DE19548852A1

DE19548852A1 - Radialverdichter für Abgasturbolader

Info

Publication number: DE19548852A1
Application number: DE1995148852
Authority: DE
Inventors: Rene Dr Hunziker; Hermann Dr Mauch
Original assignee: Asea Brown Boveri AG Switzerland; Asea Brown Boveri AB
Current assignee: ABB Schweiz Holding AG; ABB AB
Priority date: 1995-12-27
Filing date: 1995-12-27
Publication date: 1997-07-03

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft einen Radialverdichter für Abgasturbo lader, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Stand der Technik

Radialverdichter von Abgasturboladern sind häufig mit be schaufelten Diffusoren ausgestattet. Solche Diffusoren rich ten das aus dem Laufrad der Radialverdichterstufe strömende Medium radial so auf, daß die vorhandene kinetische Energie möglichst verlustfrei in Druckenergie umgewandelt werden kann. Die bekannten Diffusoren unterscheiden sich vor allem hinsichtlich der Form und Anordnung ihrer Schaufeln. Daraus resultieren unterschiedliche geometrische Parameter, die zu einer entsprechenden Strömungsbeeinflussung beitragen. Dazu gehören beispielsweise der Ein- bzw. Austrittsradius sowie der Ein- bzw. Austrittswinkel des beschaufelten Diffusor teils, die Schaufel- bzw. Kanalanzahl und die Breiten- bzw. Weitenverhältnisse der durchströmten Flächen am Eintritt bzw. am Austritt des Diffusors.

Die von der Pumpgrenze und der Schluckgrenze begrenzte Kenn feldbreite eines solchen Radialverdichters wird in einem großen Kennfeldbereich hauptsächlich vom beschaufelten Dif fusor bestimmt. Dabei wird die Schluckgrenze durch die engste Querschnittsfläche des Verdichterrades bzw. des Diffusors festgelegt. Die Diffusorcharakteristik wirkt auf den Kennli nienverlauf des Radialverdichters und ist mitbestimmend für die Pumpgrenze. Es ist daher allgemeines Entwicklungsziel, sowohl die Pumpgrenze zu kleineren als auch die Schluckgrenze zu größeren Massenströmen hin zu verschieben, um den stabi len Arbeitsbereich der Verdichterstufe zu vergrößern.

Zur positiven Beeinflussung der Diffusorströmung sind zahl reiche Maßnahmen bekannt, wie z. B. das Profilieren der Schaufeloberfläche, das Verstellen der Leitschaufeln des Dif fusors und das Einblasen bzw. das Absaugen von Fluid im Ein trittsbereich des Diffusors. Besonders mit der letzten Lösung kann auch bei extrem flacher bzw. steiler Anströmung der Leitschaufeln, d. h. im Bereich der Pump- bzw. der Schluck grenze, die Gefahr von Strömungsablösungen und daraus resul tierenden Energieverlusten vermindert werden. Dieser Vorteil wird jedoch nur mit einer sehr aufwendigen und damit teuren Lösung erreicht.

Darstellung der Erfindung

Die Erfindung versucht, alle diese Nachteile zu vermeiden. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, das Kennfeld eines Radialver dichters für Abgasturbolader durch Beeinflussung der Diffu sorströmung zu erweitern.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß bei einer Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, zumindest eine Leitschaufel eine von der Druckseite zur Saugseite rei chende Öffnung besitzt, welche radial im Bereich zwischen der Vorderkante der jeweiligen Leitschaufel und der auf ihrer Saugseite befindlichen, engsten Querschnittsfläche zur be nachbarten Leitschaufel angeordnet ist. Die Öffnung erstreckt sich zumindest über einen Teil einer zur Leitschaufel gehö renden Schaufelhöhe.

Eine solche Öffnung in der Leitschaufel, im halbbeschaufelten Raum des Diffusors, ermöglicht einen sich in Abhängigkeit von der herrschenden Druckverteilung und damit vom Betriebspunkt selbstregelnden Massenstrom zwischen den beiden Schaufelsei ten. Dieser durch die Öffnung der Leitschaufel eingedüste Massenstrom des Arbeitsmediums wird im folgenden als Spalt strom bezeichnet.

