DE10144418A1

DE10144418A1 - Mehrstufiger Kompressor in einem Turbolader und Verfahren zur Konfiguration

Info

Publication number: DE10144418A1
Application number: DE10144418A
Authority: DE
Inventors: John R Gladden
Original assignee: Caterpillar Inc
Current assignee: Caterpillar Inc
Priority date: 2000-09-21
Filing date: 2001-09-10
Publication date: 2002-04-25
Also published as: US6345503B1

Abstract

Ein Verfahren zur Konfiguration eines Kompressors in einem Turbolader zur Anwendung in einem Verbrennungsmotor weist folgende Schritte auf: Vorsehen eines mehrstufigen Kompressors, der ein erstes Kompressorrad aufweist, das von einer Welle getragen wird, einen sich axial erstreckenden ersten Einlaß und einen sich radial erstreckenden ersten Auslaß, der mit dem ersten Kompressorrad assoziiert ist, ein zweites Kompressorrad, das von der Welle getragen wird, einen sich axial erstreckenden zweiten Einlaß und einen sich radial erstreckenden zweiten Auslaß, der mit dem zweiten Kompressorrad assoziiert ist; strömungsmittelmäßiges Verbinden des ersten Auslasses in Reihe mit dem zweiten Einlaß unter Verwendung einer Zwischenstufenleitung; Auswahl eines Gesamtdruckverhältnisses, das von dem mehrstufigen Kompressor geliefert werden muß; Feststellen eines ersten Druckverhältnisses, das von dem ersten Kompressorrad bei einer Betriebsdrehzahl geliefert wird; Bemessen des zweiten Kompressorrades zum Vorsehen eines zweiten Druckverhältnisses abhängig von dem Gesamtdruckverhältnis und dem ersten Druckverhältnis; Bestimmen einer Spannung in dem zweiten Kompressorrad bei der Betriebsdrehzahl; Bestimmung einer Temperatur innerhalb der Zwischenstufenleitung bei der Betriebsdrehzahl; und Auswahl eines Materials aus dem das zweite Kompressorrad konstruiert wird, und zwar abhängig sowohl von dem Spannungsbestimmungsschritt als auch dem Temperaturbestimmungsschritt.

Description

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Turbola der zur Anwendung bei einem Verbrennungsmotor und insbe sondere auf einen Turbolader mit einem mehrstufigen Kom pressor.

Technischer Hintergrund

Ein Verbrennungsmotor kann einen oder mehrere Turbolader aufweisen, um ein Strömungsmittel zu komprimieren, das in eine oder mehrere Brennkammern innerhalb entsprechender Verbrennungszylinder geliefert wird. Jeder Turbolader weist typischerweise eine Turbine auf, die von Abgasen des Motors angetrieben wird, und einen Kompressor, der von der Turbine angetrieben wird. Der Kompressor nimmt das zu komprimierende Strömungsmittel auf und liefert das Strömungsmittel an die Brennkammern. Das Strömungsmittel, das vom Kompressor komprimiert wird, kann in Form von Verbrennungsluft oder einer Brennstoff/Luft-Mischung vor liegen.

Ein Turbolader kann auch einen zweistufigen Kompressor mit zwei getrennten Kompressorrädern aufweisen, die von einer gemeinsamen Welle getragen und angetrieben werden. Das US-Patent 4 344 289 (Curiel und andere) offenbart ei nen Superlader mit einem zweistufigen Kompressor mit zwei Kompressorrädern, die in einer Rücken an Rücken liegenden Orientierung relativ zueinander angeordnet sind und von einer gemeinsamen Welle getragen werden. Die Nabenteile der zwei Kompressorräder sind anders relativ zueinander konfiguriert, jedoch ist der Gesamtdurchmesser der Kom pressorräder am Außendurchmesser der Schaufeln der glei che. Die zwei Kompressorräder und die gemeinsame Welle erscheinen monolithisch miteinander ausgeformt. Da die Kompressorräder den gleichen Durchmesser haben ist die Spannungskapazität der Kompressorräder durch das gemein same Material eingeschränkt, aus dem sie aufgebaut sind. Darüber hinaus kann die Drehträgheit bzw. Drehmasse der gesamten Kompressoranordnung nur durch Veränderung der Geometrie der Kompressorräder verändert werden, da sie aus einem gemeinsamen Material aufgebaut sind.

Die vorliegende Erfindung ist darauf gerichtet, eines oder mehrere der oben dargelegten Probleme zu überwinden.

