CH715785B1

CH715785B1 - flow machine.

Info

Publication number: CH715785B1
Application number: CH00005/20A
Authority: CH
Inventors: Niebuhr Johannes; Kummert Katharina
Original assignee: Man Energy Solutions Se
Priority date: 2019-01-23
Filing date: 2020-01-03
Publication date: 2023-02-28
Also published as: CH715785A2; KR20200091803A; DE102019101602A1; US20200232478A1; JP2020118160A; CN111502772A; RU2020100836A

Abstract

Strömungsmaschine, mit einem stromabwärts eines Laufrads (11) vorgesehenen, durch eine innere Schale (13) und eine äußere Schale (14) begrenzten Diffusor (12), mit einem stromabwärts des Diffusors (12) vorgesehenen Sammelraum (15), wobei der Diffusor (12) in Radialrichtung in den Sammelraum (15) mit einem Mündungsquerschnitt (16) mündet, mit einem austrittsseitigen Ende (17) der äußeren Schale (14) des Diffusors (12), welches an den Sammelraum (15) angrenzt oder in den Sammelraum (15) hineinragt. Das austrittsseitige Ende (17) der äußeren Schale (14) weist einen dem Sammelraum (15) zugewandten Flächenabschnitt (18) auf, der sich im Meridianschnitt in Radialrichtung erstreckt. Der sich in Radialrichtung erstreckende, dem Sammelraum (15) zugewandte Flächenabschnitt (18) des austrittsseitigen Endes (17) der äußeren Schale (14) geht mit einem im Meridianschnitt kreissegmentförmig konturierten Flächenabschnitt (19) in einen dem Diffusor (12) zugewandten Flächenabschnitt (20) des austrittsseitigen Endes (17) der äußeren Schale (14) über.Flow machine, with a diffuser (12) provided downstream of an impeller (11) and delimited by an inner shell (13) and an outer shell (14), with a collecting space (15) provided downstream of the diffuser (12), the diffuser ( 12) in the radial direction into the collection space (15) with an opening cross section (16), with an outlet-side end (17) of the outer shell (14) of the diffuser (12), which adjoins the collection space (15) or into the collection space ( 15) protrudes. The outlet-side end (17) of the outer shell (14) has a surface section (18) facing the collecting chamber (15) which extends in the radial direction in the meridian section. The surface section (18) of the outlet-side end (17) of the outer shell (14), which extends in the radial direction and faces the collection chamber (15), merges with a surface section (19) that is contoured in the shape of a segment of a circle in the meridian section into a surface section (20) that faces the diffuser (12). ) of the outlet-side end (17) of the outer shell (14).

Description

[0001] Die Erfindung betrifft eine Strömungsmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. The invention relates to a turbomachine according to the preamble of claim 1.

[0002] Der grundsätzliche Aufbau eines Turboladers ist dem hier angesprochenen Fachmann bekannt. Ein Turbolader verfügt über eine Turbine, in welcher ein erstes Medium entspannt wird. Ferner verfügt ein Turbolader über einen Verdichter, in welchem ein zweites Medium verdichtet wird, und zwar unter Nutzung der in der Turbine bei der Entspannung des ersten Mediums gewonnenen Energie. Die Turbine des Turboladers verfügt über ein Turbinengehäuse sowie einen Turbinenrotor. Der Verdichter des Turboladers verfugt über ein Verdichtergehäuse sowie einen Verdichterrotor. Zwischen dem Turbinengehäuse der Turbine und dem Verdichtergehäuse des Verdichters ist ein Lagergehäuse positioniert, wobei das Lagergehäuse einerseits mit dem Turbinengehäuse und andererseits mit dem Verdichtergehäuse verbunden ist. Im Lagergehäuse ist eine Welle gelagert, über die der Turbinenrotor mit dem Verdichterrotor gekoppelt ist. The basic structure of a turbocharger is known to the person skilled in the art addressed here. A turbocharger has a turbine in which a first medium is expanded. Furthermore, a turbocharger has a compressor in which a second medium is compressed using the energy obtained in the turbine when the first medium expands. The turbocharger turbine has a turbine housing and a turbine rotor. The compressor of the turbocharger has a compressor housing and a compressor rotor. A bearing housing is positioned between the turbine housing of the turbine and the compressor housing of the compressor, the bearing housing being connected to the turbine housing on the one hand and to the compressor housing on the other hand. A shaft is mounted in the bearing housing, via which the turbine rotor is coupled to the compressor rotor.

