DE2257793A1

DE2257793A1 - Verdichter zur aufladung einer brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE2257793A1
Application number: DE2257793A
Authority: DE
Inventors: Jun William E Woollenweber
Original assignee: Wallace Murray Corp
Current assignee: Wallace Murray Corp
Priority date: 1971-11-26
Filing date: 1972-11-24
Publication date: 1973-05-30
Also published as: GB1401486A; IT971247B; AU4928072A; CA981644A; BE791867A; JPS6128077Y2; NL7215972A; US3829235A; AU470945B2; AR197789A1; ZA728247B; JPS4864507A; ES409273A1; SE389171B; JPS5736397U; BR7208275D0; FR2163075A5

Description

Die Erfindung betrifft einen einstufigen Zentrifugalverdichter mit einem von einer Antriebswelle angetriebenen Verdichterlaufrad und einem Gehäuse, das das Verdichterlaufrad aufnimmt und das einen .zur Antriebswellenachse koaxialen Einlaß aufweist, wobei,das Verdichterlaufrad mit sich radial erstreckenden Schaufeln ausgestattet ist, die zur Bewegung der Luft in axialer Richtung durch den Einlaß und zur Weiterförderung der Luft radial nach aussen und quer zur Wellenachse dienen. ■-

Es ist bekannt, daß man anstrebt, die Temperatur von aufgeladener Luft abzusenken, bevor diese, in das Ansaugsystem einer Brennkraftmaschine eingeführt wird. Durch die US-Patentschrift 3 143 103 ist ein mehrstufiger Turboladeverdichter bekannt geworden, der mit einer besonderen Axialströmungsstufe zur Erzeugung von Kühlluft ausgestattet ist, die an einen außerhalb liegenden Wärmetauscher gefördert wird, durch den die einen hohen Druck und eine hohe Temperatur aufweisende Luft zur Aufladung des Motors geleitet wird. Die Erhaltung eines maximalen Sauerstoff-

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gehaltes pro Volumeneinheit der aufgeladenen Luft ist, wie in der vorgenannten Patentschrift hervorgehoben wird» ein wichtiger Vorteil der Ladeluftkühlung, jedoch ist wegen der in neuerer Zeit wichtigen Verminderung der unerwünschten Motorabgase eine solche Behandlung der Motorladeluft für die Benutzer von Transport- und Industriedieselmaschinen und für die iiersteller von zunehmendem Interesse. Niedrigere Verbrennungstemperaturen erzeugen im allgemeinen weniger giftige Stickoxyde in den Abgasen und da.die Kühlung der Motorladeluft eine niedrigere Verbrennungstemperatur, erzeugt, besteht ein zunehmendes Bedürfnis für eine wirksame Laderverdichtunpseinrichtung mit Luftkühlung.

Gemäß der Erfindung wird ein Zentrifugalverdichter der eingangs erwähnten Art vorgesehen, der sich dadurch auszeichnet, daß das Verdichterlaufrad Schaufeln mit sich radial über die angrenzenden Schaufelteile erstreckenden Stirnteilen aufweist und daß Strömungsleiter zur Abzweigung des von den sich radial erstreckenden Strrnteilen erzeugten Luftstromes von dem Luftstrom, der von den angrenzenden Schaufelteilen erzeugt wird, vorgesehen sind.

Das Wesen der Erfindung wird also durch einen kompakten, einstufigen Zentrifugalverdichter verkörpert, in welchem die Schaufeln des Verdichterliiufrades derart ausgebildet sind, daß sie eine Strömung von relativ kalter Luft mit relativ niedrigem Druck erzeugen, welche von der Strömung von hoher Temperatur und hohem Druck getrennt ist, die von dem Hauptteil der Schaufeln erzeugt wird. Die von den beiden Teilen der Laufradschaufeln erzeugten getrennten Luft-

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ströme werden gewöhnlich in einem außerhalb des Motors angeordneten Wärmetauscher derart aneinander vorbeigeführt, daß ein IVärmeübergang erfolgen kann. Da jedoch der Wärmeübergang unmittelbar innerhalb des Gehäuses des Verdichters beginnen kann, kann der außenliegende Wärmetauscher verkleinerte Abmessungen aufweisen. Die Stirnteile der Schaufeln, die den kalten Luftstrom erzeugen, können von den benachbarten Schaufelteilen getrennt sein und auf einer Nabe angeordnet sein, die von der die angrenzenden Schaufelteile tragenden Nabe unabhängig ist. In vorteilhafter Weise können die Stirnschaufelteile und die dazugehörige N-abe an ihrer Ablaufseite konisch hinterschnitten sein, so daß, wenn die beiden Naben konzentrisch auf der Antriebswelle angeordnet sind, eine schwingungsdämpfende Kraft auf jedes der angrenzenden Schaufelteile durch das entsprechende Stirnschaufelteil ausgeübt.wird.