Offenbarung der Erfindung

Gemäß eines Aspektes der Erfindung wird ein Verfahren zur Konfiguration eines Kompressors in einem Turbolader zur Anwendung in einem Verbrennungsmotor mit folgenden Schritten ausgeführt: Vorsehen eines mehrstufigen Kom pressors, der ein erstes Kompressorrad aufweist, das von einer Welle getragen wird, und einen sich axial erstrec kenden ersten Einlaß, der mit dem ersten Kompressorrad assoziiert ist, einen sich radial erstreckenden ersten Auslaß, der mit dem ersten Kompressorrad assoziiert ist, ein zweites Kompressorrad, das von der Welle getragen wird, einen sich axial erstreckenden zweiten Einlaß, der mit dem zweiten Kompressorrad assoziiert ist, und einen sich radial erstreckenden zweiten Auslaß, der mit dem zweiten Kompressorrad assoziiert ist; strömungsmittelmä ßige Verbindung in Reihe des ersten Auslasses, der mit dem ersten Kompressorrad assoziiert ist, mit dem zweiten Einlaß, der mit dem zweiten Kompressorrad assoziiert ist, und zwar unter Verwendung einer Zwischenstufenleitung; Auswahl eines Gesamtdruckverhältnisses, das von dem mehr stufigen Kompressor zu liefern ist; Bestimmen eines er sten Druckverhältnisses, das von dem ersten Kompressorrad bei einer Betriebsdrehzahl geliefert wird; Bemessen des zweiten Kompressorrades, um ein zweites Druckverhältnis zu liefern, und zwar abhängig von dem Gesamtdruckverhält nis und dem ersten Druckverhältnis; Bestimmen einer Span nung bzw. Beanspruchung auf dem zweiten Kompressorrad bei der Betriebsdrehzahl; Bestimmung einer Temperatur inner halb der Zwischenstufenleitung bei der Betriebsdrehzahl; und Auswahl eines Materials, aus dem das zweite Kompres sorrad aufgebaut wird, abhängig sowohl von dem Spannungs- bzw. Beanspruchungsbestimmungsschritt und dem Temperatur bestimmungsschritt.

Gemäß eines weiteren Aspektes der Erfindung wird ein Ver fahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors mit folgenden Schritten vorgesehen: Vorsehen einer Auslaßsammelleitung; Vorsehen eines mehrstufigen Kompressors, der eine Turbine aufweist, die von einer Welle getragen wird, wobei ein Turbineneinlaß strömungsmittelmäßig mit der Auslaßsammel leitung verbunden ist, wobei ein erstes Kompressorrad von der Welle getragen wird, wobei ein sich axial erstrecken der erster Einlaß mit dem ersten Kompressorrad assoziiert ist, wobei ein sich radial erstreckender erster Auslaß mit dem ersten Kompressorrad assoziiert ist, wobei ein zweites Kompressorrad von der Welle getragen wird, wobei ein sich axial erstreckender zweiter Einlaß mit dem zwei ten Kompressorrad assoziiert ist, und wobei ein sich ra dial erstreckender zweiter Auslaß mit dem zweiten Kom pressorrad assoziiert ist; strömungsmittelmäßige Reihen verbindung des ersten Auslasses, der mit dem ersten Kom pressorrad assoziiert ist mit dem zweiten Einlaß, der mit dem zweiten Kompressorrad assoziiert ist unter Verwendung einer Zwischenstufenleitung; Auswahl eines Gesamtdruck verhältnisses, das von dem mehrstufigen Kompressor zu liefern ist; Bestimmung eines ersten Druckverhältnisses, das von dem ersten Kompressorrad bei einer Betriebsdreh zahl geliefert wird; Bemessen des zweiten Kompressorra des, um ein zweites Druckverhältnis vorzusehen, und zwar abhängig von dem Gesamtdruckverhältnis und dem ersten Druckverhältnis; Bestimmung einer Spannung bzw. Beanspru chung auf das zweite Kompressorrad bei der Betriebsdreh zahl; Bestimmung einer Temperatur innerhalb der Zwischen stufenleitung bei der Betriebsdrehzahl; Auswahl eines Ma terials, aus dem das zweite Kompressorrad aufgebaut ist, abhängig sowohl von dem Beanspruchungsbestimmungsschritt als auch dem Temperaturbestimmungsschritt; und drehbares Antreiben der Turbine, des ersten Kompressorrades und des zweiten Kompressorrades unter Verwendung von Abgas aus der Abgassammelleitung.

