CH714854B1

CH714854B1 - centrifugal compressor and turbocharger.

Info

Publication number: CH714854B1
Application number: CH00222/19A
Authority: CH
Inventors: Klima Jiri; Rezanina Jan
Original assignee: Man Energy Solutions Se
Priority date: 2018-03-27
Filing date: 2019-02-21
Publication date: 2022-02-28
Also published as: DE102018107264A1; CN110307180A; US20190301487A1; CH714854A2; RU2019108603A; KR20190113553A; JP2019173750A

Abstract

Radialverdichter (10) mit einem Laufschaufeln aufweisenden Verdichterrotor (14), und mit einem einen Diffusor (13) aufnehmenden Verdichtergehäuse (11), wobei der Diffusor (13) einen von den Laufschaufeln des Verdichterrotors (14) wegführenden Strömungskanal zumindest abschnittsweise begrenzt, und wobei der Diffusor (13) ausschließlich Stützschaufeln (16) aufweist.Centrifugal compressor (10) with a compressor rotor (14) having rotor blades and with a compressor housing (11) accommodating a diffuser (13), the diffuser (13) delimiting at least in sections a flow channel leading away from the rotor blades of the compressor rotor (14), and wherein the diffuser (13) has only support vanes (16).

Description

[0001] Die Erfindung betrifft einen Radialverdichter und einen Turbolader. The invention relates to a centrifugal compressor and a turbocharger.

[0002] Turbolader verfügen über einen Verdichter und eine Turbine. In der Turbine eines Turboladers wird ein erstes Medium entspannt, wobei hierbei gewonnene Energie in dem Verdichter des Turboladers genutzt wird, um ein zweites Medium zu verdichten. Die hier vorliegende Erfindung betrifft einen Radialverdichter eines Turboladers sowie einen Turbolader mit einem Radialverdichter. [0002] Turbochargers have a compressor and a turbine. A first medium is expanded in the turbine of a turbocharger, with the energy gained in the process being used in the compressor of the turbocharger to compress a second medium. The present invention relates to a radial compressor of a turbocharger and a turbocharger with a radial compressor.

[0003] Ein Radialverdichter eines Turboladers verfügt über ein Verdichtergehäuse sowie einen Verdichterrotor. Der Verdichterrotor des Radialverdichters ist axial angeströmt und radial abgeströmt, wobei der Verdichterrotor Laufschaufeln trägt. Das Verdichtergehäuse nimmt ein Einsatzstück sowie einen Diffusor auf, wobei das Einsatzstück einen zu den Laufschaufeln des Verdichterrotors hinführenden Strömungskanal und der Diffusor einen von den Laufschaufeln des Verdichterrotors wegführenden Strömungskanal des Radialverdichters zumindest abschnittsweise begrenzt. A centrifugal compressor of a turbocharger has a compressor housing and a compressor rotor. The compressor rotor of the centrifugal compressor has an axial flow and a radial flow, with the compressor rotor carrying moving blades. The compressor housing accommodates an insert piece and a diffuser, the insert piece delimiting at least in sections a flow duct leading to the rotor blades of the compressor rotor and the diffuser delimiting a flow duct of the centrifugal compressor leading away from the rotor blades of the compressor rotor.

[0004] Aus der EP 1 340 920 B1 ist ein Radialverdichter mit einem Diffusor bekannt, wobei der Diffusor des dort offenbarten Radialverdichters Diffusorleitschaufeln aufweist. Derartige Diffusorleitschaufeln eines Diffusors eines Radialverdichters bestimmen maßgeblich den sich von den Leitschaufeln des Verdichterrotors wegführenden Strömungskanal. Dabei ist über den Umfang des Diffusors gesehen eine relativ hohe Anzahl von Diffusorleitschaufeln angeordnet, nämlich mindestens 16 Diffusorleitschaufeln, die sich demnach mit geringem Umfangsabstand zueinander erstrecken und eine relativ große Länge zwischen einer Anströmkante und einer Abströmkante aufweisen. [0004] A radial compressor with a diffuser is known from EP 1 340 920 B1, the diffuser of the radial compressor disclosed there having diffuser vanes. Such diffuser guide vanes of a diffuser of a radial compressor decisively determine the flow channel leading away from the guide vanes of the compressor rotor. Viewed over the circumference of the diffuser, a relatively high number of diffuser guide vanes is arranged, namely at least 16 diffuser guide vanes, which accordingly extend at a small circumferential distance from one another and have a relatively large length between a leading edge and a trailing edge.