Bei flachen Diffusorzuströmwinkeln, d. h. in der Nähe der Pumpgrenze, stellt sich infolge der treibenden Druckkraft des Arbeitsmediums eine Strömung durch die Öffnung der Leitschau fel, von deren Druckseite zur Saugseite ein. Dieser durch die Öffnung zusätzlich einströmende Spaltstrom reenergiert die saugseitige Grenzschicht und vermindert Strömungsablösungen. Damit stellen sich im Diffusoreintrittsbereich den flachen Zuströmwinkeln besser entsprechende Strömungsverhältnisse ein. Außerdem passiert der Spaltstrom die engste Quer schnittsfläche von zumindest zwei benachbarten Strömungskanä len. Auf diese Weise werden die engsten Querschnittsflächen des Diffusors mit einem größeren Massenstrom beaufschlagt, als die gesamte Verdichterstufe. Demzufolge wird die Diffu sorcharakteristik in Richtung kleinerer Durchsätze verscho ben, wodurch sich der stabile Betriebsbereich des Radialver dichters ausdehnt und der Diffusor nahe an seinem Wirkungs gradoptimum arbeitet. Aufgrund der besseren Strömungsführung und geringerer ablösebedingter Verluste im Eintrittsbereich des Diffusors, ist diese Kennfelderweiterung mit einem höhe ren Wirkungsgrad verbunden, als er bei den entsprechenden Lö sungen des Standes der Technik erreicht wird.

An der Schluckgrenze, bei auf die Saugseite gerichteter Zu strömung, ist der Spaltstrom von der Saugseite zur Druckseite gerichtet. Er wird daher bereits vor der engsten Quer schnittsfläche vom Massenstrom abgezweigt. Auf diese Weise ist der Gesamtmassenstrom, der durch die Verdichterstufe hin durchtritt, größer als der Massenstrom in der engsten Quer schnittsfläche. Demzufolge wird die Diffusorcharakteristik in Richtung größerer Durchsätze verschoben, wodurch sich der stabile Betriebsbereich des Radialverdichters ausdehnt. Die ser Vorteil überwiegt die möglichen Verluste, welche aufgrund der druckseitigen Einspeisung des Spaltstromes entgegen der Hauptströmungsrichtung entstehen können.

Bei inzidenzfreier Zuströmung, d. h. bei genauer Zuströmung des Arbeitsmediums auf die Vorderkante der jeweiligen Leit schaufel, sind die Druckdifferenzen zwischen den beiden Schaufelseiten im Bereich der Öffnung gering. Daher ist auch nur ein geringer Spaltstrom zu erwarten.

Es ist besonders zweckmäßig, wenn die mit einer Öffnung ver sehenen Leitschaufeln symmetrisch zueinander angeordnet sind.

Eine solche Anordnung hat eine gleichmäßige Druckverteilung des Arbeitsmediums im Diffusor zur Folge. Dadurch wird über den Umfang eine gleichmäßigere Rückwirkung des Druckfeldes auf die Laufradströmung erreicht.

Ferner ist es vorteilhaft, wenn jede Öffnung einen saugsei tigen und einen druckseitigen Austrittsbereich aufweist und der druckseitige größer als der saugseitige Austrittsbereich ausgebildet ist. Daraus resultiert eine zusätzliche Erweite rung der Kennfeldbreite in Richtung eines größeren Durch satzes.

In einer zweiten Ausführungsform der Erfindung ist der saug seitige größer als der druckseitige Austrittsbereich ausge bildet. Auf diese Weise wird die Kennfeldbreite zusätzlich in Richtung eines kleineren Durchsatzes erweitert.

Bei einer dritten Ausführungsform der Erfindung sind die Querschnittsflächen beider Austrittsbereiche gegenüber der Querschnittsfläche der Öffnung vergrößert ausgebildet. Damit werden die Vorteile der ersten und der zweiten Ausführungs form miteinander kombiniert.

