-
Die
Erfindung betrifft einen Verdichter, insbesondere für einen
Abgasturbolader einer Brennkraftmaschine, der im Oberbegriff des
Patentanspruchs 1 angegebenen Art.
-
Ein
derartiger Verdichter ist bereits aus dem Kraftfahrzeugserienbau
bekannt und umfasst ein Verdichtergehäuse sowie innerhalb des Verdichtergehäuses angeordnetes
Verdichterrad, dessen Verdichterradeintritt im Bereich eines Zuströmkanals
des Verdichtergehäuses
angeordnet ist. Zur Kennfeldverbreiterung derartiger Verdichter
werden sogenannte kennfeldstabilisierenden Maßnahmen (KSM) eingesetzt. Das
Verdichterkennfeld ist dabei einerseits durch die Pumpgrenze, das
heißt
die minimal mögliche
Volumenförderung,
und andererseits durch die Stopfgrenze, das heißt die maximal mögliche Volumenförderung,
begrenzt. Zwischen der Pump- und der Stopfgrenze ist ein stabiler
Betrieb des Verdichters möglich.
Unterhalb der Pumpgrenze kommt es jedoch aufgrund von Strömungsablösungen und Fehlanströmungen zu
Pumpstößen, welche
einen stabilen Betrieb des Verdichters verhindern und bereits nach
kurzen Laufzeiten zu erheblichen Beschädigungen führen können. Um die Pumpgrenze zu kleineren
Massedurchsätzen
hin verschieben zu können,
umfasst das Verdichtergehäuse
daher zusätzlich
einen Gasführungskanal,
dessen erste Strömungsöffnung stromauf
des Verdichterradeintritts und dessen zweite Strömungsöffnung stromab des Verdichterradeintritts
angeordnet sind. Hierdurch kann in einem Betriebsbereich nahe der
Pumpgrenze das Gas über
dem Verdichterrad abgeführt
und zurück
zum Verdichterradeintritt transportiert werden. Dadurch wird der
Massenstrom am Verdichterradeintritt um bis zu 50% erhöht und eine
Absenkung der Pumpgrenze ermöglicht.
-
Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, einen Verdichter der eingangs
genannten Art zu schaffen, welcher auf konstruktiv einfache Weise eine
stabile Absenkung seiner Pumpgrenze ermöglicht.
-
Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch
einen Verdichter mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und
nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
-
Ein
Verdichter, dessen Pumpgrenze hin zu kleinen Masseströmen stabil
verschiebbar ist, ist erfindungsgemäß dadurch geschaffen, dass
das Verdichtergehäuse
wenigstens einen weiteren Gasführungskanal
umfasst. Der weitere Gasführungskanal stellt
ein konstruktiv einfaches Mittel dar, um die Turbulenz der Strömung des
zu verdichtenden Gases zu erhöhen,
wodurch dessen Ablöseneigung
vom Verdichterrad verringert und die Pumpgrenze des Verdichters
entsprechend gesenkt wird. Alternativ oder zusätzlich können in Abhängigkeit der konkreten Ausgestaltung
des weiteren Gasführungskanals
einsetzende Ablösevorgänge des
zu verdichtenden Gases am Verdichterradeintritt verzögert bzw.
gedämpft werden,
wodurch sich ebenfalls eine Absenkung der Pumpgrenze des Verdichters
ergibt. Zusammenfassend ermöglicht
der weitere Gasführungskanal
eine signifikante Kennfeldverbreiterung und eine damit verbundene
Wirkungsgradsteigerung des Verdichters.
-
Weitere
Vorteile, Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich anhand
der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen sowie anhand
der Zeichnungen, in welchen gleiche oder funktionsgleiche Elemente
mit identischen Bezugszeichen versehen sind. Dabei zeigen:
-
1 eine
schematische und ausschnittsweise seitliche Schnittansicht eines
aus dem Stand der Technik bekannten Verdichters;
-
2 eine
schematische und ausschnittsweise seitliche Schnittansicht eines
erfindungsgemäßen Verdichters
gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel;
-
3 eine
schematische und ausschnittsweise seitliche Schnittansicht des erfindungsgemäßen Verdichters
gemäß einem
zweiten Ausführungsbeispiel;
und
-
4 eine
schematische und ausschnittsweise frontale Schnittansicht des Verdichters
entlang der in 3 gezeigten Schnittlinie IV-IV.
