DE102010026176B4

DE102010026176B4 - Vorrichtung und Verfahren zur Kennfeldstabilisierung eines Verdichters

Info

Publication number: DE102010026176B4
Application number: DE102010026176.9A
Authority: DE
Inventors: Dr. Grigoriadis Panagiotis; Jens Diebener
Original assignee: IAV GmbH Ingenieurgesellschaft Auto und Verkehr
Current assignee: IAV GmbH Ingenieurgesellschaft Auto und Verkehr
Priority date: 2010-07-06
Filing date: 2010-07-06
Publication date: 2015-12-17
Anticipated expiration: 2030-07-07
Also published as: DE102010026176A1

Abstract

Vorrichtung zur Kennfeldstabilisierung eines Verdichters (1), wobei im Eintrittsbereich des Verdichters (1) ein bewegliches Element angeordnet ist, wobei durch das bewegliche Element die stirnseitige Anströmfläche eines Laufrades eines Verdichters einstellbar überdeckbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das bewegliche Element ein an der Innenwand eines Gehäuses (2) angeordneter Konus (3) ist, der sich in Strömungsrichtung verjüngt und dessen Winkel (α) variierbar ist.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Kennfeldstabilisierung eines Verdichters.
Stand der Technik
Ein Radialverdichter besteht im Wesentlichen aus den Hauptkomponenten Verdichterlaufrad und Verdichtergehäuse. Das Verdichterlaufrad dreht sich im Verdichtergehäuse und befördert die axial einströmende Luft radial nach außen in die Spirale des Verdichtergehäuses. Dabei steht für die Luftzuführung üblicherweise der gesamte Eintrittsquerschnitt des Verdichterlaufrads zur Verfügung. Im Verdichter findet abhängig von der Laufraddrehzahl und vom Verdichtermassenstrom eine Druckanhebung statt. Eine besonders große Druckanhebung bei relativ niedrigen Verdichtermassenströmen lässt einen Radialverdichter derart instabil werden, dass Rückströmen durch das Laufrad stattfindet. Dieses sogenannte Verdichterpumpen soll vermieden werden, da dieser Betrieb schädlich für einen Radialverdichter ist. Eine Maßnahme zur Erweiterung des Verdichterkennfeldes bzw. zur Stabilisierung des Verdichterbetriebs, ist die Einbringung eines Strömungsbypasses (ported shroud) in das Verdichtergehäuse, so dass ein Teil des Luftmassenstroms zum Verdichtereintritt zurückgeleitet und dem Hauptstrom wieder zugeführt wird. Der Bypass kann konstruktiv derart ausgeführt sein, dass er entweder durch eine Verstelleinrichtung erst an der Pumpgrenze freigegeben wird oder aber stets geöffnet ist. Der dem Verdichter nachgeschaltete Verbraucher kann dadurch mit der von ihm gewünschten relativ geringen Luftmenge versorgt werden und es kann dennoch gleichzeitig ein hoher Luftmengenstrom durch das Verdichterlaufrad durchgesetzt werden. Der Einströmwinkel zwischen dem Luftstrom und den Schaufelvorderkanten wird geringer, was an dieser Stelle auch zu geringeren Strömungsablösungen führt, welche als eine Ursache für Verdichterpumpen gelten.
Ein Beispiel einer konstruktiven Lösung für den o. g. Strömungsbypass ist in der DE 40 27 174 C2 dargestellt, bei welcher ein radial gegen das Laufrad abgegrenzter, dessen Einströmbereich umgebender Zirkulationsraum zum Druckausgleich angeordnet ist. Es ist weiterhin ein diesen Einströmbereich verengender Einlaufring vorgesehen, der den Zirkulationsraum gegenüber der Hauptströmung teilweise abdeckt. Mit der Abdeckung des Einlaufringes wird die Druckdifferenz des Zirkulationsraumes eingestellt. Dieser ist durch Einsetzen verschiedener Geometrien und damit unterschiedlicher Abdeckung des Strömungsbereiches des Zirkulationsraumes an verschiedene Einsatzbedingungen anpassbar. Eine Abdeckung des stirnseitigen Einströmbereiches des Laufrades erfolgt nicht.
