CH715785A2

CH715785A2 - Strömungsmaschine.

Info

Publication number: CH715785A2
Application number: CH00005/20A
Authority: CH
Inventors: Niebuhr Johannes; Kummert Katharina
Original assignee: Man Energy Solutions Se
Priority date: 2019-01-23
Filing date: 2020-01-03
Publication date: 2020-07-31
Also published as: US20200232478A1; CN111502772A; JP2020118160A; DE102019101602A1; CH715785B1; KR20200091803A; RU2020100836A

Abstract

Strömungsmaschine, mit einem stromabwärts eines Laufrads (11) vorgesehenen, durch eine innere Schale (13) und eine äußere Schale (14) begrenzten Diffusor (12), mit einem stromabwärts des Diffusors (12) vorgesehenen Sammelraum (15), wobei der Diffusor (12) in Radialrichtung in den Sammelraum (15) mit einem Mündungsquerschnitt (16) mündet, mit einem austrittsseitigen Ende (17) der äußeren Schale (14) des Diffusors (12), welches an den Sammelraum (15) angrenzt oder in den Sammelraum (15) hineinragt. Das austrittsseitige Ende (17) der äußeren Schale (14) weist einen dem Sammelraum (15) zugewandten Flächenabschnitt (18) auf, der sich im Querschnitt in Radialrichtung erstreckt. Der sich in Radialrichtung erstreckende, dem Sammelraum (15) zugewandte Flächenabschnitt (18) des austrittsseitigen Endes (17) der äußeren Schale (14) geht mit einem im Querschnitt kreissegmentförmig konturierten Flächenabschnitt (19) in einen dem Diffusor (12) zugewandten Flächenabschnitt (20) des austrittsseitigen Endes (17) der äußeren Schale (14) über.

Description

[0001] Die Erfindung betrifft eine Strömungsmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

[0002] Der grundsätzliche Aufbau eines Turboladers ist dem hier angesprochenen Fachmann bekannt. Ein Turbolader verfügt über eine Turbine, in welcher ein erstes Medium entspannt wird. Ferner verfügt ein Turbolader über einen Verdichter, in welchem ein zweites Medium verdichtet wird, und zwar unter Nutzung der in der Turbine bei der Entspannung des ersten Mediums gewonnenen Energie. Die Turbine des Turboladers verfügt über ein Turbinengehäuse sowie einen Turbinenrotor. Der Verdichter des Turboladers verfügt über ein Verdichtergehäuse sowie einen Verdichterrotor. Zwischen dem Turbinengehäuse der Turbine und dem Verdichtergehäuse des Verdichters ist ein Lagergehäuse positioniert, wobei das Lagergehäuse einerseits mit dem Turbinengehäuse und andererseits mit dem Verdichtergehäuse verbunden ist. Im Lagergehäuse ist eine Welle gelagert, über die der Turbinenrotor mit dem Verdichterrotor gekoppelt ist.

[0003] Aus der DE 101 37 899 C1 ist eine als Axialturbine ausgebildete Turbine eines Turboladers bekannt, die über einen Diffusor verfügt, der sich an das Turbinenlaufrad anschließt und von einer inneren Schale und einer äußeren Schale begrenzt ist. In Strömungsrichtung des Abgases gesehen schließt sich an den Diffusor ein Sammelraum an, wobei der Diffusor in Radialrichtung in den Sammelraum mit einem Mündungsquerschnitt übergeht bzw. in den Sammelraum mündet. Vom Sammelraum führt eine Abgasströmungsleitung ab. An einem austrittsseitigen bzw. ausgangsseitigen Ende der äußeren Schale des Diffusors ist eine Kante ausgebildet, die in den Sammelraum hineinragt bzw. angrenzt, und zwar angrenzend an den Mündungsquerschnitt des Diffusors.

