DE102017107014A1 - COMPRESSOR OF A DEVICE BOLDER - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Verdichter (100) eines Abgasturboladers, umfassend: ein um eine Achse (111) drehbares Verdichterrad (110), einen Hauptströmungskanal (120) zum Zuführen eines zu verdichtenden Mediums auf das Verdichterrad (110), ein äußeres Verdichtergehäuse (125), und ein Element (130), das radial zwischen dem Verdichterrad (110) und dem Verdichtergehäuse (125) angeordnet ist. Das Element (130) ist konfiguriert um im eingebauten Zustand einen ringförmigen, den Hauptströmungskanal umgebenden Stabilisatorkanal (135) zu bilden, wobei in dem Stabilisatorkanal (135) eine Anzahl (V) von V ≥ m+ jB identischen Streben (140) vorgesehen ist, die umfangsperiodisch angeordnet sind, wobei mdie erste umlaufende Mode ist, wobei j die Ordnung der Harmonischen ist, und wobei B die Anzahl der Rotorblätter des Verdichterrads ist.The invention relates to a compressor (100) of an exhaust gas turbocharger, comprising: a compressor wheel (110) rotatable about an axis (111), a main flow passage (120) for supplying a medium to be compressed to the compressor wheel (110), an outer compressor housing (125) , and a member (130) disposed radially between the compressor wheel (110) and the compressor housing (125). The element (130) is configured to form, when installed, an annular stabilizer channel (135) surrounding the main flow channel, wherein a number (V) of V ≥ m + jB identical struts (140) is provided in the stabilizer channel (135) circumferentially periodically, where m is the first circulating mode, where j is the harmonic order, and B is the number of rotor blades of the compressor wheel.

Description

TECHNISCHES GEBIETTECHNICAL AREA

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Abgasturbolader für aufgeladene Brennkraftmaschinen. Insbesondere betrifft die Erfindung einen Verdichter eines solchen Abgasturboladers mit einer gegen die Hauptströmung abgegrenzten Zirkulationskammer.The invention relates to the field of exhaust gas turbochargers for supercharged internal combustion engines. In particular, the invention relates to a compressor of such an exhaust gas turbocharger with a circulating chamber delimited from the main flow.

TECHNISCHER HINTERGRUNDTECHNICAL BACKGROUND

Für die Leistungssteigerung einer Brennkraftmaschine werden heutzutage standardmäßig Abgasturbolader eingesetzt, mit einer Turbine im Abgastrakt der Verbrennungskraftmaschine und mit einem der Verbrennungskraftmaschine vorgelagerten Verdichter. Die Abgase der Brennkraftmaschine werden dabei in der Turbine entspannt. Die dabei gewonnene Arbeit wird mittels einer Welle auf den Verdichter übertragen, welcher die der Brennkraftmaschine zugeführte Luft verdichtet. Durch die Verwendung der Energie der Abgase zur Verdichtung der dem Verbrennungsprozess in der Brennkraftmaschine zugeführten Luft, können der Verbrennungsprozess und der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine optimiert werden.Nowadays exhaust gas turbochargers are used as standard for increasing the performance of an internal combustion engine, with a turbine in the exhaust gas tract of the internal combustion engine and with a compressor upstream of the internal combustion engine. The exhaust gases of the internal combustion engine are thereby relaxed in the turbine. The work thus obtained is transmitted by means of a shaft to the compressor, which compresses the internal combustion engine supplied air. By using the energy of the exhaust gases to compress the air supplied to the combustion process in the internal combustion engine, the combustion process and the efficiency of the internal combustion engine can be optimized.

Typischerweise weist ein Abgasturbolader ein Verdichterrad auf, das in einem Gehäuse drehbar gelagert ist. Ferner, weist das Gehäuse üblicherweise einen Einlasskanal auf, in welchen eine Innenwand eingesetzt ist, welche einerseits die Hauptkanalkontur formt und andererseits eine den Hauptkanal umgebende ringförmige Zirkulationskammer begrenzt. Der Innenraum der Ringkammer kann beispielsweise durch eine Öffnung mit dem Verdichtereinlass und im Bereich des Verdichterrades durch einen Ringschlitz in der Konturwand der Ringkammer mit dem Einlasskanal verbunden sein. Dabei kann die Konturwand über Stützrippen zum Gehäuse hin konzentrisch gehalten werden.Typically, an exhaust gas turbocharger has a compressor wheel, which is rotatably mounted in a housing. Furthermore, the housing usually has an inlet channel in which an inner wall is inserted, which on the one hand forms the main channel contour and on the other hand limits an annular circulation chamber surrounding the main channel. The interior of the annular chamber may, for example, be connected to the inlet inlet through an opening with the compressor inlet and in the region of the compressor wheel through a ring slot in the contour wall of the annular chamber. In this case, the contour wall can be held concentrically via support ribs to the housing.

Die bei Verdichtern dieser Art vorgesehene Ringkammer ist eine sogenannte kennfeldstabilisierende Massnahme. Dabei kann vor dem Erreichen der Verdichterpumpgrenze eine Rezirkulation der Strömung aus dem Verdichterrad zurück in den Einlasskanal vor dem Verdichterrad, erfolgen, wodurch das Verdichterrad einen scheinbar höheren Durchsatz sieht. Im Betriebsbereich nahe der Verdichterstopfgrenze wird der Ringschlitz von der Strömung als zusätzlicher Eintritt genutzt. Es findet also keine Rezirkulation mehr statt, was die gewünschte Verschiebung der Stopfgrenze zu höheren Durchsätzen zur Folge hat.The ring chamber provided in compressors of this type is a so-called map-stabilizing measure. In this case, prior to reaching the compressor pumping limit, a recirculation of the flow from the compressor wheel back into the inlet channel in front of the compressor wheel, take place, whereby the compressor wheel sees an apparently higher throughput. In the operating area near the compressor plug boundary, the annular slot is used by the flow as an additional inlet. So there is no recirculation instead, which has the desired shift the Stopfgrenze to higher throughputs result.

