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EP1633985A1 - Impeller for turbomachinery - Google Patents

Impeller for turbomachinery

Info

Publication number
EP1633985A1
EP1633985A1 EP03769212A EP03769212A EP1633985A1 EP 1633985 A1 EP1633985 A1 EP 1633985A1 EP 03769212 A EP03769212 A EP 03769212A EP 03769212 A EP03769212 A EP 03769212A EP 1633985 A1 EP1633985 A1 EP 1633985A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
blades
hub
impeller according
impeller
blade
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP03769212A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Martin-Peter Bolz
Ken Zschweigert
Gunter Winkler
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP1633985A1 publication Critical patent/EP1633985A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
    • F04D29/02—Selection of particular materials
    • F04D29/023—Selection of particular materials especially adapted for elastic fluid pumps
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
    • F04D29/26—Rotors specially for elastic fluids
    • F04D29/28—Rotors specially for elastic fluids for centrifugal or helico-centrifugal pumps for radial-flow or helico-centrifugal pumps
    • F04D29/281—Rotors specially for elastic fluids for centrifugal or helico-centrifugal pumps for radial-flow or helico-centrifugal pumps for fans or blowers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
    • F04D29/26—Rotors specially for elastic fluids
    • F04D29/28—Rotors specially for elastic fluids for centrifugal or helico-centrifugal pumps for radial-flow or helico-centrifugal pumps
    • F04D29/30—Vanes
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
    • F04D29/58—Cooling; Heating; Diminishing heat transfer
    • F04D29/582—Cooling; Heating; Diminishing heat transfer specially adapted for elastic fluid pumps
    • F04D29/5853—Cooling; Heating; Diminishing heat transfer specially adapted for elastic fluid pumps heat insulation or conduction
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2300/00—Materials; Properties thereof
    • F05D2300/10—Metals, alloys or intermetallic compounds
    • F05D2300/12—Light metals
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2300/00—Materials; Properties thereof
    • F05D2300/40—Organic materials
    • F05D2300/43—Synthetic polymers, e.g. plastics; Rubber
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2300/00—Materials; Properties thereof
    • F05D2300/60—Properties or characteristics given to material by treatment or manufacturing
    • F05D2300/603—Composites; e.g. fibre-reinforced
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2300/00—Materials; Properties thereof
    • F05D2300/70—Treatment or modification of materials
    • F05D2300/702—Reinforcement

Definitions

  • the invention relates to an impeller of a turbomachine, in particular a compressor with the features mentioned in the preamble of patent claim 1.
  • auxiliary loader which is also known as an electric auxiliary compressor.
  • This can be connected in the fresh air circulation in series with the compressor side of a conventional exhaust gas turbocharger and can support this at low engine speeds.
  • compressor wheels made of light metal alloy are used for exhaust gas turbochargers.
  • electric auxiliary compressors usually the same components are used, so that the compressor wheel is usually made of light metal, in particular of an aluminum alloy.
  • An inventive impeller of a turbomachine in particular a turbocompressor has a rotatably mounted hub of a metallic material and a plurality of arranged thereon and radially outwardly extending blades of a specifically lighter material, in particular a plastic material.
  • the lighter blades allow a lower mass and a lower moment of inertia of the impeller and thereby enable a drive with reduced drive power.
  • the blades can in particular be made of a plastic material, for example of fiber-reinforced plastic.
  • the invention provides that the blades are detachably or irreversibly connected to the hub.
  • the blades can be inserted in axially extending grooves on an outer circumferential surface of the hub and fixed there, in particular screwed.
  • the connection can also be made in an advantageous manner by spraying the airfoils or for example by means of clipping or the like.
  • other irreversible types of connection are possible.
  • an inventive impeller with blades made of plastic with a reduced drive power of about 2.5 kilowatts or less can be operated, which the Bordnetzbe- substantially reduced in motor vehicles. This is particularly important when starting up the compressor wheel, since the time required for this depends mainly on the available drive power and the mass moment of inertia of the compressor wheel and the elements connected thereto.
  • Metallic compressor wheels are disadvantageous here because of their comparatively high density.