-
1 zeigt
eine schematische und ausschnittsweise seitliche Schnittansicht
eines aus dem Stand der Technik bekannten Verdichters für einen Abgasturbolader
einer Brennkraftmaschine. Der Verdichter umfasst dabei ein Verdichtergehäuse 10 sowie
ein innerhalb des Verdichtergehäuses 10 angeordnetes
Verdichterrad 12, dessen Verdichterradeintritt 14 im
Bereich eines axial verlaufenden Zuströmkanals 16 des Verdichtergehäuses 10 angeordnet
ist. Das Verdichterrad 12 kann über eine nicht abgebildete
Welle in an sich bekannter Weise von einem Turbinenrad angetrieben
werden, saugt Gas durch den Zuströmkanal 16 an und leitet
sie nach dem Verdichten gemäß Pfeil
Ia durch einen Diffusor 18 und einen Spiralkanal (nicht
abgebildet) zu Zylindern einer zugeordneten Brennkraftmaschine.
Als kennfeldstabilisierende Maßnahme
(KSM) umfasst das Verdichtergehäuse 10 einen
Gasführungskanal 20 umfasst, dessen
erste Strömungsöffnung 20a stromauf
des Verdichterradeintritts 14 und dessen zweite Strömungsöffnung 20b stromab
des Verdichterradeintritts 14 angeordnet sind. Die Wirkweise
des Gasführungskanals 20 ist
derart, dass in Betriebsbereichen nahe der Pumpgrenze des Verdichters
das Gas gemäß Pfeil
Ib über
dem Verdichterrad 12 abgeführt und vor dem Verdichterrad 12 wieder
eingeleitet wird. Dadurch wird der in das Verdichterrad 12 eintretende Gasmassenstrom
um bis zu 50% erhöht.
Die Erhöhung
des tatsächlich
eintretenden Massenstroms am Verdichterradeintritt 14 führt dazu,
dass Fehlanströmungen
(Inzidenz) bei Betriebspunkten in der Nähe der Pumpgrenze reduziert
werden. Auf diese Weise wird die Gefahr des Ablösens der Gasströmung aufgrund
günstigerer
Anströmverhältnisse
reduziert. Dies kann beispielsweise anhand von Geschwindigkeitsdreiecken
mit den Geschwindigkeitsvektoren Radialgeschwindigkeit, Umfangsgeschwindigkeit und
Winkelgeschwindigkeit der Strömung
am Verdichterrad 12 veranschaulicht werden. Im Gegensatz zu
Verdichtern ohne kennfeldstabilisierende Maßnahmen können bei vergleichbaren Umfangsgeschwindigkeiten
der Strömung
betragsmäßig höhere Radial-
und Winkelgeschwindigkeiten erzielt werden. Gleichzeit werden auch
die Strömungsverluste
am Verdichterradeintritt 14 verringert, da die Umlenkung des
Gasstroms reduziert wird. In Betriebspunkten nahe der Stopfgrenze
ist die Strömungsrichtung
umgekehrt. Hier erfolgt demnach eine radiale Einströmung auf
das Verdichterrad 12, wodurch der engste Querschnitt des
Verdichterrads 12 am Verdichterradeintritt 14 umgangen
und so eine höhere
Gasmasse durch den Verdichter gefördert werden kann.
-
2 zeigt
eine schematische und ausschnittsweise seitliche Schnittansicht
eines erfindungsgemäßen Verdichters
gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel.
Der grundsätzliche
Aufbau ist dabei bereits aus 1 bekannt.
Im Unterschied zum in 1 gezeigten Verdichter umfasst
das Verdichtergehäuse 10 des
erfindungsgemäßen Verdichters
jedoch wenigstens einen weiteren Gasführungskanal 20', mittels welchem
die Pumpgrenze des Verdichters weiter abgesenkt und ein stabiler
Betrieb über
ein verbreitertes Verdichterkennfeld ermöglicht ist. Der weitere Gasführungskanal 20' umfasst dabei eine
erste Strömungsöffnung 20'a stromauf des
Verdichterradeintritts 14 sowie eine zweite Strömungsöffnung 20'b stromab des
Verdichterradeintritts 14 und stellt hierdurch einen zusätzlichen
Strömungspfad
zur Verfügung,
mittels welchem eine Turbulenzerhöhung des Gasstroms im gehäuseseitigen
Verdichterschaufelbereich erzielbar ist. Die zweite Strömungsöffnung 20'b des weiteren
Gasführungskanals 20' mündet in
einem vorbestimmten Abstand h gegenüber dem Verdichterrad 14 in
den Gasführungskanal 20.
