DE102014106415A1

DE102014106415A1 - compressor housing

Info

Publication number: DE102014106415A1
Application number: DE102014106415.1A
Authority: DE
Inventors: Daniel Rusch; Armin Schmid; Pasquale Catalano
Original assignee: ABB Turbo Systems AG
Current assignee: Accelleron Industries AG
Priority date: 2014-05-08
Filing date: 2014-05-08
Publication date: 2015-11-12
Also published as: WO2015169509A1

Abstract

Das Verdichtergehäuse (10) eines Radialverdichters weist einen ringförmigen Stabilisatorraum (15) auf, welcher durch einen Ringsteg (102) gegenüber dem Strömungskanal (14) abgedeckt ist. Der Stabilisatorraum (15) steht über einen Eintrittsspalt (12) stromaufwärts des Verdichterradeintritts sowie einen Stabilisatorspalt (11) stromabwärts des Verdichterradeintritts mit dem Strömungskanal (14) in Verbindung. Der Ringsteg (102) ist weiter über mehrere radiale Halterippen (103) mit dem Verdichtergehäuse (10) verbunden. Um im Berstfall des Verdichterrades den Ringsteg (102) axial zu halten, wird vorgeschlagen, am Ringsteg axial zwischen den Halterippen (103) und dem Stabilisatorspalt (11) ein radial vorstehendes Rückhalteelement (105) anzuordnen. Reissen die Halterippen im Berstfall im Fussbereich, so wird der Ringsteg durch dieses Rückhalteelement axial durch die Halterippen formschlüssig zurückgehalten.The compressor housing (10) of a radial compressor has an annular stabilizer chamber (15), which is covered by an annular web (102) opposite to the flow channel (14). The stabilizer space (15) communicates with the flow channel (14) via an inlet gap (12) upstream of the compressor wheel inlet and a stabilizer gap (11) downstream of the compressor wheel inlet. The annular web (102) is further connected via a plurality of radial retaining ribs (103) with the compressor housing (10). In order to keep the annular web (102) axially in the event of a burst of the compressor wheel, it is proposed to arrange a radially projecting retaining element (105) on the annular web axially between the retaining ribs (103) and the stabilizer gap (11). If the retaining ribs rupture in the foot region in the event of a burst, the annular web is retained in a form-fitting manner by this retaining element in an axially-locking manner by the retaining ribs.

Description

Technisches Gebiet Technical area

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Abgasturbolader für aufgeladene Brennkraftmaschinen. Sie betrifft das Gehäuse des Verdichters eines solchen Abgasturboladers. The invention relates to the field of exhaust gas turbochargers for supercharged internal combustion engines. It relates to the housing of the compressor of such an exhaust gas turbocharger.

Stand der Technik State of the art

Abgasturbolader werden zur Leistungssteigerung von Brennkraftmaschinen, insbesondere Hubkolbenmotoren, eingesetzt. Dabei besitzt ein Abgasturbolader üblicherweise einen Radialverdichter und eine Radial- oder Axialturbine. Als Kennlinien-Stabilisierungs-Massnahme wird dabei über der Radkontur des Verdichterrades etwa im ersten Viertel der Radlänge, parallel zum Ansaugkanal, ein Bypass in Form eines Ringhohlraumes innerhalb des Verdichtergehäuses vorgesehen, wobei dieser Bypass aus einer stromauf zum Verdichterrad liegenden radialen Eintrittsspalt, einem stromab zur Eintrittskante des Verdichterrades liegenden radialen Stabilisatorspalt und einem diese beiden Spalte verbindenden Stabilisatorraum gebildet ist. Exhaust gas turbochargers are used to increase the performance of internal combustion engines, in particular reciprocating engines. In this case, an exhaust gas turbocharger usually has a centrifugal compressor and a radial or axial turbine. As a characteristic stabilization measure is thereby provided over the wheel contour of the compressor wheel approximately in the first quarter of the wheel length, parallel to the intake passage, a bypass in the form of a ring cavity within the compressor housing, said bypass from an upstream radial to the compressor impeller inlet gap, downstream to The leading edge of the compressor wheel lying radial stabilizer gap and a connecting these two column stabilizer space is formed.

