DE102017127758A1

DE102017127758A1 - Radialverdichter und Turbolader

Info

Publication number: DE102017127758A1
Application number: DE102017127758.7A
Authority: DE
Inventors: Andreas LESSER; Hannes Benetschik; Christoph Heinz
Original assignee: MAN Diesel and Turbo SE
Current assignee: MAN Energy Solutions SE
Priority date: 2017-11-24
Filing date: 2017-11-24
Publication date: 2019-05-29
Also published as: JP2019094902A; US10823178B2; KR20190060710A; CN109931295A; CH714392B1; CH714392A2; US20190162191A1

Abstract

Radialverdichter (10), mit einem rotorseitigen Laufrad (11); mit einem statorseitigen Gehäuse (13); mit einem Zuführströmungskanal (16), über den zu verdichtendes Mediums in axialer Richtung dem Laufrad (11) zuführbar ist; mit einem Diffusor (17), über den verdichtetes Mediums in radialer Richtung vom Laufrad (11) weg und in Richtung auf einen Spiralgehäuseabschnitt (15) des Gehäuses (13) führbar ist; wobei der Diffusor (17) radial außen in einem Übergangsbereich zum Spiralgehäuseabschnitt (15) einen sich vergrößernden Strömungsquerschnitt aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Radialverdichter gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Des Weiteren betrifft die Erfindung einen Turbolader mit einem Radialverdichter.
Aus der EP 1 340 920 B1 und der EP 2 194 277 A1 sind jeweils ein Radialverdichter eines Abgasturboladers gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt. So zeigt dieser Stand der Technik einen Radialverdichter mit einem rotorseitigen Laufrad, mit einem statorseitigen Gehäuse, mit einem Zuführströmungskanal, über den zu verdichtendes Mediums in axialer Richtung dem Laufrad zuführbar ist, und mit einem Diffusor, über den verdichtetes Mediums in radialer Richtung vom Laufrad weg und in Richtung auf einen Spiralgehäuseabschnitt des Gehäuses führbar ist. Nach der EP 1 340 920 B1 und der EP 2 194 277 A1 sind die Diffusoren beschaufelte Diffusoren, die Leitschaufeln aufweisen. Es sind auch unbeschaufelte Diffusoren bekannt.
Es besteht Bedarf daran, den Wirkungsgrad eines Radialverdichters zu verbessern.
Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, einen neuartigen Radialverdichter zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch einen Radialverdichter gemäß Anspruch 1 gelöst. Erfindungsgemäß weist der Diffusor radial außen in einem Übergangsbereich zum Spiralgehäuseabschnitt einen sich vergrößernden Strömungsquerschnitt auf.
Durch die erfindungsgemäße Gestaltung des Diffusors im Übergangsbereich zum Spiralgehäuseabschnitt kann eine verbesserte Ausfüllung eines sogenannten Spiralzopfbeginns des Spiralgehäuseabschnitts erzielt werden. Hierdurch kann letztendlich der Wirkungsgrad des Radialverdichters verbessert werden.
Nach einer vorteilhaften Weiterbildung ist der Diffusor von sich im Meridianschnitt gesehen axial gegenüberliegenden, in Radialrichtung erstreckenden Wänden begrenzt, nämlich von einer ersten Wand, die in eine den Zuführströmungskanal radial außen begrenzende Wand des Gehäuses übergeht, und von einer zweiten Wand, wobei an der ersten Wand radial außen im Übergangsbereich zum Spiralgehäuseabschnitt eine den Strömungsquerschnitt des Diffusors vergrößernde Schulter ausgebildet ist. Hiermit kann der Wirkungsgrad des Radialverdichters bei einfacher Bauform besonders vorteilhaft erhöht werden.
Nach einer vorteilhaften Weiterbildung ist die Schulter durch einen im Meridianschnitt gesehen gegenüber der ersten Wand geneigten Wandabschnitt definiert, der gegenüber der sich in Radialrichtung erstreckenden ersten Wand des Gehäuses um einem Winkel von maximal 45° geneigt ist und/oder der frühestens bei 80% der Radialerstreckung des Diffusors beginnt. Auch diese Weiterbildung dient der Erhöhung des Wirkungsgrads des Radialverdichters.
Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:

1: einen schematisierten Meridianschnitt durch einen erfindungsgemäßen Radialverdichter.

