DE102008061235A1

DE102008061235A1 - Schwingungsreduzierung in einem Abgasturbolader

Info

Publication number: DE102008061235A1
Application number: DE102008061235A
Authority: DE
Inventors: Georg Rieder
Original assignee: MAN Diesel SE
Current assignee: MAN Energy Solutions SE
Priority date: 2008-12-09
Filing date: 2008-12-09
Publication date: 2010-06-10
Anticipated expiration: 2028-12-10
Also published as: KR20150109319A; CH700069A2; CN101749059B; JP4995881B2; JP2010138896A; CH700069B1; KR20100066341A; DE102008061235B4; CN101749059A; KR101821457B1

Abstract

Vorgeschlagen wird eine Strömungsmaschine für einen Abgasturbolader, mit einem Gehäuse (1), welches einen Strömungskanal für ein Fluid definiert, das die Strömungsmaschine durchströmt; einer in dem Gehäuse drehbar aufgenommenen Laufradnabe (2); mehreren auf der Nabe angeordneten Laufschaufeln (3) zum Umlenken einer Fluidströmung; und einer Leiteinrichtung mit Leitschaufeln (4) zum Umlenken einer Fluidströmung; und einem Störungsgenerator (5) zur Induzierung einer Störung in der Fluidströmung, die eine durch die Leitschaufeln (4) induzierte Schwingung der Laufschaufeln (3) durch Überlagerung reduziert.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Strömungsmaschine für einen Abgasturbolader nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, einen Abgasturbolader, insbesondere für eine selbstzündende Brennkraftmaschine, mit einer solchen Strömungsmaschine, sowie eine Verfahren zur Schwingungsreduzierung in einem solchen Abgasturbolader.
Ein Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine umfasst stets zwei Strömungsmaschinen, einen Verdichter zum Verdichten von Verbrennungsluft für die Brennkraftmaschine, sowie eine Turbine zum Antrieb des Verdichters. Insbesondere bei Abgasturboladern für selbstzündende Brennkraftmaschinen hoher Leistung, etwa Schiffsdieseln, werden Verdichter und Turbine durch die sie durchströmenden Fludie, i. e. Verbrennungsluft bzw. Abgas, mechanisch und thermodynamisch hoch beansprucht. Auf der anderen Seite wird heute angestrebt, die Laufschaufeln dieser Strömungsmaschinen möglichst schlank auszuführen.
Derartige Schaufeln sind jedoch aufgrund ihrer geringeren Trägheitsmomente und Steifigkeiten besonders anfällig für Schwingungsanregungen. Solche Schwingungen werden vor allem von Leitradschaufeln eines Vor- bzw. Nachleitapparates stromauf- bzw. -abwärts der Laufschaufeln induziert, indem diese eine, häufig periodische, Störung in der Fluidströmung bewirken. Das so gestörte Fluid regt dann seinerseits die – heutzutage zunehmend dünner ausgebildeten – Laufschaufeln zu Schwingungen an. Diese Schwingungsanregung beeinträchtigt den nutzbaren Drehzahlbereich, verringert den Wirkungsgrad und erhöht die Geräuschentwicklung sowie die Materialbeanspruchung, die bei Resonanz bis hin zum strukturellen Versagen führen kann.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine oder mehrere der oben erläuterten Beeinträchtigungen zu reduzieren oder zu vermeiden.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein Strömungsmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 durch dessen kennzeichnende Merkmale weitergebildet. Anspruch 11 stellt einen Abgasturbolader mit einer solchen Strömungsmaschine unter Schutz, Anspruch 12 ein Verfahren zur Schwingungsreduzierung in einem solchen Abgasturbolader. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen wiedergegeben.
Eine erfindungsgemäße Strömungsmaschine eines Abgasturboladers weist in an sich bekannter Weise ein Gehäuse, welches einen Strömungskanal für ein Fluid definiert, das die Strömungsmaschine durchströmt, eine in diesem Gehäuse drehbar aufgenommene Laufradnabe, mehrere auf der Nabe angeordnete Laufschaufeln zum Umlenken einer Fluidströmung, und eine Leiteinrichtung mit Leitschaufeln zum Umlenken der Fluidströmung auf.
Bei der Fluidströmung kann es sich beispielsweise um Verbrennungsluft für eine Brennkraftmaschine, die durch den, insbesondere als Radial- oder Diagonalverdichter ausgebildeten, Verdichter des Abgasturboladers verdichtet wird, oder um Abgase von der Brennkraftmaschine handeln, die eine, insbesondere als Axialturbine ausgebildete, Turbine des Abgasturboladers antreiben.
Die Leiteinrichtung kann insbesondere eine in Strömungsrichtung stromabwärts hinter den Laufschaufeln angeordnete Nachleiteinrichtung, aber auch eine in Strömungsrichtung stromaufwärts vor den Laufschaufeln angeordnete Vorleiteinrichtung sein. Die Leitschaufeln können relativ zur Leiteinrichtung fest oder verstellbar sein.