[0005] Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen neuartigen Radialverdichter und einen Turbolader mit einem solchen Radialverdichter zu schaffen. Proceeding from this, the object of the present invention is to create a new type of radial compressor and a turbocharger with such a radial compressor.

[0006] Diese Aufgabe wird durch einen Radialverdichter nach Anspruch 1 gelöst. Erfindungsgemäß weist der Diffusor ausschließlich Stützschaufeln auf. Der erfindungsgemäße Diffusor weist keine Diffusorleitschaufeln, sondern vielmehr lediglich Stützschaufeln auf. Die Stützschaufeln bestimmen im Gegensatz zu Diffusorleitschaufeln nicht maßgeblich den von den Laufschaufeln des Verdichterrotors wegführenden Strömungskanal. Die Stützschaufeln dienen im Wesentlichen lediglich der verbesserten Fixierung des Diffusors im Radialverdichter. Die Strömung des verdichteten Mediums wird durch die Stützschaufeln so gut wie nicht beeinflusst. Ein solcher Diffusor ermöglicht es, die Vorteile von mit Diffusorleitschaufeln beschaufelten Diffusoren mit den Vorteilen schaufellosen Diffusoren zu kombinieren. Insbesondere wird das sogenannte Kennfeld des Radialverdichters nicht eingeschränkt. [0006] This object is achieved by a centrifugal compressor according to claim 1. According to the invention, the diffuser has only support vanes. The diffuser according to the invention has no diffuser guide vanes, but rather only supporting vanes. In contrast to diffuser guide vanes, the support vanes do not significantly determine the flow channel leading away from the moving vanes of the compressor rotor. The support blades essentially only serve to improve the fixation of the diffuser in the centrifugal compressor. The flow of the compressed medium is hardly affected by the support vanes. Such a diffuser makes it possible to combine the advantages of vaned diffusers with the advantages of bladeless diffusers. In particular, the so-called map of the radial compressor is not restricted.

[0007] Nach einer vorteilhaften Weiterbildung weist der Diffusor über seinen Umfang verteilt 3 bis 10 Stützschaufeln, vorzugsweise zwischen 3 bis 7 Stützschaufeln, auf. Eine derart geringe Anzahl von Stützschaufeln ist bevorzugt, um die Vorteile von schaufellosen Diffusoren beizubehalten. According to an advantageous further development, the diffuser has 3 to 10 support blades, preferably between 3 to 7 support blades, distributed over its circumference. Such a small number of support vanes is preferred to retain the advantages of vaneless diffusers.

[0008] Nach einer vorteilhaften Weiterbildung liegen radial innere Kanten der Stützschaufein auf einem Durchmesser d3, wobei für den Durchmesser d3, auf dem die radial innere Kanten der Stützschaufeln liegen, gilt: 1,2*d2≤d3≤1,35*d2, wobei d2 ein Außendurchmesser des Verdichterrotors des Radialverdichters ist. Auch diese Details dienen der Beibehaltung der Vorteile schaufelloser Diffusoren. According to an advantageous development, the radially inner edges of the support blades lie on a diameter d3, the following applies to the diameter d3 on which the radially inner edges of the support blades lie: 1.2*d2≦d3≦1.35*d2, where d2 is an outer diameter of the compressor rotor of the centrifugal compressor. Again, these details serve to retain the advantages of bladeless diffusers.

[0009] Nach einer vorteilhaften Weiterbildung liegen radial äußere Kanten der Stützschaufeln auf einem Durchmesser. Für eine durch den Abstand zwischen radial inneren Kanten und radial äußeren Kanten bestimmte Länge L der Stützschaufeln gilt: 0,1*d2≤L≤0,3*d2, wobei d2 der Außendurchmesser des Verdichterrotors des Radialverdichters ist. Mit einer derartigen Länge der Stützschaufeln können die Vorteile von schaufellosen Diffusoren beibehalten werden. According to an advantageous development, the radially outer edges of the support blades lie on a diameter. For a length L of the support blades determined by the distance between radially inner edges and radially outer edges, the following applies: 0.1*d2≦L≦0.3*d2, where d2 is the outer diameter of the compressor rotor of the centrifugal compressor. With such a length of support vanes, the advantages of vaneless diffusers can be retained.