Weitere Merkmale,"Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung. Darin zeigen:

Fig.1 eine Seitenansicht eines Turboladers gemäß der Erfindung, bei welchem der .Verdichterteil im Schnitt "-" dargestellt ist;

Fig.2 eine Ansicht auf die Stirnseite des in Fig.1 dargestellten Turboladers;

Fig.3 eine Draufsicht auf die Schaufeln des Verdichterläufrades gemäß Fig.1;

Fig.4 eine schematische Darstellung des Turboladers nach -'Fig. 1 ,-.wobei der Turbolader in einem System mit einem Wärmetauscher-angeordnet ist, das zur Aufladung einer Brennkraftmaschine dient;

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Fig.5 eine Teilansicht eines Teiles des Verdichterlaufrades und des in der konstruktiven Ausführung abgewandelten Gehäuses nach Fig.2 und

Fig.6 eine Draufsicht auf einen Teil einer abgewandelten Ausführungsform des Verdichterlaufrades.

In den Fig.1 und 2 ist ein abgasbetriebener Turbolader dargestellt, der ein Turbinengehäuse 10 aufweist, welches ein in üblicher Weise beschaufeltes Turbinenrad (nicht dargestellt) zum Antrieb der Welle 14 aufnimmt. Das Turbinengehäuse ist mit einem flanschartigen Einlauf 18 versehen, welcher die Abgase der Brennkraftmaschine auf das Turbinenrad leitet. Der Turbinenteil ist von herkömmlicher Konstruktion. Die in die Turbine geleiteten hochkomprimierten Gase expandieren im Turbinenrad und bringen dadurch die Welle auf eine hohe Rotationsgeschwindigkeit. Die entspannten Gase verlassen die Turbine durch den Auslauf 19.

An das gußeiserne Turbinengehäuse 10 schließt sich unmittelbar ein Gußeisenstück 21 an, wobei beide Teile mittels eines Klemmringes 22 miteinander verbunden sind. Das Gußeisenstück 21 ist asymmetrisch ausgestaltet und weist einen zentrischen Teil 24 und einen nach außen gerichteten, flanschartig ausgebildeten Teil 27 auf. Der zentrale Teil 24 des Gußeisenstückes 20 ist mit einer zentralen Bohrung 34 versehen, durch welche sich die Welle 14 erstreckt. Das zentrale Teil 24 nimmt in der Bohrung 34 Radial- und Axiallager 56 auf, die eine freie Drehung der Welle ermöglichen.

An dem flanschartig ausgebildeten Teil 27 ist ein gußeisernes Verdichtergehäuse 38 mit einem Klemmring 37 angeflanscht. Innerhalb des gußeisernen Verdichtergehäuses 38 erstreckt sich eine gekrümmte Wandung 39, die einen Teil des Gehäuses bildet. Die Wandung läuft in Endteile 39a aus, welche

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eine ringförmige·.gemeinsame Begrenzungskante 39b zwischen den Kammern 41 und .42 bilden« Die-Kammer 41 umsehließt das Verdichterlaufrad, welches noch im Detail beschrieben wird, und bildet einen im allgemeinen ringförmigen Sammelraum, dessen Auslaß von dem sich tangential erstreckenden Auslauf 45 (siehe Figur 2) gebildet wird. Wie in der Fig.2 zu erkennen ist, bildet die Kammer 42 einen Sammelraum für das ausströmende Gas in Form eines Diffusors. Ein sich ,.ra^ dial nach außen erstreckender Teil 39c der Wandung 39 bildet den engen Diffusorabschnitt 43, der sich an die Enden der Verdichterlaufradschaufeln anschließt,wie noch beschrieben wird. Der Ausströmraum oder die Kammer 42 münden in den sich tangential erstreckenden Auslauf 44 (siehe Figur 2) ein.

