CH714389B1

CH714389B1 - centrifugal compressor.

Info

Publication number: CH714389B1
Application number: CH01272/18A
Authority: CH
Inventors: Benetschik Hannes; Heinz Christoph
Original assignee: Man Energy Solutions Se
Priority date: 2017-11-21
Filing date: 2018-10-18
Publication date: 2021-12-15
Also published as: US20190154041A1; JP2019094897A; CN109812453A; KR20190058324A; CH714389A2; DE102017127421A1

Abstract

Radialverdichter (10), insbesondere Radialverdichter eines Abgasturboladers, mit einem Laufrad (11); mit einem feststehenden Gehäuse (13); mit einem vom Gehäuse (13) definierten Hauptströmungskanal (14) zum Zuführen eines zu verdichtenden Mediums in Richtung auf das Laufrad (11); und mit einer radial außerhalb des Hauptströmungskanals (14) angeordneten Sekundärströmungskammer (15), welche durch eine Konturwand (16) vom Hauptströmungskanal (14) abgegrenzt ist und welche mit dem Hauptströmungskanal über eine Sekundärströmungsöffnung (18) im Bereich des Laufrads (11) mit dem Hauptströmungskanal (14) verbunden ist. Im Meridianschnitt gesehen ist die Sekundärströmungsöffnung (18), über welche die Sekundärströmungskammer (15) im Bereich des Laufrads (11) mit dem Hauptströmungskanal (14) verbunden ist, gegenüber einer Radialrichtung schräggestellt oder geneigt.Radial compressor (10), in particular radial compressor of an exhaust gas turbocharger, with an impeller (11); with a fixed housing (13); with a housing (13) defined main flow channel (14) for supplying a medium to be compressed in the direction of the impeller (11); and with a secondary flow chamber (15) arranged radially outside of the main flow duct (14), which is delimited from the main flow duct (14) by a contoured wall (16) and which communicates with the main flow duct via a secondary flow opening (18) in the region of the impeller (11) with the Main flow channel (14) is connected. Seen in a meridian section, the secondary flow opening (18), via which the secondary flow chamber (15) is connected to the main flow channel (14) in the area of the impeller (11), is set at an angle or inclined relative to a radial direction.

Description

[0001] Die Erfindung betrifft einen Radialverdichter gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. The invention relates to a centrifugal compressor according to the preamble of claim 1.

[0002] Aus der EP 2 194 277 A1 ist ein Radialverdichter eines Abgasturboladers gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt. So zeigt die EP 2 194 272 A1 einen Radialverdichter mit einem rotierenden Laufrad und einem feststehenden Gehäuse. Das Gehäuse definiert einen Hauptströmungskanal, um zu verdichtendes Medium in Richtung auf das Laufrad zu führen. Außerhalb des Hauptströmungskanals ist eine Sekundärströmungskammer angeordnet, welche durch eine Konturwand von dem Hauptströmungskanal abgegrenzt ist. Nach der EP 2 194 277 A1 erstreckt sich die Sekundärströmungskammer ausgehend von einem Ansaugbereich des Hauptströmungskanals bis zu einer Sekundärströmungsöffnung im Bereich des Laufrads. Im Bereich des Laufrads ist die Sekundärströmungskammer über die Sekundärströmungsöffnung mit dem Hauptströmungskanal verbunden. Innerhalb der Sekundärströmungskammer verlaufen Streben, welche die Konturwand, die den Hauptströmungskanal von der Sekundärströmungskammer abgrenzt, mit dem Gehäuse verbinden. Nach der EP 2 194 272 A1 erstreckt sich die Sekundärströmungsöffnung, über welche die Sekundärströmungskammer im Bereich des Laufrads mit dem Hauptströmungskanal verbunden ist, im Meridianschnitt gesehen in Radialrichtung. A radial compressor of an exhaust gas turbocharger according to the preamble of claim 1 is known from EP 2 194 277 A1. For example, EP 2 194 272 A1 shows a centrifugal compressor with a rotating impeller and a stationary housing. The housing defines a main flow channel to guide medium to be compressed towards the impeller. A secondary flow chamber, which is delimited from the main flow channel by a contoured wall, is arranged outside of the main flow channel. According to EP 2 194 277 A1, the secondary flow chamber extends from an intake area of the main flow channel to a secondary flow opening in the area of the impeller. In the area of the impeller, the secondary flow chamber is connected to the main flow channel via the secondary flow opening. Struts run within the secondary flow chamber and connect the contour wall, which delimits the main flow channel from the secondary flow chamber, to the housing. According to EP 2 194 272 A1, the secondary flow opening, via which the secondary flow chamber is connected to the main flow channel in the area of the impeller, extends in the radial direction, as seen in the meridian section.