Die gewünschte Kennfelderweiterung des Verdichters wird neben Wirkungsgradeinbußen auch durch oftmals unzulässige Geräusch- und Schwingungsentwicklung erkauft. Verantwortlich für derartige Schwingungsanregungen in den Laufschaufeln können unter anderem die Stützrippen sein, mit welchen die Innenwand der Ringkammer beispielsweise am Gehäuse befestigt sein kann.The desired map expansion of the compressor is purchased in addition to loss of efficiency and often by inadmissible noise and vibration development. Responsible for such vibration excitations in the blades may include the support ribs, with which the inner wall of the annular chamber may be attached, for example, to the housing.

Demnach weisen die aus dem Stand der Technik bekannten Verdichter, insbesondere Verdichter mit Zirkulationskammern, gewisse Nachteile hinsichtlich deren Geräusch- und Schwingungsentwicklung auf. Daher liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu Grunde einen Verdichter bereitzustellen, der in dieser Hinsicht verbessert ist, d.h. eine möglichst geringe Geräusch- und Schwingungsentwicklung aufweist.Accordingly, the known from the prior art compressors, in particular compressors with circulation chambers, certain disadvantages in terms of their noise and vibration development. Therefore, the object of the present invention is to provide a compressor which is improved in this respect, i. has the lowest possible noise and vibration development.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNGSUMMARY OF THE INVENTION

Zur Lösung des obengenannten Problems wird ein Verdichter eines Abgasturboladers gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 bereitgestellt. Weitere Aspekte, Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung sind den abhängigen Patentansprüchen, der Beschreibung und den beiliegenden Figuren zu entnehmen.To solve the above problem, a compressor of an exhaust gas turbocharger according to the independent claim 1 is provided. Further aspects, advantages and features of the present invention can be found in the dependent claims, the description and the enclosed figures.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Verdichter eines Abgasturboladers bereitgestellt. Der Verdichter umfasst ein um eine Achse drehbares Verdichterrad, einen Hauptströmungskanal zum Zuführen eines zu verdichtenden Mediums auf das Verdichterrad, ein äußeres Verdichtergehäuse, und ein Element, insbesondere ein Gehäuseeinsatz, das (der) radial zwischen dem Verdichterrad und dem Verdichtergehäuse angeordnet ist. Das Element, insbesondere der Gehäuseeinsatz, ist konfiguriert um im eingebauten Zustand einen ringförmigen, den Hauptströmungskanal umgebenden Stabilisatorkanal zu bilden. In dem Stabilisatorkanal ist eine Anzahl V von V ≥ m_co + B identischen Streben vorgesehen, die umfangsperiodisch angeordnet sind, wobei m_co die betragsmäßig kleinste Umfangsordnung aller nicht ausbreitungsfähigen akustischen Moden bei der ersten Blatt-Durchgangsfrequenz ist, und wobei B die Anzahl der Rotorblätter des Verdichterrads ist.According to one aspect of the invention, a compressor of an exhaust gas turbocharger is provided. The compressor includes a compressor wheel rotatable about an axis, a main flow passage for supplying a medium to be compressed to the compressor wheel, an outer compressor housing, and an element, particularly a housing insert, disposed radially between the compressor wheel and the compressor housing. The element, in particular the housing insert, is configured to form an annular, surrounding the main flow channel stabilizer channel when installed. In the stabilizer channel there are provided a number V of struts identical to V ≥ m _co + B arranged circumferentially, where m _{co is} the absolute minimum order of all non-propagating acoustic modes at the first sheet passing frequency, and B is the number of rotor blades the compressor wheel is.

Somit wird durch den erfindungsgemäßen Verdichter, ein Verdichter bereitgestellt, der im Vergleich zu bekannten Verdichtern eine geringere Geräusch- und Schwingungsentwicklung aufweist. Insbesondere, ermöglicht der erfindungsgemäße Verdichter die Wiederherstellung eines einfachen akustischen Feldes, so dass vorteilhafterweise wandbündige Schalldämpfer (WSD) eingebaut werden können. Demnach wird mit den hierin beschriebenen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verdichters ein Verdichter bereit gestellt, der leiser, billiger, leichter, effizienter und kompakter ausgeführt werden kann als aus dem Stand der Technik bekannte Verdichter.Thus, a compressor is provided by the compressor according to the invention, which has a lower noise and vibration development compared to known compressors. In particular, the compressor according to the invention allows the restoration of a simple acoustic field, so that wall-mounted silencer (WSD) can advantageously be installed. Thus, with the embodiments of the compressor of the present invention described herein, a compressor is provided that is quieter, cheaper, lighter, more efficient, and more compact can as known from the prior art compressor.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Abgasturbolader mit einem Verdichter gemäß einer der hierin beschrieben Ausführungsformen bereitgestellt, so dass vorteilhafterweise ein verbesserter Abgasturbolader bereitgestellt werden kann. Insbesondere kann ein Abgasturbolader bereitgestellt werden, der leiser, billiger, leichter, effizienter und kompakter ausgeführt werden kann als aus dem Stand der Technik bekannte Abgasturbolader.According to a further aspect of the invention, an exhaust gas turbocharger with a compressor according to one of the embodiments described herein is provided, so that advantageously an improved exhaust gas turbocharger can be provided. In particular, an exhaust gas turbocharger can be provided which can be made quieter, cheaper, lighter, more efficient and more compact than exhaust gas turbochargers known from the prior art.

Figurenlistelist of figures

Im Weiteren soll die Erfindung anhand von in Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen erläutert werden, aus denen sich weitere Vorteile und Abwandlungen ergeben. Hierbei zeigt:

• 1 eine schematische isometrische Schnittsansicht eines Ausschnitts eines Verdichters gemäß hierin beschriebenen Ausführungsformen;
• 2a eine schematische Darstellung einer ersten Position des im Hauptströmungskanal angeordneten drehbaren Verdichterrads relativ zu im Stabilisatorkanal angeordneten Streben;
• 2b eine schematische Darstellung einer zweiten Position des im Hauptströmungskanal angeordneten drehbaren Verdichterrads relativ zu im Stabilisatorkanal angeordneten Streben;
• 3 eine schematische Darstellung einer axialen frontalen Schnittansicht eines Ausschnitts eines Stabilisatorkanals eines Verdichters gemäß einer hierin beschriebenen Ausführungsform,
• 4 eine schematische Darstellung einer radialen Draufsicht eines Ausschnitts eines Stabilisatorkanals eines Verdichters gemäß einer weiteren hierin beschriebenen Ausführungsform,
• 5 eine schematische Darstellung der in einem Stabilisatorkanal angeordneten Streben gemäß einer weiteren hierin beschriebenen Ausführungsform des Verdichters; und
• 6a-6d schematische Darstellungen von möglichen Querschnitten, der in einem Stabilisatorkanal angeordneten Streben gemäß weiteren hierin beschriebenen Ausführungsformen des Verdichters.