Durch solche Leiteinrichtungen werden Strömungsstörungen, insbesondere Druck- oder Geschwindigkeitsschwankungen, beispielsweise parasitäre oder gegenläufige, Strömungen in dem Fluid induziert, die ihrerseits die Laufradschaufeln zu Schwingungen anregen können.
Erfindungsgemäß wird daher vorgeschlagen, durch einen Störungsgenerator eine Störung in der Fluidströmung zu induzieren, die eine durch die Leitschaufeln induzierte Schwingung der Laufschaufeln durch Überlagerung reduziert.
Bekanntlich können Schwingungsamplituden durch eine im Wesentlichen gegenphasig überlagerte Schwingung reduziert oder ausgelöscht werden. Dieses als Interferenz, Gegen- oder Antischall bekannte Prinzip kann bei der vorliegenden Erfindung vorteilhaft auf zwei Arten genutzt werden: Zum einen kann der Stö rungsgenerator Strömungsstörungen, insbesondere Druck- oder Geschwindigkeitsschwankungen in dem Fluid induzieren, die ihrerseits die Laufradschaufeln zu Schwingungen anregen, die dann durch Überlagerung diejenigen Schwingungen reduzieren, die durch die durch die Leitschaufeln induziert werden. Die Laufschaufeln werden somit durch zwei Strömungsstörungen beaufschlagt, die einander reduzierende Schwingungen der Laufschaufeln auslösen. Zusätzlich oder alternativ kann der Störungsgenerator auch Strömungsstörungen, insbesondere Druck- oder Geschwindigkeitsschwankungen in dem Fluid induzieren, die durch Überlagerung diejenigen Strömungsstörungen reduzieren, die aus den Leitschaufeln resultieren und die Laufradschaufeln zu unerwünschten Schwingungen anregen. Somit wird bereits die die Laufschaufeln beaufschlagende Strömungsstörungen und damit die Schwingungsanregung der Laufschaufeln reduziert.
So können insbesondere Resonanzschwingungen der Laufschaufeln reduziert oder vermieden werden. Auf diese Weise können vorzugsweise sonst aufgrund von Resonanzschwingungen unzugängliche Drehzahlbereiche genutzt, der Wirkungsgrad erhöht, die thermodynamischen und/oder mechanischen Kennwerte verbessern und/oder die Geräuschentwicklung oder die Materialbeanspruchung deutlich reduziert werden.
Der Störungsgenerator kann als aktives Element, beispielsweise als Piezosensor, elektromagnetisch betätigbare Membran oder dergleichen ausgebildet sein, um geeignete Strömungsstörungen in dem Fluid induzieren. Zusätzlich oder alternativ kann der Störungsgenerator eine oder mehrere geometrische Störstellen umfassen. Wenn das Fluid an solchen Störstellen entlangströmt, wird die Strömung gestört.
Die Position und/oder Form der geometrischen Störstellen wird vorzugsweise so gewählt, dass eine Resonanzamplitude der durch die Leitschaufeln induzierten Schwingung der Laufschaufeln durch Überlagerung reduziert wird. Der Fachmann kann die für die jeweilige Strömungsmaschine optimalen Störstellen beispielsweise durch empirische Versuche und/oder Simulationsrechnungen, insbesondere FEM-Schwingungs- und/oder Strömungssimulationen bestimmten.
Insbesondere können eine oder mehrere Störstellen als durchgängige oder blinde, i. e. sacklochartige Aussparung in einer Wandung ausgebildet werden, an der das Fluid vorbeiströmt. Solche Aussparungen sind in geeigneter Form einfach herzustellen. Zusätzlich oder alternativ können Störstellen auch als Erhebungen in einer Wandung ausgebildet werden, an der das Fluid vorbeiströmt. Solche Aussparungen und/oder Ergebungen können mit der Wandung urgeformt oder nachträglich ausgebildet werden, beispielsweise spanabhebend oder durch Auftragen von Zusatzmaterial.
Solche Aussparungen und/oder Ergebungen können beispielsweise einen kreisförmigen, ovalen, tropfen- oder rechteckförmigen vom Fluid umströmten Querschnitt aufweisen. Beispielsweise können Aussparungen in Form einer Bohrung, insbesondere einer Langlochbohrung, oder eines Schlitzes ausgebildet sein. Eine Hauptachse eines vom Fluid umströmten Querschnitts einer Aussparungen bzw. Ergebungen kann sich in axialer und/oder Umfangsrichtung erstrecken.
Der Störungsgenerator, insbesondere die vorstehend erläuterten Störstellen, können bevorzugt in der Leiteinrichtung und/oder dem Gehäuse angeordnet sein, welches einen Strömungskanal für ein Fluid definiert.
Bevorzugt entspricht die Anzahl der geometrischen Störstellen der Anzahl der Leitschaufeln der Leiteinrichtung oder einem ganzzahligen Vielfachen dieser Anzahl, da hierdurch in der Fluidströmung eine Störung induziert wird, die besonders geeignet ist, die durch die Leitschaufeln induzierten Schwingungen zu reduzieren.
