CH714389A2

CH714389A2 - Radial compressor.

Info

Publication number: CH714389A2
Application number: CH01272/18A
Authority: CH
Inventors: Benetschik Hannes; Heinz Christoph
Original assignee: Man Energy Solutions Se
Priority date: 2017-11-21
Filing date: 2018-10-18
Publication date: 2019-05-31
Also published as: CN109812453A; JP2019094897A; DE102017127421A1; US20190154041A1; KR20190058324A; CH714389B1

Abstract

Radialverdichter (10), insbesondere Radialverdichter eines Abgasturboladers, mit einem Laufrad (11); mit einem feststehenden Gehäuse (13); mit einem vom Gehäuse (13) definierten Hauptströmungskanal (14) zum Zuführen eines zu verdichtenden Mediums in Richtung auf das Laufrad (11); und mit einer radial ausserhalb des Hauptströmungskanals (14) angeordneten Sekundärströmungskammer (15), welche durch eine Konturwand (16) vom Hauptströmungskanal (14) abgegrenzt ist und welche mit dem Hauptströmungskanal über eine Sekundärströmungsöffnung (18) im Bereich des Laufrads (11) mit dem Hauptströmungskanal (14) verbunden ist. Im Meridianschnitt gesehen ist die Sekundärströmungsöffnung (18), über welche die Sekundärströmungskammer (15) im Bereich des Laufrads (11) mit dem Hauptströmungskanal (14) verbunden ist, gegenüber einer Radialrichtung schräggestellt oder geneigt.Radial compressor (10), in particular radial compressor of an exhaust gas turbocharger, with an impeller (11); with a fixed housing (13); with a main flow channel (14) defined by the housing (13) for supplying a medium to be compressed in the direction of the impeller (11); and a secondary flow chamber (15) arranged radially outside the main flow channel (14), which is delimited from the main flow channel (14) by a contour wall (16) and which communicates with the main flow channel via a secondary flow opening (18) in the region of the impeller (11) Main flow channel (14) is connected. Seen in the meridian section, the secondary flow opening (18), via which the secondary flow chamber (15) in the region of the impeller (11) is connected to the main flow channel (14), is tilted or inclined relative to a radial direction.

Description

Beschreibung [0001] Die Erfindung betrifft einen Radialverdichter gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1.Description: [0001] The invention relates to a radial compressor according to the preamble of claim 1.

[0002] Aus der EP 2 194 277 A1 ist ein Radialverdichter eines Abgasturboladers gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt. So zeigt die EP 2 194 272 A1 einen Radialverdichter mit einem rotierenden Laufrad und einem feststehenden Gehäuse. Das Gehäuse definiert einen Hauptströmungskanal, um zu verdichtendes Medium in Richtung auf das Laufrad zu führen. Ausserhalb des Hauptströmungskanals ist eine Sekundärströmungskammer angeordnet, welche durch eine Konturwand von dem Hauptströmungskanal abgegrenzt ist. Nach der EP 2 194 277 A1 erstreckt sich die Sekundärströmungskammer ausgehend von einem Ansaugbereich des Hauptströmungskanals bis zu einer Sekundärströmungsöffnung im Bereich des Laufrads. Im Bereich des Laufrads ist die Sekundärströmungskammer über die Sekundärströmungsöffnung mit dem Hauptströmungskanal verbunden. Innerhalb der Sekundärströmungskammer verlaufen Streben, welche die Konturwand, die den Hauptströmungskanal von der Sekundärströmungskammer abgrenzt, mit dem Gehäuse verbinden. Nach der EP 2 194 272 A1 erstreckt sich die Sekundärströmungsöffnung, über welche die Sekundärströmungskammer im Bereich des Laufrads mit dem Hauptströmungskanal verbunden ist, im Meridianschnitt gesehen in Radialrichtung.From EP 2 194 277 A1 a radial compressor of an exhaust gas turbocharger according to the preamble of claim 1 is known. Thus, EP 2 194 272 A1 shows a radial compressor with a rotating impeller and a fixed housing. The housing defines a main flow passage to guide medium to be compressed toward the impeller. Outside the main flow channel, a secondary flow chamber is arranged, which is delimited by a contour wall of the main flow channel. According to EP 2 194 277 A1, the secondary flow chamber extends from a suction region of the main flow channel to a secondary flow opening in the region of the impeller. In the region of the impeller, the secondary flow chamber is connected to the main flow channel via the secondary flow opening. Within the secondary flow chamber are struts connecting the contour wall defining the main flow channel from the secondary flow chamber to the housing. According to EP 2 194 272 A1, the secondary flow opening, via which the secondary flow chamber is connected to the main flow channel in the region of the impeller, extends in the radial direction in the meridian section.