Gemäß eines weiteren Aspektes der Erfindung wird ein Tur bolader für einen Verbrennungsmotor mit einem mehrstufi gen Kompressor vorgesehen, der ein Gesamtdruckverhältnis von zwischen 3,5 : 1 und 9 : 1 liefert. Der mehrstufige Kom pressor weist eine Welle auf; eine erste Kompressorstufe, die ein erstes Kompressorrad aufweist, das von der Welle getragen wird, einen sich axial erstreckenden ersten Ein laß, der mit dem ersten Kompressorrad assoziiert ist, und einen sich radial erstreckenden ersten Auslaß, der mit dem ersten Kompressorrad assoziiert ist. Das erste Kom pressorrad hat einen ersten Durchmesser (A) und ist aus Aluminium aufgebaut. Eine zweite Kompressorstufe weist ein zweites Kompressorrad auf, das von der Welle getragen wird, einen sich axial erstreckenden zweiten Einlaß, der mit dem zweiten Kompressorrad assoziiert ist, und einen sich radial erstreckenden zweiten Auslaß, der mit dem zweiten Kompressorrad assoziiert ist. Das zweite Kompres sorrad hat einen zweiten Durchmesser (B) und ist aus Ti tan oder Stahl aufgebaut. Das erste Kompressorrad und das zweite Kompressorrad haben ein Verhältnis (A : B) von zwi schen 1,15 : 1 und 2,5 : 1, und vorzugsweise zwischen 1,25 : 1 und 1,6 : 1. Eine Zwischenstufenleitung verbindet strö mungsmittelmäßig in Reihe den ersten Auslaß, der mit dem ersten Kompressorrad assoziiert ist mit dem zweiten Ein laß, der mit dem zweiten Kompressorrad assoziiert ist.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine teilweise schematische teilweise auf geschnittene Ansicht eines Verbrennungsmotors, der ein Ausführungsbeispiel eines mehrstufigen Kompressors der vorliegenden Erfindung auf weist;

Fig. 2 ist eine vereinfachte schematische Darstellung des zweiten Kompressorrades, das in Fig. 1 ge zeigt ist; und

Fig. 3 veranschaulicht die Spannungs- bzw. Beanspru chungskapazität bei einer gegebenen Temperatur für ein Material, aus dem das zweite Kompres sorrad aufgebaut werden kann.

Bester Weg zur Ausführung der Erfindung

Mit Bezug auf die Zeichnungen und insbesondere auf Fig. 1 ist ein Teil eines Verbrennungsmotors 10 gezeigt, der einen Turbolader 12 mit einem Ausführungsbeispiel eines mehrstufigen Kompressors 14 der vorliegenden Erfindung aufweist. Der Verbrennungsmotor 10 weist verschiedene Komponenten auf wie beispielsweise eine Auslaßsammellei tung 16, einen Turbolader 12 und eine (nicht gezeigte) Einlaßsammelleitung, usw.

Der Turbolader 12 weist eine Turbine 18 und einen mehr stufigen Kompressor 14 auf. Die Turbine 18 weist ein (nicht gezeigtes) Turbinenrad auf, das drehbar von dem Abgas aus der Auslaßsammelleitung 16 angetrieben wird. Das Turbinenrad ist mit der Welle 20 gekoppelt und wird von ihr getragen.

Der mehrstufige Kompressor 14 weist Gehäuseteile 22A und 22B auf, die jeweils mit einem ersten Kompressorrad 24 und einem zweiten Kompressorrad 26 assoziiert sind, die von einer gemeinsamen Welle 20 getragen werden. Das erste Kompressorrad 24 weist eine Vielzahl von Schaufeln 28 auf. Ein Einlaß 30 ist an der stromaufwärts liegenden Seite des ersten Kompressorrades 24 angeordnet, und ein Auslaß 32 ist an der stromabwärts liegenden Seite des er sten Kompressorrades 24 angeordnet. In ähnlicher Weise weist das zweite Kompressorrad 26 eine Vielzahl von Schaufeln 34 auf. Ein zweiter Einlaß 36 ist an der strom aufwärts liegenden Seite des zweiten Kompressorrades 26 angeordnet, und ein zweiter Auslaß 38 ist an der stromab wärts liegenden Seite des zweiten Kompressorrades 26 an geordnet. Der erste Einlaß 30 und der zweite Einlaß 36 erstrecken sich jeweils in Axialrichtung relativ zu einer Längsachse 40 der Welle 20; und der erste Auslaß 32 und der zweite Auslaß 38 erstrecken sich jeweils in radialer Richtung relativ zur Achse 40.