In addition, the invention will be explained with reference to exemplary embodiments illustrated in figures, from which further advantages and modifications result. Hereby shows:

• 1 a schematic isometric sectional view of a section of a compressor according to embodiments described herein;
• 2a a schematic representation of a first position of the arranged in the main flow channel rotatable compressor wheel relative to arranged in the stabilizer channel struts;
• 2 B a schematic representation of a second position of the arranged in the main flow channel rotatable compressor wheel relative to arranged in the stabilizer channel struts;
• 3 1 is a schematic representation of an axial frontal sectional view of a section of a stabilizer channel of a compressor according to an embodiment described herein;
• 4 1 is a schematic representation of a radial top view of a section of a stabilizer channel of a compressor according to another embodiment described herein.
• 5 a schematic representation of the arranged in a stabilizer channel struts according to another embodiment of the compressor described herein; and
• 6a-6d schematic representations of possible cross-sections, arranged in a stabilizer channel struts according to further embodiments of the compressor described herein.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER FIGURENDETAILED DESCRIPTION OF THE FIGURES

In 1 ist eine schematische isometrische Schnittsansicht eines Ausschnitts eines Verdichters 100 eines Abgasturboladers gemäß hierin beschriebenen Ausführungsformen dargestellt. Der Verdichter kann beispielsweise ein Radial-Verdichter sein, wie er beispielhaft in 1 dargestellt ist. Die hierein beschriebenen Ausführungsformen des Verdichters sind jedoch nicht auf einen Radial-Verdichter beschränkt. Insbesondere, können die hierein beschriebenen Ausführungsformen des Verdichters auch in einen Axial-Verdichter verwendet werden.In 1 is a schematic isometric sectional view of a section of a compressor 100 an exhaust gas turbocharger according to embodiments described herein. The compressor may for example be a radial compressor, as exemplified in 1 is shown. However, the embodiments of the compressor described herein are not limited to a radial compressor. In particular, the embodiments of the compressor described herein can also be used in an axial compressor.

Wie in 1 beispielhaft dargestellt ist, umfasst der Verdichter 100 ein um eine Achse 111 drehbares Verdichterrad 110, einen Hauptströmungskanal 120 zum Zuführen eines zu verdichtenden Mediums auf das Verdichterrad 110, ein äußeres Verdichtergehäuse 125, und ein Element 130, insbesondere ein Gehäuseeinsatz, das/der radial zwischen dem Verdichterrad 110 und dem Verdichtergehäuse 125 angeordnet ist. Wie in 1 beispielhaft dargestellt ist, ist das Element 130, insbesondere der Gehäuseeinsatz, typischerweise derart konfiguriert um im eingebauten Zustand einen ringförmigen, den Hauptströmungskanal umgebenden Stabilisatorkanal 135 zu bilden. In diesem Zusammenhang sei angemerkt, dass unter einem ringförmigen Stabilisatorkanal ein Kanal zu verstehen ist, der eine um den Hauptströmungskanal herum angeordnete ringförmige Struktur ausbildet. Die ringförmige Struktur kann eine beliebige innere Konturwandgeometrie haben. Beispielsweise kann der Stabilisatorkanal ringförmig ausgebildet sein, wobei eine oder beide inneren Konturwände (d.h. die radial innen liegende Konturwand des Stabilisatorkanals und/oder die radial außen liegende Konturwand des Stabilisatorkanals) gewellt sein können, oder eine andersartig strukturierte innere Konturwandgeometrie aufweisen können.As in 1 by way of example, the compressor 100 includes one about an axis 111 rotatable compressor wheel 110 , a main flow passage 120 for supplying a medium to be compressed to the compressor wheel 110 , an outer compressor housing 125 , and a member 130, in particular a housing insert, the / the radially between the compressor wheel 110 and the compressor housing 125 is arranged. As in 1 is exemplified, is the element 130 , in particular the housing insert, typically configured to form an annular stabilizer channel 135 surrounding the main flow passage when installed. In this connection, it should be noted that an annular stabilizer channel means a channel which forms an annular structure arranged around the main flow channel. The annular structure may have any inner contour wall geometry. For example, the stabilizer channel may be annular, with one or both inner contour walls (ie the radially inner contour wall of the stabilizer channel and / or the radially outer contour wall of the stabilizer channel) may be wavy, or may have a differently structured inner contour wall geometry.

Gemäß hierin beschriebenen Ausführungsformen des Verdichters 100, sind in dem Stabilisatorkanal 135 eine Anzahl V von V ≥ m_co + B identischen Streben 140 vorgesehen, die umfangsperiodisch angeordnet sind. Dabei entspricht m_co der betragsmäßig kleinsten Umfangsordnung aller nicht ausbreitungsfähigen akustischen Moden, und B entspricht der Anzahl der Rotorblätter des Verdichterrads.According to embodiments of the compressor described herein 100 , are in the stabilizer channel 135 a number V of V ≥ m _co + B identical struts 140 provided, which are circumferentially arranged periodically. In this case, m _co corresponds to the smallest circumferential order of all non-propagatable acoustic modes, and B corresponds to the number of rotor blades of the compressor wheel.