[0004] Die Strömung soll aus dem Diffusor möglichst ungestört in den Sammelraum übertreten. Dies bereitet bei aus der Praxis bekannten Strömungsmaschinen Schwierigkeiten, insbesondere kann es zu Strömungsablösungen im Bereich des austrittsseitigen Endes der äußeren Schale des Diffusors kommen, welches in den Sammelraum hineinragt bzw. an den Sammelraum angrenzt. Dies ist von Nachteil.

[0005] Es besteht daher Bedarf an einer Strömungsmaschine, bei welcher eine Strömung ausgehend von einem Diffusor ungestört in einen sich am Diffusor angrenzenden Sammelraum überströmen kann.

[0006] Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine neuartige Strömungsmaschine zu schaffen. Diese Aufgabe wird durch eine Strömungsmaschine nach Anspruch 1 gelöst.

[0007] Erfindungsgemäß weist das austrittsseitige Ende der äußeren Schale einen dem Sammelraum zugewandte Flächenabschnitt auf, der sich im Querschnitt in Radialrichtung erstreckt. Der sich in Radialrichtung erstreckende, dem Sammelraum zugewandte Flächenabschnitt des austrittsseitigen Endes der äußeren Schale geht mit einem im Querschnitt kreissegmentförmig konturierten Flächenabschnitt in einen dem Diffusor zugewandten Flächenabschnitt des austrittsseitigen Endes der äußeren Schale über.

[0008] Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Strömungsmaschine am austrittsseitigen Ende der äußeren Schale des Diffusors kann gewährleistet werden, dass eine Strömung aus dem Diffusor ungestört in den Sammelraum überströmen kann. Insbesondere können Strömungsablösungen und Verwirbelungen vermieden werden. Hierdurch können Strömungsverluste minimiert und der Wirkungsgrad gesteigert werden.

[0009] Vorzugsweise geht der kreissegmentförmig konturierte Flächenabschnitt in den dem Sammelraum zugewandte Flächenabschnitt und/oder in den dem Diffusor zugewandte Flächenabschnitt tangential übergeht. Eine derartige Konturierung der äußeren Schale des Diffusors am austrittsseitigen Ende ist besonders bevorzugt, um Strömungsverluste zu minimieren.

[0010] Nach einer vorteilhaften Weiterbildung weist der sich in Radialrichtung erstreckende Flächenabschnitt des austrittsseitigen Endes der äußeren Schale des Diffusors in Radialrichtung eine Länge L auf, für die gilt: 0,1*X≤L≤X, wobei X die Abmessung des Mündungsquerschnitts des Diffusors in Axialrichtung ist. Nach einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung weist der kreissegmentförmig konturierte Flächenabschnitt des austrittsseitigen Endes der äußeren Schale des Diffusors einen Radius R auf, für den gilt: 0,1*X≤R≤X, wobei X die Abmessung des Mündungsquerschnitts des Diffusors in Axialrichtung ist. Dann, wenn eine oder vorzugsweise beide dieser Bedingungen erfüllt sind, kann die Strömung aus dem Diffusor besonders vorteilhaft in den Sammelraum übertreten, um so Strömungsverluste zu minimieren.

[0011] Vorzugsweise ist die Strömungsmaschine eine Axialturbine, besonders bevorzugt eines Turboladers. Die Erfindung ist besonders vorteilhaft bei einer Verwendung an einer als Axialturbine eines Turboladers ausgebildeten Strömungsmaschine.

[0012] Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt: <tb>Fig. 1<SEP>einen schematisierten, ausschnittweisen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Strömungsmaschine.

[0013] Fig. 1 zeigt einen stark schematisierten, ausschnittsweisen Querschnitt, nämlich Meridianschnitt, einer als Axialturbine 10 eines Abgasturboladers ausgebildeten Strömungsmaschine, wobei ein Laufrad 11 der Axialturbine 10 axial angeströmt und axial abgeströmt ist. Stromabwärts des Turbinenlaufrads 11 schließt sich ein Diffusor 12 an, welcher die Strömung in der Axialturbine 10 von axial nach radial umlenkt, wobei der Diffusor 12 von einer inneren Schale 13 und einer äußeren Schale 14 begrenzt ist. In Strömungsrichtung des Abgases gesehen schließt sich an den Diffusor 12 ein Sammelraum 15 an. Abgas, welches über den Diffusor 12 in den Sammelraum 15 eintritt bzw. überströmt, kann über eine nicht gezeigte Abströmleitung vom Sammelraum 15 abgeführt werden.

