WO2008023034A1 - Diffusor eines radialverdichters - Google Patents

Diffusor eines radialverdichters Download PDF

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WO2008023034A1
WO2008023034A1 PCT/EP2007/058728 EP2007058728W WO2008023034A1 WO 2008023034 A1 WO2008023034 A1 WO 2008023034A1 EP 2007058728 W EP2007058728 W EP 2007058728W WO 2008023034 A1 WO2008023034 A1 WO 2008023034A1
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diffuser
housing
wall
vane
compressor
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PCT/EP2007/058728
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Matthias Schleer
Peter Neuenschwander
Fabian SCHÖNBÄCHLER
Andre Wittwer
Martin Moeri
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Abb Turbo Systems Ag
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    • F04D29/42—Casings; Connections of working fluid for radial or helico-centrifugal pumps
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    • F04D29/462—Fluid-guiding means, e.g. diffusers adjustable especially adapted for elastic fluid pumps
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2250/00—Geometry
    • F05D2250/50—Inlet or outlet
    • F05D2250/52—Outlet

Definitions

  • the invention relates to the field of exhaust gas turbochargers for supercharged internal combustion engines.
  • It relates to the diffuser of a centrifugal compressor of such an exhaust gas turbocharger.
  • Exhaust gas turbochargers are used to increase the performance of internal combustion engines, in particular reciprocating engines used.
  • an exhaust gas turbocharger usually has a centrifugal compressor and a radial or axial turbine.
  • the diffuser of the compressor is usually a separate component, which is fixed during assembly of the compressor to the other housing parts.
  • the diffuser can be fastened to the compressor housing on one or both sides of the flow channel.
  • the attachment is usually via a press bond, in which the diffuser wall or the entire diffuser is clamped in the assembly of the compressor between two housing parts.
  • a diffuser is shown, which is clamped between an inlet-side wall insert and arranged on the back of the compressor wheel bearing housing.
  • the object of the invention is to provide an optimized compressor stage for exhaust gas turbocharger applications.
  • a built from individual blades and fixed in the wall insert diffuser is proposed.
  • the built diffuser can be mounted on the bearing side in a diffuser rear wall, which is arranged opposite the insert wall.
  • the diffuser rear wall can be combined with a seal, for example a labyrinth seal, in the region of the rear wall of the compressor wheel.
  • the diffuser constructed according to the invention from separate guide vanes can be realized with differently configured guide vanes.
  • the geometrically differently configured vanes are connected via unit bores with the respective housing wall and can be replaced at any time.
  • the invention built from separate vanes diffuser requires no management of a large number of large parts.
  • the type diversity thus exists only for the actual guide vanes.
  • the diffuser specifications in the field can be easily changed. Also, a finer tuning of the diffuser on the application is possible, which can cause an efficiency gain.
  • the separation of the vane and diffuser wall allows a more complex design of the vanes.
  • design and production of multi-stepped or swept vane profiles are significantly simplified.
  • Fig. 4 shows the attachment and securing of the vanes on the diffuser wall
  • Fig. 5 shows the integration of the diffuser rear wall and the labyrinth.
  • a radial compressor as partially shown in FIGS. 1 and 5, comprises a compressor wheel, which is connected to a driven shaft and draws a medium to be compressed, usually air, in the axial direction and in the radial direction into a diffuser emits.
  • a diffuser the downstream of the compressor wheel arranged portion of the flow channel is referred to, which is bounded on the one hand by the insert wall 21 and on the other hand by an intermediate wall 31.
  • a diffuser wall 42 can be embedded in the intermediate wall on the side of the bearing housing 3.
  • the diffuser wall can also be embedded on the insert wall side.
  • the vanes 41 and the diffuser wall 42 are integrally formed and are used as a component in the assembly of the compressor.
  • the diffuser constructed according to the invention has a multiplicity of individual guide vanes 41, which are fastened to one of the adjacent housing walls by means of screws or other fastening means.
  • FIG. 2 shows the exemplary arrangement on the side of the compressor housing 2, that is to say on the insert wall 21.
  • Fig. 3 shows how the diffuser vanes 41 are connected regardless of profile type, so regardless of the geometric shape (length, width, profile shape) via unitary holes with the insert wall.
  • Each of the three differently configured guide vanes 41 ', 41 "or 41'” has, according to the illustrated embodiment, three bores. Two outer holes for Recording of positioning aids 52 and a central bore for receiving the fastening means 51st
  • the corresponding holes and threaded holes in the housing are, as shown in FIG. 4, advantageously designed as a blind bore, so that no seal is necessary.
  • the fixing of the individual vanes takes place during assembly by means of a countersunk screw 51. Thanks to the unitary holes in the housing wall, the interchangeability of different types of vanes profile is guaranteed.
  • the positioning aids may optionally be integrated into the vanes, such as by milling the vanes.
  • the diffuser blades In operation, in addition to the fixation by means of the fastening means is a pressure through the insert wall of the compressor housing and the intermediate wall of the bearing housing. To obtain a sufficient surface pressure, the diffuser blades can be designed slightly conical for this purpose.
  • the guide vanes can also be positioned by means of feather key and groove, by means of a wedge-like extension or by means of dowel screws.
  • the positioning aids in the form of pins and the vanes are each secured with only one screw.
  • the alignment of the guide vanes is again by means of a Positionierlehre.
  • the individual fastening of the guide vanes according to the invention makes it possible to integrate the diffuser rear wall, that is to say the region of the flow duct downstream of the compressor wheel with the intermediate wall and the sealing region, ie approximately the labyrinth in the back of the compressor wheel.
  • this integrated housing wall may even be extended to the bearing parts for the compressor shaft.
  • the fastening of the guide vanes can also take place from the housing wall side.
  • the vanes may be mounted on both sides of the flow channel, either on the side of the insert wall or on the back of the compressor wheel on the intermediate wall.
  • the positions of the inlet and the rear edge are different for different profile shapes. If the relative position of the holes in the blade profile is kept constant with different guide vanes, the holes can always be placed optimally in the center of the profile.
  • the guide vanes can be produced by cutting bar profiles to a blade height, by milling from flat semi-finished products and then cutting to length on blade height or by precision casting.
  • the diffuser constructed in accordance with the invention has a great potential for improvements in the interaction of the internal combustion engine with the exhaust-gas turbocharger due to the possibility of a finer graduation of the diffuser owes, since the costs for storing a plurality of diffuser specifications are lower.

