DE102008000539A1 - Abgasturbolader mit verbessertem Verdichterwirkungsgrad - Google Patents

Abgasturbolader mit verbessertem Verdichterwirkungsgrad Download PDF

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Abstract

Es wird ein Verdichter, insbesondere ein Verdichterlaufrad (7) für einen Abgasturbolader, vorgeschlagen, bei dem die Oberflächen (41) und (43) der Schaufeln (31) gezielt und abhängig von den im Betrieb herrschenden Strömungsverhältnissen optimiert werden. Dadurch wird der Wirkungsgrad des Verdichterlaufrads (7) erhöht und das Kennfeld des Verdichters verbreitert.

Description

  • Stand der Technik
  • In den Radialverdichtern von Abgasturboladern wird die angesaugte Luft durch die Schaufeln des Verdichterrades beschleunigt und anschließend komprimiert. Dabei wird ein erheblicher Anteil der Strömungsenergie an den Schaufeloberflächen durch Luftreibung in Wärme umgewandelt. Diese Umwandlung beeinträchtigt den thermodynamischen Wirkungsgrad des Verdichters und führt zu einer Temperaturerhöhung der verdichteten Luft. Diese Luft musst anschließend in einem Ladeluftkühler wieder abgekühlt werden.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Verdichter beziehungsweise das zugehörige Verdichterlaufrad in Radial- oder Axialbauweise hinsichtlich seines Wirkungsgrades zu optimieren.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Verdichter, insbesondere für einen Abgasturbolader mit einem Verdichterlaufrad in Radial- oder Axialbauweise, wobei das Verdichterlaufrad mehrere über den Umfang verteilte Schaufeln aufweist und wobei die Schaufeln Strömungskanäle für die zu verdichtende Ansaugluft begrenzen, dadurch gelöst, dass die in Drehrichtung vorne angeordneten Oberflächen der Schaufeln und die in Drehrichtung hinten angeordneten Oberflächen der Schaufeln mindestens bereichsweise verschieden ausgebildet sind.
  • Dabei betrifft die erfindungsgemäße Ausbildung der Oberfläche die Eigenschaften der Oberfläche selbst, wie zum Beispiel deren Rauheit.
  • Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass auf der in Drehrichtung vorne angeordneten Oberfläche der Schaufeln tendenziell ein höherer Druck herrscht als bei den auf der in Drehrichtung hinten angeordneten Oberflächen der Schaufeln. Diese unterschiedlichen Druck- und Strömungsverhältnisse werden durch die erfindungsgemäß behandelten Oberflächen der schaufeln gezielt für die in Drehrichtung vorne angeordneten Oberflächen und die in Drehrichtung hinten angeordneten Oberflächen gesondert optimiert. Dadurch wird das Betriebsverhalten des Verdichters in allen Betriebspunkten verbessert. Insbesondere wird, verglichen mit herkömmlichen Verdichterrädern, ein breiteres Verdichterkennfeld erreicht. Außerdem kann die Pumpgrenze zu niedrigeren Massenströmen verschoben werden.
  • Bei vorgegebenem Druckverhältnis und Massenstrom kann ein mit einem erfindungsgemäß gestalteten Verdichterlaufrad ausgerüsteter Turbolader bei niedrigeren Drehzahlen betrieben werden oder es ist möglich, bei gleicher Drehzahl ein höheres Druckverhältnis und einen höheren Massenstrom zu erreichen.
  • Außerdem wird die Geräuschentwicklung verringert und der thermodynamische Wirkungsgrad des Verdichters erhöht. Infolgedessen können kleinere Verdichter und im Fall eines Abgasturboladers auch kleinere Turbinenlaufräder eingesetzt werden, was sich vorteilhaft auf Gewicht, Bauraumbedarf und Ansprechverhalten auswirkt.
  • Schließlich führen die kleineren Abmessungen und das geringere Gewicht der kleineren Laufräder auch zu Einsparungen bei den Materialien. Wegen des verbesserten Wirkungsgrads kann auch der stromabwärts angeordnete Ladeluftkühler kleiner ausgelegt werden, wodurch sich weitere Kosteneinsparungen und ein verringerter Bauraumbedarf ergeben.
  • Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die in Drehrichtung vorne angeordneten Oberflächen der Schaufeln mindestens eine Nut, bevorzugt aber mehrere Nuten aufweisen. Diese mindestens eine Nut kann einen dreieckigen, einen rechteckigen oder einen halbrunden Querschnitt haben. Mit Hilfe dieser Nuten ist es möglich, den beispielsweise aus der Luftfahrt bekannten ”Haifischhauteffekt” an den in den Druckbereichen der Schaufeln zu nutzen. Dadurch werden oberflächennahe Wirbelbildungen unterdrückt und damit die Reibungsverluste verringert.