Eine Zwischenstufenleitung 42 verbindet den ersten Auslaß 32, der mit dem ersten Kompressorrad 24 assoziiert ist, mit dem zweiten Einlaß 36, der mit dem zweiten Kompres sorrad 26 assoziiert ist. Eine Vielzahl von Verteilerflü geln 44 ist an der stromabwärts gerichteten Seite des er sten Auslasses 32 positioniert. Die Verteilerflügel 44 bewirken, daß der Luftfluß, der aus dem ersten Auslaß 32 austritt, bezüglich der Geschwindigkeit abnimmt und be züglich des statischen Druckes zunimmt. Eine Vielzahl von Entwirbelungsflügeln 46, die innerhalb der Zwischenstu fenleitung 42 stromaufwärts vom zweiten Einlaß 36 posi tioniert sind, verringern die Verwirbelung der Luft, die durch die Zwischenstufenleitung 42 fließt, und leiten die Luft in den zweiten Einlaß 36. Eine Vielzahl von Verteil erflügeln 48 ist stromabwärts vom zweiten Auslaß 38 posi tioniert, der mit dem zweiten Kompressorrad 26 assoziiert ist. Die Verteilerflügel 48 wirken in ähnlicher Weise wie die Verteilerflügel 44 und bewirken dadurch eine verrin gerte Geschwindigkeit und einen vergrößerten statischen Druck in der Luft, die aus dem zweiten Auslaß 38 heraus fließt. Eine Volute bzw. Schneckenleitung 50 auf der stromabwärts liegenden Seite der Verteilerflügel 48 läßt die komprimierte Luft zu einer (nicht gezeigten) Einlaß sammelleitung des Verbrennungsmotors 10 aus.

Eine schematische Darstellung des zweiten Kompressorrades 26 (Fig. 2) und der Beanspruchungs- bzw. Spannungskapa zität als eine Funktion der Temperatur eines Materials, aus dem das zweite Kompressorrad 26 hergestellt ist (Fig. 3) werden veranschaulicht. Wie in Fig. 2 gezeigt tritt die Tangentialgeschwindigkeit des zweiten Kompres sorrades 26 an seinen radial äußersten Umfang auf. Das zweite Kompressorrad 26 hat einen Radius r, einen Durch messer B und dreht sich bei einer gegebenen Drehzahl ω, wie von dem Drehpfeil 52 angezeigt. Somit wird die Tan gentialgeschwindigkeit V_t durch den folgenden mathemati schen Ausdruck dargestellt:

V_t = ω.(Π.B) (Gleichung a)

wobei gilt
V_t = Tangentialgeschwindigkeit (mm/s);
ω = Drehzahl (U/s);
Π = Pi;
b = Durchmesser (mm); und
Π.b = Umfang pro Umdrehung (mm/U)

Die Tangentialgeschwindigkeit V_t verursacht eine Bean spruchung bzw. Spannung innerhalb des Materials, aus dem das zweite Kompressorrad 26 aufgebaut ist. Unterschiedli che Materialien können natürlich unterschiedlichen Bean spruchungen widerstehen. Jedoch ist das Spannungs- bzw. Beanspruchungsniveau, das von einem speziellen Material ertragen werden kann, auch eine Funktion der Temperatur, wie in Fig. 3 gezeigt. Je höher die Temperatur desto niedriger ist die Spannung, die von einem speziellen Ma terial ausgehalten werden kann. Ungeachtet des speziellen ausgewählten Materials ist die Beziehung von Spannung und Temperatur im allgemeinen in Fig. 3 gezeigt. Die Umge bungsluft, die von dem ersten Kompressorrad 24 kompri miert wird, wird auch als eine Folge der daran ausgeführ ten Arbeit aufgeheizt. Zusätzlich heizt das zweite Kom pressorrad weiter die Luft als eine Folge der daran aus geführten Arbeit auf. Die vergrößerte Temperatur hat eine verringerte Spannungskapazität des Materials zur Folge, aus dem das zweite Kompressorrad 26 aufgebaut ist. Daher ist die Spannung, die von dem zweiten Kompressorrad 26 ausgehalten werden muß, im allgemeinen eine Funktion des Radiusses R des zweiten Kompressorrades 26, der Drehzahl ω des zweiten Kompressorrades 26 und der Temperatur der komprimierten Luft, die über das zweite Kompressorrad 26 fließt.

Der mehrstufige Kompressor 14 sieht in dem gezeigten Aus führungsbeispiel ein Gesamtdruckverhältnis PR_Tot von zwi schen 3,5 : 1 und 9 : 1 vor. Es ist bekannt, daß das Gesamt druckverhältnis PR_Tot eine Funktion des Produktes des er sten Druckverhältnisses PR_C1, das von dem ersten Kom pressorrad 24 vorgesehen wird, und dem zweiten Druckver hältnis PR_C2 ist, das von dem zweiten Kompressorrad 26 vorgesehen wird. D. h., sowohl das erste Kompressorrad 24 als auch das zweite Kompressorrad 26 liefern unabhängig ein Druckverhältnis PR_C1 und PR_C2, wenn sie als einstufi ger Kompressor betrieben werden. Das Gesamtdruckverhält nis PR_Tot wird somit dargestellt durch folgende mathemati sche Beziehung:

PR_Tot = PR_c1.PR_C2

wobei gilt
PR_Tot = Gesamtdruckverhältnis;
PR_c1 = erstes Druckverhältnis; und
PR_c2 = zweites Druckverhältnis.