Somit wird durch die hierin beschriebenen Ausführungsformen, insbesondere durch das Vorsehen einer Mindestanzahl identischer, umfangsperiodisch angeordneter Streben im Stabilisatorkanal, ein verbesserter Verdichter bereitgestellt, der, im Vergleich zu aus dem Stand der Technik bekannten Verdichtern, eine geringere Geräusch- und Schwingungsentwicklung aufweist. Beispielsweise kann die Mindestanzahl V_min der identischen Streben V_min ≥ 23 sein. Damit ermöglichen die hierin beschrieben Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verdichters vorteilhafterweise eine Wiederherstellung eines einfachen akustischen Feldes, so dass gegebenenfalls vorteilhafterweise wandbündige Schalldämpfer (WSD) in den Hauptströmungskanal eingebaut werden können.Thus, by the embodiments described herein, and in particular by the provision of a minimum number of identical circumferentially arranged struts in the stabilizer channel, an improved compressor is provided which has less noise and vibration development as compared to compressors known in the art. For example, the minimum number V _{min of} the identical struts V _min ≥ 23 may be. In this way, the embodiments of the compressor according to the invention described herein advantageously make it possible to restore a simple acoustic field, so that optionally wall-mounted silencers (WSD) can advantageously be installed in the main flow channel.

Demnach wird mit den hierin beschriebenen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verdichters ein Verdichter bereitgestellt, der leiser, billiger, leichter, effizienter und kompakter ausgeführt werden kann als derzeit bekannte Verdichter.Accordingly, with the embodiments of the invention described herein Compressor provided a compressor, the quieter, cheaper, lighter, more efficient and compact can be performed as currently known compressor.

Wie in 1 beispielhaft dargestellt ist, ist der Stabilisatorkanal 135 im Innern des Verdichtergehäuses 125 als ringförmiger Zirkulationsraum ausgebildet, welcher den Hauptströmungskanal radial umschließt und welcher sich vom Ansaugbereich 113 bis zu einer zumindest teilweise umlaufenden Zirkulationsöffnung 114 im Bereich der Laufschaufeln des Verdichterrades 110 erstreckt. Typischerweise ist der Zirkulationsraum über zwei Öffnungen zum Hauptströmungskanal hin geöffnet. Stromauf des Verdichterrads kann eine radiale Eintrittsöffnung (nicht dargestellt) angeordnet sein und stromab der Eintrittskante des Verdichterrades und im Überdeckungsbereich zu dessen Einlauf kann die Zirkulationsöffnung 114 angeordnet sein. Somit ist der Stabilisatorkanal 135 mit dem Hauptströmungskanal 120 aerodynamisch verbunden.As in 1 is exemplified, the stabilizer channel 135 is inside the compressor housing 125 is formed as an annular circulation space which radially encloses the main flow channel and which extends from the intake area 113 to an at least partially circulating circulation opening 114 in the area of the blades of the compressor wheel 110 extends. Typically, the circulation space is opened via two openings to the main flow channel. Upstream of the compressor wheel can be arranged a radial inlet opening (not shown) and downstream of the leading edge of the compressor wheel and in the overlap area to the inlet, the circulation opening 114 may be arranged. Thus, the stabilizer channel 135 with the main flow channel 120 aerodynamically connected.

Zwischen den umlaufenden Öffnungen ist der Zirkulationsraum durch eine ringförmige Konturwand 115 gegen den Hauptströmungskanal abgegrenzt, wie es beispielhaft in 1 dargestellt ist. Die Konturwand 115 kann beispielsweise eine Wand des Elements 130 sein, insbesondere des Gehäuseeinsatzes, der dazu ausgebildet ist, um im eingebauten Zustand den ringförmigen, den Hauptströmungskanal umgebenden Stabilisatorkanal 135 zu bilden. Wie in 1 dargestellt ist, sind die Streben 140 typischerweise mit einer der Kontourwand 115 gegenüberliegenden Oberfläche, d.h. einer Innenwand des Stabilisatorkanals verbunden.Between the circumferential openings of the circulation space is through an annular contour wall 115 delimited against the main flow channel, as exemplified in 1 is shown. The contour wall 115 For example, a wall of the element 130 be, in particular of the housing insert, which is designed to be in the installed state, the annular, surrounding the main flow channel stabilizer channel 135 to build. As in 1 is shown, are the struts 140 typically with one of the contour wall 115 opposite surface, that is connected to an inner wall of the stabilizer channel.

Insbesondere kann der Stabilisatorkanal 135 achssymmetrisch ausgeführt sein, zum Beispiel symmetrisch um die Achse 111 des drehbaren Verdichterrads 110. Mit anderen Worten, der Stabilisatorkanal 135 kann derart ausgebildet sein, um einen achssymmetrisch Strömungsrezirkulationskanal auszubilden, wobei der Strömungsrezirkulationskanal durch regelmäßig angeordnete, in Umfangsrichtung gleichmäßig beabstandete, identische Streben unterbrochen ist.In particular, the stabilizer channel 135 be executed axisymmetric, for example symmetrically about the axis 111 of the rotatable compressor wheel 110. In other words, the stabilizer channel 135 may be formed so as to form an axisymmetric flow recirculation channel, wherein the flow recirculation channel is interrupted by regularly arranged, uniformly spaced circumferentially, identical struts.

Beispielsweise können die im Stabilisatorkanal 135 angeordneten Streben 140 integral mit dem Element 130, insbesondere dem Gehäuseeinsatz, ausgeführt sein. Mit anderen Worten, das die Streben umfassende Element 130, insbesondere der Gehäuseeinsatz, kann einstückig, z.B. als Gussteil ausgeführt sein.For example, in the stabilizer channel 135 arranged struts 140 integral with the element 130 , in particular the housing insert to be executed. In other words, the aspiration-encompassing element 130 , in particular the housing insert, may be made in one piece, eg as a cast part.

Gemäß einer Ausführungsform die mit anderen hierin beschriebenen Ausführungsformen kombiniert werden kann, sind alle Abstände in Umfangsrichtung zwischen benachbarten Streben der Anzahl V von Streben 140 identisch. Ferner, können die Streben 140 symmetrisch um die Achse 111 des drehbaren Verdichterrads 110 angeordnet sein, wie es beispielhaft in 1 dargestellt ist. Eine derartige Ausführung kann besonders vorteilhaft hinsichtlich einer geringeren Geräusch- und Schwingungsentwicklung sein.According to an embodiment that may be combined with other embodiments described herein, all circumferential spacing between adjacent struts of the number V of struts 140 are identical. Further, the struts can 140 symmetrical about the axis 111 of the rotatable compressor wheel 110 be arranged as it exemplifies in 1 is shown. Such an embodiment may be particularly advantageous in terms of a lower noise and vibration development.