Weiterhin sind Leitapparate vor Verdichtereintritt bekannt, welche einstellbar einen Drall in der Anströmung erzeugen. Der Effekt der Strömungsbeeinflussung wird durch die Drallströmung erzeugt. Die verstellbaren Leitschaufeln sind dabei in ihrem Aufbau kompliziert und verbleiben strömungshindernd im Strömungspfad.
Gemäß der DE 10 2008 046 220 A1 ist eine Einrichtung zur Erzeugung eines Dralls in einer Axialströmung Stand der Technik, insbesondere zur Beaufschlagung eines Verdichterrades, vorzugsweise eines Abgasturboladers für eine Brennkraftmaschine, mit Leitschaufeln, die in einem aktivierten Zustand in einem Strömungskanal angeordnet sind und sich bezüglich einer Längsmittelachse des Strömungskanals quer und/oder radial erstrecken. Insbesondere für höhere Drehzahlen lassen sich Strömungsverluste reduzieren, wenn die Leitschaufeln hinsichtlich ihrer sich bezüglich der Längsmittelachse des Strömungskanals im Strömungskanal radial und/oder quer erstreckenden Schaufellänge verstellbar ausgestaltet und/oder angeordnet sind.
Gemäß der US 6 129 511 A ist eine Vorrichtung zur Steuerung der Menge eines Gases durch einen Kompressor mit einer variable Eintrittsgeometrie Stand der Technik, wobei verstellbare Leitschaufeln und ein Diffusor mit einer variablen Geometrie eingesetzt werden.
Gemäß der DE 10 2005 062 682 A1 ist ein Verdichter in einem Ansaugtrakt einer Brennkraftmaschine vorbekannt, mit einem in einem Gehäuse drehbar gelagerten Verdichterrad zur Erzeugung komprimierter Ladeluft, wobei das Gehäuse einen Ansaugkanal, einen Diffusorkanal und einen Spiralkanal aufweist und der Ansaugkanal über eine Leitvorrichtung in einen axialen Anströmkanal und in einen Zusatzkanal teilbar ist und die Leitvorrichtung einen fest stehenden oder axial verschiebbaren Stempel und eine axial verschiebbare Matrize aufweist, wobei zur Drallerzeugung im Zusatzkanal ein Leitgitterring vorgesehen ist, welcher in die Matrize einführbar ist. Zur Umleitung von insbesondere aus dem Zusatzkanal angesaugter Ladeluft im Gehäuse, ist ein Sekundärkanal stromauf des Diffusorkanals ausgebildet und der Sekundärkanal mündet zur Weiterleitung der Ladeluft in den Spiralkanal.
Gemäß der US 6 623 239 B2 ist zur Geräuschverminderung eines Kompressors eine Vorrichtung mit einem Bypasskanal vorbekannt, wobei Schallwellen entweder gedämpft oder ausgelöscht werden.
Gemäß der JP H0 9310 699 A ist es Stand der Technik, stromauf eines Kompressors im Gehäuse Schlitze anzuordnen, durch die ein verdichtetes Gas geführt werden kann, so dass eine Wirbelströmung vor dem Kompressor entsteht.
Gemäß der DE 196 47 605 C2 wird für einen Abgasturbolader mit kennfeldstabilisierenden Maßnahmen, durch einen parallel zum Ansaugkanal des Verdichterrades liegenden, auf das Verdichterrad mündenden Bypass, in Abhängigkeit von Betriebskenngrößen eine Veränderung des Bypassquerschnittes vorgeschlagen.
Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zu Kennfeldstabilisierung eines Verdichters bereitzustellen, welche eine dynamische Anpassung der Durchsätze zur Verschiebung der Pumpgrenze und des Wirkungsgradoptimums ermöglichen.
Lösung der Aufgabe
Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 sowie mittels eines Verfahrens gemäß Anspruch 8 gelöst.