  • In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung weisen die in Drehrichtung vorne angeordneten Oberflächen der Schaufeln mindestens partiell eine Rautiefe Rz ≤ 1 μm
  • Durch die erfindungsgemäß beanspruchte und gegenüber herkömmlichen Verdichterlaufrädern verbesserten Oberflächengüte, die beispielsweise durch Schleifen und/oder Polieren hergestellt werden kann, wird die Reibung zwischen der Oberfläche der Schaufeln im Druckbereich und der zu verdichtenden Luft verringert. Infolgedessen wird die verdichtete Luft weniger stark erwärmt und die Luftströmung in den Kanälen zwischen den Schaufeln weniger stark gestört.
  • Alternativ oder zusätzlich ist es auch noch möglich, die in Drehrichtung vorne angeordneten Oberflächen der Schaufeln mindestens partiell zu beschichten, insbesondere haben sich dabei DLC (diamond like coatings) als vorteilhaft erwiesen. Diese diamond like coatings führen nicht nur zu einer sehr glatten Oberfläche, sondern sind zusätzlich auch noch sehr verschleiß- und erosionsbeständig. Infolgedessen können erfindungsgemäße Verdichterlaufräder auch dann eingesetzt werden, wenn die Brennkraftmaschine eine Niederdruck-Abgasrückführung aufweist. Die erfindungsgemäße Beschichtung schützt dann die Schaufeln des Verdichterrads vor den im rückgeführten Abgas enthaltenen Partikeln.
  • In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die in Drehrichtung hinten angeordneten Oberflächen der Schaufeln mindestens partiell eine gemittelte Rautiefe rz ≥ 1 μm, bevorzugt zwischen 2 μm und 4 μm, beträgt.
  • Durch die gezielt erhöhte Rautiefe im Saugbereich der Schaufeln werden Verwirbelungen in der Grenzschicht zwischen der Oberfläche der Schaufeln und der zu verdichtenden Luft indiziert. Infolgedessen bildet sich eine turbulente Grenzschicht aus, die weniger zu Strömungsablösungen von der Oberfläche neigt. Infolgedessen wird auch durch diese Maßnahme das Betriebsverhalten des Verdichterlaufrads beziehungsweise eines damit ausgerüsteten Verdichters verbessert.
  • Die gezielte Erhöhung der Rautiefe der Oberfläche an den hinten angeordneten Oberflächen der Schaufeln kann ohne zusätzlichen Herstellungsaufwand bei spanend bearbeiteten Verdichterlaufrädern durch eine Variation der Schnittgeschwindigkeit und/oder des Vorschubs eines Bearbeitungswerkzeugs, wie zum Beispiel eines Fräsers, erzielt werden.
  • Zusätzlich oder alternativ ist es auch möglich, durch Strahlen, wie beispielsweise Sandstrahlen, Glasstrahlen oder Strahlen mit allen anderen Strahlmitteln, die in Drehrichtung hinten angeordneten Oberflächen der Schaufeln auf den gewünschten Wert bezüglich ihrer Rauigkeit zu bringen.
  • Die erfindungsgemäße erhöhte gemittelte Rautiefe an den in Drehrichtung hinten angeordneten Oberflächen der Schaufeln kann auch durch chemische oder physikalische Behandlung erzielt werden.
  • In vielen praktischen Fällen ist es vorteilhaft, zunächst die in Drehrichtung hinten angeordneten Oberflächen der Schaufeln aufzurauen und dann in einem nachfolgenden Bearbeitungsschritt die in Drehrichtung vorne angeordneten Oberflächen der Schaufeln zu polieren beziehungsweise zu schleifen oder zu beschichten.
  • Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen entnehmbar. Alle in der Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen offenbarten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein. Es zeigen:
  • 1 einen Querschnitt durch einen Abgasturbolader,
  • 2 eine isometrische Darstellung eines erfindungsgemäßen Verdichterlaufrads,
  • 3 die vereinfachte Darstellung der Abwicklung einer erfindungsgemäßen Schaufel eines Verdichterlaufrads und
  • 4 die Auswirkungen des erfindungsgemäß verbesserten Verdichterlaufrads auf ein Verdichterkennfeld.
  • In 1 ist ein Gehäuse des Abgasturboladers mit dem Bezugszeichen 1 versehen. Das Gehäuse 1 kann einteilig oder mehrteilig ausgebildet sein, je nach den Erfordernissen bei der Herstellung und Montage des Abgasturboladers.