[0010] Der erfindungsgemäße Turbolader ist in Anspruch 9 definiert. The turbocharger according to the invention is defined in claim 9.

[0011] 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: Fig. 1 einen Axialschnitt durch ein Detail eines Radialverdichters; Fig. 2 eine Ansicht auf einen Diffusor des Radialverdichters in Blickrichtung II der Fig. 1.Preferred developments of the invention result from the dependent claims and the following description. Exemplary embodiments of the invention are explained in more detail with reference to the drawing, without being limited thereto. 1 shows an axial section through a detail of a centrifugal compressor; Fig. 2 shows a view of a diffuser of the centrifugal compressor in viewing direction II of Fig. 1.

[0012] Die Erfindung betrifft einen Radialverdichter und einen Turbolader mit einem Radialverdichter. The invention relates to a radial compressor and a turbocharger with a radial compressor.

[0013] Der grundsätzliche Aufbau eines Turboladers ist dem hier angesprochenen Fachmann geläufig. An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass ein Turbolader über einen Verdichter und eine Turbine verfügt. In der Turbine des Turboladers wird ein erstes Medium, insbesondere Abgas, entspannt und hierbei Energie gewonnen. Die bei der Entspannung des ersten Mediums in der Turbine gewonnene Energie wird im Verdichter des Turboladers genutzt, um ein zweites Medium, insbesondere Ladeluft, zu verdichten. The basic structure of a turbocharger is familiar to the person skilled in the art addressed here. At this point it should be noted that a turbocharger has a compressor and a turbine. A first medium, in particular exhaust gas, is expanded in the turbine of the turbocharger and energy is gained in the process. The energy gained in the expansion of the first medium in the turbine is used in the compressor of the turbocharger in order to compress a second medium, in particular charge air.

[0014] Die hier vorliegende Erfindung betrifft einen Turbolader sowie einen Radialverdichter für einen Turbolader, wobei ein Radialverdichter vom zu verdichtenden Medium in Axialrichtung angeströmt und vom verdichteten Medium in Radialrichtung abgeströmt ist. The present invention relates to a turbocharger and a centrifugal compressor for a turbocharger, wherein a centrifugal compressor flows in the axial direction from the medium to be compressed and flows out from the compressed medium in the radial direction.

[0015] Die Turbine (nicht gezeigt) eines Turboladers verfügt über einen Turbinenrotor und ein Turbinengehäuse. Der Verdichter, nämlich der Radialverdichter 10, verfügt über ein Verdichtergehäuse 11 und einen Verdichterrotor 14. Turbinenrotor und Verdichterrotor 14 sind über eine Welle (nicht gezeigt) gekoppelt, die in einem Lagergehäuse 15 gelagert ist. Das Lagergehäuse 15 ist einerseits mit dem Turbinengehäuse der Turbine und andererseits mit dem Verdichtergehäuse 11 des Radialverdichters 10 verbunden. The turbine (not shown) of a turbocharger has a turbine rotor and a turbine housing. The compressor, namely the centrifugal compressor 10, has a compressor housing 11 and a compressor rotor 14. The turbine rotor and compressor rotor 14 are coupled via a shaft (not shown), which is mounted in a bearing housing 15. The bearing housing 15 is connected to the turbine housing of the turbine on the one hand and to the compressor housing 11 of the radial compressor 10 on the other hand.

[0016] Fig. 1 zeigt weiterhin ein Einsatzstück 12 und einen Diffusor 13. Das Einsatzstück 12 begrenzt einen zu den Laufschaufeln des Verdichterrotors 14 hinführenden Strömungskanal und der Diffusor 13 begrenzt einen von den Laufschaufeln des Verdichterrotors 14 wegführenden Strömungskanal jeweils zumindest abschnittsweise. 1 also shows an insert piece 12 and a diffuser 13. The insert piece 12 delimits a flow channel leading to the rotor blades of the compressor rotor 14 and the diffuser 13 delimits a flow channel leading away from the rotor blades of the compressor rotor 14, at least in sections.

[0017] Der Diffusor 13 des erfindungsgemäßen Radialverdichters 10 verfügt über keine Diffusorleitschaufeln, welche die Strömungsführung des Mediums stromabwärts des Verdichterrotors 14 maßgeblich definieren, sondern lediglich über Stützschaufein 16, die der vereinfachten Montage und dem vereinfachten Einbau des Diffusors 13 im Verdichtergehäuse 11 dienen. The diffuser 13 of the radial compressor 10 according to the invention does not have any diffuser guide vanes, which decisively define the flow guidance of the medium downstream of the compressor rotor 14, but only support vanes 16, which serve to simplify assembly and installation of the diffuser 13 in the compressor housing 11.