[0003] Aus der DE 101 37 899 C1 ist eine als Axialturbine ausgebildete Turbine eines Turboladers bekannt, die über einen Diffusor verfügt, der sich an das Turbinenlaufrad anschließt und von einer inneren Schale und einer äußeren Schale begrenzt ist. In Strömungsrichtung des Abgases gesehen schließt sich an den Diffusor ein Sammelraum an, wobei der Diffusor in Radialrichtung in den Sammelraum mit einem Mündungsquerschnitt übergeht bzw. in den Sammelraum mündet. Vom Sammelraum führt eine Abgasströmungsleitung ab. An einem austrittsseitigen bzw. ausgangsseitigen Ende der äußeren Schale des Diffusors ist eine Kante ausgebildet, die in den Sammelraum hineinragt bzw. angrenzt, und zwar angrenzend an den Mündungsquerschnitt des Diffusors. From DE 101 37 899 C1 designed as an axial turbine turbine of a turbocharger is known, which has a diffuser that connects to the turbine impeller and is delimited by an inner shell and an outer shell. Seen in the direction of flow of the exhaust gas, the diffuser is followed by a collecting space, the diffuser merging in the radial direction into the collecting space with an opening cross section or opening into the collecting space. An exhaust gas flow line leads away from the plenum. An edge is formed on an outlet-side or outlet-side end of the outer shell of the diffuser, which edge protrudes into or borders the collection space, specifically bordering on the mouth cross section of the diffuser.

[0004] Die Strömung soll aus dem Diffusor möglichst ungestört in den Sammelraum übertreten. Dies bereitet bei aus der Praxis bekannten Strömungsmaschinen Schwierigkeiten, insbesondere kann es zu Strömungsablösungen im Bereich des austrittsseitigen Endes der äußeren Schale des Diffusors kommen, welches in den Sammelraum hineinragt bzw. an den Sammelraum angrenzt. Dies ist von Nachteil. [0004] The flow should pass out of the diffuser into the collecting space as undisturbed as possible. This causes difficulties in turbomachines known from practice; in particular, flow separation can occur in the area of the outlet-side end of the outer shell of the diffuser, which protrudes into the collection space or is adjacent to the collection space. This is a disadvantage.

[0005] Es besteht daher Bedarf an einer Strömungsmaschine, bei welcher eine Strömung ausgehend von einem Diffusor ungestört in einen sich am Diffusor angrenzenden Sammelraum überströmen kann. There is therefore a need for a turbomachine in which a flow, starting from a diffuser, can overflow undisturbed into a collection space adjacent to the diffuser.

[0006] Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine neuartige Strömungsmaschine zu schaffen. Diese Aufgabe wird durch eine Strömungsmaschine nach Anspruch 1 gelöst. Proceeding from this, the invention is based on the object of creating a new type of turbomachine. This object is achieved by a turbomachine according to claim 1.