[0003] Über eine solche Sekundärströmungskammer, die mit dem Hauptströmungskanal verbunden ist, lässt sich bereits die Kennfeldstabilität und damit das Betriebsverhalten eines Radialverdichters in gewissem Umfang verbessern.About such a secondary flow chamber, which is connected to the main flow channel, can already improve the map stability and thus the performance of a centrifugal compressor to some extent.

[0004] Mit zunehmender Drosselung des Radialverdichters erfährt das im Verdichter zu verdichtende Arbeitsmedium bereits im Eintrittsbereich des Laufrads einen hinreichenden Druckaufbau, sodass das Arbeitsmedium über die Sekundär-strömungs-kammer entgegengesetzt zur Strömungsrichtung im Hauptströmungskanal rezirkuliert, wobei auf diese Weise in einem Rezirkulations-Modus die aerodynamische Stabilität bei reduzierten Fördermengen des Verdichters erzielt werden kann.With increasing throttling of the centrifugal compressor to be compacted in the compressor working fluid already in the inlet region of the impeller experiences a sufficient pressure build-up, so that the working medium via the secondary flow chamber opposite to the flow direction in the main flow channel recirculated, in this way in a recirculation mode the aerodynamic stability can be achieved at reduced flow rates of the compressor.

[0005] Liegen hohe Anforderungen an den Durchsatz des Radialverdichters vor, so entsteht im Eintrittsbereich des Laufrads ein Druckgefälle, welches zur Folge hat, dass das Arbeitsmedium über die Sekundärströmungskammer in einer Richtung strömt, die sich in Strömungsrichtung durch den Hauptströmungskanal ersetzt, sodass dann die Sekundärströmungskammer nicht in dem Rezirkulations-Modus, sondern in einem Bypass-Modus durchströmt wird. Damit lassen sich dann hohe Fördermengen des Radialverdichters realisieren.If there are high demands on the throughput of the radial compressor, a pressure gradient arises in the inlet region of the impeller, which has the result that the working medium flows via the secondary flow chamber in a direction which replaces in the flow direction through the main flow channel, so that then the Secondary flow chamber is not flowed through in the recirculation mode, but in a bypass mode. This can then realize high flow rates of the centrifugal compressor.

[0006] Es besteht Bedarf daran, die Kennfeldstabilität eines Radialverdichters weiter zu verbessern. Insbesondere besteht Bedarf daran, den stabilen Arbeitsbereich in Richtung auf weiter reduzierte Fördermengen sowie das Schluckvermögen des Radialverdichters zu erhöhen.There is a need to further improve the map stability of a centrifugal compressor. In particular, there is a need to increase the stable working range in the direction of further reduced delivery rates as well as the absorption capacity of the centrifugal compressor.

[0007] Hiervon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, einen neuartigen Radialverdichter zu schaffen. Diese Aufgabe wird durch einen Radialverdichter gemäss Anspruch 1 gelöst. Erfindungsgemäss ist im Meridianschnitt gesehen die Sekundärströmungsöffnung, über welche die Sekundärströmungskammer im Bereich des Laufrads mit dem Hauptströmungskanal verbunden ist, gegenüber einer Radialrichtung schräggestellt oder geneigt. Mit diesen Massnahmen kann die Stabilität des Arbeitsbereichs des Radialverdichters weiter verbessert werden. Insbesondere kann der Arbeitsbereich hinsichtlich weiter reduzierter Fördermengen sowie hinsichtlich des Schluckvermögens erhöht werden.On this basis, it is an object of the invention to provide a novel radial compressor. This object is achieved by a radial compressor according to claim 1. According to the invention, viewed in the meridian section, the secondary flow opening, via which the secondary flow chamber is connected to the main flow channel in the region of the impeller, is inclined or inclined relative to a radial direction. With these measures, the stability of the working range of the centrifugal compressor can be further improved. In particular, the work area can be increased in terms of further reduced delivery rates and in terms of the swallowing capacity.