1 zeigt einen ausschnittweisen Querschnitt durch ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Radialverdichters 10.
Ein Radialverdichter 10 verfügt über ein rotorseitiges Laufrad 11 mit mehreren Laufschaufeln 12.
Ferner verfügt ein Radialverdichter 10 über ein statorseitiges Gehäuse 13. Vom statorseitigen Gehäuse 13 sind ein in Strömungsrichtung eines zu verdichtenden Mediums gesehen stromaufwärts des Laufrads 11 angeordneter Ansaugabschnitt 14 sowie ein stromabwärts des Laufrads 11 angeordneter Spiralgehäuseabschnitt 15 gezeigt. Der Ansaugabschnitt 14 definiert zumindest abschnittsweise einen Zuflussströmungskanal 16, über den im Radialverdichter 10 zu verdichtendes Medium dem Laufrad 11 des Radialverdichters 10 zur Verdichtung zugeführt werden kann.
Im Bereich des Laufrads 11 verdichtetes Medium kann über einen statorseitigen Diffusor 17 des Radialverdichters 10 dem Spiralgehäuseabschnitt 15 zugeführt werden, wobei im Ausführungsbeispiel der 1 der Diffusor 17 als beschaufelter Diffusor mit Leitschaufeln 18 ausgebildet ist. Im Meridianschnitt der 1 gesehen, strömt das zu verdichtende Medium in axialer Richtung A durch den Zuführströmungskanal 16. Das verdichtete Medium strömt in radialer Richtung R durch den Diffusor 17 in Richtung auf den Spiralgehäuseabschnitt 15. Der Spiralgehäuseabschnitt 15 definiert einen Spiralströmungskanal 23.
Der Diffusor 17 weist im Meridianschnitt gesehen in Radialrichtung R außen in einem Übergangsbereich zum Spiralgehäuseabschnitt 15 und damit im Übergangsbereich zum Spiralströmungskanal 23 einen sich vergrößernden Strömungsquerschnitt auf. Hierdurch wird die Ausfüllung des sogenannten Spiralzopfbeginns des Spiralströmungskanals 23 des Spiralgehäuses 15 verbessert, wodurch letztendlich der Wirkungsgrad des Radialverdichters 10 erhöht wird.
Der Spiralzopfbeginn des Spiralströmungskanals 23 des Spiralgehäuses 15 ist derjenige Umfangsabschnitt der Spiralströmungskanals 23, in welchem derselbe im Meridianschnitt den kleinsten Strömungsquerschnitt aufweist.
Der Diffusor 17 ist von sich im Meridianschnitt gesehen in Axialrichtung A gegenüberliegenden, sich in Radialrichtung R erstreckenden Wänden 19, 20 begrenzt, nämlich von einer ersten Wand 19, die in eine den Zuführströmungskanal 16 radial außen begrenzenden Wand des Gehäuses 13, nämlich des Ansaugsabschnitts 14, übergeht, sowie von einer zweiten Wand 20, an die sich ein Lagergehäuse des Turboladers anschließt.
Gemäß 1 ist an der ersten Wand 19 radial außen im Übergangsbereich zum Spiralgehäuseabschnitt 15 und damit im Übergangsbereich zum Spiralströmungskanal 23 eine den Strömungsquerschnitt des Diffusors 17 vergrößernde Schulter 21 ausgebildet, die von einem im Meridianschnitt gesehen gegenüber der ersten Wand 19 geneigten Wandabschnitt 22 definiert ist.
Der die Schulter 21 und damit den vergrößernden Strömungsquerschnitt des Diffusors 17 definierende Wandabschnitt 22 ist gegenüber der sich in Radialrichtung R erstreckenden ersten Wand 19 um einen Winkel α von maximal 45° geneigt.
Vorzugsweise liegt der Winkel α in einem Bereich zwischen 45° und 10°, besonders bevorzugt in einem Winkelbereich zwischen 45° und 20°.
Der die Schulter 21 definierende Wandabschnitt 22 beginnt frühestens bei 80 % der Radialerstreckung des Diffusors 17. Im Falle eines beschaufelten Diffusors 17 mit Leitschaufeln 18 beginnt die Schulter 21 stromabwärts der Leitschaufeln 18 des Diffusors 17.
Die Schulter 21 des Diffusors 17 und damit der vergrößerte Strömungsquerschnitt des Diffusors 17 sind im Übergangsbereich zum Spiralgehäuse 13 und damit im Übergangsbereich zum Spiralströmungskanal 23 zumindest im Bereich des Spiralzopfbeginns vorgesehen.
Vorzugsweise läuft die Schulter 21 des Diffusors 17 und damit der vergrößerte Strömungsquerschnitt des Diffusors 17 im Übergangsbereich zum Spiralgehäuse 13 und damit im Übergangsbereich zum Spiralströmungskanal 23 in Umfangsrichtung um.
Die Erfindung betrifft weiterhin einen Turbolader mit einem solchen Radialverdichter 10. Der Radialverdichter 10 dient der Verdichtung eines Mediums, z.B. von Ladeluft, und zwar unter Nutzung von Energie, die bei der Entspannung eines anderen Mediums, z.B. von Abgas, in einer Turbine des Turboladers gewonnen wird. Während der Radialverdichter ein Laufrad 11 und das Gehäuse 13 umfasst, umfasst die Turbine ebenfalls ein Laufrad und ein Gehäuse, die jedoch in 1 nicht gezeigt sind. Das Laufrad 11 des Radialverdichters 10 ist mit dem Laufrad der Turbine über eine Welle gekoppelt, die in eine Lagergehäuse des Turboladers gelagert ist. Die Wand 20 des Diffusors 17 schließt sich an das Lagergehäuse an oder wird gar vom Lagergehäuse bereitgestellt.
Mit der Erfindung kann der Wirkungsgrad eines Radialverdichters 10 und damit auch der Wirkungsgrad eines den Radialverdichter 10 aufweisenden Turboladers erhöht werden.
Bezugszeichenliste