[0007] Erfindungsgemäß weist das austrittsseitige Ende der äußeren Schale einen dem Sammelraum zugewandte Flächenabschnitt auf, der sich im Querschnitt in Radialrichtung erstreckt. Der sich in Radialrichtung erstreckende, dem Sammelraum zugewandte Flächenabschnitt des austrittsseitigen Endes der äußeren Schale geht mit einem im Querschnitt kreissegmentförmig konturierten Flächenabschnitt in einen dem Diffusor zugewandten Flächenabschnitt des austrittsseitigen Endes der äußeren Schale über. [0007] According to the invention, the outlet-side end of the outer shell has a surface section which faces the collecting chamber and which extends in the radial direction in cross-section. The radially extending surface section of the outlet-side end of the outer shell facing the collection chamber merges with a surface section contoured in the shape of a segment of a circle in cross-section into a surface section of the outlet-side end of the outer shell facing the diffuser.

[0008] Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Strömungsmaschine am austrittsseitigen Ende der äußeren Schale des Diffusors kann gewährleistet werden, dass eine Strömung aus dem Diffusor ungestört in den Sammelraum überströmen kann. Insbesondere können Strömungsablösungen und Verwirbelungen vermieden werden. Hierdurch können Strömungsverluste minimiert und der Wirkungsgrad gesteigert werden. The inventive design of the turbomachine at the outlet end of the outer shell of the diffuser can be ensured that a flow from the diffuser can flow undisturbed into the plenum. In particular, flow separation and turbulence can be avoided. This minimizes flow losses and increases efficiency.

[0009] Vorzugsweise geht der kreissegmentförmig konturierte Flächenabschnitt in den dem Sammelraum zugewandten Flächenabschnitt und/oder in den dem Diffusor zugewandten Flächenabschnitt tangential über. Eine derartige Konturierung der äußeren Schale des Diffusors am austrittsseitigen Ende ist besonders bevorzugt, um Strömungsverluste zu minimieren. Preferably, the surface section contoured in the shape of a segment of a circle merges tangentially into the surface section facing the collection chamber and/or into the surface section facing the diffuser. Such a contouring of the outer shell of the diffuser at the outlet end is particularly preferred in order to minimize flow losses.

[0010] Nach einer vorteilhaften Weiterbildung weist der sich in Radialrichtung erstreckende Flächenabschnitt des austrittsseitigen Endes der äußeren Schale des Diffusors in Radialrichtung eine Länge L auf, für die gilt: 0,1*X≤L≤X, wobei X die Abmessung des Mündungsquerschnitts des Diffusors in Axialrichtung ist. Nach einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung weist der kreissegmentförmig konturierte Flächenabschnitt des austrittsseitigen Endes der äußeren Schale des Diffusors einen Radius R auf, für den gilt: 0,1*X≤R≤X, wobei X die Abmessung des Mündungsquerschnitts des Diffusors in Axialrichtung ist. Dann, wenn eine oder vorzugsweise beide dieser Bedingungen erfüllt sind, kann die Strömung aus dem Diffusor besonders vorteilhaft in den Sammelraum übertreten, um so Strömungsverluste zu minimieren. According to an advantageous development, the surface section of the outlet-side end of the outer shell of the diffuser, which extends in the radial direction, has a length L in the radial direction, for which the following applies: 0.1*X≤L≤X, where X is the dimension of the opening cross section of the diffuser is in the axial direction. According to a further advantageous development, the surface section of the outlet-side end of the outer shell of the diffuser, which is contoured in the shape of a segment of a circle, has a radius R for which the following applies: 0.1*X≦R≦X, where X is the dimension of the outlet cross section of the diffuser in the axial direction. When one or preferably both of these conditions are met, the flow can particularly advantageously pass from the diffuser into the collection space in order to minimize flow losses.

[0011] Vorzugsweise ist die Strömungsmaschine eine Axialturbine, besonders bevorzugt eines Turboladers. Die Erfindung ist besonders vorteilhaft bei einer Verwendung an einer als Axialturbine eines Turboladers ausgebildeten Strömungsmaschine. The turbomachine is preferably an axial turbine, particularly preferably a turbocharger. The invention is particularly advantageous when used on a turbomachine designed as an axial turbine of a turbocharger.

