DE102005017975A1

DE102005017975A1 - Radialverdichteranordnung und Abgasturbolader mit einer Radialverdichteranordnung

Info

Publication number: DE102005017975A1
Application number: DE200510017975
Authority: DE
Inventors: Cornel Ehrhard; Immanuel Kutschera
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2005-04-19
Filing date: 2005-04-19
Publication date: 2006-11-02

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Radialverdichteranordnung mit einem Verdichterrad sowie einen Abgasturbolader mit einer Radialverdichteranordnung, wobei ein strömendes Medium (M) durch einen Strömungseingangsbereich (11) dem Verdichterrad zuführbar ist. Gemäß der Erfindung ist stromauf des Verdichterrads ein Gehäuse (10) angesetzt, das einen Leitapparat (12) zur Führung des strömenden Mediums (M) aufweist, wobei der Leitapparat (12) in einem Bereich angeordnet ist, welcher das Medium (M) bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten und/oder hohen Volumendurchsätzen nur unwesentlich beeinflusst.

Description

Die Erfindung betrifft eine Radialverdichteranordnung gemäß dem Oberbegriff des Pa tentanspruchs 1 und einen Abgasturbolader mit einer Radialverdichteranordnung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 9.

Radialverdichter werden u.a. als Baugruppe von Abgasturboladern eingesetzt. Das Kennfeld dieser Radialverdichter schränkt den Betriebsbereich des Abgasturboladers ein. Die Grenze zwischen nutzbarem und nicht nutzbarem Kennfeldbereich bei kleinen Volumenströmen und hohen Druckverhältnissen wird als Pumpgrenze bezeichnet. Die Charakteristik der Verdichteranströmung beeinflusst das Pumpverhalten des Radialverdichters. Es ist allgemein bekannt, dass z.B. eine Drallerzeugung in Drehrichtung des Radialverdichters die Pumpgrenze des Abgasturboladers zu kleineren Volumenströmen bzw. zu höheren Druckverhältnissen verschiebt. Diese Charakteristik der Strömung wirkt sich jedoch negativ bei hohen Volumenströmen aus.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Radialverdichteranordnung und einen Abgasturbolader mit einer Radialverdichteranordnung mit verbesserter Verdichteranströmung zu schaffen, die bei verbesserter Pumpgrenze auch bei hohen Volumenströmen gute Strömungseigenschaften aufweist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und des Patentanspruchs 9 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in Unteransprüchen angegeben.

Eine erfindungsgemäße Radialverdichteranordnung mit einem Verdichterrad sowie ein erfindungsgemäßer Abgasturbolader mit einer Radialverdichteranordnung weisen neben den gattungsgemäßen Merkmalen ein Gehäuse auf, das stromauf des Verdichterrads angesetzt ist, und das einen Leitapparat zur Führung des strömende Mediums aufweist, wobei der Leitapparat in einem Bereich angeordnet ist, welcher das Medium bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten und/oder hohen Volumendurchsätzen nur unwesentlich beeinflusst. Der Leitapparat dient dazu, eine geeignete Strömungscharakteristik, z.B.

einen Drall, stromauf des Radialverdichters mittels einer starren Geometrie zur Verschiebung der Pumpgrenze zu erzeugen. Die Art der Strömungsbeeinflussung im Randbereich des Gehäuses bewirkt trotz starrer Geometrie keinen Nachteil bei höheren Volumenströmen.

In einer günstigen Ausgestaltung ist der Leitapparat im gehäuseinnenwandnahen Bereich an einer Gehäuseinnenwand angeordnet.

In einer günstigen Ausgestaltung ist das Gehäuse dicht benachbart zum Verdichterrad angeordnet. Vorzugsweise ist das Gehäuse möglichst unmittelbar am Verdichterrad angeordnet, um die Strömungscharakteristik möglichst gezielt beeinflussen zu können. Besonders bevorzugt ist das Gehäuse als Rohr ausgebildet.

In einer weiteren günstigen Ausgestaltung versetzt der Leitapparat dem strömenden Medium einen Drall in Drehrichtung des Verdichterrads, was zu einer sehr vorteilhaften und effektiven Verbesserung der Pumpgrenze führt.