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Abstract

Aufgabe der Erfindung liegt darin, eine optimierte Verdichterstufe für Abgasturboladeranwendungen zu schaffen. Dazu wird ein aus Einzelschaufeln gebauter und in der Gehäusewand befestigter Diffusor vorgeschlagen.

Description

Diffusor eines Rad ialverd ichters
B E S C H R E I B U N G
Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Abgasturbolader für aufgeladene Brennkraftmaschinen.
Sie betrifft den Diffusor eines Radialverdichters eines solchen Abgasturboladers.
Stand der Technik
Abgasturbolader werden zur Leistungssteigerung von Brenn kraftmasch inen, insbesondere Hubkolbenmotoren, eingesetzt. Dabei besitzt ein Abgasturbolader üblicherweise einen Radialverdichter und eine Radial- oder Axialturbine.
Der Diffusor des Verdichters ist in der Regel ein separates Bauteil, welches bei der Montage des Verdichters an den übrigen Gehäuseteilen fixiert wird. Dabei kann der Diffusor auf einer oder beiden Seiten des Strömungskanals an dem Verdichtergehäuse befestigt sein. Die Befestigung erfolgt in der Regel über einen Pressverbund, bei welchem die Diffusorwand oder aber der gesamte Diffusor bei der Montage des Verdichters zwischen zwei Gehäuseteilen festgeklemmt wird. In der Fig. 1 ist ein solcher Diffusor dargestellt, welcher zwischen einer eintrittsseitigen Einsatzwand und dem auf der Rückseite des Verdichterrades angeordneten Lagergehäuse festgeklemmt ist.
Durch die Bewirtschaftung der Diffusoren als separate Teile fallen hohe Lagerhaltungskosten an, da für jede mögliche Spezifikationen (verschiedene Schaufelhöhen oder Schaufelprofile) ein grosses, nicht austauschbares Teil vorgehalten werden muss.
Für die Bearbeitung eines solchen Diffusors muss daher auf grosse, teure Bearbeitungsmaschinen zurückgegriffen werden. Durch den Pressverband bei grossen Bauteilen fallen daher hohe Produktionskosten an, da bei der Fertigung der Diffusorhöhe und der Dicke der Diffusorwand strenge Form- und Lagetoleranzen eingehalten werden müssen. Ferner ist für die Kontaktflächen des Pressverbandes eine hohe Bearbeitungsgüte notwendig.
Kurze Darstellung der Erfindung
Aufgabe der Erfindung liegt darin, eine optimierte Verdichterstufe für Abgasturboladeranwendungen zu schaffen. Dazu wird ein aus Einzelschaufeln gebauter und in der Einsatzwand befestigter Diffusor vorgeschlagen. Optional kann der gebaute Diffusor lagerseitig in einer Diffusorrückwand, welche gegenüber der Einsatzwand angeordnet ist, befestigt werden. Dabei kann optional die Diffusorrückwand mit einer Dichtung, beispielsweise einer Labyrinthdichtung, im Bereich der Rückwand des Verdichterrades kombiniert werden.
Der erfindungsgemäss aus separaten Leitschaufeln gebaute Diffusor kann mit verschieden ausgestalteten Leitschaufeln realisiert werden. Dabei werden die geometrisch unterschiedlich ausgestalteten Leitschaufeln über Einheitsbohrungen mit der jeweiligen Gehäusewand verbunden und können dadurch jederzeit ausgetauscht werden.
Der erfindungsgemäss aus separaten Leitschaufeln gebaute Diffusor erfordert keine Bewirtschaftung einer Vielzahl grosser Teile. Die Typenvielfalt besteht somit nur für die eigentlichen Leitschaufeln.
Aufgrund der einfachen Austauschbarkeit der einzelnen Leitschaufeln können die Diffusorspezifikationen im Feld leicht geändert werden. Auch ist eine feinere Abstimmung des Diffusors auf die Anwendung möglich, was einen Wirkungsgradgewinn bewirken kann.