[0012] 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 schematisierten, ausschnittweisen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Strömungsmaschine.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 a schematic, partial cross section through a turbomachine according to the invention.

[0013] Fig. 1 zeigt einen stark schematisierten, ausschnittsweisen Querschnitt, nämlich Meridianschnitt, einer als Axialturbine 10 eines Abgasturboladers ausgebildeten Strömungsmaschine, wobei ein Laufrad 11 der Axialturbine 10 axial angeströmt und axial abgeströmt ist. Stromabwärts des Turbinenlaufrads 11 schließt sich ein Diffusor 12 an, welcher die Strömung in der Axialturbine 10 von axial nach radial umlenkt, wobei der Diffusor 12 von einer inneren Schale 13 und einer äußeren Schale 14 begrenzt ist. In Strömungsrichtung des Abgases gesehen schließt sich an den Diffusor 12 ein Sammelraum 15 an. Abgas, welches über den Diffusor 12 in den Sammelraum 15 eintritt bzw. überströmt, kann über eine nicht gezeigte Abströmleitung vom Sammelraum 15 abgeführt werden. Fig. 1 shows a highly schematic, fragmentary cross-section, namely a meridian section, designed as an axial turbine 10 of an exhaust gas turbocharger turbomachine, wherein an impeller 11 of the axial turbine 10 is flowed axially and axially outflow. Downstream of the turbine impeller 11 is a diffuser 12 which deflects the flow in the axial turbine 10 from axial to radial, with the diffuser 12 being delimited by an inner shell 13 and an outer shell 14 . Seen in the direction of flow of the exhaust gas, the diffuser 12 is adjoined by a collection space 15 . Exhaust gas which enters or flows over the plenum 15 via the diffuser 12 can be discharged from the plenum 15 via an outflow line (not shown).

[0014] Der Diffusor 12 mündet mit einem Mündungsquerschnitt 16 in den Sammelraum 15. Wie bereits ausgeführt, ist der Diffusor 12 und damit der Mündungsquerschnitt 16 einerseits von der inneren Schale 13 und andererseits von der äußeren Schale 14 begrenzt. The diffuser 12 opens with an opening cross section 16 in the collection chamber 15. As already stated, the diffuser 12 and thus the opening cross section 16 is limited on the one hand by the inner shell 13 and on the other hand by the outer shell 14.

[0015] Am austrittsseitigen Ende 17 des Diffusors 12 und damit am austrittsseitigen Ende 17 der äußeren Schale 14 weist die äußere Schale 14 eine definierte Konturierung auf, nämlich derart, dass das austrittsseitige Ende 17 der äußeren Schale 14 einen dem Sammelraum zugewandten Flächenabschnitt 18 aufweist, der sich im Querschnitt, nämlich im Meridianschnitt der Fig. 1, in Radialrichtung, und zwar ausschließlich in Radialrichtung, erstreckt. At the outlet-side end 17 of the diffuser 12 and thus at the outlet-side end 17 of the outer shell 14, the outer shell 14 has a defined contouring, namely such that the outlet-side end 17 of the outer shell 14 has a surface section 18 facing the collection chamber, which extends in cross-section, namely in the meridian section of FIG. 1, in the radial direction, specifically exclusively in the radial direction.

[0016] Dieser sich im Meridianschnitt ausschließlich in Radialrichtung erstreckende, dem Sammelraum 15 zugewandte Flächenabschnitt 18 des austrittsseitigen Endes 17 der äußeren Schale 14 geht mit einem im Querschnitt bzw. Meridianschnitt kreissegmentförmig konturierten Flächenabschnitt 19 in einen dem Diffusor 12 zugewandten Flächenabschnitt 20 des austrittsseitigen Endes 17 der äußeren Schale 14 über. This surface section 18 of the outlet-side end 17 of the outer shell 14, which in the meridian section extends exclusively in the radial direction and faces the collecting chamber 15, merges with a surface section 19 that is contoured in the shape of a segment of a circle in cross-section or meridian section into a surface section 20 of the outlet-side end 17 that faces the diffuser 12 the outer shell 14 above.