[0003] Über eine solche Sekundärströmungskammer, die mit dem Hauptströmungskanal verbunden ist, lässt sich bereits die Kennfeldstabilität und damit das Betriebsverhalten eines Radialverdichters in gewissem Umfang verbessern. [0003] Such a secondary flow chamber, which is connected to the main flow channel, can already improve the characteristic field stability and thus the operating behavior of a centrifugal compressor to a certain extent.

[0004] Mit zunehmender Drosselung des Radialverdichters erfährt das im Verdichter zu verdichtende Arbeitsmedium bereits im Eintrittsbereich des Laufrads einen hinreichenden Druckaufbau, sodass das Arbeitsmedium über die Sekundärströmungskammer entgegengesetzt zur Strömungsrichtung im Hauptströmungskanal rezirkuliert, wobei auf diese Weise in einem Rezirkulations-Modus die aerodynamische Stabilität bei reduzierten Fördermengen des Verdichters erzielt werden kann. With increasing throttling of the centrifugal compressor, the working medium to be compressed in the compressor already experiences a sufficient pressure build-up in the inlet area of the impeller, so that the working medium recirculates via the secondary flow chamber in the opposite direction to the flow direction in the main flow channel, with the aerodynamic stability being increased in this way in a recirculation mode reduced delivery rates of the compressor can be achieved.

[0005] Liegen hohe Anforderungen an den Durchsatz des Radialverdichters vor, so entsteht im Eintrittsbereich des Laufrads ein Druckgefälle, welches zur Folge hat, dass das Arbeitsmedium über die Sekundärströmungskammer in einer Richtung strömt, die sich in Strömungsrichtung durch den Hauptströmungskanal ersetzt, sodass dann die Sekundärströmungskammer nicht in dem Rezirkulations-Modus, sondern in einem Bypass-Modus durchströmt wird. Damit lassen sich dann hohe Fördermengen des Radialverdichters realisieren. If there are high demands on the throughput of the centrifugal compressor, a pressure gradient occurs in the inlet area of the impeller, which means that the working medium flows over the secondary flow chamber in a direction that is replaced in the direction of flow by the main flow channel, so that the Secondary flow chamber is not flowed through in the recirculation mode, but in a bypass mode. In this way, high delivery rates of the radial compressor can then be realized.

[0006] Es besteht Bedarf daran, die Kennfeldstabilität eines Radialverdichters weiter zu verbessern. Insbesondere besteht Bedarf daran, den stabilen Arbeitsbereich in Richtung auf weiter reduzierte Fördermengen sowie das Schluckvermögen des Radialverdichters zu erhöhen. There is a need to further improve the map stability of a centrifugal compressor. In particular, there is a need to increase the stable operating range in the direction of further reduced flow rates and the absorption capacity of the centrifugal compressor.

[0007] Hievon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, einen neuartigen Radialverdichter zu schaffen. Diese Aufgabe wird durch einen Radialverdichter gemäß Anspruch 1 gelöst. Erfindungsgemäß ist im Meridianschnitt gesehen die Sekundärströmungsöffnung, über welche die Sekundärströmungskammer im Bereich des Laufrads mit dem Hauptströmungskanal verbunden ist, gegenüber einer Radialrichtung schräggestellt oder geneigt. Mit diesen Maßnahmen kann die Stabilität des Arbeitsbereichs des Radialverdichters weiter verbessert werden. Insbesondere kann der Arbeitsbereich hinsichtlich weiter reduzierter Fördermengen sowie hinsichtlich des Schluckvermögens erhöht werden. [0007] Proceeding from this, it is the object of the invention to create a novel centrifugal compressor. This object is achieved by a centrifugal compressor according to claim 1. According to the invention, the secondary flow opening, via which the secondary flow chamber is connected to the main flow channel in the area of the impeller, is inclined or tilted relative to a radial direction, as seen in the meridian section. With these measures, the stability of the working area of the centrifugal compressor can be further improved. In particular, the working range can be increased with regard to further reduced delivery rates and with regard to the absorption capacity.

