DE10144418A1 - Mehrstufiger Kompressor in einem Turbolader und Verfahren zur Konfiguration - Google Patents
Mehrstufiger Kompressor in einem Turbolader und Verfahren zur KonfigurationInfo
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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
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.
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.
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.
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.
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 Vt durch den folgenden mathemati
schen Ausdruck dargestellt:
Vt = ω.(Π.B) (Gleichung a)
wobei gilt
Vt = Tangentialgeschwindigkeit (mm/s);
ω = Drehzahl (U/s);
Π = Pi;
b = Durchmesser (mm); und
Π.b = Umfang pro Umdrehung (mm/U)
Vt = Tangentialgeschwindigkeit (mm/s);
ω = Drehzahl (U/s);
Π = Pi;
b = Durchmesser (mm); und
Π.b = Umfang pro Umdrehung (mm/U)
Die Tangentialgeschwindigkeit Vt 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 PRTot von zwi
schen 3,5 : 1 und 9 : 1 vor. Es ist bekannt, daß das Gesamt
druckverhältnis PRTot eine Funktion des Produktes des er
sten Druckverhältnisses PRC1, das von dem ersten Kom
pressorrad 24 vorgesehen wird, und dem zweiten Druckver
hältnis PRC2 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 PRC1 und PRC2, wenn sie als einstufi
ger Kompressor betrieben werden. Das Gesamtdruckverhält
nis PRTot wird somit dargestellt durch folgende mathemati
sche Beziehung:
PRTot = PRc1.PRC2
wobei gilt
PRTot = Gesamtdruckverhältnis;
PRc1 = erstes Druckverhältnis; und
PRc2 = zweites Druckverhältnis.
PRTot = Gesamtdruckverhältnis;
PRc1 = erstes Druckverhältnis; und
PRc2 = zweites Druckverhältnis.
Durch mathematisches Manipulieren bzw. Umstellen dieser
Formel kann somit leicht beobachtet werden, daß wenn das
erste Kompressorrad 24 ein spezielles Druckverhältnis
PRc1 hat, dann das zweite Kompressorrad 26 mit einem
Durchmesser B derart bemessen werden muß, daß es ein Ge
samtdruckverhältnis PRTot ergibt. Das Druckverhältnis PRc2
muß durch ein zweites Kompressorrad 26 geliefert werden,
um ein Gesamtdruckverhältnis PRTot bei einem gegebenen
vorbestimmten Druckverhältnis PRc1 des ersten Kompressor
rades 24 zu erreichen, was somit durch den folgenden ma
thematischen Ausdruck dargestellt wird:
PRC2 = PRTot/PRC1.
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 VT 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 PRC2 des zweiten Kompressorrades 26 unge
fähr proportional zur Tangentialgeschwindigkeit VT in der
1,5 Potenz ist. Die Tangentialgeschwindigkeit VT muß so
mit unter Verwendung dieser Beziehung abgeschätzt werden.
Ungeachtet des speziellen Verfahrens zur Bestimmung der
Tangentialgeschwindigkeit VT kann die Spannung innerhalb
des zweiten Kompressorrades 26 mit der bestimmten Tangen
tialgeschwindigkeit VT 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.
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 (15)
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.
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:
PRTot = PRC1.PRC2
wobei gilt
PRTot = Gesamtdruckverhältnis;
PRC1 = erstes Druckverhältnis; und
PRC2 = zweites Druckverhältnis.
PRTot = PRC1.PRC2
wobei gilt
PRTot = Gesamtdruckverhältnis;
PRC1 = erstes Druckverhältnis; und
PRC2 = 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:
PRC2 = PRTot/PRC1; und
Einrichten bzw. Festlegen eines Durchmessers des zweiten Kompressorrades unter Verwendung des berech neten zweiten Druckverhältnisses.
Berechnen des zweiten Druckverhältnisses unter Ver wendung des folgenden mathematischen Ausdruckes:
PRC2 = PRTot/PRC1; 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 (VT) 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 (VT) unter Verwendung des folgenden
mathematischen Ausdruckes ausgeführt wird:
VT = ω.(Π.B)
wobei gilt,
VT = Tangentialgeschwindigkeit (mm/s);
ω = Drehzahl (U/s);
Π = pi;
B = Durchmesser (mm); und
Π.B = Umfang pro Umdrehung (mm/U).
VT = ω.(Π.B)
wobei gilt,
VT = 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 (VT) 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:
PRC2 ~ (VT)1,5
PRC2 ~ (VT)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.
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.
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.
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.
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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US09/666,633 US6345503B1 (en) | 2000-09-21 | 2000-09-21 | Multi-stage compressor in a turbocharger and method of configuring same |
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Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE10144418A1 true DE10144418A1 (de) | 2002-04-25 |
Family
ID=24674823
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Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE10144418A Withdrawn DE10144418A1 (de) | 2000-09-21 | 2001-09-10 | Mehrstufiger Kompressor in einem Turbolader und Verfahren zur Konfiguration |
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Country | Link |
---|---|
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