Die Welle 14 trägt an ihrem abgesetzten Teil mit kleinerem Durchmesser ein Zentrifugalverdichterlaufrad 46, das eine Vielzahl von sich radial erstreckenden Schaufeln aufweist. Wie am besten in den Fig.1 und 3 zu erkennen ist, haben die Schaufeln jeweils einen Stirnteil 47, der entgegen der Strömungsrichtung vor den angrenzenden Schaufelteilen 48 angeordnet ist. Der Stirnteil 47 einer jeden Schaufel besitzt einen sich radial über den angrenzenden Schaufelteil 48 erstreckenden Teil 47a>und die ringförmige gemeinsame Begrenzungskante ztvischen den Kammern 41 "und-4Z₁ läuft bis zur Verbindungsstelle der sich radial erstreckenden Stirnschaufelteile 47a mit den angrenzenden Schaufelteilen 48. Die Stirnschaufelteile 47 werden an einer auf der Welle 14 angeordneten Nabe 51 gehalten, die gegen die angrenzende Nabe 52 gedrückt ist, die die benachbarten Schaufelteile 48 trägt. Die Naben 51 und 52 werden durch die Spannkraft der Sicherungsmutter 53 arretiert, die auf das Ende der Welle 14 geschraubt ist. Es versteht sich, daß die Kanten der Stirnschaufelteile 47 die Kanten der benachbarten Schau-

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feiteile 48 berühren, wie das in der Fig.3 zu erkennen ist, wobei sich die die Schaufelform bildende Krümmung der Schaufeln gleichmäßig fortlaufend über die sich radial erstreckenden Stirnschaufelteile 47 und die angrenzenden Schaufelteile 48 erstreckt.

Wie in gestrichelten Linien in der Fig.1 dargestellt ist, sind die Rückseite der Nabe 51 und die Stirnschaufelteile 47 an den ablaufenden Kanten etwas unterschnitten, wobei die Hinterschneidung vorzugsweise eine durch die gestrichelte Linie 56 angedeutete konische Kontur aufweist, so daß die Stirnschaufelteile 47 auf die entsprechenden benachbarten Schaufelteile eine schwingungsdämpfende Kraft ausüben, die auf die äußeren Ränder der angrenzenden Schaufeln 48 einwirkt, wenn die Nabe 51 durch ein Anziehen der Sicherungsmutter 53 gegen die Nabe 52 gepreßt wird. Es sei bemerkt, daß die gestrichelte Linie 56 die Rückseite der Nabe 51 und der Stirnschaufelteile 47 zeigt, bevor die Nabe 51 gegen die Nabe 52 angezogen ist. Wenn die Sicherungsmutter 53 festgeschraubt wird, verformen sich die Nabe und die Schaufeln geringfügig, so daß sie die angrenzenden Schaufelteile 48 entlang ihrer Kanten berühren und die Nabe 51 an der Nabe 52 anliegt, wobei durch die Deformation die Dämpfungskraft erzeugt wird, welche auf die äußeren Ränder der angrenzenden Schaufelteile 48 einwirkt.

Während des Betriebes, bei dem sich das Verdichterlaufrad 46 mit hoher Geschwindigkeit dreht, strömt Luft durch den Verdichtereinlaß 58. Der durch die sich radial erstreckenden Stirnschaufelteilc 47a erzeugte Gasstrom bewegt sich dann entlang der ringförmigen Begrenzungskante 39b und in die Sammelkammer 41. Der übrige durch die Stirnscliaufelteile 47 erzeugte Gasstrom, der in den von den angrenzenden Schaufelteilen 48 erzeugten Gasstrom Übergeht» be-'

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vregt sich durch den engen Diffusprabschnitt 43 in den spiralförmigen Diffusorteil oder die Kammer 42. Die sich zur Kammer 41 bewegende Luft besitzt eine niedrigere Temperatur und einen niedrigeren Druck als die Luft, die sich, durch die Kammer 42 bewegt, und wie in der Fig.4 zu erkennen ist wird der durch die Kammer 41 strömende und durch den Auslauf 45 austretende' Luftstrom zu einem konventionellen Luft/Luftwärmetauscher befördert. Die eine hohe Temperatur und einen hohen Druck aufweisende Luft bewegt sich durch die spiralförmige Kammer 42 und tritt durch den Auslauf 44 aus und wird dann zu dem Wärmetauschef G1 geleitet. Aufgrund des Wärmeaustausches zwischen den beiden getrennten Luftströmen wird die Temperatur der aus der Kammer 42 kommenden Luft abgesenkt, bevor sie in das Ansaugsystem 62 der schematisch dargestellten Brennkraftmaschine 63 geleitet wird. " ■ .