[0008] Nach einer vorteilhaften Weiterbildung schliesst im Meridianschnitt gesehen die Sekundärströmungsöffnung, über welche die Sekundärströmungskammer im Bereich des Laufrads mit dem Hauptströmungskanal verbunden ist, mit der Radialrichtung einen Winkel zwischen 10° und 80°, bevorzugt einen Winkel zwischen 10° und 70°, besonders bevorzugt einen Winkel zwischen 20° und 70°, höchst bevorzugt einen Winkel zwischen 20° und 60°, ein. Mit diesen Winkelbereichen, in welchen die Sekundärströmungsöffnung im Meridianschnitt gesehen gegenüber der Radialrichtung geneigt ist, kann der stabile Arbeitsbereich des Radialverdichters besonders bevorzugt erweitert werden, insbesondere zur Bereitstellung weiter reduzierter Fördermengen sowie zur Erweiterung des Schluckvermögens.According to an advantageous development closes in the meridian section, the secondary flow opening, via which the secondary flow chamber is connected in the region of the impeller with the main flow channel, with the radial direction an angle between 10 ° and 80 °, preferably an angle between 10 ° and 70 °, more preferably an angle between 20 ° and 70 °, most preferably an angle between 20 ° and 60 °, a. With these angular ranges in which the secondary flow opening, as seen in the meridian section, is inclined with respect to the radial direction, the stable working range of the centrifugal compressor can be extended particularly preferably, in particular to provide further reduced delivery rates and to expand the absorption capacity.

[0009] Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:Preferred embodiments of the invention will become apparent from the dependent claims and the description below. Embodiments of the invention will be described, without being limited thereto, with reference to the drawings. Showing:

Fig. 1: einen schematisierten Meridianschnitt durch einen erfindungsgemässen Radialverdichter.1 shows a schematic meridian section through a radial compressor according to the invention.

[0010] Fig. 1 zeigt einen ausschnittsweisen Querschnitt durch ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemässen Radialverdichters 10.Fig. 1 shows a fragmentary cross section through a preferred embodiment of an inventive radial compressor 10th

[0011] Ein Radialverdichter 10 verfügt über ein rotierendes Laufrad 11 mit mehreren Laufschaufeln 12. Ferner verfügt ein Radialverdichter 10 über ein feststehendes Gehäuse 13. Das Gehäuse 13 des Radialverdichters 10 definiert einen Hauptströmungskanal 14 für zu verdichtendes Medium, um über den Hauptströmungskanal 14 das zu verdichtende Medium in Richtung auf das Laufrad 11 zu führen. Ausserhalb des Hauptströmungskanals 14 definiert das Gehäuse 13 eine Sekundärströmungskammer 15. Eine Konturwand 16, die auch als Ringsteg bezeichnet wird, begrenzt den Hauptströmungskanal 14 von der Sekundärströmungskammer 15 ab.A radial compressor 10 has a rotating impeller 11 with a plurality of blades 12. Further, a radial compressor 10 has a fixed housing 13. The housing 13 of the centrifugal compressor 10 defines a main flow channel 14 for medium to be compressed to the main flow channel 14 to To cause compacting medium in the direction of the impeller 11. Outside the main flow channel 14, the housing 13 defines a secondary flow chamber 15. A contour wall 16, which is also referred to as a ring land, delimits the main flow channel 14 from the secondary flow chamber 15.

[0012] Die Sekundärströmungskammer 15 erstreckt sich von einem Abschnitt stromaufwärts des Laufrads 11 bis in den Bereich des Laufrads 11 hinein. So zeigt Fig. 1, dass stromaufwärts des Laufrads 11 eine erste Sekundärströmungsöff- nung 17 ausgebildet ist, über die die Sekundärströmungskammer 15 in Strömungsrichtung des zur verdichtenden Mediums gesehen stromaufwärts des Laufrads 11 mit dem Hauptströmungskanal 14 verbunden ist. Eine zweite Sekundärströmungsöffnung 18 ist im Bereich des Laufrads 11 ausgebildet, über welche die Sekundärströmungskammer 15 im Bereich des Laufrads 11 mit dem Hauptströmungskanal 14 verbunden ist.The secondary flow chamber 15 extends from a portion upstream of the impeller 11 into the region of the impeller 11. Thus, FIG. 1 shows that upstream of the impeller 11, a first secondary flow opening 17 is formed, via which the secondary flow chamber 15 is connected to the main flow channel 14 upstream of the impeller 11 in the flow direction of the medium to be compressed. A second secondary flow opening 18 is formed in the region of the impeller 11, via which the secondary flow chamber 15 is connected to the main flow passage 14 in the region of the impeller 11.

