-
Die
Erfindung betrifft ein Verdichtergehäuse einer Strömungsmaschine
mit schneckenförmigem Strömungskanal gemäß dem
Oberbegriff des Patentanspruches 1.
-
Der
grundsätzliche Aufbau und die Wirkungsweise derartiger
Strömungsmaschinen wie z. B. ein Radialverdichter eines
Turboladers sind an sich bekannt und bedürfen daher im
vorliegenden Zusammenhang keiner näheren Erläuterung
mehr. So offenbart die
EP
1 233 190 A1 eine Strömungsmaschine mit radial
durchströmtem Verdichterrad, wobei das Verdichterrad in
einem gattungsgemäßen Verdichtergehäuse
eingebaut ist.
-
Nach
langem Betrieb unter ungünstigen Betriebsbedingungen kann
das Verdichterrad einer solchen Strömungsmaschine beispielsweise
durch Korrosion, Erosion, fehlerhafte Montage, Materialfehler und/oder
Alterung so stark geschwächt werden, dass ein Bersten des
Verdichterrades nicht ausgeschlossen werden kann. Im Falle eines
Verdichterradbruchs, bei welchem das Rad in zwei oder belieb viele
Teilstücke zerbricht, werden diese Einzelteile durch erhebliche
Zentrifugalkräfte nach außen geschleudert. In
diesem Fall können Bruchstücke aus dem Verdichtergehäuse
austreten, dabei werden die Verdichterradschaufeln völlig
zerstört und der verbleibende Nabenkörper verklemmt
sich zwischen dem Lagergehäuse und dem Verdichtergehäuse. Durch
die Formgebung der Naben entsteht dabei eine Keilwirkung, die erhebliche
pulsartige Axialkräfte auf die Gehäuse ausübt.
-
Kleine
Strömungsmaschinen können durch die relativ großen
Wandstärken und die steifen Gehäuseteile die obigen
Belastungen bzw. Kräfte sicher aufnehmen, bei großen
Strömungsmaschinen werden hingegen die Gehäusewandstärken
meist aus gießtechnischen Gründen verringert,
wodurch bei einer derartigen Be anspruchung die Grenzen der Materialfestigkeit
des Werkstoffs bzw. des Materials schnell erreicht wird und es zu
Gehäusebrüchen kommen kann, dabei können
Bruchstücke bzw. Keilstücke des Verdichterrades
aus der Strömungsmaschine austreten was erhebliche Folgeschäden
verursachen kann. Durch das Austreten von Bruchstücken
bzw. Teilstücken des Verdichterrades wird die sog. Containment-Sicherheit
der gesamten Strömungsmaschine beeinträchtigt.
Nach der Maschinenrichtlinie darf von Maschinen keine Gefahr ausgehen.
-
Zur
Gewährleistung der Containment-Sicherheit von Strömungsmaschinen
unter Verzicht auf einen zusätzlichen Berstschutz außerhalb
des Spiralgehäuses schlägt die
EP 1 233 190 A1 vor, dass
das Verdichtergehäuse zweiteilig aus einem äußeren Spiralgehäuse
und einem inneren Gehäuseeinsatzstück auszubilden,
wobei das innere Gehäuseeinsatzstück am äußeren
Spiralgehäuse über eine flexible Fixierung angebaut
ist.
-
In
der
DE 10 2004
027 594 A1 wird zur Sicherung im Falle des Berstens des
Verdichterrades vorgeschlagen, dass die Werkstoffe aus denen das innere
und das äußere Spiralgehäuse bestehen
einen bestimmten Bruchdehnungswert aufweisen.
-
Der
Erfinder hat erkannt, dass bei gegenwärtigen Verdichtergehäusen
falls Versteifungsrippen zum Einsatz kommen, diese nahezu symmetrisch angebracht
sind.
-
Weiterhin
hat der Erfinder erkannt, dass die Steifigkeit bzw. das Verformungsverhalten
des Verdichtergehäuses sich entlang des Strömungskanals ändert.
Dies rührt daher, dass der Querschnitt des Strömungskanals
bis zum Austritt des Stutzens des Verdichtergehäuses anwächst.