Durch den parallel zum Ansaugkanal und damit zum eigentlichen Radeintritt liegenden Stabilisatorraum ergeben sich Bypassmassenströme, die im Bereich der Pumpgrenze, also im Bereich minimaler Volumenstromförderung und im Bereich der Schluckgrenze, also im Bereich maximaler Volumenstromförderung eine Verschiebung in Richtung kleinerer bzw. grösserer Volumenströme ermöglichen, verglichen mit bauartgleichen Maschinen ohne Bypass. By lying parallel to the intake passage and thus to the actual wheel inlet stabilizer space resulting bypass mass flows that allow in the region of the surge limit, ie in the range of minimum volume flow and in the region of the intake limit, ie in the range of maximum volume flow promotion a shift toward smaller or larger volume flows compared with identical machines without bypass.

Aus gewichts- und giesstechnischen Gründen kommen bei Grossladern auf der Verdichterseite vermehrt geteilte Spiralgehäuse zum Einsatz. Um die Bauteilkosten zu reduzieren, wird dabei die Einsatzwand in das Innenteil der Spirale integriert. Aus der WO 2008/023070A1 ist bekannt dass mehrere über dem Umfang verteilte Halterippen den axialen Teil der Einsatzwand – den Ringsteg – halten, welcher durch den Stabilisatorspalt vom radialen Teil der Einsatzwand abgetrennt ist. Berstversuche und -Rechnungen zeigen, dass der Verbindungsbereich zwischen den Halterippen und dem Ringsteg aufgrund der hohen Beanspruchung im Berstfall eine Schwachstelle darstellen kann: Wird die Halterippe ungünstig angeordnet, so kann die die Verbindung zum Ringsteg am Fusspunkt reissen. Dies kann dazu führen, dass sich der Ringsteg bei ungünstiger Konstruktion im Berstfall komplett löst und axial aus dem Verdichtergehäuse austritt. For reasons of weight and casting technology, split volute casings are increasingly being used on large loaders on the compressor side. In order to reduce component costs, the insert wall is integrated into the inner part of the spiral. From the WO 2008 / 023070A1 It is known that a plurality of retaining ribs distributed over the circumference hold the axial part of the insert wall - the annular web - which is separated from the radial part of the insert wall by the stabilizer gap. Burst tests and calculations show that the connection area between the retaining ribs and the annular web can be a weak point due to the high stress in case of bursting: If the retaining rib is arranged unfavorably, it can tear the connection to the annular web at the foot point. This can lead to the ring web in unfavorable construction in case of burst completely loosens and exits axially from the compressor housing.

Kurze Darstellung der Erfindung Brief description of the invention

Aufgabe der Erfindung ist, ein Verdichtergehäuse durch eine neue konstruktive Ausgestaltung im Berstfall des Verdichterrades sicherer zu gestalten Um den Ringsteg im Berstfall des Verdichterrades axial zu halten, wird erfindungsgemäss vorgeschlagen, am Ringsteg axial zwischen den Halterippen und dem Stabilisatorspalt ein radial vorstehendes Rückhalteelement anzuordnen. Reissen die Halterippen im Berstfall im Fussbereich, so wird der Ringsteg durch dieses Rückhalteelement axial durch die Halterippen formschlüssig zurückgehalten. The object of the invention is to make a compressor housing safer by a new structural design in case of burst of the compressor to keep the ring land in case of burst of the compressor axially, according to the invention proposed to arrange a radially projecting retaining element on the ring land axially between the holding ribs and the stabilizer gap. If the retaining ribs rupture in the foot region in the event of a burst, the annular web is retained in a form-fitting manner by this retaining element in an axially-locking manner by the retaining ribs.