Schließlich sind die Austrittsbereiche der Öffnungen abge rundet ausgebildet, so daß die Strömungsverluste beim Durch tritt des Arbeitsmediums durch die Öffnungen verringert wer den.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

In der Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand des Radialverdichters eines Abgasturboladers darge stellt.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Axialschnitt des Radialverdichters;

Fig. 2 eine vergrößerte, schematische Darstellung der Strömungsverhältnisse benachbarter Leitschaufeln, im Bereich der Pumpgrenze;

Fig. 3 eine Darstellung des Diffusorkennfeldes, entspre chend Fig. 2;

Fig. 4 eine vergrößerte, schematische Darstellung der Strömungsverhältnisse benachbarter Leitschaufeln, im Bereich der Schluckgrenze;

Fig. 5 eine Darstellung des Diffusorkennfeldes, entspre chend Fig. 4;

Fig. 6 eine Darstellung der strömungsgünstig ausgebildeten Öffnung einer Leitschaufel;

Fig. 7 eine dreidimensionale Darstellung einer Leitschau fel, in einem zweiten Ausführungsbeispiel.

Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentli chen Elemente gezeigt. Nicht dargestellt ist beispielsweise die Turbinenseite der Vorrichtung. Die Strömungsrichtung des Arbeitsmittels ist mit Pfeilen bezeichnet.

Weg zur Ausführung der Erfindung

Der Radialverdichter eines Abgasturboladers besteht aus einem Verdichtergehäuse 1, in dem auf einer Welle 2 ein Verdichter rad 3 mit Laufschaufeln 4 drehbar gelagert ist. Stromab der Laufschaufeln 4 schließt ein radial angeordneter, beschau felter Diffusor 5 an, der seinerseits in eine Spirale 6 des Radialverdichters mündet (Fig. 1).

Die Leitschaufeln 7 des Diffusors 5 weisen eine Druckseite 8, eine Saugseite 9 sowie eine zum Verdichterrad 3 ausgerichtete Vorderkante 10 auf. Zwischen jeweils zwei Leitschaufeln 7 ist ein Strömungskanal 11 ausgebildet. Jeder Strömungskanal 11 besitzt eine engste Querschnittsfläche 12, welche zwischen der Saugseite 9 sowie der Druckseite 8 benachbarter Leit schaufeln 7 ausgebildet ist. Alle Leitschaufeln 7 weisen eine von der Druckseite 8 zur Saugseite 9 reichende Öffnung 13 auf, die radial in einem Bereich zwischen der Vorderkante 10 der jeweiligen Leitschaufel 7 und der auf ihrer Saugseite 9 befindlichen, engsten Querschnittsfläche 12 angeordnet ist (Fig. 2). Dieser Bereich wird als Eintrittsbereich 14 oder halbbeschaufelter Raum des Diffusors 5 bezeichnet.

Natürlich kann auch eine geringere Anzahl von Leitschaufeln 7 mit einer Öffnung 13 versehen sein, wobei die betreffenden Leitschaufeln 7 in diesem Fall symmetrisch zueinander ange ordnet sind (nicht dargestellt).

Beim Betrieb des Radialverdichters wird dem Arbeitsmedium 15 durch Impulsübertragung von den Laufschaufeln 4 kinetische Energie übertragen, die z. T. schon im Verdichterrad 3, z. T. im Diffusor 5 und schließlich in der Spirale 6 in Druckener gie umgewandelt wird. Entsprechend dem aktuellen Betriebszu stand des Radialverdichters erfolgt eine unterschiedliche An strömung der Leitschaufeln 7 des Diffusors 5.

Bei flachen Diffusorzuströmwinkeln, d. h. in der Nähe der Pumpgrenze, stellt sich infolge der treibenden Druckkraft des Arbeitsmediums 15 eine Strömung durch die Öffnung 13 der Leitschaufel 7, von deren Druckseite 8 zur Saugseite 9 ein. Dieser durch die Öffnung 13 zusätzlich einströmende Spalt strom 16 reenergiert die saugseitige Grenzschicht und vermin dert Strömungsablösungen. Damit stellen sich im Eintritts bereich 14 des Diffusors 5 den flachen Zuströmwinkeln besser entsprechende Strömungsverhältnisse ein. Außerdem passiert der Spaltstrom 16 die engste Querschnittsfläche 12 von zumin dest zwei benachbarten Strömungskanälen 11. Auf diese Weise werden die engsten Querschnittsflächen 12 des Diffusors 5 mit einem größeren Massenstrom beaufschlagt, als die gesamte Verdichterstufe. Demzufolge wird die Diffusorcharakteristik in Richtung kleinerer Durchsätze verschoben, wodurch sich der stabile Betriebsbereich des Radialverdichters ausdehnt.