[0008] Nach einer vorteilhaften Weiterbildung schließt im Meridianschnitt gesehen die Sekundärströmungsöffnung, über welche die Sekundärströmungskammer im Bereich des Laufrads mit dem Hauptströmungskanal verbunden ist, mit der Radialrichtung einen Winkel zwischen 10° und 80°, bevorzugt einen Winkel zwischen 10° und 70°, besonders bevorzugt einen Winkel zwischen 20° und 70°, höchst bevorzugt einen Winkel zwischen 20° und 60°, ein. Mit diesen Winkelbereichen, in welchen die Sekundärströmungsöffnung im Meridianschnitt gesehen gegenüber der Radialrichtung geneigt ist, kann der stabile Arbeitsbereich des Radialverdichters besonders bevorzugt erweitert werden, insbesondere zur Bereitstellung weiter reduzierter Fördermengen sowie zur Erweiterung des Schluckvermögens. According to an advantageous development, viewed in meridian section, the secondary flow opening, via which the secondary flow chamber is connected to the main flow channel in the area of the impeller, encloses an angle between 10° and 80°, preferably an angle between 10° and 70°, with the radial direction. particularly preferably an angle between 20° and 70°, most preferably an angle between 20° and 60°. With these angular ranges, in which the secondary flow opening is inclined relative to the radial direction, seen in the meridian section, the stable operating range of the centrifugal compressor can be particularly preferably expanded, in particular to provide further reduced delivery quantities and to expand the intake capacity.

[0009] Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt: Fig. 1: einen schematisierten Meridianschnitt durch einen erfindungsgemäßen Radialverdichter.Preferred developments of the invention result from the dependent claims and the following description. Exemplary embodiments of the invention are explained in more detail with reference to the drawing, without being limited thereto. 1 shows a schematic meridian section through a radial compressor according to the invention.

[0010] Fig. 1 zeigt einen ausschnittsweisen Querschnitt durch ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Radialverdichters 10. 1 shows a partial cross section through a preferred exemplary embodiment of a centrifugal compressor 10 according to the invention.

[0011] Ein Radialverdichter 10 verfügt über ein rotierendes Laufrad 11 mit mehreren Laufschaufeln 12. Ferner verfügt ein Radialverdichter 10 über ein feststehendes Gehäuse 13. Das Gehäuse 13 des Radialverdichters 10 definiert einen Hauptströmungskanal 14 für zu verdichtendes Medium, um über den Hauptströmungskanal 14 das zu verdichtende Medium in Richtung auf das Laufrad 11 zu führen. Außerhalb des Hauptströmungskanals 14 definiert das Gehäuse 13 eine Sekundärströmungskammer 15. Eine Konturwand 16, die auch als Ringsteg bezeichnet wird, begrenzt den Hauptströmungskanal 14 von der Sekundärströmungskammer 15 ab. A centrifugal compressor 10 has a rotating impeller 11 with a plurality of blades 12. A centrifugal compressor 10 also has a stationary housing 13. The housing 13 of the centrifugal compressor 10 defines a main flow channel 14 for the medium to be compressed, in order to convey the medium to be compressed via the main flow channel 14 to lead compressing medium in the direction of the impeller 11. Outside of the main flow channel 14, the housing 13 defines a secondary flow chamber 15. A contoured wall 16, which is also referred to as an annular land, delimits the main flow channel 14 from the secondary flow chamber 15.