Nicht zuletzt erlaubt die Separierung von Leitschaufel und Diffusorwand ein aufwändigeres Design der Leitschaufeln. So werden Konstruktion und Fertigung etwa von mehrfach gestuften oder gepfeilten Leitschaufel profilen wesentlich vereinfacht.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Im folgenden sind anhand der Figuren verschiedene Ausführungsformen der erfindungsgemässen Vorrichtung schematisch dargestellt und näher erläutert. In allen Figuren sind gleichwirkende Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen. Hierbei zeigt:
Fig. 1 einen Diffusor eines Radialverdichters gemäss dem Stand der Technik,
Fig. 2 einen gebauten und auf der Einsatzwand befestigten Diffusor,
Fig. 3 eine Einheitsbohrung in unterschiedlich geformten Leitschaufeln,
Fig. 4 die Befestigung und Sicherung der Leitschaufeln auf der Diffusorwand, und
Fig. 5 die Integration der Diffusorrückwand und des Labyrinths.
Weg zur Ausführung der Erfindung
Ein Radialverdichter, wie er in Fig. 1 und Fig. 5 teilweise dargestellt ist, umfasst ein Verdichterrad, welches mit einer angetriebenen Welle verbunden ist und ein zu verdichtendes Medium, in der Regel Luft, in axialer Richtung ansaugt und in radialer Richtung in einen Diffusor abgibt. Als Diffusor wird der stromabwärts des Verdichterrades angeordnete Abschnitt des Strömungskanals bezeichnet, welcher einerseits von der Einsatzwand 21 und andererseits von einer Zwischenwand 31 begrenzt ist. Bei einem beschaufelten Diffusor, bei dem sich im Strömungskanal Leitschaufeln zum Verzögern der Strömung befinden, kann in die Zwischenwand auf der Seite des Lagergehäuses 3 eine Diffusorwand 42 eingelassen sein. Alternativ kann die Diffusorwand auch einsatzwandseitig eingelassen sein. Bei herkömmlichen beschaufelten Diffusoren 4 sind die Leitschaufeln 41 und die Diffusorwand 42 einstückig ausgebildet und werden bei der Montage des Verdichters als ein Bauteil eingesetzt.
Der erfindungsgemäss gebaute Diffusor weist eine Vielzahl einzelner Leitschaufeln 41 auf, welche mittels Schrauben oder anderen Befestigungsmitteln an einer der angrenzenden Gehäusewand befestigt sind. Fig. 2 zeigt die beispielhafte Anordnung auf der Seite des Verdichtergehäuses 2, also auf der Einsatzwand 21.
Fig. 3 zeigt, wie die Diffusor-Leitschaufeln 41 unabhängig von Profiltyp, also unabhängig von der geometrischen Form (Länge, Breite, Profilform) über Einheitsbohrungen mit der Einsatzwand verbunden werden. Jede der drei unterschiedlich ausgestalteten Leitschaufel 41 ', 41 " oder 41 '" weist gemäss der dargestellten Ausführungsform drei Bohrungen auf. Zwei äussere Bohrungen zur Aufnahme von Positionierungshilfen 52 und eine mittlere Bohrung zur Aufnahme des Befestigungsmittels 51.
Die entsprechenden Bohrungen und Gewindebohrungen im Gehäuse sind, wie Fig. 4 zeigt, vorteilhafterweise als Sackbohrung ausgeführt, so dass keine Dichtung notwendig wird. Die Fixierung der einzelnen Leitschaufeln erfolgt bei der Montage mittels einer versenkten Schraube 51. Dank der Einheitsbohrungen in der Gehäusewand ist die Austauschbarkeit von verschiednen Leitschaufel-Profiltypen gewährleistet.
Die Positionierungshilfen können optional in die Leitschaufeln integriert sein, indem sie etwa beim Fräsen der Leitschaufeln gefertigt werden.