  • Wie hinlänglich bekannt, weisen Abgasturbolader einen Turbinenteil, der in 1 rechts angeordnet ist, und einen Verdichterteil, der in 1 links angeordnet ist, auf. Im Turbinenteil ist ein Turbinenlaufrad 3 vorhanden, das fest mit einer Welle 5 verbunden ist.
  • An dem linken Ende der Welle 5 ist ein Verdichterlaufrad 7 auf der Welle 5 angebracht. Die zu verdichtende Verbrennungsluft strömt dem Verdichterlaufrad 7 in axialer Richtung zu und verlässt es in radialer Richtung. Die Bewegungsrichtung der zu verdichtenden Verbrennungsluft ist in 1 durch Pfeile 9 angedeutet. Im rechten Teil des Gehäuses 1 ist eine Einlaufspirale 11 ausgebildet, durch die das von der nicht dargestellten Brennkraftmaschine ausgestoßene Abgas dem Turbinenlaufrad 3 zugeführt wird.
  • Um die auf die Welle 5 wirkenden Axialkräfte aufzunehmen, ist an dem Gehäuse 1 eine Lagerscheibe 15 angeordnet, die in einer von zwei Lagerhülsen 17 und 19 gebildete Nut eintaucht. Die Axiallagerhülsen 17 und 19 sind drehfest mit der Welle 5 verbunden.
  • Um zu verhindern, dass Öl in das Verdichterlaufrad 7 gelangt, ist ein Ölabweisblech 21 vorgesehen.
  • Bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst die Radiallagerung 13 der Welle 5 zwei schwimmende Lagerbuchsen, die über eine Ölversorgung mit Motoröl versorgt werden.
  • Das Verdichterlaufrad 7 weist mehrere über den Umfang verteilte Schaufeln 31 auf, von denen in 1 zwei sichtbar sind. Die Schaufeln 31 weisen jeweils eine Eintrittskante 33 und eine Austrittskante 35 auf.
  • Zwischen einer Kante 37 der Schaufeln 31 und dem Gehäuse 1 ist ein Spalt (ohne Bezugszeichen) vorhanden, der, wie nachfolgend anhand der 2 noch näher erläutert werden wird, Wirbel induziert.
  • In 2 ist ein Verdichterlaufrad 7 mit rückwärts gekrümmten Schaufeln 31 isometrisch dargestellt. Konkret sind nur drei Schaufeln 31 dargestellt, während vom übrigen Teil des Verdichterlaufrads 7 die Hüllfläche angedeutet ist.
  • Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist nur eine Schaufel 31 mit den Bezugszeichen 31 bis 37 versehen. Da alle in 2 dargestellten Schaufeln 31 gleich ausgebildet sind, erübrigen sich die Bezugszeichen an den zwei anderen dargestellten Schaufeln.
  • Die zu verdichtende Luft wird im Bereich der Eintrittskanten 33 von dem Verdichterlaufrad 7 angesaugt, auf eine hohe Geschwindigkeit beschleunigt und im daran anschließenden diffusorartigen Bereich zwischen zwei benachbarten Schaufeln 33 und dem Gehäuse (nicht dargestellt) verzögert. Durch diese Verzögerung erhöht sich der Druck.
  • Die Drehrichtung des in 2 dargestellten Verdichterlaufrads 7 ist durch einen Pfeil 39 angedeutet. Naturgemäß ist der Staudruck beziehungsweise der Gesamtdruck der Luft an den in Drehrichtung vorne liegenden Oberflächen 41 der Schaufeln 31 höher als an den in Drehrichtung hinten liegenden Oberflächen 43 der Schaufeln 31. Diese Druckunterschiede sind physikalisch bedingt und können für jede Geometrie und Drehzahl eines Verdichterlaufrads 7 auch quantitativ bestimmt werden.
  • Der vergleichsweise niedrige Druck auf den in Drehrichtung hinten liegenden Oberflächen 43 der Schaufeln 31 beinhaltet die Gefahr von Strömungsablösungen, die bspw. an der Eintrittskante 33 beginnen. Diese Strömungsablösungen sind in 2 durch die Bezugszeichen 45 exemplarisch an einer Schaufel 31 dargestellt.
  • Weitere Strömungsablösungen können sich im Bereich der Kante 37 bilden. Sie werden durch den Druckunterschied zwischen den beiden Seiten des Spalts verursacht. Dieser Spalt wird von den Kanten 37 und dem Gehäuse 1 (siehe 1) gebildet. Diese Strömungsablösungen sind in 2 mit dem Bezugszeichen 47 versehen.