Vorteile der Erfindung
Erfindungsgemäß vorteilhaft umfasst die Vorrichtung zur Kennfeldstabilisierung eines Verdichters ein an dessen Eintrittsbereich angeordnetes bewegliches Element, welches einstellbar einen Teilbereich der stirnseitigen Anströmfläche eines Laufrades überdeckt. Der Einstellbereich ist dabei zwischen keiner Überdeckung, bei welcher der gesamte stirnseitige Anströmbereich freigegeben ist, und der Abdeckung eines Großteils des Einströmbereiches variierbar.
Das bewegliche Element im Eintrittsbereich des Verdichters ist in vorteilhafter Ausgestaltung als an der Gehäuseinnenwand angeordneter Konus mit einem variierbaren Winkel ausgebildet. Der Winkel des Konus kann zur Einstellung des Überdeckungsbereiches während des Betriebs des Verdichters variiert werden.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist der Winkel des Konus in einem Bereich zwischen 0° und 45° variierbar. Dabei verringert sich die wirksame Umfangsgeschwindigkeit des Verdichterlaufrads und gleichzeitig erhöht sich die Strömungsgeschwindigkeit unmittelbar an den Schaufelvorderkanten. Der Einströmwinkel wird dadurch zwischen dem Luftstrom und den Schaufelvorderkanten in Richtung Optimum verschoben. Die Strömungsablösungen sinken und damit auch die Neigung zum Verdichterpumpen.
Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt die Variation des Winkels des Konus abhängig von Betriebsgrößen des Verdichters während dessen Betriebs.
Mittels der Variation des Winkelbereichs sind sowohl hohe Maximaldurchsätze als auch eine Verschiebung der Pumpgrenze zu niedrigeren Durchsätzen erzielbar. Des Weiteren kann auch eine Laststeuerung eines Verbrennungsmotors erzielt werden, wodurch die Drosselklappe eines Ottomotors entfällt.
In vorteilhaften Ausführungsformen des Verfahrens erfolgt die Variation des Winkels abhängig vom Verdichtermassenstrom, von der Strömungsgeschwindigkeit oder von der Temperatur unmittelbar vor dem Verdichter.
Zeichnungen
Es zeigen:
1: eine Meridianschnittdarstellung eines Verdichters in einer Ausführungsform der Erfindung;
2: den Verdichter gemäß 1 bei einem großen Durchsatz;
3: den Verdichter gemäß 2 bei einem kleinen Durchsatz.
4–6 Ausgestaltungen des beweglichen Elementes am Verdichtereintritt
In der 1 ist eine Meridianschnittdarstellung eines Verdichters 1 gezeigt. Der Verdichter 1 umfasst ein Gehäuse 2, an dessen Innenwand ein Konus 3 angeordnet ist. Der Konus 3 besteht aus einem flexiblen Material, beispielsweise Kunststoff oder Gummi. An der Außenwand des Verdichters 1 ist ein Medienanschluss 4 angeordnet. Über den Medienanschluss 4 kann dem Konus 3 ein gasförmiges (beispielsweise Luft) oder flüssiges Medium zugeführt werden. Über das Zuführen oder Abführen von Medium wird der Winkel α des Konus variiert. Selbstverständlich kann die Variation des Winkels α auch durch eine andersartige Vorrichtung erfolgen. Alternative beispielhafte Ausführungen sind in den folgenden 4–6 beschrieben.
Bei einem Winkel α von 0° (in 2 dargestellt) wird das Laufrad 5 vollständig genutzt. Bei einem Winkel α > 0° wird ein Teil des Bereich 6 der Einströmfläche des Verdichterlaufrads nicht genutzt.
Die Steuerung des Medienanschlusses 4 kann beispielsweise abhängig vom Verdichtermassenstrom, von der Strömungsgeschwindigkeit oder der Temperatur unmittelbar vor dem Verdichter 1 sein. Bei mittels Abgasturbolader aufgeladenen Verbrennungsmotoren wird im gesamten Drehzahlband ein hoher Ladedruck gefordert. Der maximal einstellbare Ladedruck ist aber insbesondere bei niedrigen Motordrehzahlen durch die Pumpgrenze limitiert. Daher wird gerade bei niedrigen Motordrehzahlen und damit einhergehend auch niedrigen Verdichtermassenströmen der Winkel α des Konus 3 erhöht.