[0017] Dabei ist vorzugsweise vorgesehen, dass der kreissegmentförmig konturierte Flächenabschnitt 19 des austrittsseitigen Endes 17 der äußeren Schale 14 in den dem Sammelraum 15 zugewandten Flächenabschnitt 18, der sich im Meridianschnitt ausschließlich in Radialrichtung erstreckt, sowie in den dem Diffusor 12 zugewandten Flächenabschnitt 20, welcher der Kontur des Diffusors 12 folgt, jeweils tangential, also stetig, übergeht. It is preferably provided that the surface section 19, which is contoured in the shape of a segment of a circle, of the outlet-side end 17 of the outer shell 14 in the surface section 18 facing the collection chamber 15, which in the meridian section extends exclusively in the radial direction, and in the surface section 20 facing the diffuser 12, which follows the contour of the diffuser 12, in each case tangentially, ie continuously, transitions.

[0018] Das austrittsseitige Ende 17 der äußeren Schale 14 des Diffusors 12 grenzt an den Sammelraum 15 an oder ragt zumindest abschnittsweise in den Sammelraum 15 hinein. The outlet-side end 17 of the outer shell 14 of the diffuser 12 is adjacent to the collection space 15 or protrudes at least in sections into the collection space 15 .

[0019] Im Meridianschnitt gesehen ist das austrittsseitige Ende 17 der äußeren Schale 14, die den Diffusor 12 außen begrenzt, durch zwei geometrische Kenngrößen charakterisiert, nämlich durch eine Länge L des sich in Radialrichtung erstreckenden Flächenabschnitts 18 sowie durch einen Radius R des kreissegmentförmig konturierten Flächenabschnitts 19. Seen in the meridian section, the exit-side end 17 of the outer shell 14, which delimits the diffuser 12 on the outside, is characterized by two geometric parameters, namely by a length L of the surface section 18 extending in the radial direction and by a radius R of the surface section contoured in the shape of a segment of a circle 19

[0020] Vorzugsweise gilt eine, besonders bevorzugt gelten beide, der nachfolgenden Bedingungen: 0,1*X≤L≤X 0,1*X≤R≤Xwobei L die Länge des sich in Radialrichtung erstreckenden Flächenabschnitts 18 ist, R der Radius des kreissegmentförmig konturierten Flächenabschnitts 19 ist, X die Abmessung des Mündungsquerschnitts 16 des Diffusors in Axialrichtung ist. One of the following conditions preferably applies, particularly preferably both apply: 0.1*X≦L≦X 0.1*X≦R≦Xwhere L is the length of the radially extending surface portion 18, R is the radius of the surface section 19 contoured in the shape of a segment of a circle, X is the axial dimension of the mouth cross-section 16 of the diffuser.

[0021] Das austrittsseitige Ende 17 der äußeren Schale 14 des Diffusors 12 bildet eine wulstartige Aufdickung aus, die im Meridianschnitt der Fig. 1 eine dickere Wandstärke als ein angrenzender Abschnitt der äußeren Schale 14 aufweist. The exit-side end 17 of the outer shell 14 of the diffuser 12 forms a bead-like thickening, which has a thicker wall than an adjacent section of the outer shell 14 in the meridian section of FIG.

[0022] Mit einem derart ausgebildeten austrittsseitigen Ende 17 der äußeren Schale 14, welches den Diffusor 12 im Bereich des Mundungsquerschnitts 16 begrenzt, kann eine besonders vorteilhafte und verlustfreie Überleitung der Strömung von dem Diffusor 12 in den sich an den Diffusor 12 anschließenden Sammelraum 15 gewährleistet werden. Durch die Minimierung von Strömungsverlusten kann der Wirkungsgrad der Strömungsmaschine erhöht werden. With an outlet-side end 17 of the outer shell 14 designed in this way, which delimits the diffuser 12 in the region of the opening cross section 16, a particularly advantageous and loss-free transfer of the flow from the diffuser 12 into the collection chamber 15 adjoining the diffuser 12 can be ensured become. The efficiency of the turbomachine can be increased by minimizing flow losses.