  • a compressor wheel which consists of a composite of polymer material, for example fiber-reinforced plastic, and a metal alloy of low density, has the following advantages.
  • the rotor has a high stability, which can be supported by suitable material selection of the components.
  • the low mass moment of inertia of the rotor allows very good dynamic properties, especially with changes in speed.
  • Cost-effective production methods can be used, for example, casting or injection molding technology.
  • Interchangeable wing geometries enable production in a modular principle.
  • each airfoil has a T-shaped stiffening, which in each case extends in a star shape from the hub to the outside and attaches to a lower edge of each airfoil and is connected thereto.
  • the blades preferably have a curved surface, so that the impeller is particularly suitable for centrifugal compressors.
  • the hub of the impeller is preferably made of light metal, which gives the impeller the required stability. Another advantage of a metallic hub is that it has a good thermal conductivity, so that, for example, an electric drive can deliver its heat generated during operation partially via the hub.
  • the blades are preferably made of fiber-reinforced plastic, which gives them sufficient strength with simultaneous elasticity and low weight.
  • an impeller is arranged on the hub, which serves to deflect an axial Flow in the radial direction allows.
  • the impeller is preferably fixedly connected to the hub and, like these, is made of light metal.
  • a plurality of rows of blades can be arranged on a longer hollow cylinder as a hub, so that a plurality of compressor wheels are formed, which are each arranged one behind the other.
  • the blades can be processed as inserts in different injection molds, so that the blade rows each have different properties, for example. A different elasticity of their blades.
  • Figure 1 is a schematic plan view of an inventive
  • FIG 2 is a partial sectional view of the impeller according to Figure 1 with only one attached airfoil.
  • FIGs 1 and 2 show an inventive impeller 10 of a turbomachine, in particular a radial turbocharger compressor.
  • the impeller 10 comprises a hub 12, which is preferably made of light metal, and anchored thereon blades 22, which are preferably made of plastic, in particular made of fiber-reinforced plastic.
  • a hub 12 which is preferably made of light metal, and anchored thereon blades 22, which are preferably made of plastic, in particular made of fiber-reinforced plastic.
  • an impeller 12 with a plurality of impeller blades 20 is arranged.
  • the impeller 14 is disposed in an upper portion of the hub 12 (see Fig. 2).
  • the hub 12 has a hollow cylinder 16 with axial grooves 32 on the outer circumferential surface 18, in which the blades 22 can be inserted.
  • the blades 22 each have a spring section 34 for their positive engagement in the axial groove 32 at their insertion which can be inserted in an axial groove 32.
  • the contours of these axial grooves 32 and the spring portions 34 are indicated in Figure 1 with broken lines.
  • the leaves are fixed from below by a screw-on disc 30, so that the impeller 10 is fully assembled.
  • a T-shaped reinforcement 24 is provided in each case, which gives the blades 22 the necessary stability in operation.
  • the blades 24 each have a star-shaped contour and are fixedly connected to the blades 22.
  • the stiffeners 24 do not form a closed bottom disk.
  • the radial shaping of the individual blade 22 allows a uniform distribution of stress in the polymer components during operation.
  • the shape of a simple T-beam gives the blade 22 the required torsional rigidity.
  • the impeller 10 has no cover plate. If higher outlet pressures are required, the existing blade inserts can be replaced by components that are longer in the radial direction, resulting in a larger diameter impeller.
  • the existing of a metallic hub 12 and a plurality of plastic sheets impeller 10 has compared to conventional metallic components on a much lower mass moment of inertia, so that the energy required for starting and for speed changes is substantially reduced.
  • a significantly reduced drive power can thus be used. This is particularly useful for electric auxiliary compressors in motor vehicles, since such an increase Compressor has a significantly reduced power consumption of sometimes less than 1 to 2.5 kilowatts compared to about 3 kW in metallic wheels.
  • the hub 12 can also have several rows of blades arranged one behind the other, so that a multi-stage impeller 10 can be formed. If necessary, the different blade rows can each be produced in different production stages and each have different material properties.