In der Fig.5 ist ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel des Turboverdichterteiles dargestellt. Die Ausführungsform des Verdichters gemäß Fig..5 unterscheidet sich von dem vorbeschriebenen Verdichter dadurch daß als Gegenstück zur Wandung 39 bei dem in der Fig.1 dargestellten Ausführungsbeispiel die die Kammer 41 begrenzende Handüng 68 mit Mitteln zur \fergrößerung ihrer Oberflä'che versehen ist. Diese Mittel können mit der·Wandung 68 einstückig ausgebildete Rippen 69 sein, welche den Wärmeübergang entlang der Wandung 68 verbessern.

In Fig.6 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel für die Schaufelausgestaltung des Verdic-hterlaufrades dargestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel erstreckt sich die die Schaufelform bildende Krümmung ausschließlich über den sich radial erstreckenden vorderen Teil 71 der Schaufeln, während die angrenzenden Schaufelteile 72 gerade sind. Da die-angrenzen-

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den geraden Schaufelteile 72 und die Nabe, an welcher die Schaufeln angeordnet sind, einen von den gekrümmten Stirnschaufelteilen 71 unabhängigen Teil bilden, können einfachere Gieß- und Herstellungsverfahren Verwendung finden, um den geraden Teil des Laufrades herzustellen.

Das Verdichterlaufrad und die Abdeckung oder die Gehäusekonstruktion gemäß der Erfindung gestatten einenWärmeaustausch zwischen der hochtemperierten Luft und der Luft mit der niedrigen Temperatur und dem niedrigen Druck, wobei der Wärmeaustausch innerhalb des Verdichtergehiiuses selbst eingeleitet wird. Während in Fig.4 ein außerhalb des Verdichters angeordneter Wärmetauscher dargestellt ist, mit dem die Temperaturabsenkung der Ladeluft für die Brennkraftmaschine noch weiter vervollständigt werden kann, ist es durch die Verwendung von die Wärmeleitflache innerhalb des Verdichtergehäuses vergrößernden Mitteln (vie zum Beispiel durch die Rippen 69 in Fig.5) möglich _t die Abmessungen und die Leistung des außerhalb angeordneten Wärmetauschers zu vermindern. In den Fällen, in denen die Anforderungen an die Kühlung der Ladeluft niedrig sind, kann durch die Verwendung der erfindungsgemäßen Verdichterkonstruktion auf einem unabhängigen außerhalb des Verdichters angeordneten Wärmetauscher verzichtet werden. Auf jedes der benachbarten Schaufelteile 48, die die Leistung des normalen einstufigen Zentrifugalverdichterrades erbringen, ruht eine schwingungsdämpfende Kraft, die in jede Schaufel und zwar in erster Linie in unmittelbarer Nähe der ringförmigen Wandungskante 39b eingeleitet wird. Sowohl die Ladeluft mit hoher Temperatur' und hohem Druck als auch die Kühlluft, die in dem Wärmetauscher benötigt wird, werden von einem kompakten, einstufigen Turboladeverdichter geliefert. Dadurch wird es möglich, den Turbolader und Wärmetauscher in die Motorkonstruktion selbst

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mit einzubeziehen und der Wärmetauscher braucht nicht im Kühler des Motors angeordnet zu sein wie es erforderlich ist, wenn der Gebläsestrahl der Motorkühlluft zur Kühlung der von dem Turbolader erzeugten Ladeluft verwendet wird. Die Verwendung des Turboladers gemäß der Erfindung in Verbindung mit einem kleinen Wärmetauscher ist im Vergleich zur Anordnung eines Wärmetauschers in der Nähe des Motorkühlers, der den Kühlluftstrahl zur Kühlung verwendet, besonders vorteilhaft für Kraftfahrzeuge oder einen Maschinen^ park, die im wesentlichen außerhalb befestigter Stra'ßen Verwendung finden. Bei einer solchen Anwendung neigen die Durchlässe für die Gebläsestrahlen, der Kühlluft zur Verstopfung durch Staub, Blätter oder andere Schmutzteile und die erforderliche Kühlung der Ladeluft kann nicht stattfinden. Dagegen wird bei der in der Fig./5- dargestellten Anordnung saubere Luft zu den beeiden Strömungsdurchlässen durch den Wärmetauscher gefördert, so daß eine Verstopfung nicht auftreten kann, . ,