10: Radialverdichter
11: Laufrad
12: Laufschaufel
13: Gehäuse
14: Ansaugabschnitt
15: Spiralgehäuseabschnitt
16: Zuführströmungskanal
17: Diffusor
18: Leitschaufel
19: Wand
20: Wand
21: Schulter
22: Wandabschnitt
23: Spiralströmungskanal
A: Axialrichtung
R: Radialrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 1340920 B1 [0002]
EP 2194277 A1 [0002]

Claims

Radialverdichter (10) eines Turboladers, mit einem rotorseitigen Laufrad (11); mit einem statorseitigen Gehäuse (13); mit einem Zuführströmungskanal (16), über den zu verdichtendes Mediums in axialer Richtung dem Laufrad (11) zuführbar ist; mit einem Diffusor (17), über den verdichtetes Mediums in radialer Richtung vom Laufrad (11) weg und in Richtung auf einen Spiralgehäuseabschnitt (15) des Gehäuses (13) führbar ist; dadurch gekennzeichnet, dass der Diffusor (17) radial außen in einem Übergangsbereich zum Spiralgehäuseabschnitt (15) einen sich vergrößernden Strömungsquerschnitt aufweist.
Radialverdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Diffusor (17) von sich im Meridianschnitt gesehen axial gegenüberliegen, in Radialrichtung erstreckenden Wänden (19, 20) begrenzt ist, nämlich von einer ersten Wand (19), die in eine den Zuführströmungskanal (16) radial außen begrenzende Wand des Gehäuses (13) übergeht, und von einer zweiten Wand (20).
Radialverdichter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass an der ersten Wand (19) radial außen im Übergangsbereich zum Spiralgehäuseabschnitt (15) eine den Strömungsquerschnitt des Diffusors (17) vergrößernde Schulter (21) ausgebildet ist.
Radialverdichter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schulter (21) durch einen im Meridianschnitt gesehen gegenüber der ersten Wand (19) geneigten Wandabschnitt (22) definiert ist.
Radialverdichter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der die Schulter (21) definierende Wandabschnitt (22) gegenüber der sich in Radialrichtung erstreckenden ersten Wand (19) um einen Winkel von maximal 45° geneigt ist.
Radialverdichter nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der die Schulter (21) definierende Wandabschnitt (22) gegenüber der sich in Radialrichtung erstreckenden ersten Wand (19) um einem Winkel zwischen 45° und 10° geneigt ist.
Radialverdichter nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der die Schulter (21) definierende Wandabschnitt (22) gegenüber der sich in Radialrichtung erstreckenden ersten Wand (19) um einem Winkel zwischen 45° und 20° geneigt ist
Radialverdichter nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der die Schulter (21) definierende Wandabschnitt (22) stromabwärts von Leitschaufeln (18) des Diffusors (17) ausgebildet ist.
Radialverdichter nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der die Schulter (21) definierende Wandabschnitt (22) frühestens bei 80% der Radialerstreckung des Diffusors (17) beginnt.
Turbolader, mit einer Turbine zur Entspannung eines ersten Mediums; mit einem Radialverdichter (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 zur Verdichtung eines zwetien Mediums unter Nutzung der bei der Entspannung des ersten Mediums gewonnenen Energie.