Im Bereich des kleineren Strömungskanalsquerschnitts weist
das Verdichtergehäuse eine höhere Steifigkeit
bzw. ein geringeres Verformungsverhalten auf, während im
Bereich des größeren Strö mungskanalsquerschnitts das
Verdichtergehäuse eine geringere Steifigkeit bzw. ein höheres
Verformungsverhalten aufweist.
-
Hiervon
ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung das Problem zugrunde
ein Verdichtergehäuse einer Strömungsmaschine
mit schneckenförmigem, also mit nach radial außen
im Querschnitt sich vergrößerndem, Strömungskanal
zu schaffen, bei dem durch bestimmte Gehäuseabmessungen bzw.
Gehäusegeometrien die Steifigkeit entlang des schneckenförmigen
Strömungskanals auf gleichmäßige Werte
eingestellt wird.
-
Dieses
Problem wird durch ein Verdichtergehäuse einer Strömungsmaschine
mit schneckenförmigem Strömungskanal gemäß Patentanspruch
1 gelöst.
-
Der
Erfinder schlägt vor, ein Verdichtergehäuse einer
Strömungsmaschine mit einem schneckenförmigen
Strömungskanal, dessen Querschnitt sich kontinuierlich
zu einem Austrittsstutzen des Verdichtergehäuses vergrößert,
dahingehend zu verbessern, dass die Steifigkeit des Verdichtergehäuses entlang
des Querschnitts des Strömungskanals nahezu gleiche Werte
aufweist.
-
Unter
Steifigkeit ist eine Größe in der technischen
Mechanik zu verstehen, die den Zusammenhang zwischen der Last, die
auf einen Körper einwirkt und dessen elastischer Verformung
beschreibt. Die Steifigkeit eines Körpers ist von dessen
Werkstoff sowie der Geometrie abhängig. Je nach Belastungsart unterscheidet
man unterschiedliche Steifigkeiten, z. B. Biege-, Dehnungs- oder
Torsionssteifigkeit. Der Kehrwert der Steifigkeit wird als Nachgiebigkeit
bezeichnet.
-
Durch
diese Ausführung des Verdichtergehäuses wird die
Steifigkeit speziell im Bereich der erhöhten Belastung
verstärkt, wodurch gezielt Stellen mit erhöhter
Berstgefahr beseitigt werden. Bezogen auf eine Mittenebene durch
das Verdichtergehäuse, wobei das Austrittsstutzen auf einer
Halbkreisebene angeordnet ist, ist der Bereich der erhöhten
Belastung auf der anderen Halbkreisebene angeordnet.
-
Eine
vorteilhafte Ausführung der Erfindung sieht vor, dass im
gesamten Winkelbereich Versteifungsrippen angeordnet sind. Die Versteifungsrippen sind
in bekannten Verdichtergehäusen in der Regel in gleichem
Sektionalabstand angeordnet. Gemäß einem Aspekt
der Erfindung kann der Sektionalabstand der Versteifungsrippen im
Bereich der erhöhten Steifigkeit geringer sein, als im
Bereich der geringeren Steifigkeit.
-
In
einer bevorzugten Ausführung ist die Anzahl der Versteifungsrippen
im Bereich der geringeren Steifigkeit des Verdichtergehäuses
höher als im Bereich der höheren Steifigkeit.
Sind beispielsweise in einer Winkelsektion im Bereich der höheren
Steifigkeit n Versteifungsrippen vorhanden, wobei n ganzzahlig und
n größer gleich 1 ist, so sollten in einer gleichgroßen
Winkelsektion im Bereich der geringeren Steifigkeit n + 1 Versteifungsrippen,
vorzugsweise 1,5 × n Versteifungsrippen, vorhanden sein.
-
Die
Wandstärke der Versteifungsrippen kann im Bereich der geringeren
Steifigkeit größer sein als die Wandstärke
der Versteifungsrippen im Bereich der geringeren Steifigkeit. Beispielsweise
sollte die Wandstärke um einen Faktor > 1 bis einen Faktor 3 größer
sein.
-
In
einer alternativen Ausführung der Erfindung werden nur
im Bereich geringerer Steifigkeit Versteifungsrippen angeordnet.