  • the blades 22 are selectively releasably or irreversibly connected to the hub 12.
  • a non-releasable connection can be produced, for example, by means of a spattering process, in which the hub 12 is inserted into an injection mold and provided with molded-on blades 22. Possibly. can the blades 22 are also pressed into the grooves 32, so that they are firmly locked there.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)

Abstract

The invention relates to an impeller for turbomachinery, in particular for a turbocompressor. Said impeller comprises a rotatably mounted hub consisting of a metallic material and several blades that are arranged on said hub and project radially outwards. The invention is characterised in that the blades (22) are produced from a specifically lighter material than that of the hub (12).

Description

Laufrad einer Strömungsmaschine Impeller of a turbomachine
Die Erfindung betrifft ein Laufrad einer Strömungsmaschine, insbesondere eines Verdichters mit den im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Merkmalen.The invention relates to an impeller of a turbomachine, in particular a compressor with the features mentioned in the preamble of patent claim 1.
Stand der TechnikState of the art
Zur Verbesserung eines Wirkungsgrades von Verbrennungskraftmaschinen kann deren Luft mittels eines Abgasturboladers verdichtet werden, so dass das in die Brennräume geförderte Luftkraftstoffgemisch einen höheren E- nergieinhalt aufweist. Solche Abgasturbolader haben insbesondere bei Fahrzeugantrieben den Nachteil eines verzögerten bzw. unzureichenden Ansprechverhaltens bei kleinen Motordrel zahlen, da hier der Abgasdruck relativ gering ist. Zur Verbesserung des Ansprechverhaltens eines Abgasturboladers ist bspw. in der US 60 29 452 eine Unterstützung mittels eines elekt- rischen Antriebs beschrieben.To improve the efficiency of internal combustion engines whose air can be compressed by means of an exhaust gas turbocharger, so that the promoted in the combustion chambers air fuel mixture has a higher e- nergieinhalt. Such exhaust gas turbochargers have the disadvantage of a delayed or insufficient response at low Motordrel pay particularly in vehicle drives, since the exhaust gas pressure is relatively low. In order to improve the response of an exhaust gas turbocharger, support in the form of an electric drive is described, for example, in US Pat. No. 6,029,452.
Eine Möglichkeit einer solchen elektrischen Unterstützung ist ein separater, elektrisch angetriebener Hilfslader, der auch als elektrischer Zusatzverdichter bekannt ist. Dieser kann in der Frischluftmhrung in Serie zur Verdichter- seite eines konventionellen Abgasturboladers geschaltet sein und kann diesen bei niedrigen Motordrehzahlen unterstützen.One way of such electrical assistance is a separate, electrically driven auxiliary loader, which is also known as an electric auxiliary compressor. This can be connected in the fresh air circulation in series with the compressor side of a conventional exhaust gas turbocharger and can support this at low engine speeds.
Für Abgasturbolader werden üblicherweise Verdichterräder aus Leichtmetalllegierung verwendet. Für elektrische Zusatzverdichter werden üblicher- weise die gleichen Bauteile verwendet, so dass auch dessen Verdichterrad meist aus Leichtmetall, insbesondere aus einer Aluminiumlegierung besteht. Vorteile der ErfindungFor exhaust gas turbochargers usually compressor wheels made of light metal alloy are used. For electric auxiliary compressors usually the same components are used, so that the compressor wheel is usually made of light metal, in particular of an aluminum alloy. Advantages of the invention
Ein erfindungsgemäßes Laufrad einer Strömungsmaschine, insbesondere eines Turboverdichters weist eine drehbar gelagerte Nabe aus einem metal- lischen Material und mehrere daran angeordnete und sich radial nach außen erstreckende Schaufelblätter aus einem spezifisch leichteren Material, insbesondere einem Kunststoffmaterial auf. Die leichteren Schaufelblätter ermöglichen eine geringere Masse und ein geringeres Flächenträgheitsmoment des Laufrads und ermöglichen dadurch einen Antrieb mit verringerter Antriebsleistung.An inventive impeller of a turbomachine, in particular a turbocompressor has a rotatably mounted hub of a metallic material and a plurality of arranged thereon and radially outwardly extending blades of a specifically lighter material, in particular a plastic material. The lighter blades allow a lower mass and a lower moment of inertia of the impeller and thereby enable a drive with reduced drive power.