Durch mathematisches Manipulieren bzw. Umstellen dieser Formel kann somit leicht beobachtet werden, daß wenn das erste Kompressorrad 24 ein spezielles Druckverhältnis PR_c1 hat, dann das zweite Kompressorrad 26 mit einem Durchmesser B derart bemessen werden muß, daß es ein Ge samtdruckverhältnis PR_Tot ergibt. Das Druckverhältnis PR_c2 muß durch ein zweites Kompressorrad 26 geliefert werden, um ein Gesamtdruckverhältnis PR_Tot bei einem gegebenen vorbestimmten Druckverhältnis PR_c1 des ersten Kompressor rades 24 zu erreichen, was somit durch den folgenden ma thematischen Ausdruck dargestellt wird:

PR_C2 = PR_Tot/PR_C1.

Obwohl das zweite Kompressorrad 26 ordnungsgemäß wie oben beschrieben bemessen werden kann, muß auch eine Bestim mung gemacht werden, um sicherzustellen, daß die physika lischen Eigenschaften des Materials, aus dem das zweite Kompressorrad 26 aufgebaut ist, auch ausreichen, um die Spannungen zu ertragen, die innerhalb des zweites Kom pressorrades 26 während des Betriebes auftreten. Nach der Bemessung des zweiten Kompressorrades 26 wie oben be schrieben, um ein spezielles Druckverhältnis vorzusehen, kann die Tangentialgeschwindigkeit V_T mit dem bekannten Durchmesser des zweites Kompressorrades 26 in einer Weise berechnet werden, wie oben beschrieben (Gleichung A). Al ternativ ist auch bekannt, daß das erwünschte zweite Druckverhältnis PR_C2 des zweiten Kompressorrades 26 unge fähr proportional zur Tangentialgeschwindigkeit V_T in der 1,5 Potenz ist. Die Tangentialgeschwindigkeit V_T muß so mit unter Verwendung dieser Beziehung abgeschätzt werden. Ungeachtet des speziellen Verfahrens zur Bestimmung der Tangentialgeschwindigkeit V_T kann die Spannung innerhalb des zweiten Kompressorrades 26 mit der bestimmten Tangen tialgeschwindigkeit V_T berechnet werden. Die Temperatur der Luft, die über das zweite Kompressorrad 26 fließt, kann auch entweder theoretisch oder empirisch bestimmt werden. Die Spannungskapazität bzw. Spannungsgrenze für ein spezielles Material kann somit unter Verwendung einer Temperatur/Spannungskurve ähnlich jener, die in Fig. 3 gezeigt ist, beobachtet werden. Wenn die berechnete Span nung geringer ist als die Spannungskapazität bzw. -grenze eines ausgewählten Materials bei einer gegebenen Betrieb stemperatur (d. h. unter der Temperatur/Spannungslinie der Fig. 3) dann kann das ausgewählte Material vorteil hafterweise zur Konstruktion des zweiten Kompressorrades 26 verwendet werden. Wenn andererseits die berechnete Spannung die Spannungsgrenze bzw. -kapazität bei der ge gebenen Betriebstemperatur überschreitet, muß ein anderes Material für die Konstruktion des zweiten Kompressorrades 26 ausgewählt werden.

In dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist das erste Kompressorrad 24 aus Aluminium aufgebaut, und das zweite Kompressorrad 26 ist aus Titan oder Stahl aufge baut. Aluminium hat eine relativ leichte bzw. geringe Dichte, ist jedoch nicht insbesondere für eine Hochtempe raturanwendung geeignet. Da das erste Kompressorrad 24 kalte Umgebungsluft aufnimmt, kann das erste Kompressor rad aus einem leichtgewichtigen Aluminium aufgebaut sein. Das leichtgewichtige Aluminium ist relativ kostengünstig und hat kleine Drehträgheitsmassen bzw. Drehmassen des ersten Kompressorrades 24 zu Folge.