[0014] Der Diffusor 12 mündet mit einem Mündungsquerschnitt 16 in den Sammelraum 15. Wie bereits ausgeführt, ist der Diffusor 12 und damit der Mündungsquerschnitt 16 einerseits von der inneren Schale 13 und andererseits von der äußeren Schale 14 begrenzt.

[0015] Am austrittsseitigen Ende 17 des Diffusors 12 und damit am austrittsseitigen Ende 17 der äußeren Schale 14 weist die äußere Schale 14 eine definierte Konturierung auf, nämlich derart, dass das austrittsseitige Ende 17 der äußeren Schale 14 einen dem Sammelraum zugewandten Flächenabschnitt 18 aufweist, der sich im Querschnitt, nämlich im Meridianschnitt der Fig. 1, in Radialrichtung, und zwar ausschließlich in Radialrichtung, erstreckt.

[0016] Dieser sich im Meridianschnitt ausschließlich in Radialrichtung erstreckende, dem Sammelraum 15 zugewandte Flächenabschnitt 18 des austrittsseitigen Endes 17 der äußeren Schale 14 geht mit einem im Querschnitt bzw. Meridianschnitt kreissegmentförmig konturierten Flächenabschnitt 19 in einen dem Diffusor 12 zugewandten Flächenabschnitt 20 des austrittsseitigen Endes 17 der äußeren Schale 14 über.

[0017] Dabei ist vorzugsweise vorgesehen, dass der kreissegmentförmig konturierte Flächenabschnitt 19 des austrittsseitigen Endes 17 der äußeren Schale 14 in den dem Sammelraum 15 zugewandten Flächenabschnitt 18, der sich im Meridianschnitt ausschließlich in Radialrichtung erstreckt, sowie in den dem Diffusor 12 zugewandten Flächenabschnitt 20, welcher der Kontur des Diffusors 12 folgt, jeweils tangential, also stetig, übergeht.

[0018] Das austrittsseitige Ende 17 der äußeren Schale 14 des Diffusors 12 grenzt an den Sammelraum 15 an oder ragt zumindest abschnittsweise in den Sammelraum 15 hinein.

[0019] Im Meridianschnitt gesehen ist das austrittsseitige Ende 17 der äußeren Schale 14, die den Diffusor 12 außen begrenzt, durch zwei geometrische Kenngrößen charakterisiert, nämlich durch eine Länge L des sich in Radialrichtung erstreckenden Flächenabschnitts 18 sowie durch einen Radius R des kreissegmentförmig konturierten Flächenabschnitts 19.

[0020] Vorzugsweise gilt eine, besonders bevorzugt gelten beide, der nachfolgenden Bedingungen: 0,1*X≤L≤X 0,1*X≤R≤X wobei L die Länge des sich in Radialrichtung erstreckenden Flächenabschnitts 18 ist, R der Radius des kreissegmentförmig konturierten Flächenabschnitts 19 ist, X die Abmessung des Mündungsquerschnitts 16 des Diffusors in Axialrichtung ist.

[0021] Das austrittsseitige Ende 17 der äußeren Schale 14 des Diffusors 12 bildet eine wulstartige Aufdickung aus, die im Meridianschnitt der Fig. 1 eine dickere Wandstärke als ein angrenzender Abschnitt der äußeren Schale 14 aufweist.

[0022] Mit einem derart ausgebildeten austrittsseitigen Ende 17 der äußeren Schale 14, welches den Diffusor 12 im Bereich des Mündungsquerschnitts 16 begrenzt, kann eine besonders vorteilhafte und verlustfreie Überleitung der Strömung von dem Diffusor 12 in den sich an den Diffusor 12 anschließenden Sammelraum 15 gewährleistet werden. Durch die Minimierung von Strömungsverlusten kann der Wirkungsgrad der Strömungsmaschine erhöht werden.