Der Winkel α des in der 2 dargestellten Konus 3 beträgt 0°. Diese Winkeleinstellung wird beispielsweise bei einem großen Durchsatz gewählt.
Bei dem in der 3 dargestellten Konus 3 ist der Winkel α größer 0°. Diese Winkeleinstellung wird beispielsweise bei einem kleinen Durchsatz gewählt. Dies bedeutet, dass je kleiner der Durchsatz ist, desto größer ist der Winkel α.
4 zeigt eine beispielhafte Ausführung zur Einstellung der Überdeckung im Eintrittsbereich des Verdichters bei dem ein in wenigstens einem Teilbereichen mit einem Medium befüllbarer Konus 3 am Eintrittsbereich des Verdichters angeordnet ist. Das Medium kann gesteuert über den Medienanschluss 4 in den Konus 3 eingebracht bzw. abgelassen werden, so dass dieser verschiedene Ausdehnungen annimmt und eine teilweise Überdeckung des Einströmbereiches durch „Aufpumpen” des als Konus 3 ausgeführten Elementes im Einströmbereich realisiert wird. Dargestellt ist eine Ansicht mit Blick in Richtung des Verdichtereintrittes (untere Zeichnung) und eine Schnittdarstellung entlang der Schnittlinie A-A (obere Zeichnung)
5 zeigt eine alternative Ausgestaltung des beweglichen Elementes im Einströmbereich. Gezeigt ist ein aus einer Vielzahl von Lamellen 8 bestehendes bewegliches Element, das einen hinsichtlich seines Winkels veränderbaren Einströmtrichter aufweist. Die Lamellen 8 sind den Einströmbereich umfassend auf einem elastischen Ring 9 und einem verschiebbaren Ring 7 gehalten, wobei durch die Durchmesserunterschiede der Ringe 7, 9 eine sich zum Einströmbereich des Verdichters verjüngende Trichterform gebildet wird. Der Trichter besteht aus Einzellamellen um eine Verschiebbarkeit der dadurch gebildeten Teile der Gehäusewandung zu ermöglichen. Wird der bewegliche Ring 7 in Richtung des elastischen Ringes 9 verschoben so verändert sich der Winkel α in Richtung zu einer höheren Gradzahl und ein größerer Teil des Einströmbereiches des Verdichters wird überdeckt. Ein Verschieben in die entgegengesetzte Richtung – weg vom elastischen Ring – verkleinert den Winkel α, wobei der Durchmesser des Trichters an der Einströmseite des Verdichters größer wird und ein geringerer Teilbereich der stirnseitigen Einströmfläche überdeckt ist. Die Zeichnung zeigt in der 5a eine Draufsicht auf das bewegliche Element mit einer Strömungsrichtung von oben nach unten, wobei sich in dieser Zeichnung nicht dargestellt an die untere Kante der Trichterform der Einströmbereich des Verdichters anschließt. Die 5b zeigt eine Ansicht mit Blickrichtung in Strömungsrichtung des Verdichters und einen Schnitt entlang der Schnittlinie A-A. In einer alternativen Ausgestaltung kann die Funktion der Ringe 7, 9 getauscht sein, so dass der entfernt vom Einströmbereich liegende Ring 7 die Lamellen 8 lagert und der sich näher am Einströmbereich befindende Ring 9 zum Einstellen des Winkels α verschoben wird.