Zum besseren Verständnis der hierin beschriebenen Ausführungsformen wird im Folgenden kurz auf die der Erfindung zugrunde liegende Theorie eingegangen.For a better understanding of the embodiments described herein, the theory underlying the invention will be discussed briefly below.

Zur Erläuterungszwecken sind in den 2a und 2b schematisch zwei unterschiedliche Positionen des im Hauptströmungskanal angeordneten drehbaren Verdichterrads 110 relativ zu im Stabilisatorkanal angeordneten Streben 140 dargestellt. Insbesondere zeigt die 2a die Rotorblätter 112 des Verdichterrads 110 in einer ersten Position (t, θ) und 2b zeigt die Rotorblätter 112 des Verdichterrads 110 in einer zweiten Position (t+Δt, θ+Δθ). Zur Einfachheit sind in den 2a und 2b nur drei Rotorblätter des Verdichterrads 110 und sieben in dem Stabilisatorkanal angeordnete Streben 140 dargestellt. Der Punkt O entspricht einem Beobachtungspunkt und Ω entspricht der Rotationsgeschwindigkeit des Verdichterrads in Umdrehungen pro Sekunde.For the purposes of explanation are in the 2a and 2 B schematically two different positions of the arranged in the main flow channel rotatable compressor wheel 110 relative to arranged in the stabilizer channel struts 140. In particular, the shows 2a the rotor blades 112 the compressor wheel 110 in a first position (t, θ) and 2 B shows the rotor blades 112 of the compressor wheel 110 in a second position (t + Δt, θ + Δθ). For simplicity are in the 2a and 2 B only three rotor blades of the compressor wheel 110 and seven struts 140 disposed in the stabilizer channel. The point O corresponds to an observation point and Ω corresponds to the rotational speed of the compressor wheel in revolutions per second.

Wie aus den 2a und 2b hervorgeht, bewegt sich das Verdichterrad bei einer Rotation um dessen Rotationsachse von einer ersten Position P1 zu einem ersten Zeitpunkt t und einem ersten Winkel θ zu einer zweiten Position P2 zu einem zweiten Zeitpunkt t+Δt und einem zweiten Winkel θ+Δθ. Aufgrund der umfangsperiodischen Anordnung der Streben 140 erfährt der Beobachtungspunkt O in der ersten Position P1 und in der zweiten Position P2 den gleichen Druck.Like from the 2a and 2 B is apparent, the compressor wheel moves in a rotation about the rotation axis from a first position P1 at a first time t and a first angle θ to a second position P2 at a second time t + Δt and a second angle θ + Δθ. Due to the circumferential periodic arrangement of the struts 140, the observation point O experiences the same pressure in the first position P1 and in the second position P2.

Das akustische Feld in einem Kanal mit kreisförmigem Querschnitt wird durch die Wellengleichung in zylindrischen Koordinaten beschrieben, dessen Lösungen unendliche Summen von Bessel-Funktionen sind. Wenn man das Druckfeld für die Position 1 aufstellt und dem Druckfeld in Position 2 gleichsetzt, erhält man folgende Gleichung: $$\begin{array}{ll}\text{p}\left(\text{r},\mathrm{\theta },\text{t}\right)\hfill & ={\displaystyle \sum _{\text{n}=-\infty }^{\infty }{A}_{mn}{J}_m\left({\sigma }_{mn}\frac{r}{R}\right)e^{i\left(jB\Omega t-m\theta -k_{x}x\right)}}\hfill \\ \hfill & ={\displaystyle \sum _{\text{n}=-\infty }^{\infty }{A}_{mn}{J}_m\left({\sigma }_{mn}\frac{r}{R}\right)e^{i\left(jB\Omega \left(t-\Delta t\right)-m\left(\theta -\Delta \theta \right)-k_{x}x\right)}}\hfill \end{array}$$

The acoustic field in a channel of circular cross section is described by the wave equation in cylindrical coordinates whose solutions are infinite sums of Bessel functions. If you set up the pressure field for position 1 and equate it to the pressure field in position 2, you get the following equation: $$\begin{array}{ll}\text{p}\left(\text{r}.\mathrm{\theta }.\text{t}\right)\hfill & ={\displaystyle \underset{\text{n}=-\infty }{\overset{\infty }{\Sigma }}{A}_{mn}{J}_m\left({\sigma }_{mn}\frac{r}{R}\right)e^{i\left(jB\Omega t-m\theta -k_{x}x\right)}}\hfill \\ \hfill & ={\displaystyle \underset{\text{n}=-\infty }{\overset{\infty }{\Sigma }}{A}_{mn}{J}_m\left({\sigma }_{mn}\frac{r}{R}\right)e^{i\left(jB\Omega \left(t-\Delta t\right)-m\left(\theta -\Delta \theta \right)-k_{x}x\right)}}\hfill \end{array}$$

Dabei entspricht B der Anzahl der Rotorblätter des Verdichterrads, k_x entspricht der axialen Wellenzahl, x entspricht der axialen Koordinate, A_mn entspricht der Wellenamplitude, j entspricht der Ordnung der Harmonischen, i bezeichnet die komplexe Schreibweise, m entspricht der Umfangsordnung der akustischen Mode, wobei m eine beliebige natürliche Zahl (inklusive 0) sein kann, J_m entspricht der Bessel-Funktion erster Gattung der Ordnung m, und σ_mn mit n≥0 ist die (n + 1)-te Wurzel der ersten Ableitung von J_m.Where B corresponds to the number of rotor blades of the compressor wheel, k _x corresponds to the axial wavenumber, x corresponds to the axial coordinate, A _mn corresponds to the wave amplitude, j corresponds to the order of the harmonics, i denotes the complex notation, m corresponds to the circumferential order of the acoustic mode, where m can be any natural number (including 0), J _m corresponds to the Bessel Function of the first kind of order m, and σ _mn with n≥0 is the (n + 1) th root of the first derivative of J _m .