Die Schaufelblätter können insbesondere aus einem Kunststoffmaterial, bspw. aus faserverstärktem Kunststoff gefertigt sein.The blades can in particular be made of a plastic material, for example of fiber-reinforced plastic.
Die Erfindung sieht vor, dass die Schaufelblätter lösbar oder irreversibel mit der Nabe verbunden sind. Insbesondere können die Schaufelblätter in axial verlaufenden Nuten an einer Außenmantelfläche der Nabe eingeschoben und dort fixiert, insbesondere verschraubt sein. Die Verbindung kann in vorteilhafter Weise auch durch ein Anspritzen der Schaufelblätter oder bspw. mittels Einklipsen o. dgl. erfolgen. Es sind darüber hinaus auch andere irreversible Verbindungsarten möglich.The invention provides that the blades are detachably or irreversibly connected to the hub. In particular, the blades can be inserted in axially extending grooves on an outer circumferential surface of the hub and fixed there, in particular screwed. The connection can also be made in an advantageous manner by spraying the airfoils or for example by means of clipping or the like. In addition, other irreversible types of connection are possible.
Durch eine solche Verbundbauweise kann ein Laufrad mit einer geringeren Masse und insbesondere einem geringeren Massenträgheitsmoment zur Ver- fügung gestellt werden, das wesentlich verbesserte Hochlaufeigenschaften aufweist. Aufgrund der geringeren Dichte von Kunststoffen gegenüber Leichtmetall und Aluminiumlegierungen kann somit eine Hochlaufzeit und die für das Anlaufen des Verdichterrades benötigte Energie wesentlich reduziert werden.By means of such a composite construction, it is possible to provide an impeller with a lower mass and in particular a lower mass moment of inertia, which has significantly improved run-up properties. Due to the lower density of plastics compared to light metal and aluminum alloys thus a run-up time and the energy required for starting the compressor wheel can be significantly reduced.
Gegenüber metallischen Verdichterrädern, die zu ihrem Antrieb zeitweise mehrere Kilowatt Leistung benötigen, kann ein erfindungsgemäßes Laufrad mit Schaufelblättern aus Kunststoff mit einer reduzierten Antriebsleistung von ca. 2,5 Kilowatt oder weniger betrieben werden, was die Bordnetzbe- lastung in Kraftfahrzeugen wesentlich reduziert. Besonders beim Hochlaufen des Verdichterrads ist dies von Bedeutung, da die hierfür benötigte Zeit hauptsächlich von der verfügbaren Antriebsleistung und dem Massenträgheitsmoment des Verdichterrads und den damit verbundenen Elementen abhängt. Metallische Verdichterräder sind hier wegen ihrer vergleichsweise hohen Dichte im Nachteil.Compared to metallic compressor wheels that require several kilowatts of power for their drive at times, an inventive impeller with blades made of plastic with a reduced drive power of about 2.5 kilowatts or less can be operated, which the Bordnetzbe- substantially reduced in motor vehicles. This is particularly important when starting up the compressor wheel, since the time required for this depends mainly on the available drive power and the mass moment of inertia of the compressor wheel and the elements connected thereto. Metallic compressor wheels are disadvantageous here because of their comparatively high density.
Ein Verdichterrad, das aus einem Verbund aus Polymerwerkstoff, bspw. faserverstärktem Kunststoff, und einer Metalllegierung geringer Dichte be- steht, zeichnet sich durch folgende Vorteile aus. Der Rotor weist eine hohe Stabilität auf, was durch geeignete Materialauswahl der Bestandteile unterstützt werden kann. Das geringe Massenträgheitsmoment des Rotors ermöglicht sehr gute Dynamikeigenschaften, insbesondere bei Drehzahlveränderungen. Es können kostengünstige Fertigungsverfahren angewendet werden, bspw. Guss- bzw. Spritzgusstechnik. Austauschbare Flügelgeometrien ermöglichen eine Fertigung in einem Baukastenprinzip.A compressor wheel, which consists of a composite of polymer material, for example fiber-reinforced plastic, and a metal alloy of low density, has the following advantages. The rotor has a high stability, which can be supported by suitable material selection of the components. The low mass moment of inertia of the rotor allows very good dynamic properties, especially with changes in speed. Cost-effective production methods can be used, for example, casting or injection molding technology. Interchangeable wing geometries enable production in a modular principle.