[0013] Innerhalb der Sekundärströmungskammer 15 erstrecken sich Streben 19. Über die Streben 19 ist die Konturwand 16 mit dem Gehäuse 13 verbunden.Within the secondary flow chamber 15 struts 19 extend over the struts 19, the contour wall 16 is connected to the housing 13.

[0014] Diejenige Sekundärströmungsöffnung 18, über welche die Sekundärströmungskammer 15 im Bereich des Laufrads 11 mit dem Hauptströmungskanal 14 verbunden ist, ist erfindungsgemäss im Meridianschnitt gesehen gegenüber einer Radialrichtung R schräg gestellt.The one secondary flow opening 18, via which the secondary flow chamber 15 is connected in the region of the impeller 11 with the main flow channel 14, according to the invention seen in the meridian section opposite to a radial direction R obliquely.

[0015] Im Meridianschnitt gesehen schliesst dabei die Sekundärströmungsöffnung 18, über welche die Sekundärströmungskammer 15 im Bereich des Laufrads 11 mit dem Hauptströmungskanal 14 verbunden sind, mit der Radialrichtung R einen Winkel a ein. Dieser Winkel a liegt zwischen 10° und 80°, bevorzugt zwischen 10° und 70°, besonders bevorzugt zwischen 20° und 70°, höchst bevorzugt zwischen 20° und 60°.As seen in the meridian section, the secondary flow opening 18, via which the secondary flow chamber 15 in the region of the impeller 11 is connected to the main flow channel 14, encloses an angle a with the radial direction R. This angle a is between 10 ° and 80 °, preferably between 10 ° and 70 °, more preferably between 20 ° and 70 °, most preferably between 20 ° and 60 °.

[0016] In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung beträgt der Winkel a 25° ± 15°, vorzugsweise 25° ± 10°, vorzugsweise 25° ± 5°.In a particularly preferred embodiment of the invention, the angle a is 25 ° ± 15 °, preferably 25 ° ± 10 °, preferably 25 ° ± 5 °.

[0017] Durch die erfindungsgemässe Ausführung der Sekundärströmungsöffnung 18, über welche die Sekundärströmungskammer 15 im Bereich des Laufrads mit dem Hauptströmungskanal 15 verbunden ist, können folgende Vorteile erzielt werden.By the inventive design of the secondary flow port 18 through which the secondary flow chamber 15 is connected in the region of the impeller with the main flow channel 15, the following advantages can be achieved.

[0018] Bei Annäherung an die Pumpgrenze des Radialverdichters wird eine Rezirkulation des im Radialverdichter zu verdichtenden Mediums im Bereich der Sekundärströmungskammer 15 begünstigt. In Fig. 1 visualisiert ein Pfeil I die Rezirkulation des Arbeitsmediums durch die Sekundärströmungskammer 15, und zwar ausgehend von der Sekundärströmungsöffnung 18 im Bereich des Laufrads 11 in Richtung auf die Sekundärströmungsöffnung 17 stromaufwärts des Laufrads 11 entgegengesetzt zur Strömungsrichtung der Hauptströmung, die in Fig. 1 durch den Pfeil III visualisiert ist.When approaching the surge line of the centrifugal compressor, a recirculation of the medium to be compressed in the radial compressor in the region of the secondary flow chamber 15 is favored. In Fig. 1, an arrow I visualizes the recirculation of the working fluid through the secondary flow chamber 15, starting from the secondary flow port 18 in the region of the impeller 11 in the direction of the secondary flow port 17 upstream of the impeller 11 opposite to the flow direction of the main flow shown in Fig. 1st visualized by the arrow III.