Optional kann das Rückhaltelement rotationssymmetrisch als Ringkörper ausgebildet sein oder es können mehrere Rückhalteelemente jeweils lokal im Bereich einer Halterippe angeordnet sein. Optionally, the retaining element may be rotationally symmetrical in form of a ring body or a plurality of retaining elements may each be arranged locally in the region of a retaining rib.

Die rotationssymmetrische Ausführung des Rückhaltelements führt zu einer Versteifung der Einsatzwand und somit im Betrieb zu einer symmetrischen Deformation der Einsatzwand im Bereich des Verdichtereintritts, was sich günstig auf die Thermodynamik auswirkt. Dadurch können die Toleranzen zwischen den einzelnen Bauteilen verringert werden. The rotationally symmetrical design of the retaining element leads to a stiffening of the insert wall and thus during operation to a symmetrical deformation of the insert wall in the region of the compressor inlet, which has a favorable effect on the thermodynamics. As a result, the tolerances between the individual components can be reduced.

Das eine oder die mehreren Rückhalteelemente sind optional fluiddynamisch optimiert bereits bei der Herstellung in die Kontur des Ringstegs integriert oder nachträglich form-, kraft- oder materialschlüssig am Ringsteg befestigt. Weitere Vorteile ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen. The one or more retaining elements are optionally fluiddynamically optimized already integrated in the production in the contour of the ring land or subsequently positively, force or materially secured to the ring land. Further advantages emerge from the dependent claims.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen Brief description of the drawings

Im folgenden ist anhand der Figuren die erfindungsgemässe Vorrichtung schematisch dargestellt und näher erläutert. In the following, the device according to the invention is shown schematically and explained in more detail with reference to the figures.

In allen Figuren sind gleichwirkende Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen: In all figures, the same elements are provided with the same reference numerals:

1 zeigt in einem entlang der Verdichterachse geführten Schnitt ein Verdichtergehäuse mit einer integrierten Stabilisatorraum und einem diesen zum Strömungskanal hin begrenzenden, erfindungsgemäss mit einem radial vorstehenden Rückhalteelement ausgestatteten Ringsteg, welcher über Halterippen am Verdichtergehäuse befestigt ist, 1 shows in a guided along the compressor axis section of a compressor housing with an integrated stabilizer chamber and this to the flow channel towards limiting, according to the invention equipped with a radially projecting retaining element ring land, which is attached via retaining ribs on the compressor housing,

2 zeigt eine Ansicht in Richtung der Verdichterachse auf das Verdichtergehäuse nach 1, mit einem ringförmigen Rückhaltelement, und 2 shows a view in the direction of the compressor axis on the compressor housing 1 , with an annular retaining element, and

3 zeigt eine Ansicht in Richtung der Verdichterachse auf das Verdichtergehäuse nach 1, mit mehreren, jeweils im Bereich einer Halterippe angeordneten Rückhalteelementen. 3 shows a view in the direction of the compressor axis on the compressor housing 1 , with a plurality of retaining elements arranged in each case in the region of a retaining rib.

Weg zur Ausführung der Erfindung Way to carry out the invention

1 zeigt einen entlang der Rotationsachse des Verdichterrades 30 geführten Schnitt durch ein Gehäuse eines Radialverdichters, wie er etwa zum Verdichten von Luft in Abgasturboladern eingesetzt wird. Das Verdichtergehäuse ist zweigeteilt, wobei die Trennung in ein äusseres Verdichtergehäuse 20 und ein inneres Verdichtergehäuse 10 im Bereich des Spiralgehäuses stromabwärts des Verdichterrades erfolgt. 1 shows one along the axis of rotation of the compressor wheel 30 guided section through a housing of a centrifugal compressor, as used for example for compressing air in exhaust gas turbochargers. The compressor housing is split in two, the separation into an outer compressor housing 20 and an inner compressor housing 10 takes place in the region of the spiral housing downstream of the compressor wheel.