Andererseits muß das zweite Kompressorrad 26 relativ hohe Temperaturen aushalten und somit aus einem Material kon struiert werden, das gute Spannungskapazität bzw. Grenzen und andere physikalische Eigenschaften (beispielsweise Kriechbeständigkeit) bei relativ hohen Temperaturen hat. Da das zweite Kompressorrad 26 einen kleinen Durchmesser hat, ist die Drehträgheitsmasse geringer, auch wenn ein dichteres Material verwendet wird. Titan oder Stahl haben ausreichende Spannungsbeständigkeit bzw. -fähigkeiten bei den erwarteten Betriebstemperaturen und haben auch andere wünschenswerte physikalische Eigenschaften, wie bei spielsweise geringes Kriechen usw. bei den hohen Betrieb stemperaturen. Andere Materialien, wie beispielsweise Aluminiumlegierungen (beispielsweise 356, 7075, A206, 2618, 201 und siliziumcarbitverstärktes Aluminium) können auch annehmbar sein. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel hat das erste Kompressorrad 24 einen ersten Durchmesser A, und das zweite Kompressorrad 26 hat einen Durchmesser B mit einem Verhältnis (A : B) zwischen 1,15 : 1 und 2,5 : 1.

Industrielle Anwendbarkeit

Während des Gebrauchs treibt Abgas von der Auslaßsammel leitung 16 die Turbine 18 an, die wiederum die gemeinsame Welle 20 antreibt, die das erste Kompressorrad 24 und das zweite Kompressorrad 26 trägt. Verbrennungsluft tritt in den mehrstufigen Kompressor 14 am Einlaß 30 ein. Die Schaufeln 28 des ersten Kompressorrades 24 beschleunigen den Luftfluß zum ersten Auslaß 32. Die beschleunigte Luft trifft auf die Verteilerflügel 44, was eine verringerte Geschwindigkeit und einen vergrößerten statischen Druck zur Folge hat. Die Entwirbelungsflügel 46 verringern die Verwirbelungswirkung der Luft, die durch die Zwischenstu fenleitung 42 fließt, und leiten die Luft in den zweiten Einlaß 36, der mit dem zweiten Kompressorrad 26 assozi iert ist. Ein optionaler (nicht gezeigter) Zwischenstu fenkühler kann vorgesehen werden, um die Luft zu kühlen, die auf das zweite Kompressorrad 26 auftrifft. Die Schau feln 34 des zweiten Kompressorrades 26 beschleunigen die Luft zum zweiten Auslaß 38 hin, wo die Hochgeschwindig keitsluft auf die Verteilerflügel 48 auftrifft, was einen gesteigerten statischen Druck zur Folge hat. Die kompri mierte Luft fließt dann in die Volute bzw. den Schnecken gang 50. Aus dem Schneckengang 50 wird die Mischung zu einer (nicht gezeigten) Einlaßsammelleitung des Verbren nungsmotors 10 transportiert.

Die vorliegende Erfindung sieht einen mehrstufigen Kom pressor mit einem zweiten Kompressorrad vor, das aus ei nem Material aufgebaut ist, das eine Spannungskapazität bzw. -grenze besitzt, die eine Funktion des Durchmessers des zweiten Kompressorrades 26, der Drehzahl des zweiten Kömpressorrades 26 und der Temperatur der Luft ist, die über das zweite Kompressorrad 26 fließt. Das erste Kom pressorrad hat einen größeren Durchmesser und ist aus ei nem leichtgewichtigen Material aufgebaut, wie beispiels weise Aluminium, das kostengünstig ist und eine geringe Drehträgheitsmasse hat. Das zweite Kompressorrad ist aus einem dichteren Material konstruiert und hat einen klei neren Durchmesser. Der kleine Durchmesser hat eine ver ringerte Spannung genauso wie geringere Drehträgheits masse zur Folge. Der mehrstufige Kompressor 14 ist somit mit ersten und zweiten Kompressorrädern mit optimierter Auswahl der Abmessung und des Materials versehen.

Andere Aspekte, Ziele und Vorteile dieser Erfindung kön nen aus einem Studium der Zeichnungen, der Offenbarung und der beigefügten Ansprüche erhalten werden.