Einen erfindungsgemäße Ausgestaltung sieht vor, dass jedes Schaufelblatt eine T-förmige Versteifung aufweist, die jeweils sternförmig von der Nabe nach außen reicht und an einer unteren Kante jedes Schaufelblatte ansetzt und damit verbunden ist. Die Schaufelblätter weisen vorzugsweise eine gekrümmte Oberfläche auf, so dass sich das Laufrad insbesondere für Radialverdichter eignet. Die Nabe des Laufrads ist vorzugsweise aus Leichtmetall gefertigt, was dem Laufrad die erforderliche Stabilität gibt. Ein weiterer Vorteil einer metallischen Nabe besteht darin, dass diese eine gute Wärmeleitfähigkeit aufweist, so dass bspw. ein elektrischer Antrieb seine im Betrieb entstehende Wärme teilweise über die Nabe abgeben kann.An embodiment according to the invention provides that each airfoil has a T-shaped stiffening, which in each case extends in a star shape from the hub to the outside and attaches to a lower edge of each airfoil and is connected thereto. The blades preferably have a curved surface, so that the impeller is particularly suitable for centrifugal compressors. The hub of the impeller is preferably made of light metal, which gives the impeller the required stability. Another advantage of a metallic hub is that it has a good thermal conductivity, so that, for example, an electric drive can deliver its heat generated during operation partially via the hub.
Die Schaufelblätter sind vorzugsweise aus faserverstärktem Kunststoff ge- fertigt, was ihnen eine ausreichende Festigkeit bei gleichzeitiger Elastizität und geringem Gewicht gibt.The blades are preferably made of fiber-reinforced plastic, which gives them sufficient strength with simultaneous elasticity and low weight.
Weiterhin ist bei einer Ausgestaltung des erfmdungsgemäßen Laufrads an der Nabe ein Impeller angeordnet, der die Umlenkung einer axialen An- Strömung in die radiale Richtung ermöglicht. Der Impeller ist vorzugsweise fest mit der Nabe verbunden und besteht wie diese aus Leichtmetall.Furthermore, in an embodiment of the impeller according to the invention an impeller is arranged on the hub, which serves to deflect an axial Flow in the radial direction allows. The impeller is preferably fixedly connected to the hub and, like these, is made of light metal.
Auf einem längeren Hohlzylinder als Nabe können wahlweise auch mehrere Reihen von Schaufelblättern angeordnet sein, so dass mehrere Verdichterräder gebildet werden, die jeweils hintereinander angeordnet sind. Ggf. können die Schaufelblätter als Einlegeteile in unterschiedlichen Spritzgusswerkzeugen verarbeitet werden, so dass die Schaufelblattreihen jeweils unterschiedliche Eigenschaften aufweisen können, bspw. eine unterschiedliche Elastizität ihrer Schaufelblätter.Optionally, a plurality of rows of blades can be arranged on a longer hollow cylinder as a hub, so that a plurality of compressor wheels are formed, which are each arranged one behind the other. Possibly. For example, the blades can be processed as inserts in different injection molds, so that the blade rows each have different properties, for example. A different elasticity of their blades.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den abhängigen Ansprüchen genannten Merkmalen.Further advantageous embodiments of the invention will become apparent from the remaining features mentioned in the dependent claims.
Zeichnungendrawings
Die Erfindung wird nachfolgend in bevorzugten Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt:The invention will be explained in more detail in preferred embodiments with reference to the accompanying drawings. Showing:
Figur 1 eine schematisch Draufsicht auf ein erfindungsgemäßesFigure 1 is a schematic plan view of an inventive
Laufrad undImpeller and
Figur 2 eine Teilschnittdarstellung des Laufrads gemäß Figur 1 mit nur einem befestigten Schaufelblatt.Figure 2 is a partial sectional view of the impeller according to Figure 1 with only one attached airfoil.