Durch die Festlegung auf den vorbestimmten Abstand h kann dabei
vorteilhaft das treibende Druckgefälle für die Turbulenzerzeugung eingestellt werden.
Zur weiteren Beeinflussung der Strömung des zu verdichtenden Gases
kann vorgesehen sein, dass der weitere Gasführungskanal 20' zusätzlich ein Strömungsteil 22 umfasst,
welches vorliegend im Nahbereich des Verdichterradeintritts 14 angeordnet ist.
Dadurch ist es möglich,
mit möglichst
geringen Strömungsverlusten
nur eine lokale Turbulenzerhöhung
im gehäuseseitigen
Bereich des Verdichterradeintritts 14 zu erwirken. Hierdurch
wird die Ablöseneigung
des Gasstroms insbesondere im ablösegefährdeten Radaussenbereich zusätzlich reduziert.
Das Strömungsteil 22 kann
beispielsweise als Leitgitter ausgebildet sein, wodurch wahlweise
eine Gegendrallströmung
oder eine Mitdrallströmung
erzeugt werden kann. Durch die hauptsächlich axial gerichtete Zuströmung erfolgt
dann eine lokale Turbulenzerzeugung vor dem Verdichterradeintritt 14.
Eine weitere Möglichkeit
der Turbulenzerzeugung stellt die radiale Einblasung hochturbulenter
Strömung
durch ein entsprechend geartetes Strömungsteil 22 dar,
so dass die Turbulenzerzeugung zusätzlich oder alternativ bereits
im Bereich des Gasführungskanals 20 erfolgen
kann. Dabei kann in weiterer Ausgestaltung vorgesehen sein, dass
das Strömungsteil 22 den Massenstrom
durch den weiteren Gasführungskanal 20' derart reguliert,
dass während
des Betriebs des Verdichters der Gasmassenstrom durch den Gasführungskanal 20 größer ist
als derjenige durch den weiteren Gasführungskanal 20'. Dadurch ist
es möglich den
größten Teil
der rezirkulierenden Luftmasse möglichst
verlustfrei zu transportieren wohingegen ein geringerer Luftmassenanteil
mit meist höheren Strömungsverlusten
zur Turbulenzerzeugung genutzt wird. Grundsätzlich können natürlich auch drei oder mehr Gasführungskanäle 20 zur
Beeinflussung der Gasströmung
vorgesehen sein.
-
3 zeigt
eine schematische und ausschnittsweise seitliche Schnittansicht
des erfindungsgemäßen Verdichters
gemäß einem
zweiten Ausführungsbeispiel
und wird in Zusammenschau mit 4 erläutert werden,
welche eine schematische und ausschnittsweise frontale Schnittansicht
des Verdichters entlang der in 3 gezeigten
Schnittlinie IV-IV zeigt. Im Unterschied zum Verdichter gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel
wird die inzidenzmindernde Funktion der KSM vorliegend mit Hilfe
eines im Nahbereich vor dem Verdichterradeintritt 14 angeordneten
weiteren Gasführungskanal 20' ermöglicht. Der
Gasführungskanal 20' ist damit als
Vorvolumen ausgebildet und besitzt lediglich eine erste Strömungsöffnung 20'a stromauf des
Verdichterradeintritts 14, durch welche Gas ein- und ausströmen kann.
Der weitere Gasführungskanal 20' kann somit bei
Einsetzen von Ablösevorgängen an
den äußeren Spitzen
des Verdichterrads 12 im Bereich des Verdichterradeintritts 14 damit
verbundene Rückströmungen aufnehmen
und eine ablösedämpfende
Wirkung erzeugen, wodurch die Pumpgrenze des Verdichters ebenfalls
vorteilhaft und betriebsstabil abgesenkt wird. Der weitere Gasführungskanal 20' kann grundsätzlich rotationssymmetrisch
(s. 4) oder asymmetrisch ausgebildet sein. Weiterhin
kann vorgesehen sein, dass der weitere Gasführungskanal 20' ein turbulenzsteigerndes
Strömungsteil 22 umfasst.
Grundsätzlich
kann natürlich
auch vorgesehen sein, dass der Verdichter zusätzlich einen weiteren Gasführungskanal 20' gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel
umfasst.