Im Betrieb erfolgt zusätzlich zur Fixierung mittels der Befestigungsmittel eine Pressung durch die Einsatzwand des Verdichtergehäuses und die Zwischenwand des Lagergehäuses. Zum Erhalt einer ausreichenden Flächenpressung können hierfür die Diffusorschaufeln leicht konisch ausgelegt werden.
Alternativ zur Befestigung mittels zweier Positionierungshilfen und einer Schraube können die Leitschaufeln auch mittels Passfederkeil und Nut, mittels keilähnlichen Fortsatzes oder mittels Passschrauben positioniert werden.
Eine noch flexiblere Positionierung ist gegeben, mit nur einem Passstift und anschliessendem Ausrichten der Diffusoren mittels einer Positionierlehre, welche nach dem Ausrichten wieder entfernt wird. Dies ermöglicht eine stufenlose Einstellbarkeit der Profile. Gegen ein Verdrehen der Diffusoren bei der Montage kann eine Schraube in einem Langloch eingesetzt werden und so die Diffusorbeschaufelung nach dem Positionieren gesichert werden.
Optional kann auch auf die Positionierungshilfen in Form von Stiften verzichtet werden und die Leitschaufeln jeweils mit nur einer Schraube befestigt werden. Das Ausrichten der Leitschaufeln erfolgt wiederum mittels einer Positionierlehre.
Die erfindungsgemässe Einzelbefestigung der Leitschaufeln, ob einsatzwandseitig oder zwischenwandseitig, ermöglicht die Integration der Diffusorrückwand, also dem Bereich des Strömungskanals stromab des Verdichterrades mit der Zwischenwand und dem Dichtbereich, also etwa dem Labyrinth im Rücken des Verdichterrades. Gegebenenfalls kann diese integrierte Gehäusewand sogar bis zu den Lagerteilen für die Verdichterwelle verlängert sein. Optional kann die Befestigung der Leitschaufeln auch von der Gehäusewandseite her erfolgen. Die Leitschaufeln können beidseitig des Strömungskanals befestigt sein, entweder auf der Seite der Einsatzwand oder rückseitig des Verdichterrades auf der Zwischenwand.
Bei der Befestigung der Profile kann entweder die Position der Leitschaufel-Vorderkante (in Fig. 3 dargestellte Variante), die Position der Leitschaufel-Hinterkante oder die relative Position der Befestigungsbohrungen bzw. Positionierungshilfen im Schaufelprofil konstant gehalten werden.
Falls die relative Position der Befestigungsbohrungen im Schaufelprofil konstant gehalten wird verschieben sind bei unterschiedlichen Profilformen sowohl die Positionen der Eintritts- aus auch der Hinterkante. Wird die relative Position der Bohrungen im Schaufelprofil bei unterschiedlichen Leitschaufeln konstant gehalten, können die Bohrungen immer optimal im Zentrum des Profils platziert werden.
Die Leitschaufeln können durch Ablängen von Stangenprofilen auf Schaufelhöhe, durch Fräsen aus ebenem Halbzeug und anschliessendem Ablängen auf Schaufelhöhe oder durch Feinguss hergestellt werden.
Der erfindungsgemäss gebaute Diffusor weist ein grosses Potential für Verbesserungen im Zusammenspiel des Verbrennungsmotors mit dem Abgasturbolader durch die Möglichkeit einer feineren Abstufung der Diffusorgeomethe auf, da die Kosten für die Lagerhaltung einer Vielzahl von Diffusorspezifikationen geringer sind.
Bezugszeichenliste
Verdichterrad
Verdichtergehäuse
Einsatzwand
Lagergehäuse
Zwischenwand
Diffusor
Leitschaufel
Diffusorwand
Befestigungsmittel, bspw. Schraube
Positionierungshilfen