Für eine besonders effektive Schwingungsreduktion kann die Phase einer in den Laufschaufeln durch den Störungsgenerator induzierten Schwingung oder einer in der Fluidströmung durch den Störungsgenerator induzierten Störung der Phase der durch die Leitschaufeln induzierten Schwingung bzw. Störung im Wesentlichen entgegengerichtet sein. Doch auch Schwingungen bzw. Störungen mit anderem Phasenversatz und/oder anderen Frequenzen sind zur Reduzierung der durch die Leitschaufeln induzierten Schwingungen geeignet.
Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus den Unteransprüchen und den Ausführungsbeispielen. Hierzu zeigt, teilweise schematisiert:
1: einen Teil eines Verdichters eines Abgasturboladers nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung in perspektivischem Teilschnitt; und
2: einen Teil einer Turbine eines Abgasturboladers nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung in perspektivischem Teilschnitt.
In 1 ist ein erfindungsgemäßer Radialverdichter eines Abgasturboladers eines Schiffsdiesels in perspektivischer Darstellung ausschnittweise gezeigt.
Eine Laufrad- oder Rotornabe 2 ist in einem Gehäuse 1 derart aufgenommen, dass zwischen ihnen ein Strömungskanal für Verbrennungsluft für den Schiffsdiesel definiert ist. In diesem Strömungskanal sind Laufschaufeln 3 zur Beschleunigung der Luft angeordnet, die zusammen mit der Laufradnabe 2 mit der Drehzahl n um die Längsachse des Verdichters rotieren und Luft zu stromabwärts angeordneten Leitschaufeln 4 einer Nachleiteinrichtung fördern, in der die kinetische Energie der Luft teilweise in Druckenergie umgesetzt wird.
Durch diese Leitschaufeln 4 wird in der Luftströmung eine Störung in Form von Druck- und Geschwindigkeitsschwankungen induziert, die die Laufschaufeln 3 beaufschlagt. Da diese dünnwandig ausgebildet sind und somit eine geringe Biegesteifigkeit aufweisen, werden sie durch diese von den Leitschaufeln 4 induzierte Störung der Luftströmung zu unerwünschten Schwingungen angeregt.
In dem Gehäuse 1 ist stromaufwärts vor jeder Leitschaufel 4 eine Langlochbohrung 5 ausgebildet, die sich im Wesentlichen in Umfangsrichtung erstreckt. Hierdurch wird in der Luftströmung ebenfalls eine Störung in Form von Druck- und Geschwindigkeitsschwankungen induziert, die die Laufschaufeln 3 ebenfalls zu Schwingungen angeregt. Lage, Form, Größe und Tiefe der Langlochbohrungen 5 ist so gewählt, dass die hierdurch induzierten Schwingungen in den Laufschaufeln im Wesentlichen gegenphasig zu den Schwingungen sind, die durch die Leitschaufeln 4 induziert werden. Beide Schwingungen in den Laufschaufeln 3 löschen sich somit durch Überlagerung gegenseitig im Wesentlichen aus, so dass die Gesamtschwingungsamplitude der Laufschaufeln 3 deutlich reduziert ist.
In 2 ist eine erfindungsgemäße Axialturbine eines Abgasturboladers eines Schiffsdiesels in perspektivischer Darstellung ausschnittweise gezeigt. Einander entsprechende Elemente sind mit den gleichen Bezugszeichen wie in 1. bezeichnet.
Entsprechend ist eine Laufradnabe 2 in einem Gehäuse 1 derart aufgenommen, dass zwischen ihnen ein Strömungskanal für Abgas vom Schiffsdiesel definiert ist. In diesem Strömungskanal sind Laufschaufeln 3 zur Umlenkung der Abgase angeordnet, die zusammen mit der Laufradnabe 2 mit der Drehzahl n um die Längsachse der Turbine rotieren.
Durch Leitschaufeln 4 einer Leiteinrichtung, die die Abgase in geeigneter Weise umlenken, wird in der Luftströmung eine Störung in Form von Druck- und Geschwindigkeitsschwankungen induziert, die die Laufschaufeln 3 beaufschlagt. Da diese dünnwandig ausgebildet sind und somit eine geringe Biegesteifigkeit aufweisen, werden sie durch diese von den Leitschaufeln 4 induzierte Störung der Abgasströmung zu unerwünschten Schwingungen angeregt.
Jeder Leitschaufel 4 ist eine in dem Gehäuse 1 ausgebildete Langlochbohrung 5 zugeordet, die sich im Wesentlichen in Umfangsrichtung erstreckt. Hierdurch wird in der Abgasströmung ebenfalls eine Störung in Form von Druck- und Geschwindigkeitsschwankungen induziert. Lage, Form, Größe und Tiefe der Langlochbohrungen 5 ist so gewählt, dass die hierdurch induzierte Störung in der Abgasströmung im Wesentlichen gegenphasig zu der Störung ist, die durch die Leitschaufeln 4 induziert wird. Beide Störungen in der Abgasströmung löschen sich somit durch Überlagerung gegenseitig im Wesentlichen aus, so dass die Laufschaufeln 3 geringer beaufschlagt und zu Schwingungen angeregt werden, so dass auch hier die Gesamtschwingungsamplitude der Laufschaufeln 3 deutlich reduziert ist