[0023] Die Erfindung kommt vorzugsweise bei einer Axialturbine eines Turboladers zum Einsatz. Obwohl die Erfindung in diesem Anwendungsfall besonders bevorzugt zum Einsatz kommt, kann die Erfindung auch bei anderen Strömungsmaschinen mit einem Diffusor und einem sich an den Diffusor angrenzten Sammelraum zum Einsatz kommen, bei welchen eine Strömung ausgehend vom Diffusor in Radialrichtung in den sich an den Diffusor angrenzenden bzw. anschließenden Sammelraum übergeht.

Bezugszeichenliste

[0024] 10 Strömungsmaschine 11 Laufrad 12 Diffusor 13 innere Schale 14 äußere Schale 15 Sammelraum 16 Mündungsquerschnitt 17 austrittsseitiges Ende 18 Flächenabschnitt 19 Flächenabschnitt 20 Flächenabschnitt

Claims

1. Strömungsmaschine, mit einem stromabwärts eines Laufrads (11) vorgesehenen, durch eine innere Schale (13) und eine äußere Schale (14) begrenzten Diffusor (12), mit einem stromabwärts des Diffusors (12) vorgesehenen Sammelraum (15), wobei der Diffusor (12) in Radialrichtung in den Sammelraum (15) mit einem Mündungsquerschnitt (16) mündet, mit einem austrittsseitigen Ende (17) der äußeren Schale (14) des Diffusors (12), das an den Sammelraum (15) angrenzt oder in den Sammelraum (15) zumindest abschnittsweise hineinragt, dadurch gekennzeichnet, dass das austrittsseitige Ende (17) der äußeren Schale (14) einen dem Sammelraum (15) zugewandten Flächenabschnitt (18) aufweist, der sich im Querschnitt in Radialrichtung erstreckt, der sich in Radialrichtung erstreckende, dem Sammelraum (15) zugewandte Flächenabschnitt (18) des austrittsseitigen Endes (17) der äußeren Schale (14) mit einem im Querschnitt kreissegmentförmig konturierten Flächenabschnitt (19) in einen dem Diffusor (12) zugewandten Flächenabschnitt (20) des austrittsseitigen Endes (17) der äußeren Schale (14) übergeht.

2. Strömungsmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der kreissegmentförmig konturierten Flächenabschnitt (19) in den dem Sammelraum (15) zugewandten Flächenabschnitt (18) tangential übergeht.

3. Strömungsmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der kreissegmentförmig konturierten Flächenabschnitt (19) in den dem Diffusor (12) zugewandten Flächenabschnitt (20) tangential übergeht.

4. Strömungsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3,dadurch gekennzeichnet,dasssich der dem Sammelraum (15) zugewandte Flächenabschnitt (18) im Querschnitt ausschließlich in Radialrichtung erstreckt.

5. Strömungsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4,dadurch gekennzeichnet,dassder sich in Radialrichtung erstreckende Flächenabschnitt (18) in Radialrichtung eine Länge L aufweist, für die gilt: 0,1*X≤L≤X, wobei X die Abmessung des Mündungsquerschnitts (16) des Diffusors (12) in Axialrichtung ist.;

6. Strömungsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5,dadurch gekennzeichnet,dassder kreissegmentförmig konturierte Flächenabschnitt (19) einen Radius R aufweist, für den gilt: 0,1*X≤R≤X, wobei X die Abmessung des Mündungsquerschnitts (16) des Diffusors (12) in Axialrichtung ist.

7. Strömungsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6,dadurch gekennzeichnet,dassdieselbe eine Axialturbine ist.

8. Strömungsmaschine nach Anspruch 7,dadurch gekennzeichnet,dassdie Axialturbine eine Turbine eines Turboladers ist.

9. Strömungsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8,dadurch gekennzeichnet,dassder jeweilige Querschnitt ein Meridianschnitt ist.