Das äussere Verdichtergehäuse 20 ist auf der Rückseite des Verdichterrades 30, in der Figur am rechten Rand am lediglich teilweise dargestellten Lagergehäuse, befestigt. Das innere Verdichtergehäuse 10 umfasst einen Teil der Spirale sowie die den Strömungskanal stromaufwärts der Spirale bildenden Gehäuseteile, die Einsatzwand 101 sowie stromauf des Verdichterrades 30 die Begrenzung des Strömungskanals 14 im Ansaugbereich des Verdichterrades. Im Bereich stromabwärts des Verdichterrades sind an der integrierten Gehäusewand 10 optional Leitschaufelprofile 25 des Diffusors angeordnet. The outer compressor housing 20 is on the back of the compressor wheel 30 , attached in the figure on the right edge of the bearing housing only partially shown. The inner compressor housing 10 comprises a part of the spiral and the flow channel upstream of the spiral forming housing parts, the insert wall 101 as well as upstream of the compressor wheel 30 the boundary of the flow channel 14 in the intake of the compressor wheel. In the area downstream of the compressor wheel are on the integrated housing wall 10 optional guide vane profiles 25 arranged the diffuser.

Im Innern des einteilig ausgebildeten inneren Verdichtergehäuses 10 ist der Stabilisatorraum 15 angeordnet, welcher sich in der dargestellten Ausführungsform über eine in axialer Richtung und in Umfangsrichtung unregelmässig verlaufende, relativ grosse radiale Höhe ausdehnt. Der Stabilisatorraum 15 ist über zwei Öffnungen mit dem Strömungskanal verbunden. Stromauf des Verdichterrades ist ein radialer Eintrittsspalt 12 angeordnet, welcher durch ein Gehäuseteil im Ansaugbereich, beispielsweise einem Gehäuseteil eines Schalldämpfers 40 oder Ansaugstutzens, sowie ein den Strömungskanal 14 im Ansaugbereich des Verdichterades umgebendes Gehäuseteil begrenzt ist. Stromab der Eintrittskante der Laufschaufeln 31 des Verdichterrades 30 und im Überdeckungsbereich zu dessen Einlauf ist ein radialer Stabilisatorspalt 11 angeordnet. Der zwischen den umlaufenden Spalten angeordnete Ringsteg 102 bildet im Ansaugbereichs des Verdichterrades 14 die Strömungskanalwand und ist über mehrere, radial nach aussen gerichtete Halterippen 103 mit dem inneren Verdichtergehäuse verbunden. Inside the one-piece inner compressor housing 10 is the stabilizer room 15 arranged, which in the illustrated embodiment extends over a relatively large radial height extending in the axial direction and in the circumferential direction irregularly. The stabilizer room 15 is connected via two openings with the flow channel. Upstream of the compressor wheel is a radial entrance gap 12 arranged, which by a housing part in the intake, for example, a housing part of a muffler 40 or Ansaugstutzens, as well as a flow channel 14 in the intake of the compressor wheel surrounding housing part is limited. Downstream of the leading edge of the blades 31 of the compressor wheel 30 and in the overlap area to its inlet is a radial stabilizer gap 11 arranged. The arranged between the circumferential columns ring land 102 forms in the intake of the compressor wheel 14 the flow channel wall and is over a plurality, radially outwardly directed retaining ribs 103 connected to the inner compressor housing.