Die Fig. 3 zeigt das Kennfeld eines mit Öffnungen 13 ausge statteten Diffusors 5 (durchgezogene Linie) und eines solchen ohne Öffnungen 13 (gestrichelte Linie). Die Ordinate stellt den Wirkungsgrad des Diffusors 5 und die Abszisse den durch den Diffusor 5 geleiteten Massenstrom dar. Mit 17 ist der vermeintliche Betriebspunkt des Diffusors 5 bezeichnet, der sich aufgrund des zusätzlichen Spaltstromes 16 ergibt. Der tatsächliche Betriebspunkt 18 liegt jedoch weiter in Richtung zur Ordinate, so daß auch unterhalb der eigentlichen Pump grenze, d. h. bei kleineren Massenströmen, ein sicherer Be trieb des Radialverdichters möglich wird. Die Verschiebung der Diffusorcharakteristik in Richtung kleinerer Durchsätze wird durch den Abstand der Betriebspunkte 17, 18 deutlich. Ebenfalls in Fig. 3 ist der Betriebspunkt 19 des ohne Öffnun gen 13 ausgestatteten Diffusors 5 dargestellt. Daraus wird deutlich, daß dessen Wirkungsgrad wesentlich niedriger ist.

An der Schluckgrenze, bei auf die Saugseite 9 gerichteter Zu strömung, ist der Spaltstrom 16 von der Saugseite 9 zur Druckseite 8 gerichtet. Er wird daher bereits vor der engsten Querschnittsfläche 12 vom Massenstrom abgezweigt (Fig. 4).

Damit muß die engste Querschnittsfläche 12, welche die Schluckfähigkeit und den Verlauf der Diffusorcharakteristik entscheidend bestimmt, nur eine um den Spaltstrom 16 verrin gerte Menge des Arbeitsmediums 15 aufnehmen. Auf diese Weise ist der Gesamtmassenstrom, der durch die Verdichterstufe hin durchtritt, größer als der Massenstrom in der engsten Quer schnittsfläche 12. Demzufolge wird die Diffusorcharakteristik verschoben, wodurch sich der stabile Betriebsbereich des Ra dialverdichters in Richtung größerer Durchsätze ausdehnt. In Fig. 5 wird dieser Zusammenhang ebenfalls anhand des Diffu sorkennfeldes und durch einen Vergleich des mit Öffnungen 13 ausgestatteten Diffusors 5 (durchgezogene Linie) und eines solchen ohne Öffnungen 13 (gestrichelte Linie) dargestellt.

Der Abstand der beiden Linien voneinander verdeutlicht die Verschiebung der Schluckgrenze hin zu größeren Massenströ men.

Jede der Öffnungen 13 weist einen saugseitigen und einen druckseitigen Austrittsbereich 20, 21 auf, wobei letzterer größer ausgebildet ist (Fig. 6). Natürlich können die Aus trittsbereiche 20, 21 auch umgekehrt ausgebildet werden. Im ersten Fall wird eine zusätzliche Erweiterung der Kennfeld breite in Richtung eines größeren Durchsatzes, im zweiten Fall in Richtung eines kleineren Durchsatzes erreicht. Ebenso können die Querschnittsflächen beider Austrittsbereiche 20, 21 gegenüber der Querschnittsfläche ihrer Öffnung 13 vergrößert ausgebildet sein (nicht dargestellt). Damit werden die Vorteile der beiden zuvor beschriebenen Lösungen miteinander kombiniert.