Claims

PAT E N TA N S P R Ü C H E
1. Diffusor eines Radialverdichters, umfassend mehrere Leitschaufeln (41 ), dadurch gekennzeichnet, dass sich der Diffusor aus separaten Leitschaufeln (41 ) zusammensetzt, welche mittels Befestigungsmitteln (51 ) an einer Gehäusewand (21 , 31 ) befestigt werden können.
2. Radialverdichter, umfassend ein Gehäuse (2, 3) und einen Diffusor nach Anspruch 1.
3. Radialverdichter nach Anspruch 2, wobei die Leitschaufeln einzeln mittels Befestigungsmitteln mit dem Gehäuse (2, 3) verbunden sind.
4. Radialverdichter nach Anspruch 3, wobei die Leitschaufeln mittels Positionierhilfen bezüglich des Gehäuse2 (2, 3) positioniert sind.
5. Radialverdichter nach einem der Ansprüche 3 oder 4, wobei das Gehäuse (2) eine eintrittsseitige Einsatzwand (21 ) umfasst, welche zumindest teilweise im Bereich eines Verdichterrades (1 ) einen Strömungskanal für ein zu verdichtendes Medium begrenzt, und wobei die Leitschaufeln (41 ) mit der Einsatzwand (21 ) verbunden sind.
6. Radialverdichter nach einem der Ansprüche 3 oder 4, wobei das Gehäuse (3) eine austrittsseitige Zwischenwand (31 ) umfasst, welche zumindest teilweise entlang einer Rückseite eines Verdichterrades (1 ) verläuft, und wobei die Leitschaufeln (41 ) mit der Zwischenwand (31 ) verbunden sind.
7. Abgasturbolader, gekennzeichnet durch einen Radialverdichter nach einem der Ansprüche 2 bis 6.
8. Verfahren zum Anpassen der Geometrie eines Diffusors eines Radialverdichters durch Ersetzen mindestens einer ersten Leitschaufel durch eine zweite Leitschaufel mit einer unterschiedlichen Geometrie, bei welchem Verfahren in einem ersten Schritt die erste Leitschaufel durch Lösen eines Befestigungsmittels von dem Gehäuse des Radialverdichters getrennt wird, und anschliessend in einem zweiten Schritt die zweite Leitschaufel mittels dem Befestigungsmittel am Gehäuse des Radialverdichters befestigt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei im ersten Schritt die erste Leitschaufel von Positionierungshilfen abgesetzt und im zweiten Schritt die zweite Leitschaufel auf die Positionierungshilfen aufgesetzt wird.
10.Verfahren nach Anspruch 9, wobei im zweiten Schritt die zweite Leitschaufel auf die Positionierungshilfen aufgesetzt und mittels einer Positionierlehre positioniert wird.
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