  • Erfindungsgemäß wird nun den in Drehrichtung vorne liegenden Oberflächen 41 und den dort herrschenden erhöhten Drücken und den in Drehrichtung hinten liegenden Oberflächen 43 und den dort herrschenden vergleichsweise geringen Drücken durch eine jeweils voneinander verschiedene Oberflächenbehandlung Rechnung getragen. Im Druckbereich 41 spielen Reibungseffekte zwischen der Oberfläche der Schaufel 31 und der zu verdichtenden Luft eine wichtige Rolle. Daher wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, diese Bereiche mindestens teilweise mit einer besonders glatten Oberfläche, beispielsweise durch Aufbringen einer Beschichtung, und/oder durch Schleifen und Polieren zu optimieren. Des Weiteren ist es auch möglich, durch das gezielte Einbringen von Nuten, deren Zahl, Abstand und Tiefe individuell ermittelt werden muss, eine so genannte Haifischhautstruktur an den vorne liegenden Oberflächen 41 der Schaufeln 31 einzubringen.
  • Alle diese Maßnahmen führen jeweils gesondert oder in Kombination miteinander dazu, dass die Reibungsverluste zwischen den Oberflächenbereichen 41 und der zu verdichtenden Luft verringert werden und infolgedessen der Wirkungsgrad und das Schluckvermögen des Verdichterlaufrads 7 erhöht werden.
  • Einen ähnlichen Effekt, jedoch basierend auf anderen physikalischen Gesetzmäßigkeiten wird bei den in Drehrichtung hinten liegenden Bereichen 43 des erfindungsgemäßen Verdichterlaufrads 7 erzielt, indem die Rauheit der Oberfläche in den Bereichen 43 gezielt erhöht wird. Dies kann beispielsweise bei gefrästen Verdichterlaufrädern 7 durch Ändern von Drehzahl und/oder Vorschub des Fräswerkzeugs auf einfache und kostengünstige Weise erfolgen. Zusätzlich ist es auch möglich, durch Ätzen oder Strahlen mit einem hinsichtlich Korngröße und Härte geeigneten Strahlmittel die Rauigkeit gezielt anzuheben.
  • Des Weiteren kann auch durch die Oberfläche der Schaufeln im Bereich 43 gezielt durch eine chemische und/oder physikalische Behandlung MOCPE, Aufdampfen, Aufsputtern, MOVPE, und/oder MBE in die gewünschte Rauigkeit eingebracht werden.
  • In 3 ist die Abwicklung einer Schaufel 31 dargestellt. Dabei ist die Drehrichtung vorne liegende Oberfläche 41 sichtbar. In dieser Abwicklung sind zwei Nuten 49, die in erster Näherung parallel zur Kante 37 der Schaufeln 31 verlaufen, dargestellt. Bei Bedarf können noch weitere Nuten 49 in den während des Betriebs mit erhöhtem Druck beaufschlagten Bereichen 41 der Oberfläche der Schaufeln 31 vorgesehen werden. Diese Nuten 49 führen dazu, dass aufgrund des aus der Luftfahrt bekannten ”Haifischhauteffektes” der Strömungswiderstand in der Grenzfläche zwischen der Schaufel 31 und der zu verdichtenden Luft reduziert wird.
  • Alternativ oder zusätzlich können die in 3 sichtbaren Oberflächen der Schaufeln 31 auch durch Schleifen und/oder Polieren und/oder eine geeignete Oberflächenbeschichtung, wie beispielsweise DLC, weiter verbessert werden. Das Schleifen und/oder Polieren führt zu einer Verringerung der Rauheit und infolgedessen auch zu einer Verringerung der Reibung. Durch eine Verschleißschutzschicht, wie beispielsweise DLC, kann nicht nur eine sehr glatte Oberfläche erzielt werden, sondern es kann auch die Abrasionsbeständigkeit der Schaufeln 31 im Bereich der Oberflächen 41 erhöht werden. Dadurch ist ein solches Verdichterlaufrad 7 auch geeignet, wenn die Brennkraftmaschine eine Niederdruck-Abgasrückführung aufweist und die Abgase stromaufwärts des Verdichterlaufrads in den Ansaugkanal der Brennkraftmaschine eingekoppelt werden. Die Unvermeidbarerweise im Abgas befindlichen Partikel können durch die erfindungsgemäße Beschichtung der Oberflächen 41 der Schaufeln 31 nicht abrasiv wirken und führen daher nicht zu einer Verringerung der Lebensdauer des Verdichterlaufrads 7.