In einer günstigen Ausgestaltung nimmt der Leitapparat höchstens 50% des Gehäuseinnendurchmessers ein, so dass ein freier Querschnitt im Gehäusezentrum verbleibt. Vorzugsweise nimmt der Durchmesser des Leitapparats höchstens 20% des Gehäuseinnendurchmessers ein. Der Leitapparat bleibt auf einen schmalen Randbereich an der Gehäuseinnenwand beschränkt. Der Leitapparat zwingt der Strömung im äußeren Bereich des Gehäuses eine die Pumpgrenze positiv beeinflussende Charakteristik auf. Aufgrund des nahe an der Gehäuseinnenwand liegenden Leitapparats wird der freie Querschnitt im mittleren Bereich des Gehäuses, wo i.a. die höchsten Strömungsgeschwindigkeiten auftreten, nicht signifikant reduziert. Daher tritt auch bei Betrieb im hohen Durchsatzbereich kein wesentlicher Nachteil des Leitapparats zu Tage.

In einer günstigen Ausgestaltung weist der Leitapparat Leitschaufeln auf, die sich axial entlang einer Symmetrieachse des Gehäuses erstrecken. Vorzugsweise sind die Leitschaufeln bandartig ausgebildet, wobei eine eingangsseitige Stirnseite gegenüber einer ausgangsseitigen Stirnseite um wenigstens 45°, vorzugsweise um etwa 90°, verdreht ist.

In einer weiteren günstigen Ausgestaltung zur Erzeugung eines Dralls sind die Leitschaufeln spiralförmig entlang der Gehäuseinnenwand angeordnet Weitere Ausbildungsformen und Aspekte der Erfindung werden unabhängig von einer Zusammenfassung in den Patentansprüchen ohne Beschränkung der Allgemeinheit im Folgenden anhand einer Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen
1 eine Draufsicht auf einen Leitapparat einer bevorzugten Radialverdichteranordnung;
2 einen Schnitt durch den Leitapparat entlang der Linie II-II in 1; und
3 eine prinzipielle Darstellung eines Verdichterkennfeldes.
1 zeigt eine Draufsicht auf einen Leitapparat 12 einer bevorzugten Radialverdichteranordnung mit einem nicht dargestellten Verdichterrad. Ein durch breite Pfeile dargestelltes strömendes Medium M wird dem Verdichterrad durch ein stromauf des Verdichterrads angeordnetes Gehäuse 10 mit einer Wand 14 zugeführt und dabei durch den Leitapparat 12 geleitet. Das Gehäuse 10 weist einen Ausgangsbereich auf, der einen Strömungseingangsbereich 11 für das Verdichterrad bildet, welches sich unmittelbar an das Gehäuse 10 anschließt.
Der Leitapparat 12 führt das Medium M so, dass dieses einen Drall in Drehrichtung des Verdichterrads erhält. Der Leitapparat 12 ist im gehäuseinnenwandnahen Bereich 16 an einer Gehäuseinnenwand 15 angeordnet. Der Leitapparat 12 nimmt nur einen geringen Anteil des Gehäuseinnendurchmessers 18 ein, so dass ein ausreichend großer freier Querschnitt im Gehäusezentrum 17 verbleibt, damit das Medium M in dem Bereich, in dem hohe Strömungsgeschwindigkeiten auftreten, bei hohen Volumendurchsätzen kaum beeinflusst wird. Dabei wird die Pumpgrenze P vorteilhaft zu kleinen Volumendurchsätzen verschoben. Eine prinzipielle Darstellung eines Verdichterkennfelds ist in 3 abgebildet. Die 3 zeigt Drehzahl- und Wirkungsgrad-Isolinien als Funktion von Druckverhältnis DV und Volumenstrom VS.
Der Leitapparat 12 weist Leitschaufeln 13 auf, die um eine Symmetrieachse 19 des rohrförmigen Gehäuses 10 angeordnet sind. Im Beispiel sind vier Leitschaufeln 13 symmetrisch um die Symmetrieachse 19 angeordnet. Die Zahl der Leitschaufeln 13 kann selbstverständlich kleiner oder größer sein, je nach Erfordernis.
2 zeigt einen Längsschnitt durch das rohrförmige Gehäuse 10 entlang der Linie II-II, womit ein bevorzugter Verlauf der Leitschaufeln 13 des Leitapparats 12 zu erkennen ist. Die Leitschaufeln 13 sind bandartig ausgebildet und liegen mit einer ihrer schmalen Seiten an der Gehäuseinnenwand 15 an. Ausgehend von einer Eingangsseite 22 des Gehäuses 10, an der eine Stirnseite 20 der jeweiligen Leitschaufel 13 senkrecht zur Gehäuseinnenwand 15 und parallel zum Querschnitt des Gehäuses 10 ausgerichtet ist, verläuft die Leitschaufel 13 spiralförmig entlang der Gehäuseinnenwand 15 zum Ausgangsbereich, der den Strömungseingangsbereich 11 für das Verdichterrad bildet. Dabei wird die Leitschaufel 13 so verwunden, dass die ausgangsseitige Stirnseite 21 um 90° gegenüber der eingangsseitigen Stirnseite 20 verdreht ist und jetzt senkrecht zum Querschnitt des Gehäuses 10 orientiert ist.