[0012] Die Sekundärströmungskammer 15 erstreckt sich von einem Abschnitt stromaufwärts des Laufrads 11 bis in den Bereich des Laufrads 11 hinein. So zeigt Fig. 1, dass stromaufwärts des Laufrads 11 eine erste Sekundärströmungsöffnung 17 ausgebildet ist, über die die Sekundärströmungskammer 15 in Strömungsrichtung des zur verdichtenden Mediums gesehen stromaufwärts des Laufrads 11 mit dem Hauptströmungskanal 14 verbunden ist. Eine zweite Sekundärströmungsöffnung 18 ist im Bereich des Laufrads 11 ausgebildet, über welche die Sekundärströmungskammer 15 im Bereich des Laufrads 11 mit dem Hauptströmungskanal 14 verbunden ist. The secondary flow chamber 15 extends from a portion upstream of the impeller 11 into the area of the impeller 11 inside. 1 shows that upstream of the impeller 11 a first secondary flow opening 17 is formed, via which the secondary flow chamber 15 is connected to the main flow channel 14 upstream of the impeller 11 as viewed in the direction of flow of the medium to be compressed. A second secondary flow opening 18 is formed in the area of the impeller 11 , via which the secondary flow chamber 15 is connected to the main flow channel 14 in the area of the impeller 11 .

[0013] Innerhalb der Sekundärströmungskammer 15 erstrecken sich Streben 19. Über die Streben 19 ist die Konturwand 16 mit dem Gehäuse 13 verbunden. Struts 19 extend within the secondary flow chamber 15 . The contour wall 16 is connected to the housing 13 via the struts 19 .

[0014] Diejenige Sekundärströmungsöffnung 18, über welche die Sekundärströmungskammer 15 im Bereich des Laufrads 11 mit dem Hauptströmungskanal 14 verbunden ist, ist erfindungsgemäß im Meridianschnitt gesehen gegenüber einer Radialrichtung R schräg gestellt. That secondary flow opening 18 via which the secondary flow chamber 15 is connected to the main flow channel 14 in the region of the impeller 11 is, according to the invention, seen in a meridian section at an angle relative to a radial direction R.

[0015] Im Meridianschnitt gesehen schließt dabei die Sekundärströmungsöffnung 18, über welche die Sekundärströmungskammer 15 im Bereich des Laufrads 11 mit dem Hauptströmungskanal 14 verbunden sind, mit der Radialrichtung R einen Winkel α ein. Dieser Winkel α liegt zwischen 10° und 80°, bevorzugt zwischen 10° und 70°, besonders bevorzugt zwischen 20° und 70°, höchst bevorzugt zwischen 20° und 60°. Seen in the meridian section, the secondary flow opening 18, via which the secondary flow chamber 15 is connected to the main flow channel 14 in the region of the impeller 11, forms an angle α with the radial direction R. This angle α is between 10° and 80°, preferably between 10° and 70°, particularly preferably between 20° and 70°, most preferably between 20° and 60°.

[0016] In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung beträgt der Winkel α 25° ± 15°, vorzugsweise 25° ± 10°, vorzugsweise 25° ± 5°. In a particularly preferred embodiment of the invention, the angle α is 25°±15°, preferably 25°±10°, preferably 25°±5°.

[0017] Durch die erfindungsgemäße Ausführung der Sekundärströmungsöffnung 18, über welche die Sekundärströmungskammer 15 im Bereich des Laufrads mit dem Hauptströmungskanal 15 verbunden ist, können folgende Vorteile erzielt werden. The inventive design of the secondary flow opening 18, via which the secondary flow chamber 15 is connected to the main flow channel 15 in the region of the impeller, the following advantages can be achieved.