Optional können schwingungsreduzierende Massnahmen verwirklicht sein. So können die Halterippen optional um ihre Achse verdreht ausgebildet sein. Die Halterippen können optional gegen die radiale Richtung schräg gestellt sein. Dabei können die Halterippen unterschiedliche Abweichungen zur radialen Richtung aufweisen. Insbesondere können die Halterippen auch gegenläufig schief gestellt angeordnet sein. Durch die in 2 und 3 angedeutete Schiefstellung der Halterippen 103 gegen die radiale Richtung, kann das Schwingungsverhalten gezielt beeinflusst werden. Die Halterippen können optional mit einem runden, konischen oder elliptischen Profil oder mit einem Strömungsprofil ausgestattet sein. Die insgesamt sehr weiche Struktur des integrierten inneren Verdichtergehäuses hat eine positive Auswirkung auf das Verhalten im Berstfall des Verdichterrades. Die langen Gehäuseteile lassen sich gut deformieren und absorbieren einen grossen Teil der im Verdichterrad gespeicherten Energie. Optionally, vibration-reducing measures can be implemented. Thus, the retaining ribs can optionally be formed rotated about its axis. The holding ribs can optionally be inclined against the radial direction. The retaining ribs may have different deviations from the radial direction. In particular, the holding ribs can also be arranged skewed in opposite directions. By the in 2 and 3 indicated skewing of the holding ribs 103 against the radial direction, the vibration behavior can be specifically influenced. The holding ribs can optionally be equipped with a round, conical or elliptical profile or with a flow profile. The overall very soft structure of the integrated inner compressor housing has a positive effect on the behavior in the event of bursting of the compressor wheel. The long housing parts can be easily deformed and absorb a large part of the energy stored in the compressor wheel.

Sollte es im Berstfall dennoch im Verbindungsbereich zwischen den Halterippen 103 und dem Ringsteg 102 aufgrund der hohen Beanspruchung zu einem Bruch kommen, so dass der Ringsteg im Extremfall komplett von den Halterippen losgerissen wird, gelangt das erfindungsgemäss am Ringsteg angeordnete Rückhalteelement 105 zum Einsatz. Das Rückhalteelement 105 ist in der Ausführungsform nach 1 ein umlaufender, ringförmiger radialer Vorsprung mit einem rechteckigen Querschnitt. Das Rückhaltelement ist integral mit dem Ringsteg ausgebildet. Optional kann der Vorsprung ein fluiddynamisch optimierter Querschnitt aufweisen und in die Kontur des Ringstegs integriert sein. Das Rückhalteelement 105 kann gemäss der Darstellung bereits bei der Herstellung integral mit dem Ringsteg gegossen werden oder (nicht dargestellt) nachträglich form-, kraft- oder materialschlüssig am Ringsteg befestigt werden beispielsweise durch Aufschrumpfen, Anschrauben, Anschweissen oder Angiessen. Should it still be in the connection area between the retaining ribs in the event of a burst 103 and the Ringsteg 102 due to the high stress to come to a break, so that the ring land is completely torn in extreme cases of the retaining ribs, the inventively arranged on the ring land retaining element passes 105 for use. The retaining element 105 is in the embodiment according to 1 a circumferential, annular radial projection with a rectangular cross-section. The retaining element is formed integrally with the annular web. Optionally, the projection may have a fluid-dynamic optimized cross-section and be integrated into the contour of the annular web. The retaining element 105 can already be molded integrally with the annular ridge according to the illustration or (not shown) later form, force or materially secured to the ring land, for example, by shrinking, screwing, welding or casting.

Im Falle eines Brechens der Verbindungsstellen zwischen den Halterippen 103 und dem Ringsteg 102 verhindert das Rückhaltelement 105 durch Anstehen an den Halterippen eine Verschiebung des Ringstegs 102 in axialer Richtung an den Halterippen vorbei. In case of breakage of the joints between the holding ribs 103 and the Ringsteg 102 prevents the retaining element 105 by queuing on the retaining ribs a displacement of the annular web 102 in the axial direction past the holding ribs.

2 zeigt eine Ansicht auf ein Verdichtergehäuse mit einer ersten, beispielhaften Ausführungsform des erfindungsgemässen Rückhalteelements. In diesem Fall ist das Rückhalteelement 105 wie oben beschrieben als ein ringförmiger, nach aussen gerichteter, radialer Vorsprung ausgebildet. 2 shows a view of a compressor housing with a first exemplary embodiment of the inventive retaining element. In this case, the retaining element 105 as described above as an annular, outwardly directed, radial projection.