Hierdurch kann die Materialmenge beim Gießprozess und somit
die Herstellungskosten des Verdichtergehäuses minimiert werden.
-
Die
Versteifungsrippen befinden sich im inneren des Verdichtergehäuses,
welches bei abgeschraubtem Schalldämpferelement sichtbar
wird. Hierbei sind an einer In nenwandung, die an eine Stelle an
der das Verdichterrad aufgekommen wird angrenzt und/oder an der
Innenseite der Außenwandung des Verdichtergehäuses
Versteifungsrippen angeordnet. Dabei können die Versteifungsrippen
der Innenwandung und die Versteifungsrippen der Außenwandung
ineinander übergehen.
-
Alternativ
oder ergänzend zu den diversen Ausgestaltungen der Versteifungsrippen
kann am verdichteten Gehäuse in den Bereich erhöhter
Steifigkeit die Wandstärke des Verdichtergehäuses
geringer als im Bereich der geringeren Steifigkeit ausgeführt
sein. Dabei kann die Wandstärke im Bereich geringerer Steifigkeit
um einen Faktor > 1
bis zu einem Faktor von 3 erhöht werde, als die Wandstärke im
Bereich der höheren Steifigkeit.
-
Bevorzugte
Weiterbildungen der Erfindungen ergeben sich aus den Unteransprüchen
und der nachfolgenden Beschreibung. Mehrere Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden ohne hier beschränkt zu sein anhand
der Zeichnungen näher erläutert.
-
Dabei
zeigt:
-
1:
Draufsicht auf Verdichtergehäuse;
-
2:
Draufsicht auf weiteres Verdichtergehäuse;
-
3:
Schnittansicht durch Ebene A-B aus 2;
-
4:
Schnittansicht durch Ebene C-D aus 2;
-
5:
Schnittansicht durch Ebene E-F aus 1;
-
6:
Schnittansicht durch Verdichtergehäuse.
-
In 1 ist
die Draufsicht auf ein Verdichtergehäuse 1, beispielsweise
ein Verdichtergehäuse eines Abgasturboladers dargestellt.
In der Regel wird auf dieser Seite des Verdichtergehäuses 1 ein
Schalldämpfer montiert.
-
Das
Verdichtergehäuse 1 weist einen Strömungskanal 7 auf,
der im Bereich 7.1 einen geringeren Kanalquerschnitt aufweist
als im Bereich 7.2. Über ein in 1 nicht
dargestelltes Verdichterrad, welches im Innenbereich 5 des
Verdichtergehäuses 1 angeordnet ist, wird die
Luft im Abgasturbolader zum Austrittsstutzen 2 hin verdichtet.
-
Wie
Eingangs erläutert kann das Verdichterrad eines solchen
Abgasturboladers beispielsweise durch Korrosion, Erosion, fehlerhafte
Montage, Materialfehler und/oder Alterung so stark geschwächt
werden, dass ein Bersten des Verdichterrades nicht ausgeschlossen
werden kann. Im Falle eines Verdichterradbruchs, bei welchem das
Rad mindestens in zwei oder beliebig viele Teilstücke zerbricht,
werden diese Einzelteile durch erhebliche Zentrifugalkräfte
nach außen geschleudert. In diesem Fall können
diese Bruchstücke aus dem Verdichtergehäuse 1 austreten.
-
Im
Bereich 7.1 des geringeren Strömungskanalsquerschnitts
weist das Verdichtergehäuse 1 eine höhere
Steifigkeit bzw. ein geringeres Verformungsverhalten auf, während
im Bereich 7.2 des höheren Strömungskanalsquerschnitts
das Verdichtergehäuse 1 eine geringere Steifigkeit
bzw. ein höheres Verformungsverhalten aufweist.
-
Um
generell die Steifigkeit des Verdichtergehäuses 1 zu
erhöhen sind Versteifungsrippen 3 und 4 angeordnet.
Die Versteifungsrippen 3 und 4 sind Innenrippen
des Verdichtergehäuses. Die Innenrippe 3 ist zum
Außenbereich 6 des Verdichtergehäuses 1 angeordnet,
während die Innenrippe 4 zum Innenbereich 5 des
Verdichterrads angeordnet ist.