Außerdem sind beide Austrittsbereiche 20, 21 zur Oberfläche der Leitschaufel 7 hin abgerundet, so daß sich die Strö mungsverluste beim Durchtritt des Arbeitsmediums durch die Öffnungen 13 verringern.

In einem zweiten Ausführungsbeispiel erstrecken sich die in den Leitschaufeln 7 angeordneten Öffnungen 13 nur über den oberen Bereich einer zur Leitschaufel 7 gehörenden Schaufel höhe 22 (Fig. 7). Dadurch kann bei einem Verdichterrad 3, dessen Austrittsprofil ein im oberen Bereich liegendes Ge schwindigkeitsmaximum aufweist, ein Teil des Vergrößefen Massenstroms des Arbeitsmediums 15 durch die an entsprechen der Stelle ausgebildeten Öffnungen 13 geführt werden. Auf diese Weise wird die bereits oben beschriebene Selbstregelung des Massenstroms auch unter solchen Betriebsbedingungen be sonders effektiv genutzt. Natürlich kann die Öffnung 13 bei entsprechend anderen Betriebsbedingungen auch im unteren oder im mittleren Bereich der Schaufelhöhe 22 angeordnet sein.

Bezugszeichenliste

1 Verdichtergehäuse
2 Welle
3 Verdichterrad
4 Laufschaufel
5 Diffusor
6 Spirale
7 Leitschaufel
8 Druckseite
9 Saugseite
10 Vorderkante
11 Strömungskanal
12 engste Querschnittsfläche
13 Öffnung
14 Eintrittsbereich, halbbeschaufelter Raum
15 Arbeitsmedium
16 Spaltstrom
17 Betriebspunkt, vermeintlicher
18 Betriebspunkt, tatsächlicher
19 Betriebspunkt ohne Öffnung
20 Austrittsbereich, saugseitig
21 Austrittsbereich, druckseitig
22 Schaufelhöhe

Claims

1. Radialverdichter für Abgasturbolader, welcher ein Ver dichterrad (3) mit einem nachgeordneten, beschaufelten Diffusor (5) aufweist, dessen Leitschaufeln (7) eine Druckseite (8), eine Saugseite (9) sowie eine zum Ver dichterrad (3) ausgerichtete Vorderkante (10) besitzen und bei dem jeweils zwischen der Saugseite (9) sowie der Druckseite (8) benachbarter Leitschaufeln (7) eine eng ste Querschnittsfläche (12) ausgebildet ist, dadurch ge kennzeichnet, daß zumindest eine Leitschaufel (7) des Diffusors (5) eine von der Druckseite (8) zur Saugseite (9) reichende Öffnung (13) besitzt, welche sich zumin dest über einen Teil einer zur Leitschaufel (7) gehören den Schaufelhöhe (22) erstreckt und radial im Bereich zwischen der Vorderkante (10) der Leitschaufel (7) sowie der auf ihrer Saugseite (9) befindlichen, engsten Quer schnittsfläche (12) zur benachbarten Leitschaufel (7) angeordnet ist.

2. Radialverdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß die mit einer Öffnung (13) versehenen Leit schaufeln (7) symmetrisch zueinander angeordnet sind.

3. Radialverdichter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß jede Öffnung (13) einen saugseitigen und einen druckseitigen Austrittsbereich (20, 21) aufweist und der saugseitige Austrittsbereich (20) größer als der druckseitige Austrittsbereich (21) ausgebildet ist.

4. Radialverdichter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß jede Öffnung (13) einen saugseitigen und einen druckseitigen Austrittsbereich (20, 21) aufweist und der druckseitige Austrittsbereich (21) größer als der saugseitige Austrittsbereich (20) ausgebildet ist.

5. Radialverdichter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß jede Öffnung (13) einen saugseitigen und einen druckseitigen Austrittsbereich (20, 21) mit je weils einer Querschnittsfläche aufweist, welche gegen über der Querschnittsfläche der Öffnung (13) vergrößert ausgebildet sind.

6. Radialverdichter nach einem der Ansprüche 3 bis 5, da durch gekennzeichnet, daß die Austrittsbereiche (20, 21) abgerundet ausgebildet sind.