Demgegenüber ist in der zweiten, beispielhaften Ausführungsform des erfindungsgemässen Rückhalteelements nach 3 der Ring in mehrere Ringsegmentstücke unterteilt, welche voneinander beabstandet angeordnet sind. Die Ringsegmentstücke sind derart verteilt, dass jeweils im Bereich eines Haltesteg ein Rückhalteelement 105´ angeordnet ist. In contrast, in the second, exemplary embodiment of the inventive retaining element according to 3 the ring divided into a plurality of ring segment pieces which are spaced from each other. The ring segment pieces are distributed such that in each case in the region of a retaining web a retaining element 105' is arranged.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

10 10: Inneres Verdichtergehäuse Inner compressor housing
101 101: Einsatzwand als Bestandteil des inneren Verdichtergehäuses Insert wall as part of the inner compressor housing
102 102: Ringsteg ring land
103 103: Halterippen retaining ribs
105, 105‘ 105, 105 ': Rückhalteelement(e) Retaining member (s)
11 11: Stabilisatorspalt stabilizer gap
12 12: Eintrittsspalt entrance slit
14 14: Strömungskanal im Ansaugbereich des Verdichters Flow channel in the intake of the compressor
15 15: Stabilisatorraum stabilizer space
20 20: Äusseres Verdichtergehäuse External compressor housing
25 25: Diffusor mit Leitvorrichtung Diffuser with guide
30 30: Verdichterrad compressor
31 31: Laufschaufeln des Verdichterrades Blades of the compressor wheel
40 40: Schalldämpfer silencer
5050: Befestigungsmittel zur Befestigung des Schalldämpfers am Verdichtergehäuse Fastener for attaching the muffler to the compressor housing

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

WO 2008/023070 A1 [0004]

Claims

Compressor housing of a centrifugal compressor, with an annular stabilizer space ( 15 ) which has a flow channel ( 14 ) surrounds in the intake of the compressor wheel and by a ring land ( 102 ) is covered with respect to the flow channel, the stabilizer space ( 15 ) via an entrance slit ( 12 ) upstream of the compressor impeller inlet and a stabilizer gap ( 11 ) downstream of the compressor impeller inlet with the flow channel ( 14 ), and wherein the ring land ( 102 ) via a plurality of radial retaining ribs ( 103 ) with the compressor housing ( 10 ), characterized in that at the ring land ( 102 ) between the retaining ribs and the stabilizer gap at least one radially projecting retaining element ( 105 . 105' ) is provided, which in case of breakage of the connection points between the holding ribs ( 103 ) and the ring land ( 102 ) by queuing on the retaining ribs prevents displacement of the annular web in the axial direction of the retaining ribs over.

Compressor housing according to claim 1, wherein the retaining element ( 105 ) is formed as a circumferential ring.

Compressor housing according to claim 1, wherein a plurality of retaining elements ( 105 ' ) are formed as segments of a circumferential ring.

Compressor housing according to claim 3, wherein the plurality of retaining elements ( 105' ) are spaced from each other.

Compressor housing according to claim 3 or 4, wherein the plurality of retaining elements ( 105' ) in each case in the region of the connection points between the retaining ribs ( 103 ) and the ring land ( 102 ) are arranged.

Compressor housing according to one of the preceding claims, wherein the at least one retaining projection ( 105 . 105' ) is an integral part of the ring land.

Compressor housing according to one of the preceding claims, wherein the at least one retaining projection ( 105 . 105' ) fluid-dynamically optimized in the contour of the annular ridge is integrated.

Compressor housing according to one of claims 1 to 5, wherein the at least one retaining projection is positively, force, or materially secured to the annular web.

Radial compressor, comprising a compressor housing according to one of claims 1 to 8.

Exhaust gas turbocharger, comprising a radial compressor with a compressor housing according to one of claims 1 to 8.