[0018] Bei Annäherung an die Pumpgrenze des Radialverdichters wird eine Rezirkulation des im Radialverdichter zu verdichtenden Mediums im Bereich der Sekundärströmungskammer 15 begünstigt. In Fig. 1 visualisiert ein Pfeil I die Rezirkulation des Arbeitsmediums durch die Sekundärströmungskammer 15, und zwar ausgehend von der Sekundärströmungsöffnung 18 im Bereich des Laufrads 11 in Richtung auf die Sekundärströmungsöffnung 17 stromaufwärts des Laufrads 11 entgegengesetzt zur Strömungsrichtung der Hauptströmung, die in Fig. 1 durch den Pfeil III visualisiert ist. When the surge limit of the centrifugal compressor is approached, recirculation of the medium to be compressed in the centrifugal compressor in the area of the secondary flow chamber 15 is promoted. In Fig. 1, an arrow I visualizes the recirculation of the working medium through the secondary flow chamber 15, starting from the secondary flow opening 18 in the area of the impeller 11 in the direction of the secondary flow opening 17 upstream of the impeller 11, opposite to the flow direction of the main flow, which is shown in Fig. 1 is visualized by the arrow III.

[0019] Bei Annäherung an die Schluckgrenze bzw. Sperrgrenze des Radialverdichters wird eine Bypass-Strömung durch die Sekundärströmungskammer 15 begünstigt, wobei eine solche Bypass-Strömung in Fig. 1 durch den Pfeil II visualisiert ist. Diese Bypass-Strömung II dient der Bereitstellung hoher Fördermengen im Bereich der Sperrgrenze bzw. Schluckgrenze und ist ausgehend von der Sekundärströmungsöffnung 17 stromaufwärts des Laufrads 11 in Richtung auf die Sekundärströmungsöffnung 18 im Bereich des Laufrads 11 gerichtet. Diese Bypass-Strömung II kann nahezu ohne Drosselungseffekte der Hauptströmung zugeführt werden. Es kann demnach nicht nur die Pumpgrenze, sondern auch die Schluckgrenze bzw. Sperrgrenze erweitert werden. When approaching the absorption limit or blocking limit of the centrifugal compressor, a bypass flow through the secondary flow chamber 15 is favored, such a bypass flow being visualized in FIG. 1 by the arrow II. This bypass flow II serves to provide high flow rates in the area of the blocking limit or absorption limit and is directed from the secondary flow opening 17 upstream of the impeller 11 in the direction of the secondary flow opening 18 in the area of the impeller 11 . This bypass flow II can be supplied to the main flow with almost no throttling effects. Accordingly, not only the surge limit but also the swallowing limit or blocking limit can be extended.

[0020] Dadurch kann letztendlich der Arbeitsbereich des Radialverdichters erheblich erweitert werden. Bei einem Turbolader, welcher den erfindungsgemäßen Radialverdichter nutzt, kann der Wirkungsgrad gesteigert werden. Ferner kann ein schnelleres Ansprechverhalten bei Lastaufschaltung realisiert werden. [0020] As a result, the working range of the centrifugal compressor can ultimately be significantly expanded. In a turbocharger that uses the radial compressor according to the invention, the efficiency can be increased. Furthermore, a faster response behavior can be implemented when the load is applied.

[0021] Übergangskonturen der Sekundärströmungsöffnung 18 im Bereich des Laufrads 11 zum Gehäuse 13 sowie zur Konturwand 16 können scharfkantig oder auch abgerundet ausgeführt sein. Transition contours of the secondary flow opening 18 in the area of the impeller 11 to the housing 13 and to the contour wall 16 can be designed with sharp edges or rounded.

[0022] Die Sekundärströmungsöffnung 18 ist vorzugsweise als ein in Umfangsrichtung umlaufende Schlitz ausgeführt. The secondary flow opening 18 is preferably designed as a circumferential slot in the circumferential direction.

BezugszeichenlisteReference List

[0023] 10 Radialverdichter 11 Laufrad 12 Laufschaufel 13 Gehäuse 14 Hauptströmungskanal 15 Sekundärströmungskammer 16 Konturwand 17 Sekundärströmungsöffnung 18 Sekundärströmungsöffnung 19 Strebe 10 centrifugal compressor 11 impeller 12 blade 13 casing 14 main flow passage 15 secondary flow chamber 16 contour wall 17 secondary flow port 18 secondary flow port 19 strut