Beschreibung der AusführungsbeispieleDescription of the embodiments
Die Figuren 1 und 2 zeigen ein erfindungsgemäßes Laufrad 10 einer Strömungsmaschine, insbesondere eines Radialturbo Verdichters. Das Laufrad 10 umfasst eine Nabe 12, die vorzugsweise aus Leichtmetall gefertigt ist, sowie daran verankerte Schaufelblätter 22, die vorzugsweise aus Kunststoff, insbesondere aus faserverstärktem Kunststoff gefertigt sind. An der Nabe 12 ist ein Impeller 12 mit mehreren Impellerschaufeln 20 angeordnet. Der Impeller 14 ist in einem oberen Bereich der Nabe 12 angeordnet (vgl. Figur 2). Die Nabe 12 weist einen Hohlzylinder 16 mit Axialnuten 32 an dessen Außenmantelfläche 18 auf, in welche die Schaufelblätter 22 eingeschoben werden können. Hierzu weisen die Schaufelblätter 22 jeweils an ihrem in einer Axialnut 32 einschiebbaren Ansatz einen Federabschnitt 34 zur formschlüssigen Verbindung in der Axialnut 32 auf. Die Konturen dieser Axialnuten 32 und der Federabschnitte 34 sind in Figur 1 mit unterbrochenen Linien angedeutet.Figures 1 and 2 show an inventive impeller 10 of a turbomachine, in particular a radial turbocharger compressor. The impeller 10 comprises a hub 12, which is preferably made of light metal, and anchored thereon blades 22, which are preferably made of plastic, in particular made of fiber-reinforced plastic. At the hub 12, an impeller 12 with a plurality of impeller blades 20 is arranged. The impeller 14 is disposed in an upper portion of the hub 12 (see Fig. 2). The hub 12 has a hollow cylinder 16 with axial grooves 32 on the outer circumferential surface 18, in which the blades 22 can be inserted. For this purpose, the blades 22 each have a spring section 34 for their positive engagement in the axial groove 32 at their insertion which can be inserted in an axial groove 32. The contours of these axial grooves 32 and the spring portions 34 are indicated in Figure 1 with broken lines.
Nach dem Einschieben der bogenförmigen Schaufelblätter 22 in die jeweiligen Axialnuten 32 werden die Blätter von unten her durch eine aufschraubbare Scheibe 30 fixiert, so dass das Laufrad 10 fertig montiert ist. An einer unteren Kante 28 der bogenförmig geschwungenen Schaufelblätter 22 ist jeweils eine T-förmige Versteifung 24 vorgesehen, die den Schaufelblättern 22 die in Betrieb notwendige Stabilität verleiht. Die Schaufelblätter 24 weisen in der Draufsicht (Figur 1) jeweils eine sternförmige Kontur auf und sind mit den Schaufelblättern 22 fest verbunden. Somit bilden die Versteifungen 24 keine geschlossene Bodenscheibe. Die radiale Formgebung der Einzelschaufel 22 ermöglicht im Betrieb eine gleichförmige Spannungsver- teilung in den Polymerbauteilen. Die Form eines einfachen T-Trägers verleiht der Schaufel 22 die erforderliche Verwindungssteifigkeit.After insertion of the arcuate blades 22 in the respective axial grooves 32, the leaves are fixed from below by a screw-on disc 30, so that the impeller 10 is fully assembled. At a lower edge 28 of the curved curved blades 22, a T-shaped reinforcement 24 is provided in each case, which gives the blades 22 the necessary stability in operation. In the plan view (FIG. 1), the blades 24 each have a star-shaped contour and are fixedly connected to the blades 22. Thus, the stiffeners 24 do not form a closed bottom disk. The radial shaping of the individual blade 22 allows a uniform distribution of stress in the polymer components during operation. The shape of a simple T-beam gives the blade 22 the required torsional rigidity.