  • In den 3a3b sind verschiedene Querschnitte erfindungsgemäßer Nuten 49 stark vergrößert dargestellt. 3a zeigt einen dreieckigen, 3b einen rechteckigen und 3c einen halbrunden Nutquerschnitt. Wie den Ausführungsbeispielen gemäß 3a3c entnehmbar, können die Nuten 49 lateral in unmittelbarer Nähe zueinander angeordnet sein.
  • 4 zeigt ein Kennfeld eines herkömmlichen Verdichters und eines erfindungsgemäßen Verdichters im Vergleich. Die durchgezogenen Linien beziehen sich auf einen herkömmlichen Verdichter, während die gestrichelten Linien einen Verdichter mit erfindungsgemäß gestaltetem Verdichterlaufrad betreffen.
  • Wie sich aus dem direkten Vergleich der entsprechenden Kennlinien eines herkömmlichen Verdichters und eines erfindungsgemäßen Verdichters unmittelbar ergibt, ist beim erfindungsgemäßen Verdichter der Punkt des maximalen Wirkungsgrads von 76° auf 78° angestiegen. Gleichzeitig konnte die Pumpgrenze deutlich nach links verschoben werden, während die Stopfgrenze deutlich nach rechts verschoben werden konnte. Insofern hat das Kennfeld des erfindungsgemäßen Verdichters eine bessere Qualität in allen Parametern und unterstreicht dadurch eindrücklich die Vorteile des erfindungsgemäßen Verdichterlaufrads.

Claims (11)

  1. Verdichter, insbesondere eines Abgasturboladers, mit einem Verdichterlaufrad (7) in Radial- oder Axialbauweise, wobei das Verdichterlaufrad (7) mehrere über den Umfang verteilte Schaufeln (31) aufweist, und die Schaufeln (31) Strömungskanäle für die zu verdichtende Ansaugluft begrenzen, dadurch gekennzeichnet, dass die in Drehrichtung (39) vorne angeordneten Oberflächen (41) der Schaufeln (31) und die in Drehrichtung (39) hinten angeordneten Oberflächen der Schaufeln (31) verschieden ausgebildet sind.
  2. Verdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die in Drehrichtung (39) vorne angeordneten Oberflächen (41) der Schaufeln (31) mindestens eine Nut (49) aufweisen.
  3. Verdichter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Nut (49) einen dreieckigen, einen rechteckigen oder einen halbrunden Querschnitt aufweist.
  4. Verdichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehrichtung (39) vorne angeordneten Oberflächen (41) der Schaufeln (31) mindestens partiell eine gemittelte Rauhtiefe (Rz) kleiner oder gleich 1 m (Rz < 1 m) ist.
  5. Verdichter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächen (41) der Schaufeln (31) mindestens partiell geschliffen und/oder poliert sind.
  6. Verdichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehrichtung (39) vorne angeordneten Oberflächen (41) der Schaufeln (31) mindestens partiell eine Beschichtung, insbesondere aus DLC (diamond-Like Coatings), aufweisen.
  7. Verdichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die in Drehrichtung (39) hinten angeordneten Oberflächen (43) der Schaufeln (31) mindestens partiell eine gemittelte Rauhtiefe (Rz) größer oder gleich 1 m, bevorzugt zwischen 2 m und 4 m (2 m ≤ Rz ≤ 4 m), aufweisen.
  8. Verdichter nach Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die erhöhte gemittelte Rauhtiefe (Rz) durch Änderungen von Schnittgeschwindigkeit und/oder Vorschub eines Bearbeitungswerkzeugs, insbesondere eines Fräsers, erzielt wird.
  9. Verdichter nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die erhöhte gemittelte Rauhtiefe (Rz) durch Strahlen mit geeigneten Strahlmitteln erzielt wird.
  10. Verdichter nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die erhöhte gemittelte Rauhtiefe (Rz) durch eine chemische oder physikalische Behandlung, insbesondere Ätzen, MOCPE (metal organic chemical vapour deposition) Aufdampfen, Aufsputtern, MOVPE (metal organic chemical vapour phase epitaxy) und/oder MBE (molecular beam epitaxy), erzielt wird.
  11. Abgasturbolader mit einem Gehäuse, mit einem Verdichterlaufrad (7) und mit einem Turbinenlaufrad (3), wobei das Verdichterlaufrad (7) und das Turbinenlaufrad (3) auf einer gemeinsamen Welle (5) drehbar gelagert sind, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verdichterlaufrad (7) nach einem der vorhergehenden Ansprüche vorgesehen ist.
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