Aus dieser Gleichung folgt, dass nur akustische Moden der Umfangsordnung m = k·V+j·B angeregt werden können, wobei k eine beliebige natürliche Zahl ist (inklusive 0) und V die Anzahl von Streben darstellt. Dies ist auch als Tyler-Sofrin-Regel bekannt. Ohne Stabilisatorkanal, auch Rezirkulationskanal genannt, ist die dominierende Mode typischerweise von der Ordnung (j·B, 0). Die dominierenden tonalen Frequenzen werden als fundamentale (j = 1) Blatt-Durchgangsfrequenz („blade passing frequency“ BPF = B·Ω) und deren Harmonische j·B·Ω der Ordnung (j-1) mit j > 1 bezeichnet.From this equation it follows that only acoustic modes of the order of magnitude m = k * V + j * B can be excited, where k is an arbitrary natural number (inclusive of 0) and V represents the number of struts. This is also known as the Tyler-Sofrin Rule. Without a stabilizer channel, also called a recirculation channel, the dominating mode is typically of order (j * B, 0). The dominating tonal frequencies are referred to as fundamental (j = 1) blade passing frequency (BPF = B · Ω) and their harmonic j · B · Ω of order (j-1) as j> 1.

In der Praxis wird die höchste Frequenz, die von Interesse ist, durch f_max = j·B·Ω_max bestimmt, wobei Ω_max typischerweise die maximale Drehzahl darstellt. Wenn die so bestimmte höchste Frequenz f_max den hörbaren Bereich übersteigt, wäre eine alternative Möglichkeit, eine maximale Frequenz von f_max = 20kHz zu wählen. Für einen bestimmten Einströmungskanalradius Ro, eine statische Temperatur T, ein Verhältnis der spezifischen Wärme des Arbeitsgases γ, Volumenstrom V, Hauptströmungskanalquerschnittsfläche A = π·R₀ ², Gaskonstante R, Schallgeschwindigkeit c, und Machzahl Ma, breitet sich eine bestimmte Mode (m, n) nicht aus, wenn die Wurzel der ersten Ableitung von J_m größer ist als der Grenzwert: $${\sigma }_{co}=\frac{2\pi R_0{f}_{max}}{c^2\sqrt{1-M^2}}=\frac{2\pi R_0{f}_{max}}{\sqrt{\gamma RT-\frac{{\dot{V}}^2}{A^2}}}$$

In practice, the highest frequency of interest is determined by f _max = j * B * Ω _max , where Ω _{max is} typically the maximum speed. If the maximum frequency f _max thus determined exceeds the audible range, an alternative possibility would be to choose a maximum frequency of f _max = 20 kHz. For a given inflow channel radius Ro, a static temperature T, a ratio of the specific heat of the working gas γ, volumetric flow V, main flow channel sectional area A = π · R ₀ ² , gas constant R, sound velocity c, and Mach number Ma, a certain mode (m, n) if the root of the first derivative of J _{m is} greater than the limit: $${\sigma }_{cO}=\frac{2\pi R_0{f}_{max}}{c^2\sqrt{1-M^2}}=\frac{2\pi R_0{f}_{max}}{\sqrt{\gamma RT-\frac{{\dot{V}}^2}{A^2}}}$$

Die Variablen der oben aufgeführten Gleichungen können bei der Auslegung des Verdichters dem Design entsprechend ausgewählt werden. Um die akustische Feldstruktur im Hauptströmungskanal einzustellen kann die akustische Mode der betragsmäßig kleinsten Umfangsordnung (m_co, 0) identifiziert werden, für welche der zugehörige Wert von σ_mco,0 größer ist als σ_co.The variables of the equations listed above may be selected according to the design of the compressor. In order to adjust the acoustic field structure in the main flow channel, the acoustic mode of the absolute smallest order of magnitude (m _co , 0) can be identified, for which the associated value of σ _{mco, 0 is} greater than σ _co .

Gemäß den hierin beschriebenen Ausführungsformen wird die Anzahl V von Streben, die im Stabilisatorkanal vorgesehen sind gemäß der Formel V ≥ m_co + jB ausgewählt. Dabei entspricht m_co der betragsmäßig kleinsten Umfangsordnung aller nicht ausbreitungsfähigen akustischen Moden, j entspricht der Ordnung der Harmonischen, und B entspricht der Anzahl der Rotorblätter des Verdichterrads.According to the embodiments described herein, the number V of struts provided in the stabilizer channel is selected according to the formula V ≥ m _co + jB. In this case, m _co corresponds to the smallest circumferential order of all non-propagatable acoustic modes, j corresponds to the order of the harmonics, and B corresponds to the number of rotor blades of the compressor wheel.

Somit sind vorteilhafterweise alle außer der k = 0-Mode (d.h. die Moden der Ordnung (j·B, n)) im Bereich oberhalb des Grenzwerts σ_co und somit nicht ausbreitungsfähig. Als Ergebnis bleiben daher nur die typischerweise dominierende Mode (j·B, 0) und gegebenenfalls einige Moden der Ordnungsarten (j·B, n> 0) übrig. Somit kann mit den hierin beschriebenen Ausführungsformen eine akustische Situation hergestellt werden, die im Wesentlichen der akustischen Situation eines Verdichters ohne Rezirkulationskanal entspricht. Dies hat den Vorteil, dass für die hierin beschriebenen Ausführungsformen ein einfaches akustisches Feld hergestellt werden kann, so dass zusätzliche akustische Liner oder akustische Resonatoren (im Allgemeinen WSD) effektiv angewendet werden können. Beispielsweise können in den hierin beschriebenen Ausführungsformen akustische Liner oder akustische Resonatoren in einem dem Hauptströmungskanal zugewandten Bereich angeordnet werden.Thus, advantageously, all but the k = 0 mode (ie, the modes of order (j * B, n)) are _co- range in the range above the threshold value σ and thus unable to propagate. As a result, only the typically dominating mode (j * B, 0) and possibly some modes of order types (j * B, n> 0) are left over. Thus, with the embodiments described herein, an acoustic situation can be established that substantially corresponds to the acoustic situation of a compressor without a recirculation channel. This has the advantage that a simple acoustic field can be produced for the embodiments described herein, so that additional acoustic liners or acoustic resonators (generally WSD) can be effectively used. For example, in the embodiments described herein, acoustic liners or acoustic resonators may be disposed in an area facing the main flow channel.