Das Laufrad 10 weist keine Deckscheibe auf. Bei Bedarf höherer Austrittsdrücke können die vorhandenen Schaufelspritzlinge durch in radialer Rich- tung längere Bauteile ersetzt werden, so dass sich ein Laufrad größeren Durchmessers ergibt.The impeller 10 has no cover plate. If higher outlet pressures are required, the existing blade inserts can be replaced by components that are longer in the radial direction, resulting in a larger diameter impeller.
Das aus einer metallischen Nabe 12 und mehreren Kunststoffblättern bestehende Laufrad 10 weist gegenüber herkömmlichen metallischen Bauteilen ein deutlich geringeres Massenträgheitsmoment auf, so dass die für das Anlaufen und für Drehzahlveränderungen benötigte Energie wesentlich reduziert ist. Bei einem elektrischen Verdichterantrieb kann somit eine deutlich reduzierte Antriebsleistung eingesetzt werden. Dies ist insbesondere für elektrische Zusatzverdichter in Kraftfahrzeugen sinnvoll, da ein solcher Zu- satzverdichter eine deutlich reduzierte Leistungsaufnahme von teilweise weniger als 1 bis 2,5 Kilowatt gegenüber ca. 3 kW bei metallischen Laufrädern aufweist.The existing of a metallic hub 12 and a plurality of plastic sheets impeller 10 has compared to conventional metallic components on a much lower mass moment of inertia, so that the energy required for starting and for speed changes is substantially reduced. In an electric compressor drive, a significantly reduced drive power can thus be used. This is particularly useful for electric auxiliary compressors in motor vehicles, since such an increase Compressor has a significantly reduced power consumption of sometimes less than 1 to 2.5 kilowatts compared to about 3 kW in metallic wheels.
Gegenüber der gezeigten Ausführungsform mit einer Schaufelreihe an der Nabe 12 kann diese auch mehrere hintereinander angeordnete Schaufelrei- hen aufweisen, so dass ein mehrstufiges Laufrad 10 gebildet werden kann. Die unterschiedlichen Schaufelreihen können ggf. jeweils in unterschiedlichen Fertigungsstufen hergestellt werden und jeweils unterschiedliche Ma- terialeigenschaften aufweisen.Compared with the embodiment shown with a row of blades on the hub 12, it can also have several rows of blades arranged one behind the other, so that a multi-stage impeller 10 can be formed. If necessary, the different blade rows can each be produced in different production stages and each have different material properties.
Die Schaufelblätter 22 sind wahlweise lösbar oder irreversibel mit der Nabe 12 verbunden. Eine nicht lösbare Verbindung kann bspw. mittels eines Spitzgieß Vorganges hergestellt werden, bei dem die Nabe 12 in eine Spritz- gussform eingelegt und mit angeformten Schaufelblättern 22 versehen wird. Ggf. können die Schaufelblätter 22 auch in die Nuten 32 eingedrückt werden, so dass sie dort fest verrastet sind. The blades 22 are selectively releasably or irreversibly connected to the hub 12. A non-releasable connection can be produced, for example, by means of a spattering process, in which the hub 12 is inserted into an injection mold and provided with molded-on blades 22. Possibly. can the blades 22 are also pressed into the grooves 32, so that they are firmly locked there.

Claims

Patentansprüche Claims
1. Laufrad einer Strömungsmaschinen, insbesondere eines Turboverdichters, mit einer drehbar gelagerten Nabe aus einem metallischen Material und mehreren daran angeordneten und sich radial nach außen erstreckenden Schaufelblättern, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufelblätter (22) aus einem spezifisch leichteren Material als das der Nabe (12) gefertigt sind.1. Impeller of a turbomachine, in particular a turbocompressor, with a rotatably mounted hub made of a metallic material and a plurality of blades arranged thereon and extending radially outwards, characterized in that the blades (22) are made of a specifically lighter material than that of the hub ( 12) are manufactured.
2. Laufrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufelblätter (22) aus Kunststoffmaterial gefertigt sind.2. Impeller according to claim 1, characterized in that the blades (22) are made of plastic material.