[0018] Über den Umfang des Diffusors 13 sind zwischen 3 und 10 Stützschaufeln 16, bevorzugt zwischen 3 und 7 Stützschaufeln 16, besonders bevorzugt zwischen 4 und 6 Stützschaufeln 16, verteilt. Wie Fig. 2 entnommen werden kann, sind im gezeigten, bevorzugten Ausführungsbeispiel 5 Stützschaufeln 16 über den Umfang des Diffusors 13 verteilt. About the circumference of the diffuser 13 are between 3 and 10 support blades 16, preferably between 3 and 7 support blades 16, particularly preferably between 4 and 6 support blades 16, distributed. As can be seen in FIG. 2, in the preferred exemplary embodiment shown, 5 support vanes 16 are distributed over the circumference of the diffuser 13.

[0019] Zwischen den einzelnen Stützschaufeln 16 ist ein relativ großer Abstand ausgebildet, insbesondere ist in Radialrichtung gesehen, keine Überdeckung zwischen benachbarten Stützschaufeln 16 vorhanden. Die Stützschaufeln 16 beeinflussen demnach eine Strömung des verdichteten Mediums stromabwärts der Laufschaufeln 14 des Verdichterrotors 14 so gut wie nicht. Der Abstand zwischen unmittelbar benachbarten Stützschaufeln 16 in Umfangsrichtung gesehen beträgt mindestens 10°, bevorzugt mindestens 20°, besonders bevorzugt mindestens 30°. In diesem Winkelbereich erstreckt sich dann in Radialrichtung sowie Umfangsrichtung gesehen keine der Stützschaufeln 16. In diesem Winkelbereich kann demnach die Strömung des verdichteten Mediums ungehindert und nicht umgelenkt an den Stützschaufeln 16 vorbeiströmen. A relatively large distance is formed between the individual support blades 16, in particular seen in the radial direction, there is no overlap between adjacent support blades 16. The support blades 16 therefore hardly influence a flow of the compressed medium downstream of the moving blades 14 of the compressor rotor 14 . The distance between immediately adjacent support blades 16 seen in the circumferential direction is at least 10°, preferably at least 20°, particularly preferably at least 30°. In this angular range, none of the support blades 16 extends, viewed in the radial direction or in the circumferential direction. In this angular range, the flow of the compressed medium can therefore flow past the support blades 16 unhindered and not deflected.

[0020] Radial innere Kanten 17 der Stützschaufeln 16, die auch als Anströmkanten bezeichnet werden, liegen auf einem Kreis bzw. einer Kreiskontur mit dem Durchmesser d3. Für diesen Durchmesser d3, auf dem die radial inneren Kanten 17 der Stützschaufeln 16 liegen, gilt: 1,2*d2≤d3≤1,35*d2. wobei d2 der Außendurchmesser des Verdichterrotors 14 des Radialverdichters ist. Radially inner edges 17 of the support blades 16, which are also referred to as leading edges, lie on a circle or a circular contour with the diameter d3. For this diameter d3, on which the radially inner edges 17 of the support blades 16 lie, the following applies: 1.2*d2≦d3≦1.35*d2. where d2 is the outer diameter of the compressor rotor 14 of the centrifugal compressor.

[0021] Zusätzlich zu den radial inneren Kanten 17 verfügen die Stützschaufeln 16 auch über radial äußere Kanten 18, die auch als Abströmkanten bezeichnet werden. Ein Abstand zwischen den radial inneren Kanten 17 und den radial äußeren Kanten 18 bestimmt eine Länge L der Stützschaufeln 16. Für die Länge L gilt: 0,1*d2≤L≤0,3*d2, wobei d2 wiederum der Außendurchmesser des Verdichterrotors 14 ist. In addition to the radially inner edges 17, the support blades 16 also have radially outer edges 18, which are also referred to as trailing edges. A distance between the radially inner edges 17 and the radially outer edges 18 determines a length L of the support blades 16. The following applies to the length L: 0.1*d2≦L≦0.3*d2, where d2 in turn is the outer diameter of the compressor rotor 14 is.