Gemäß einer Ausführungsform, die mit anderen hierin beschriebenen Ausführungsformen kombiniert werden kann, können die Streben 140 in Umfangsrichtung um einen Winkel α gekippt sein, wie es beispielhaft in 3 dargestellt ist. Alternativ oder zusätzlich können die Streben 140 in Umfangsrichtung gekrümmt sein, wie es beispielhaft in 5 gezeigt ist. Dies kann sich vorteilhaft auf eine geringere Geräusch- und Schwingungsentwicklung auswirken.According to an embodiment that may be combined with other embodiments described herein, the struts 140 may be circumferentially tilted at an angle α, as exemplified in FIG 3 is shown. Alternatively or additionally, the struts 140 may be circumferentially curved, as exemplified in FIG 5 is shown. This can have an advantageous effect on a lower noise and vibration development.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform, die mit anderen hierin beschriebenen Ausführungsformen kombiniert werden kann, können die Streben relativ zur Richtung der Achse 111 des drehbaren Verdichterrads 110 um einen Winkel β geneigt sein, wie es beispielhaft in 4 dargestellt ist. Dies kann zu einer alternativen oder zusätzlichen vorteilhaften Reduktion der Geräusch- und Schwingungsentwicklung führen.According to another embodiment, which may be combined with other embodiments described herein, the struts may be relative to the direction of the axis 111 the rotatable compressor wheel 110 be inclined by an angle β, as exemplified in 4 is shown. This can lead to an alternative or additional advantageous reduction of the noise and vibration development.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform, die mit anderen hierin beschriebenen Ausführungsformen kombiniert werden kann, können die Streben 140 derart angeordnet sein, dass in axialer Blickrichtung zwischen benachbarten Streben ein für das Medium ungehinderter Strömungsfreiraum 150 vorhanden ist, wie es beispielsweise in 5 dargestellt ist. Mit anderen Worten, die Streben 140 können in Umfangsrichtung so angeordnet sein, dass sie sich in axialer Blickrichtung nicht überlappen. Alternativ oder zusätzlich können die Streben derart angeordnet sein, dass diese in Richtung der Achse (111) des drehbaren Verdichterrads (110) gekippt sind.According to a further embodiment, which may be combined with other embodiments described herein, the struts 140 may be arranged such that in the axial direction of view between adjacent struts there is a flow free space 150 unhindered by the medium, as for example in US Pat 5 is shown. In other words, the pursuit 140 can be arranged in the circumferential direction so that they do not overlap in the axial direction. Alternatively or additionally, the struts may be arranged such that they are in the direction of the axis ( 111 ) of the rotatable compressor wheel ( 110 ) are tilted.

In den Figuren 6a - 6d, sind verschiedene mögliche Querschnitte der Streben dargestellt. Beispielsweise können die Streben 140 einen kreisförmigen Querschnitt oder einen elliptischen Querschnitt aufweisen, wie es beispielhaft in den 6a und 6b gezeigt ist. Alternativ können die Streben 140 einen dreieckigen Querschnitt oder einen rautenförmigen Querschnitt aufweisen, wie es beispielhaft in den 6c und 6d dargestellt ist. Die in den 6a - 6d dargestellte Strebenquerschnitte können sich über die gesamte Länge der Strebe erstrecken. Alternativ können sich die in den 6a - 6d dargestellten Strebenquerschnitte auf einen bestimmten Längenbereich der Streben beschränken, beispielsweise können die Streben so konfiguriert sein, dass ein kreisförmiger Querschnitt in einen elliptischen Querschnitt übergeht.FIGS. 6a-6d show various possible cross sections of the struts. For example, the struts 140 have a circular cross section or an elliptical cross section, as exemplified in the 6a and 6b is shown. Alternatively, the struts 140 may have a triangular cross-section or a diamond-shaped cross section, as exemplified in FIGS 6c and 6d is shown. The in the 6a - 6d illustrated strut cross sections may extend over the entire length of the strut. Alternatively, the in the 6a - 6d For example, the struts may be configured such that a circular cross section transitions into an elliptical cross section.

Obwohl 1 einen Radial-Verdichter zeigt, ist die vorliegende Erfindung, wie eingangs erwähnt, nicht auf einen Radial-Verdichter beschränkt, sondern kann auch auf Axial-Verdichter angewendet werden. Beispielsweise kann auch ein Axial-Verdichter ein wie hierin beschriebenes Element aufweisen, insbesondere einen Gehäuseeinsatz, der einen Stabilisatorkanal mit einer Anzahl V von V ≥ m_co + jB identischen Streben aufweist, die umfangsperiodisch angeordnet sind.Even though 1 shows a radial compressor, the present invention, as mentioned above, not limited to a radial compressor, but can also be applied to axial compressor. For example, an axial compressor may also comprise an element as described herein, in particular a housing insert which has a stabilizer channel with a number V of struts identical to V ≥ m _co + jB and arranged circumferentially on a periodic basis.

Demnach werden bei den hierein beschriebenen Ausführungsformen, bei der Auslegung des Verdichters, insbesondere bei der Auslegung der Streben im Stabilisatorkanal, vorteilhafterweise Strukturen im Hauptströmungskanal berücksichtigt, so dass eine Optimierung des Verdichters hinsichtlich einer Reduktion von Geräusch- und Schwingungsentwicklung ermöglicht wird. Mit anderen Worten, bei der Auswahl der im Stabilisatorkanal angeordneten Strebenanzahl V gemäß der Formel V ≥ m_co + jB werden vorteilhafterweise die Strukturen im sekundären Strömungsfeld (d.h. im Stabilisatorkanal) mit den Strukturen im Hauptströmungskanal verknüpft. Im Gegensatz dazu wird im Stand der Technik die Anzahl von Streben lediglich aufgrund strukturmechanischer Überlegungen festgelegt. Dies führt zu einer Streuung der akustischen Moden und einer Zerstörung des sonst einfachen akustischen Feldes, was bei den hierin beschrieben Ausführungsformen im Wesentlichen verhindert werden kann.Accordingly, in the embodiments described herein, in the design of the compressor, in particular in the design of the struts in the stabilizer channel, advantageously structures in the main flow channel are taken into account, so that an optimization of the compressor with respect to a reduction of noise and vibration development is made possible. In other words, in the selection of the strut number V arranged in the stabilizer channel according to the formula V ≥ m _co + jB, the structures in the secondary flow field (ie in the stabilizer channel) are advantageously linked to the structures in the main flow channel. In contrast, in the prior art, the number of struts is determined solely for structural mechanics considerations. This leads to a scattering of the acoustic modes and a destruction of the otherwise simple acoustic field, which can be substantially prevented in the embodiments described herein.