6a und 6b zeigen eine weitere alternative Ausgestaltung des beweglichen Elementes, welches am Einströmbereich des Verdichters angeordnet ist. Gezeigt ist in 6a eine teilgeschnittene Darstellung mit Strömungsrichtung von unten nach oben. An ein im wesentlichen zylindrisches Element 10 schließen sich dieses umfassend nach innen geneigte, sich gegenseitig überdeckende Lamellen 8 an, die sich von einem gemeinsamen diese halternden Grundkörper in Strömungsrichtung erstrecken. Die Lamellen 8 sind derart vorgeformt, dass sie nach innen geneigt den Durchströmungsquerschnitt verengen und somit einen Teilbereich des stirnseitigen Einströmbereiches des Laufrades verdecken. Das innerhalb dieser Lamellen 8 liegende zylindrische Element 10 ist entlang einer gedachten Geraden in Strömungsrichtung verschiebbar und so ausgeführt, dass es bei einem Verlagern in Richtung Verdichtereintritt die nach innen geneigten Lamellen 8 aufspreizen kann und somit einen größeren Einströmbereich freigibt. Wird das zylindrische Element 10 vollständig bis zum Einströmbereich des Verdichters verschoben, so wird die Verjüngung im Einströmbereich aufgehoben, da die Strömung nunmehr komplett im inneren des zylindrischen Elementes 10 geführt wird. In dieser Position erfolgt keine Verdeckung des Einströmbereiches des Verdichters.
Bezugszeichenliste

1: Verdichter
2: Gehäuse
3: Konus
4: Medienanschluss
5: Laufrad
6: Bereich
7: Verschiebbarer Ring
8: Lamellen
9: Elastischer Ring
10: Zylindrisches Element
α: Winkel

Claims

Vorrichtung zur Kennfeldstabilisierung eines Verdichters (1), wobei im Eintrittsbereich des Verdichters (1) ein bewegliches Element angeordnet ist, wobei durch das bewegliche Element die stirnseitige Anströmfläche eines Laufrades eines Verdichters einstellbar überdeckbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das bewegliche Element ein an der Innenwand eines Gehäuses (2) angeordneter Konus (3) ist, der sich in Strömungsrichtung verjüngt und dessen Winkel (α) variierbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch das bewegliche Element einstellbar ein Teilbereich der Anströmfläche am Außenumfang des Laufrades überdeckbar ist, wobei durch die Einstellbewegung auch der gesamte Anströmbereich freigebbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel (α) zwischen 0° <= α <= 45° variierbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das bewegliche Element als wenigstens teilelastischer durch ein Medium befüllbarer Konus (3) ausgestaltet ist, dessen Winkel (α) am Einströmbereich des Verdichters in Abhängigkeit von der Befüllung einstellbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1–3, dadurch gekennzeichnet, dass das bewegliche Element einen in seinem Verlauf in Strömungsrichtung verjüngenden Trichter bildet, der an seinem Außenumfang durch gegeneinander verlagerbare Lamellen (8) begrenzt ist, wobei der Grad der Verjüngung und damit der Winkel (α) am Einströmbereich des Verdichters einstellbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Trichter im Einströmbereich aus einer Vielzahl von um den Einströmbereich angeordneten Lamellen (8) gebildet wird, welche durch Ringe unterschiedlichen Durchmessers gehalten werden und durch eine Relativbewegung der Ringe zueinander der Grad der Verjüngung und damit der Winkel (α) am Einströmbereich des Verdichters einstellbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Trichter im Einströmbereich aus einer Vielzahl von um den Einströmbereich angeordneten Lamellen (8) gebildet wird, welche nach innen geneigt den Einströmbereich des Verdichters verdecken und durch ein axial in Strömungsrichtung verschiebbares zylindrisches Element 10 aufspreizbar sind.
Verfahren zur Kennfeldstabilisierung eines Verdichters (1), bei welchem im Eintrittsbereich des Verdichters (1) ein bewegliches Element angeordnet ist, mittels einer Vorrichtung gemäß Anspruch 1, 2, 3, 4, 5, 6 oder 7, durch gekennzeichnet, dass die stirnseitige Anströmfläche eines Laufrades eines Verdichters in wenigstens einem Teilbereich einstellbar überdeckt wird, wobei die Überdeckung des Einströmbereiches in Abhängigkeit von den Betriebsgrößen des Verdichters (1) während dessen Betriebs eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Überdeckung durch Einstellung des die Verjüngung in Strömungsrichtung bestimmenden Winkels (α) des Konus (3) erfolgt, wobei der der Winkel (α) oder die Überdeckung abhängig vom Verdichtermassenstrom und/oder der Strömungsgeschwindigkeit und/oder von der Temperatur unmittelbar vor dem Verdichter (1) variierbar ist.