10: Gehäuse
11: Strömungseingangsbereich
12: Leitapparat
13: Leitschaufel
14: Wand
15: Gehäuseinnenwand
16: gehäuseinnenwandnahen Bereich
17: Gehäusezentrum
18: Innendurchmesser
19: Symmetrieachse
20: Stirnseite
21: Stirnseite
22: Eingangsseite

Claims

Radialverdichteranordnung mit einem Verdichterrad, wobei ein strömendes Medium (M) durch einen Strömungseingangsbereich (11) dem Verdichterrad zuführbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass stromauf des Verdichterrads ein Gehäuse (10) angesetzt ist, das einen Leitapparat (12) zur Führung des strömenden Mediums (M) aufweist, wobei der Leitapparat (12) in einem Bereich angeordnet ist, welcher das Medium (M) bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten und/oder hohen Volumendurchsätzen nur unwesentlich beeinflusst.
Radialverdichteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Leitapparat (12) im gehäuseinnenwandnahen Bereich (16) an einer Gehäuseinnenwand (15) angeordnet ist.
Radialverdichteranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (10) dicht benachbart zum Verdichterrad angeordnet ist.
Radialverdichteranordnung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Leitapparat (12) dem strömenden Medium (M) einen Drall in Drehrichtung des Verdichterrads versetzt.
Radialverdichteranordnung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Leitapparat (12) höchstens 50% des Gehäuseinnendurchmessers (18) einnimmt und ein freier Querschnitt im Gehäusezentrum (17) verbleibt.
Radialverdichteranordnung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Leitapparat (12) Leitschaufeln (13) aufweist, die sich entlang einer Symmetrieachse (19) des Gehäuses (10) axial erstrecken.
Radialverdichteranordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitschaufeln (13) bandartig ausgebildet sind, wobei eine eingangsseitige Stirnseite (20) gegenüber einer ausgangsseitigen Stirnseite (21) um wenigstens 90° verdreht ist.
Radialverdichteranordnung nach zumindest einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitschaufeln (13) spiralförmig entlang der Gehäuseinnenwand (15) angeordnet sind.
Abgasturbolader mit einer Radialverdichteranordnung mit einem Verdichterrad, wobei ein strömendes Medium (M) durch einen Strömungseingangsbereich (11) dem Verdichterrad zuführbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass stromauf des Verdichterrads ein Gehäuse (10) angesetzt ist, das einen Leitapparat (12) zur Führung des strömenden Mediums (M) aufweist, wobei der Leitapparat (12) in einem Bereich angeordnet ist, welcher das Medium (M) bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten und/oder hohen Volumendurchsätzen nur unwesentlich beeinflusst.
Abgasturbolader nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Leitapparat (12) im gehäuseinnenwandnahen Bereich (16) an einer Gehäuseinnenwand (15) angeordnet ist.
Abgasturbolader nach zumindest einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (10) dicht benachbart zum Verdichterrad angeordnet ist
Abgasturbolader nach zumindest einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Leitapparat (12) dem strömenden Medium (M) einen Drall in Drehrichtung des Verdichterrads versetzt.
Abgasturbolader nach zumindest einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Leitapparat (12) höchstens 50% des Gehäusedurchmessers (18) einnimmt und ein freier Querschnitt im Gehäusezentrum (17) verbleibt.
Abgasturbolader nach zumindest einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Leitapparat (12) Leitschaufeln (13) aufweist, die sich entlang einer Symmetrieachse (19) des Gehäuses (10) axial erstrecken.
Abgasturbolader nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitschaufeln (13) bandartig ausgebildet sind, wobei eine eingangsseitige Stirnseite (20) gegenüber einer ausgangsseitigen Stirnseite (21) um wenigstens 90° verdreht ist.
Abgasturbolader nach zumindest einem der Ansprüche 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitschaufeln (13) spiralförmig entlang der Gehäuseinnenwand (15) angeordnet sind.