Claims

1. Verfahren zur Konfiguration eines Kompressors in ei nem Turbolader zur Anwendung in einem Verbrennungs motor, das folgende Schritte aufweist:
Vorsehen eines mehrstufigen Kompressors, der ein er stes Kompressorrad aufweist, das von einer Welle ge tragen wird, einen ersten Einlaß, der mit dem ersten Kompressorrad assoziiert ist, einen sich radial er streckenden ersten Auslaß, der mit dem ersten Kom pressorrad assoziiert ist, ein zweites Kompressor rad, das von der Welle getragen wird, einen zweiten Einlaß, der mit dem zweiten Kompressorrad assoziiert ist, und einen sich radial erstreckenden zweiten Auslaß, der mit dem zweiten Kompressorrad assoziiert ist;
Strömungsmittelmäßiges Verbinden des ersten Auslas ses, der mit dem ersten Kompressorrad assoziiert ist, in Reihe mit dem zweiten Einlaß, der mit dem zweiten Kompressorrad assoziiert ist, und zwar unter Verwendung einer Zwischenstufenleitung;
Auswahl eines Gesamtdruckverhältnisses, das von dem mehrstufigen Kompressor geliefert werden muß;
Feststellen eines ersten Druckverhältnisses, das von dem ersten Kompressorrad bei einer Betriebsdrehzahl geliefert wird;
Bemessen des zweiten Kompressorrades derart, daß ein zweites Druckverhältnis vorgesehen wird, und zwar abhängig von dem Gesamtdruckverhältnis und dem er sten Druckverhältnis;
Bestimmung einer Spannung in dem zweiten Kompressor rad bei der Betriebsdrehzahl;
Bestimmung einer Temperatur innerhalb der Zwischen stufenleitung bei der Betriebsdrehzahl; und
Auswahl eines Materials, aus dem das zweite Kompres sorrad besteht, und zwar abhängig von sowohl dem Spannungsbestimmungsschritt als auch dem Temperatur bestimmungsschritt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt der Auswahl des Gesamtdruckverhältnisses die Auswahl ei nes Gesamtdruckverhältnisses von zwischen 3,5 : 1 und 9 : 1 aufweist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt der Be messung des zweiten Kompressorrades unter Verwendung der folgenden mathematischen Gleichung ausgeführt wird:
PR_Tot = PR_C1.PR_C2
wobei gilt
PR_Tot = Gesamtdruckverhältnis;
PR_C1 = erstes Druckverhältnis; und
PR_C2 = zweites Druckverhältnis.

4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei der Schritt der Be messung des zweiten Kompressorrades folgende Unter schritte aufweist:
Berechnen des zweiten Druckverhältnisses unter Ver wendung des folgenden mathematischen Ausdruckes:
PR_C2 = PR_Tot/PR_C1; und
Einrichten bzw. Festlegen eines Durchmessers des zweiten Kompressorrades unter Verwendung des berech neten zweiten Druckverhältnisses.

5. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Spannungsbe stimmungsschritt den Unterschritt aufweist, eine Tangentialgeschwindigkeit (V_T) des zweiten Kompres sorrades zu berechnen.

6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei das zweite Kompres sorrad einen zweiten Durchmesser (B) hat, und wobei der Unterschritt der Berechnung der Tangentialge schwindigkeit (V_T) unter Verwendung des folgenden mathematischen Ausdruckes ausgeführt wird:
V_T = ω.(Π.B)
wobei gilt,
V_T = Tangentialgeschwindigkeit (mm/s);
ω = Drehzahl (U/s);
Π = pi;
B = Durchmesser (mm); und
Π.B = Umfang pro Umdrehung (mm/U).

7. Verfahren nach Anspruch 5, wobei der Berechnungsun terschritt die Verwendung einer mathematischen Be ziehung zwischen dem zweiten Druckverhältnis und der Tangentialgeschwindigkeit (V_T) aufweist.

8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei das zweite Druck verhältnis proportional zur Tangentialgeschwindig keit ist und durch den folgenden mathematischen Aus druck dargestellt wird:
PR_C2 ~ (V_T)^1,5

9. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das erste Kompres sorrad einen ersten Durchmesser (A) hat, und wobei das erste Kompressorrad und das zweite Kompressorrad ein Verhältnis (A : B) von zwischen 1,15 : 1 und 2,5 : 1 haben,

10. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Auswahlschrit t das Auswählen von Material aufweist, aus dem das zweite Kompressorrad besteht, und zwar aus einem der folgenden Stoffe Titan, Stahl und Aluminiumlegierun gen.

11. Verfahren nach Anspruch 10, das den Schritt auf weist, ein Material auszuwählen, aus dem das erste Kompressorrad besteht, und zwar abhängig von dem er sten Druckverhältnis.

12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei das erste Kompres sorrad aus Aluminium besteht.

13. Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors, das folgende Schritte aufweist:
Vorsehen einer Auslaßsammelleitung;
Vorsehen eines mehrstufigen Kompressors, der eine Turbine aufweist, die von einer Welle getragen wird, weiter einen Turbineneinlaß, der strömungsmittelmä ßig mit der Auslaßsammelleitung verbunden ist, ein erstes Kompressorrad, das von der Welle getragen wird, einen ersten Einlaß, der mit dem ersten Kom pressorrad assoziiert ist, einen sich radial er streckenden ersten Auslaß, der mit dem ersten Kom pressorrad assoziiert ist, ein zweites Kompressor rad, das von der Welle getragen wird, einen zweiten Einlaß, der mit dem zweiten Kompressorrad assoziiert ist, und einen sich radial erstreckenden zweiten Auslaß, der mit dem zweiten Kompressorrad assoziiert ist;
Strömungsmittelmäßige Verbindung des ersten Auslas ses, der mit dem ersten Kompressorrad assoziiert ist, in Reihe mit dem zweiten Einlaß, der mit dem zweiten Kompressorrad assoziiert ist, und zwar unter Verwendung einer Zwischenstufenleitung;
Auswahl eines Gesamtdruckverhältnisses, das von dem mehrstufigen Kompressor zu liefern ist;
Bestimmung eines ersten Druckverhältnisses, das von dem ersten Kompressorrad bei einer Betriebsdrehzahl geliefert wird;
Bemessen des zweiten Kompressorrades, um ein zweites Druckverhältnis vorzusehen, und zwar abhängig von dem Gesamtdruckverhältnis und dem ersten Druckver hältnis;
Bestimmung einer Spannung an dem zweiten Kompressor rad bei der Betriebsgeschwindigkeit;
Bestimmung einer Temperatur innerhalb der Zwischen stufenleitung bei der Betriebsdrehzahl;
Auswahl eines Materials, aus dem das zweite Kompres sorrad besteht, und zwar abhängig sowohl von dem Spannungsbestimmungsschritt als auch von dem Tempe raturbestimmungsschritt; und
drehbares Antreiben der Turbine, des ersten Kompres sorrades und des zweiten Kompressorrades unter Ver wendung von Abgas aus der Auslaßsammelleitung.

14. Turbolader für einen Verbrennungsmotor, der folgen des aufweist:
einen mehrstufigen Kompressor, der ein Gesamtdruck verhältnis von zwischen 3,5 : 1 und 9 : 1 liefert, wobei der mehrstufige Kompressor folgendes aufweist:
eine Welle;
eine erste Kompressorstufe, die ein erstes Kompres sorrad aufweist, das von der Welle getragen wird, einen sich axial erstreckenden ersten Einlaß, der mit dem ersten Kompressorrad assoziiert ist, und ei nen sich radial erstreckenden ersten Auslaß, der mit dem ersten Kompressorrad assoziiert ist, wobei das erste Kompressorrad einen ersten Durchmesser (A) hat und aus Aluminium besteht;
eine zweite Kompressorstufe, die ein zweites Kom pressorrad aufweist, das von der Welle getragen wird, einen sich axial erstreckenden zweiten Einlaß, der mit dem Kompressorrad assoziiert ist, und einen sich radial erstreckenden zweiten Auslaß, der mit dem zweiten Kompressorrad assoziiert ist, wobei das zweite Kompressorrad einen zweiten Durchmesser (B) hat, und aus Titan oder Stahl oder einer Aluminium legierung besteht, wobei das erste Kompressorrad und das zweite Kompressorrad ein Verhältnis (A : B) von zwischen 1,15 : 1 und 2,5 : 1 haben; und
eine Zwischenstufenleitung, die strömungsmittelmäßig in Reihe den ersten Auslaß, der mit dem ersten Kom pressorrad assoziiert ist, mit dem zweiten Einlaß verbindet, der mit dem zweiten Kompressorrad assozi iert ist.

15. Verbrennungsmotor, der folgendes aufweist:
eine Einlaßsammelleitung; und
einen Turbolader, der einen mehrstufigen Kompressor aufweist, der ein Gesamtdruckverhältnis von zwischen 3,5 : 1 und 9 : 1 liefert, wobei der mehrstufige Kom pressor folgendes aufweist:
eine Welle;
eine erste Kompressorstufe, die ein erstes Kompres sorrad aufweist, das von der Welle getragen wird, einen sich axial erstreckenden ersten Einlaß, der mit dem ersten Kompressorrad assoziiert ist, und ei nen sich radial erstreckenden ersten Auslaß, der mit dem ersten Kompressorrad assoziiert ist, wobei das erste Kompressorrad einen ersten Durchmesser (A) be sitzt, und aus Aluminium besteht;
eine zweite Kompressorstufe, die ein zweites Kom pressorrad aufweist, das von der Welle getragen wird, einen sich axial erstreckenden zweiten Einlaß, der mit dem zweiten Kompressorrad assoziiert ist, und einen sich radial erstreckenden zweiten Auslaß, der mit dem zweiten Kompressorrad assoziiert ist, wobei das zweite Kompressorrad einen zweiten Durch messer (B) besitzt, und entweder aus Titan, Stahl oder einer Aluminiumlegierung besteht, wobei das er ste Kompressorrad und das zweite Kompressorrad ein Verhältnis (A : B) von zwischen 1,15 : 1 und 2,5 : 1 ha ben; und
eine Zwischenstufenleitung, die strömungsmittelmäßig in Reihe den ersten Auslaß, der mit dem ersten Kom pressorrad assoziiert ist, mit dem zweiten Einlaß verbindet, der mit dem zweiten Kompressorrad assozi iert ist.