Demnach kann durch die Verwendung eines hierein beschriebenen Radial- oder Axial-Verdichters vorteilhafterweise ein Abgasturbolader bereitgestellt werden, der leiser, billiger, leichter, effizienter und kompakter ist als derzeit bekannte Abgasturbolader.Thus, by the use of a radial or axial compressor as described herein, an exhaust gas turbocharger may advantageously be provided that is quieter, cheaper, lighter, more efficient, and more compact than currently known exhaust gas turbochargers.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

100100

Verdichtercompressor

110110

Verdichterradcompressor

111111

Rotationsachse des VerdichterradsRotation axis of the compressor wheel

112112

Rotorblätterrotor blades

113113

Ansaugbereichsuction

114114

Zirkulationsöffnungcirculation opening

115115

ringförmige Konturwandannular contour wall

120120

HauptströmungskanalMain flow channel

125125

Verdichtergehäusecompressor housing

130130

Element/ GehäuseeinsatzElement / housing insert

135135

Stabilisatorkanalstabilizer channel

140140

Strebenpursuit

150150

StrömungsfreiraumFlow clearance

Claims (10)

Verdichter (100) eines Abgasturboladers, umfassend: - ein um eine Achse (111) drehbares Verdichterrad (110), - einen Hauptströmungskanal (120) zum Zuführen eines zu verdichtenden Mediums auf das Verdichterrad (110), - ein äußeres Verdichtergehäuse (125), und - ein Element (130), das radial zwischen dem Verdichterrad (110) und dem Verdichtergehäuse (125) angeordnet ist, wobei das Element (130) konfiguriert ist um im eingebauten Zustand einen ringförmigen, den Hauptströmungskanal umgebenden Stabilisatorkanal (135) zu bilden, wobei in dem Stabilisatorkanal (135) eine Anzahl (V) von V > m_co + B identischen Streben (140) vorgesehen ist, die umfangsperiodisch angeordnet sind, wobei m_co die betragsmäßig kleinste Umfangsordnung aller nicht ausbreitungsfähigen akustischen Moden bei der ersten Blatt-Durchgangsfrequenz ist, und wobei B die Anzahl der Rotorblätter des Verdichterrads ist.A compressor (100) of an exhaust gas turbocharger, comprising: - a compressor wheel (110) rotatable about an axis (111), - a main flow passage (120) for supplying a medium to be compressed to the compressor wheel (110), - an outer compressor housing (125), and a member (130) disposed radially between the compressor wheel (110) and the compressor housing (125), the member (130) configured to form an annular stabilizer passage (135) surrounding the main flow passage when installed; wherein in the stabilizer channel (135) a number (V) of V> m _co + B identical struts (140) is provided which are circumferentially arranged periodically, where m _co the absolute smallest order of all non-propagating acoustic modes at the first sheet passage frequency and B is the number of rotor blades of the compressor wheel. Verdichter (100) nach Anspruch 1, wobei alle Abstände in Umfangsrichtung zwischen benachbarten Streben der Anzahl (V) von Streben (140) identisch sind.Compressor (100) after Claim 1 , where all circumferential distances between adjacent struts are equal to the number (V) of struts (140). Verdichter (100) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Streben (140) symmetrisch um die Achse (111) des drehbaren Verdichterrads (110) angeordnet sind.Compressor (100) after Claim 1 or 2 wherein the struts (140) are arranged symmetrically about the axis (111) of the rotatable compressor wheel (110). Verdichter (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Streben in Umfangsrichtung um einen Winkel (α) gekippt sind.Compressor (100) according to one of Claims 1 to 3 , wherein the struts are tilted in the circumferential direction by an angle (α). Verdichter (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Streben relativ zur Richtung der Achse (111) des drehbaren Verdichterrads (110) um einen Winkel (β) geneigt sind, und/oder wobei die Streben so angeordnet sind, dass die Streben in Richtung der Achse (111) des drehbaren Verdichterrads (110) gekippt sind.Compressor (100) according to one of Claims 1 to 4 wherein the struts are inclined relative to the direction of the axis (111) of the rotatable compressor wheel (110) by an angle (β), and / or wherein the struts are arranged so that the struts in the direction of the axis (111) of the rotatable compressor wheel (110) are tilted. Verdichter (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Streben (140) in Umfangsrichtung gekrümmt sind.Compressor (100) according to one of Claims 1 to 5 wherein the struts (140) are curved in the circumferential direction. Verdichter (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Streben (140) einen kreisförmigen Querschnitt oder einen elliptischen Querschnitt oder einen dreieckigen Querschnitt oder einen rautenförmigen Querschnitt aufweisen.Compressor (100) according to one of Claims 1 to 6 wherein the struts (140) have a circular cross section or an elliptical cross section or have a triangular cross section or a diamond-shaped cross-section. Verdichter (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Streben (140) derart angeordnet sind, dass in axialer Blickrichtung zwischen benachbarten Streben ein für das Medium ungehinderter Strömungsfreiraum (150) vorhanden ist.Compressor (100) according to one of Claims 1 to 7 , wherein the struts (140) are arranged such that in the axial direction of view between adjacent struts a fluid free space for the medium (150) is present. Verdichter (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Verdichter ein Radial-Verdichter oder ein Axial-Verdichter ist.Compressor (100) according to one of Claims 1 to 8th wherein the compressor is a radial compressor or an axial compressor. Abgasturbolader, umfassend einen Verdichter nach einem der vorangehenden Ansprüche 1-9.Exhaust gas turbocharger, comprising a compressor according to one of the preceding Claims 1 - 9 ,

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