-
Um
die entlang des wachsenden Strömungskanalquerschnitt abfallende
Steifigkeit auf einen nahezu gleichen Steifigkeitswert anzupassen,
sind nach einem Aspekt der Erfindung, die Versteifungsrippen 3 und 4 in
unterschiedlichen Winkelabständen zueinander angeordnet.
-
Im
Bereich 7.1 des geringeren Strömungskanalsquerschnitts,
in dem das Verdichtergehäuse 1 eine höhere
Steifigkeit aufweist, ist der Winkelabstand, ausgedrückt
durch den Winkel β, zwischen benachbarten Versteifungsrippen 3 und 4 größer
als im Bereich 7.2 des höheren Strömungskanalsquerschnitts
das Verdichtergehäuse, wo der Winkel zwischen benachbarten
Versteifungsrippen 3 und 4 α ist.
-
Nach
einem Aspekt der Erfindung sollte 3 der Winkelabstand benachbarter
Versteifungsrippen 3 und 4 mit wachsendem Strömungskanalquerschnitt kleiner
werden.
-
Die
Dichte und somit die Anzahl der Versteifungsrippen ist im Bereich 7.2 des
höheren Strömungskanalsquerschnitts erhöht
zur Dichte und Anzahl der Versteifungsrippen 3 und 4 im
Bereich 7.1 des geringeren Strömungskanalsquerschnitts.
-
Die 2 zeigt
eine Draufsicht auf ein weiteres Verdichtergehäuse 1.
Analog zum Verdichtergehäuse 1 aus 1 sind
die Innenrippen 3, die zum Außenbereich 6 des
Verdichtergehäuses 1 angeordnet, mit zunehmendem
Strömungskanalquerschnitt in einem geringer werdenden Winkelabstand
zueinander angeordnet. Ergänzend zu dieser Art die Steifigkeit
zu erhöhen haben die näher in Richtung Austrittstutzen 2 liegenden
Innenrippen 3 eine größere Wandstärke 9.
-
Weiterhin
sind nur zum Innenbereich 5 hin Innenrippen 4 angeordnet
und zwar im Bereich 7.2 des höheren Strömungskanalsquerschnitts
das Verdichtergehäuses 1.
-
Die 3 zeigt
eine Schnittansicht durch die Ebene A-B eines Teilbereiches des
Verdichtergehäuses 1 aus 2. Rechts
in 3 ist der Strömungskanal 7 angeordnet.
Zum Verdichteraußenbereich 6 ist zur Versteifung
die Innenrippe 3 vorhanden.
-
Die 4 zeigt
eine Schnittansicht durch die Ebene C-D eines Teilbereiches des
Verdichtergehäuses 1 aus 2. Rechts
in 4 ist der Strömungskanal 7 an geordnet,
der eine Bestimmte Wandungsstärke 8 aufweist.
Zum Verdichteraußenbereich 6 ist zur Versteifung
die Innenrippe 4 vorhanden.
-
Die 5 zeigt
eine Schnittansicht durch Ebene E-F eines Teilbereiches des Verdichtergehäuses 1 aus 1.
Hier sind zur Versteifung des Verdichtergehäuses 1 sowohl
in Richtung Außenbereich 6 als auch in Richtung
Innenbereich 5 Innenrippen 3 und 4 angeordnet.
Ebenfalls rechts in 5 ist der Strömungskanal 7 angedeutet.
-
In 6 ist
eine weitere Variante der Versteifungsrippen gezeigt. Die Innenrippen 3 und 4 gehen in
einander über.
-
- 1
- Verdichtergehäuse
- 2
- Austrittsstutzen
- 3
- Innenrippe
- 4
- Innenrippe
- 5
- Innenbereich
Verdichterrad
- 6
- Außenbereich
Verdichtergehäuse
- 7
- Strömungskanal
- 7.1
- Strömungskanal
mit geringem Kanalquerschnitt
- 7.2
- Strömungskanal
mit großem Kanalquerschnitt
- 8
- Wandungsstärke
Strömungskanal
- 9
- Wandstärke
Innenrippe
- α
- Winkel
- β
- Winkel
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- - EP 1233190
A1 [0002, 0005]
- - DE 102004027594 A1 [0006]