[0019] Bei Annäherung an die Schluckgrenze bzw. Sperrgrenze des Radialverdichters wird eine Bypass-Strömung durch die Sekundärströmungskammer 15 begünstigt, wobei eine solche Bypass-Strömung in Fig. 1 durch den Pfeil II visualisiert ist. Diese Bypass-Strömung II dient der Bereitstellung hoher Fördermengen im Bereich der Sperrgrenze bzw. Schluckgrenze und ist ausgehend von der Sekundärströmungsöffnung 17 stromaufwärts des Laufrads 11 in Richtung auf die Sekundärströmungsöffnung 18 im Bereich des Laufrads 11 gerichtet. Diese Bypass-Strömung II kann nahezu ohne Drosselungseffekte der Hauptströmung zugeführt werden. Es kann demnach nicht nur die Pumpgrenze, sondern auch die Schluckgrenze bzw. Sperrgrenze erweitert werden.When approaching the intake limit or blocking limit of the centrifugal compressor, a bypass flow is promoted by the secondary flow chamber 15, wherein such a bypass flow is visualized in Fig. 1 by the arrow II. This bypass flow II is used to provide high flow rates in the area of the limit and / or absorption limit and is directed from the secondary flow opening 17 upstream of the impeller 11 in the direction of the secondary flow opening 18 in the region of the impeller 11. This bypass flow II can be fed to the main flow with almost no throttling effects. Accordingly, not only the surge limit, but also the swallow limit or blocking limit can be extended.

[0020] Dadurch kann letztendlich der Arbeitsbereich des Radialverdichters erheblich erweitert werden. Bei einem Turbolader, welcher den erfindungsgemässen Radialverdichter nutzt, kann der Wirkungsgrad gesteigert werden. Ferner kann ein schnelleres Ansprechverhalten bei Lastaufschaltung realisiert werden.As a result, ultimately, the working range of the centrifugal compressor can be considerably expanded. In a turbocharger which uses the radial compressor according to the invention, the efficiency can be increased. Furthermore, a faster load response response can be realized.

[0021] Übergangskonturen der Sekundärströmungsöffnung 18 im Bereich des Laufrads 11 zum Gehäuse 13 sowie zur Konturwand 16 können scharfkantig oder auch abgerundet ausgeführt sein.Transition contours of the secondary flow opening 18 in the region of the impeller 11 to the housing 13 and the contour wall 16 may be executed sharp-edged or rounded.

[0022] Die Sekundärströmungsöffnung 18 ist vorzugsweise als ein in Umfangsrichtung umlaufende Schlitz ausgeführt.The secondary flow opening 18 is preferably designed as a peripheral circumferential slot.

Bezugszeichenliste [0023] 10 Radialverdichter 11 Laufrad 12 Laufschaufel 13 Gehäuse 14 Hauptströmungskanal 15 Sekundärströmungskammer 16 Konturwand 17 Sekundärströmungsöffnung 18 Sekundärströmungsöffnung 19 Strebe[0023] 10 Radial Compressor 11 impeller 12 blade 13 housing 14 main flow channel 15 secondary flow chamber 16 contour wall 17 secondary flow port 18 secondary flow port 19 strut

Claims

claims

1. Radial compressor (10), in particular radial compressor of an exhaust gas turbocharger, with a rotating impeller (11); with a fixed housing (13); with a main flow channel (14) defined by the housing (13) for supplying a medium to be compressed in the direction of the impeller (11); with a secondary flow chamber (15) arranged radially outside the main flow channel (14), which is delimited by a contour wall (16) from the main flow channel (14) and which communicates with the main flow channel via a secondary flow opening (18) in the region of the impeller (11) with the main flow channel (14) is connected; characterized in that seen in the meridian section, the secondary flow opening (18), via which the secondary flow chamber (15) in the region of the impeller (11) is connected to the main flow channel (14) is inclined or inclined with respect to a radial direction.

2. Radial compressor according to claim 1, characterized in that seen in the meridian section, the secondary flow opening (18) through which the secondary flow chamber (15) in the region of the impeller (11) is connected to the main flow channel (14), with the radial direction an angle between 10th ° and 80 ° includes.

3. Radial compressor according to claim 2, characterized in that seen in the meridian section, the secondary flow opening (18) with the radial direction forms an angle between 10 ° and 70 °.

4. Radial compressor according to claim 3, characterized in that seen in the meridian section, the secondary flow opening (18) with the radial direction forms an angle between 20 ° and 70 °.

5. Radial compressor according to claim 4, characterized in that seen in the meridian section, the secondary flow opening (18) with the radial direction forms an angle between 20 ° and 60 °.

6. Radial compressor according to one of claims 1 to 5, characterized in that the secondary flow chamber (15) with the main flow channel (14) seen in the flow direction of the medium to be compressed upstream of the impeller (11) via a further secondary flow opening (17) with the main flow channel ( 14) is connected.