[0022] Die radial äußeren Kanten 18 liegen auf einer Kreiskontur mit dem Durchmesser d4. Für diesen Durchmesser d4, auf dem die radial äußeren Kanten 18 der Stützschaufeln 16 liegen, gilt: 1,4*d2≤d4≤1,55*d2, wobei d2 wiederum der Außendurchmesser des Verdichterrotors 14 des Radialverdichters 10 ist. The radially outer edges 18 lie on a circular contour with a diameter d4. For this diameter d4, on which the radially outer edges 18 of the support blades 16 lie, the following applies: 1.4*d2≦d4≦1.55*d2, where d2 in turn is the outer diameter of the compressor rotor 14 of the radial compressor 10.

[0023] Mit der hier vorliegenden Erfindung wird demnach ein Radialverdichter 10 bzw. ein Turbolader mit einem Radialverdichter 10 vorgeschlagen, wobei der Diffusor 13 des Radialverdichters 10 Stützschaufeln 16 aufweist, die eine relativ geringe Länge L aufweisen, die eine relativ geringe Radialerstreckung aufweisen, die durch die Differenz d4-d3 definiert ist, und die darüber hinaus in Umfangsrichtung gesehen einen relativ großen Abstand aufweisen. Auf diese Art und Weise können die Vorteile von schaufellosen Diffusoren beibehalten werden. Der Diffusor 13 kann einfach im Verdichtergehäuse 11 montiert werden. With the present invention, a radial compressor 10 or a turbocharger with a radial compressor 10 is therefore proposed, wherein the diffuser 13 of the radial compressor 10 has support blades 16 which have a relatively small length L, which have a relatively small radial extension, the is defined by the difference d4-d3, and which, in addition, have a relatively large spacing as seen in the circumferential direction. In this way, the benefits of vaneless diffusers can be retained. The diffuser 13 can easily be installed in the compressor housing 11 .

BezugszeichenlisteReference List

[0024] 10 Radialverdichter 11 Verdichtergehäuse 12 Einsatzstück 13 Diffusor 14 Verdichterrotor 15 Lagergehäuse 16 Stützschaufel 17 Kante 18 Kante 10 centrifugal compressor 11 compressor housing 12 insert 13 diffuser 14 compressor rotor 15 bearing housing 16 support blade 17 edge 18 edge

Claims

1. Centrifugal compressor (10), with a bladed compressor rotor (14); a compressor housing (11) accommodating a diffuser (13), the diffuser (13) delimiting at least in sections a flow channel leading away from the rotor blades of the compressor rotor (14); characterized in that the diffuser (13) has only support vanes (16).

2. Centrifugal compressor according to claim 1, characterized in that the diffuser (13) has 3 to 10 support blades (16) distributed over its circumference.

3. Centrifugal compressor according to claim 1 or 2, characterized in that the diffuser (13) has 3 to 7 supporting blades (16) distributed over its circumference.

4. Centrifugal compressor according to one of claims 1 to 3, characterized in that radially inner edges (17) of the support blades (16) lie on a circular contour with a diameter d3.

5. Centrifugal compressor according to claim 4, characterized in that the following applies to the diameter d3 on which the radially inner edges (17) of the support blades (16) lie: 1.2*d2≦d3≦1.35*d2, where d2 is a Outside diameter of the compressor rotor (14) of the centrifugal compressor.

6. Centrifugal compressor according to one of claims 1 to 5, characterized in that radially outer edges (18) of the support blades (16) lie on a circular contour with a diameter d4.

7. Centrifugal compressor according to claim 6, characterized in that the following applies to the diameter d4 on which the radially outer edges (18) of the support blades (16) lie: 1.4*d2≦d4≦1.55*d2, where d2 is a Outside diameter of a compressor rotor (14) of the centrifugal compressor

8. Centrifugal compressor according to one of claims 3 to 4, characterized in that for a length L of the support blades (16) determined by the distance between radially inner edges (17) and radially outer edges (18): 0.1*d2≦L ≤0.3*d2, where d2 is an outer diameter of a compressor rotor (14) of the centrifugal compressor.

9. turbocharger, with a turbine for expanding a first medium, with a compressor designed as a radial compressor (10) for compressing a second medium using energy obtained in the turbine when the first medium expands, characterized in that the centrifugal compressor (10) is designed according to one of claims 1 to 8.