>;m Nenndurchmesser von 60 mm nach der Erfindung av~ 9 Schaufeln erforderlich sind, wenn er dieselbe Abgabeleistung wie ein nach dem Stand der Technik ausgebildeter Rotor mit denselben Abmessungen, jedoch 11 Schaufeln, aufweisen soll.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche;

1, Laufpul einer ejnflutigen, zentripetal durchströmten Radialturbine mit gekrümmten Schaufeln und einer Laufradscheibe, dadurch gekennzeichnet, daß die konkave Oberfläche (A-J) jeder Schaufel (11) als Teil einer Fläche geformt ist, die in bezug auf eine senkrecht zur Laufradachse (L) durch den Mittelabschnitt (C) der axialen Längserstreckung (A-E; a + b) der Laufradscheibe (12) verlaufende Ebene (N)symmetrisch gekrümmt ist

2, Laufrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die axiale Längserstreckung (a + b) der Schaufeln (11) beiderseits der genannten Ebene (N) gleich ist

3, Laufrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die axiale Längserstreckung (a + b) der Schaufeln (11) stromauf (b) der genannten Ebene (N) kürzer ist als stromab (a).