3. Laufrad nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufelblätter (22) aus faserverstärktem Kunststoff gefertigt sind.3. Impeller according to claim 1 or 2, characterized in that the blades (22) are made of fiber-reinforced plastic.
4. Laufrad nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufelblätter (22) lösbar mit der Nabe (12) verbunden sind.4. Impeller according to one of claims 1 to 3, characterized in that the blades (22) are detachably connected to the hub (12).
5. Laufrad nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufelblätter (22) in axial verlaufende Nuten (32) an einer Außenmantelfläche (18) der Nabe (12) eingeschoben und dort fixiert sind.5. Impeller according to claim 4, characterized in that the blades (22) in axially extending grooves (32) on an outer circumferential surface (18) of the hub (12) are inserted and fixed there.
6. Laufrad nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufelblätter (22) mit der Nabe (12) verschraubt sind.6. Impeller according to claim 4 or 5, characterized in that the blades (22) are screwed to the hub (12).
7. Laufrad nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufelblätter (22) unlösbar mit der Nabe (12) verbunden sind.7. Impeller according to one of claims 1 to 3, characterized in that the blades (22) are non-detachably connected to the hub (12).
8. Laufrad nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufelblätter (22) in axial verlaufende Nuten (32) an einer Außenmantelfläche (18) der Nabe (12) irreversibel eingerastet sind. 8. Impeller according to claim 7, characterized in that the blades (22) in axially extending grooves (32) on an outer surface (18) of the hub (12) are irreversibly engaged.
9. Laufrad nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufelblätter (22) mittels eines Spritzgießprozesses mit der Nabe (12) verbunden sind.9. Impeller according to claim 7, characterized in that the blades (22) are connected to the hub (12) by means of an injection molding process.
10. Laufrad nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Schaufelblatt (22) eine T-förmige Versteifung (24) aufweist.10. Impeller according to one of the preceding claims, characterized in that each blade (22) has a T-shaped stiffener (24).
11. Laufrad nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekenn- zeichnet, dass die T-förmigen Versteifungen (24) jeweils sternförmig von der Nabe (12) nach außen reichen.11. Impeller according to one of the preceding claims, characterized in that the T-shaped stiffeners (24) each extend in a star shape from the hub (12) to the outside.
12. Laufrad nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufelblätter (22) eine gekrümmte Oberfläche (26) aufweisen.12. Impeller according to one of the preceding claims, characterized in that the blades (22) have a curved surface (26).
13. Laufrad nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die T-förmigen Versteifungen (24) jeweils an einer Kante (28) jedes Schaufelblatts (22) angeordnet sind.13. Impeller according to one of claims 10 to 12, characterized in that the T-shaped stiffeners (24) are each arranged on an edge (28) of each airfoil (22).
14. Laufrad nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nabe (12) des Laufrads (10) aus Leichtmetall gefertigt ist.14. Impeller according to one of the preceding claims, characterized in that the hub (12) of the impeller (10) is made of light metal.
15. Laufrad nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Nabe (12) wenigstens zwei hintereinander angeordnete Schaufelreihen aufweist.15. Impeller according to one of the preceding claims, characterized in that a hub (12) has at least two rows of blades arranged one behind the other.
16. Laufrad nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Schau- felblätter (22) verschiedener Schaufelreihen unterschiedlich geformt sind.16. Impeller according to claim 15, characterized in that the blade blades (22) of different blade rows are shaped differently.
17. Laufrad nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Laufrad (10) Teil eines Radialverdichters ist. 17. Impeller according to one of the preceding claims, characterized in that the impeller (10) is part of a radial compressor.
18. Laufrad nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nabe (12) einen Impeller (14) aufweist.18. Impeller according to one of the preceding claims, characterized in that the hub (12) has an impeller (14).
19. Laufrad nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Nabe (12) zur Wärmeableitung eines Antriebsmotors ausgebildet ist. 19. Impeller according to one of the preceding claims, characterized in that the metallic hub (12) is designed for heat dissipation of a drive motor.
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