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Claims

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Patentansprüche

π ./Einstufiger Zentrifugalverdichter mit einem νοϊι eine? Antriebswelle angetriebenen Verdichterläüfrad und einem Gehäuse, das das Verdichterlauf rad aufnimmt und, das einen zur Antriebswellenachse koaxialen Einlaß aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß das Verdichterlaufrad (46) Schaufeln (47) mit sich radial über die angrenzenden Schaufelteile (48) erstreckenden Stirnteilen (47a) aufweist und daß Strömungsleiter (39»39b,41,42) zur Abzweigung des von den sich radial erstreckenden Stirnteilen erzeugten Luftstromes von dem Luftstrom, der von den angrenzenden Schaufelteilen (48) erzeugt wird, vorgesehen sind.
2. Verdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die den Luftstrom teilenden Strömungsleiter (39, 39b, 41, 42) eine Wandung (39) mit einer ringförmigen auslaufenden Kante (39b) aufweisen, die sich bis zur Verbindungsstelle der sich radial erstreckenden Stirnschaufelteile (47a) mit den angrenzenden Schaufelteilen (48) erstrecken, so daß eine getrennte ringförmige Strömungskammer (41) für den Strom gebildet ist, der von den sich radial erstreckenden Stirnschaufelteilen erzeugt wird.

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3. Verdichter nach den Ansprüchen 1 und 2„ dadurch g e kennzeic h η e t , daß die Wandung (39) eine getrennte ringförmige Strömungskammer (42) für den Strom bildet, der von den sich an die Stirnschaüfelteile anschließenden Schaufelteilen (48) .erzeugt wird.'
4. Verdichter nach wenigstens einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet , daß der Wärmeübergang zitfischen der Luft in den Kammern (41 , 4 2) durch die Wandung (39) erfolgt.
5. Verdichter nach wenigstens einem der Ansprüche 1-4,

dadurch gekennzeichnet", daß die die Kammern (41, 42) begrenzende Wandung (39) mit sich in eine der Kammern erstreckendenRippen(69) zur Vergrößerung der Wärmeleitfläche' versehen ist.
6. Verdichter nach wenigstens einem der Ansprüche 1 - 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Stirnteil (47a) einer jeden Schaufel, das an dem entsprechenden angrenzenden Schaufelteil (48) anliegt, ein von diesem angrenzenden Schaufelteil unabhängiges Bauteil bildet und sich radial von einer auf der Antriebswelle (14) montierten Nabe (51) erstreckt, die axial gegen das die angrenzenden Schaufelteile (48) tragende Teil des Verdichterlaufrades (52) anliegt«.
7. Verdichter nach wenigstens einem der Ansprüche 1-6, dadurch ge k e η η ζ e i c h η e t , daß die Nabe

(51) und die hinteren Kanten der Stirnschaufelteile (47) an der Ablaufseite etwas hinterschnitten sind, so daß die Stirnschaufelteile (47) auf jede der angrenzenden Schaufelteile (48) eine schwingungsdämpfende Kraft ausüben, wenn die Nabe (51) gegen den angren-

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zenden Teil des Verdichterlaufrades (52) angezogen ist.
8. Verdichter nach wenigstens einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet , daß die Hinterschneidung dadurch gebildet ist, daß die durch die in Ablaufrichtung gelegene Stirnseite der Nabe (51) und die angrenzenden hinteren Kanten der Stirnschaufelteile (47a) gebildete Oberfläche mit einer schwach konischen Kontur versehen sind.
9. Verdichter nach wenigstens einem der Ansprüche 1 - 6, dadurch gekennzeichnet , daß die andere einen Ausströmraum bildende Strömungskammer (42) in Form eines Diffusors ausgestaltet ist.
10. Verdichter nach wenigstens einem der Ansprüche 1-9, dadurch gekennzeichnet , daß sich die die Schaufelform bildende Krümmung der Verdichterlaufradschaufeln (4 7) gleichmäßig fortlaufend über die sich radial erstreckenden Stirnschaufelteile (47a) und die angrenzenden Schaufelteile (48) erstreckt.
11. Verdichter nach wenigstens einem der Ansprüche 1-9, dadurch gekennzeichnet , daß sich die die Schaufelform bildende Krümmung der Verdichterlaufradschaufeln (47)ausschließlich über die sich radial erstreckenden Stirnschaufelteile (71) erstreckt und die angrenzenden Schaufelteile (72) in radialer Richtung gerade ausgerichtet sind.

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L e e rs e i te