[0023] Die Erfindung kommt vorzugsweise bei einer Axialturbine eines Turboladers zum Einsatz. Obwohl die Erfindung in diesem Anwendungsfall besonders bevorzugt zum Einsatz kommt, kann die Erfindung auch bei anderen Strömungsmaschinen mit einem Diffusor und einem sich an den Diffusor angrenzten Sammelraum zum Einsatz kommen, bei welchen eine Strömung ausgehend vom Diffusor in Radialrichtung in den sich an den Diffusor angrenzenden bzw. anschließenden Sammelraum übergeht. The invention is preferably used in an axial turbine of a turbocharger. Although the invention is used particularly preferably in this application, the invention can also be used in other turbomachines with a diffuser and a collecting space adjacent to the diffuser, in which a flow proceeding from the diffuser in the radial direction into the areas adjacent to the diffuser or subsequent collection room.

BezugszeichenlisteReference List

[0024] 10 Strömungsmaschine 11 Laufrad 12 Diffusor 13 innere Schale 14 äußere Schale 15 Sammelraum 16 Mündungsquerschnitt 17 austrittsseitiges Ende 18 Flächenabschnitt 19 Flächenabschnitt 20 Flächenabschnitt 10 turbomachine 11 impeller 12 diffuser 13 inner shell 14 outer shell 15 plenum 16 orifice cross-section 17 outlet-side end 18 surface section 19 surface section 20 surface section

Claims

1. turbomachine, with a diffuser (12) arranged downstream of an impeller (11) and delimited by an inner shell (13) and an outer shell (14), with a collecting chamber (15) arranged downstream of the diffuser (12), the diffuser (12) opening out in the radial direction into the collecting chamber (15) with an opening cross section (16), with an outlet-side end (17) of the outer shell (14) of the diffuser (12), which adjoins the collecting space (15) or protrudes at least in sections into the collecting space (15), characterized in that the outlet-side end (17) of the outer shell (14) has a surface section (18) facing the collection space (15) which extends in the radial direction in the meridian section, the surface section (18) of the outlet-side end (17) of the outer shell (14), which extends in the radial direction and faces the collection chamber (15), with a surface section (19) contoured in the shape of a segment of a circle in the meridian section, into a surface section (20) facing the diffuser (12) of the outlet-side end (17) of the outer shell (14).

2. Turbomachine according to Claim 1, characterized in that the surface section (19) contoured in the shape of a segment of a circle merges tangentially into the surface section (18) facing the collection chamber (15).

3. Turbomachine according to Claim 1 or 2, characterized in that the surface section (19) contoured in the shape of a segment of a circle merges tangentially into the surface section (20) facing the diffuser (12).

4. Turbomachine according to one of Claims 1 to 3, characterized in that the surface section (18) facing the collection chamber (15) extends exclusively in the radial direction in the meridian section.

5. Turbomachine according to one of Claims 1 to 4, characterized in that the surface section (18) extending in the radial direction has a length L in the radial direction, for which the following applies: 0.1*X≤L≤X, where X is the dimension of the mouth cross section (16) of the diffuser (12) in the axial direction;

6. Turbomachine according to one of Claims 1 to 5, characterized in that the surface section (19) contoured in the shape of a segment of a circle has a radius R for which the following applies: 0.1*X≤R≤X, where X is the dimension of the mouth cross section (16) of the diffuser (12) in the axial direction.

7. Turbomachine according to one of Claims 1 to 6, characterized in that it is an axial turbine.

8. Turbomachine according to claim 7, characterized in that the axial turbine is a turbine of a turbocharger.