Claims

1. Radialverdichter (10), insbesondere Radialverdichter für einen Abgasturbolader, mit einem rotierenden Laufrad (11); mit einem feststehenden Gehäuse (13); mit einem vom Gehäuse (13) definierten Hauptströmungskanal (14) zum Zuführen eines zu verdichtenden Mediums in Richtung auf das Laufrad (11); mit einer radial außerhalb des Hauptströmungskanals (14) angeordneten Sekundärströmungskammer (15), welche durch eine Konturwand (16) vom Hauptströmungskanal (14) abgegrenzt ist und welche mit dem Hauptströmungskanal über eine Sekundärströmungsöffnung (18) im Bereich des Laufrads (11) mit dem Hauptströmungskanal (14) verbunden ist; dadurch gekennzeichnet,dass im Meridianschnitt gesehen die Sekundärströmungsöffnung (18), über welche die Sekundärströmungskammer (15) im Bereich des Laufrads (11) mit dem Hauptströmungskanal (14) verbunden ist, gegenüber einer Radialrichtung schräggestellt ist.1. Radial compressor (10), in particular radial compressor for an exhaust gas turbocharger, with a rotating impeller (11); with a fixed housing (13); with a housing (13) defined main flow channel (14) for supplying a medium to be compressed in the direction of the impeller (11); with a secondary flow chamber (15) arranged radially outside of the main flow duct (14), which is delimited from the main flow duct (14) by a contoured wall (16) and which communicates with the main flow duct via a secondary flow opening (18) in the area of the impeller (11) with the main flow duct (14) connected; characterized in that seen in a meridian section, the secondary flow opening (18) via which the secondary flow chamber (15) is connected to the main flow channel (14) in the area of the impeller (11) is inclined relative to a radial direction.

2. Radialverdichter nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet,dassim Meridianschnitt gesehen die Sekundärströmungsöffnung (18), über welche die Sekundärströmungskammer (15) im Bereich des Laufrads (11) mit dem Hauptströmungskanal (14) verbunden ist, mit der Radialrichtung einen Winkel (α) zwischen 10° und 80° einschließt.2. Centrifugal compressor according to claim 1, characterized in that viewed in meridian section, the secondary flow opening (18) via which the secondary flow chamber (15) is connected to the main flow channel (14) in the area of the impeller (11) forms an angle (α) with the radial direction. includes between 10° and 80°.

3. Radialverdichter nach Anspruch 2,dadurch gekennzeichnet,dassim Meridianschnitt gesehen die Sekundärströmungsöffnung (18) mit der Radialrichtung einen Winkel (α) zwischen 10° und 70° einschließt.3. Centrifugal compressor according to claim 2, characterized in that viewed in meridian section the secondary flow opening (18) encloses an angle (α) between 10° and 70° with the radial direction.

4. Radialverdichter nach Anspruch 3,dadurch gekennzeichnet,dassim Meridianschnitt gesehen die Sekundärströmungsöffnung (18) mit der Radialrichtung einen Winkel (α) zwischen 20° und 70° einschließt.4. Centrifugal compressor according to claim 3, characterized in that viewed in meridian section the secondary flow opening (18) encloses an angle (α) between 20° and 70° with the radial direction.

5. Radialverdichter nach Anspruch 4,dadurch gekennzeichnet,dassim Meridianschnitt gesehen die Sekundärströmungsöffnung (18) mit der Radialrichtung einen Winkel (α) zwischen 20° und 60° einschließt.5. Centrifugal compressor according to claim 4, characterized in that viewed in meridian section the secondary flow opening (18) encloses an angle (α) between 20° and 60° with the radial direction.

6. Radialverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 5,dadurch gekennzeichnet,dassdie Sekundärströmungskammer (15) mit dem Hauptströmungskanal (14) in Strömungsrichtung des zur verdichtenden Mediums gesehen stromaufwärts des Laufrads (11) über eine weitere Sekundärströmungsöffnung (17) mit dem Hauptströmungskanal (14) verbunden ist.6. Centrifugal compressor according to one of Claims 1 to 5, characterized in that the secondary flow chamber (15) with the main flow channel (14), seen in the flow direction of the medium to be compressed, is connected upstream of the impeller (11) via a further secondary flow opening (17) with the main flow channel (14 ) connected is.