1: Gehäuse
2: Laufradnabe
3: Laufschaufel
4: Leitschaufel
5: Bohrung
n: Drehzahl

Claims

Strömungsmaschine für einen Abgasturbolader, mit einem Gehäuse (1), welches einen Strömungskanal für ein Fluid definiert, das die Strömungsmaschine durchströmt; einer in dem Gehäuse drehbar aufgenommenen Laufradnabe (2); mehreren auf der Nabe angeordneten Laufschaufeln (3) zum Umlenken einer Fluidströmung; und einer Leiteinrichtung mit Leitschaufeln (4) zum Umlenken der Fluidströmung; gekennzeichnet durch einen Störungsgenerator (5) zur Induzierung einer Störung in der Fluidströmung, die eine durch die Leitschaufeln (4) induzierte Schwingung der Laufschaufeln (3) durch Überlagerung reduziert.
Strömungsmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsmaschine ein Verdichter, insbesondere ein Radialverdichter oder Diagonalverdichter, oder eine Turbine, insbesondere eine Axialturbine, eines Abgasturboladers ist.
Strömungsmaschine nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiteinrichtung eine in Strömungsrichtung stromabwärts hinter den Laufschaufeln (3) angeordnete Nachleiteinrichtung oder eine in Strömungsrichtung stromaufwärts vor den Laufschaufeln (3) angeordnete Vorleiteinrichtung ist.
Strömungsmaschine nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Störungsgenerator zur Induzierung einer Störung der Strömung des die Strömungsmaschine durchströmenden Fluides ausgebildet ist, um über dieses Fluid eine Schwingung in den Laufschaufeln (3) zu induzieren, die eine durch die Leitschaufeln (4) induzierte Schwingung der Laufschaufeln (3) durch Überlagerung reduziert, und/oder um eine durch die Leitschaufeln (4) induzierte Störung der Strömung des die Strömungsmaschine durchströmenden Fluides durch Überlagerung zu reduzieren.
Strömungsmaschine nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Störungsgenerator wenigstens eine geometrische Störstelle (5) umfasst.
Strömungsmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Störstelle als durchgängige oder blinde Aussparung (5) oder als Erhebung ausgebildet ist.
Strömungsmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Störstelle (5) einen fluidumströmten Querschnitt aufweist, wobei eine Hauptachse dieses Querschnitts sich in axialer und/oder Umfangsrichtung erstreckt.
Strömungsmaschine nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Störungsgenerator in der Leiteinrichtung und/oder dem Gehäuse (1) angeordnet ist.
Strömungsmaschine nach einem der vorstehenden Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der geometrischen Störstellen der Anzahl der Leitschaufeln (4) der Leiteinrichtung oder einem ganzzahligen Vielfachen dieser Anzahl entspricht.
Strömungsmaschine nach einem der vorstehenden Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Position und/oder Form der geometrischen Störstellen so gewählt ist, dass eine Resonanzamplitude der durch die Leitschaufeln (4) induzierten Schwingung der Laufschaufeln (3) durch Überlagerung reduziert wird.
Strömungsmaschine nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Phase einer in den Laufschaufeln (3) durch den Störungsgenerator (5) induzierten Schwingung der Phase der durch die Leitschaufeln (4) induzierten Schwingung im Wesentlichen entgegengerichtet ist und/oder die Phase einer in der Fluidströmung durch den Störungsgenerator (5) induzierten Störung der Phase der durch die Leitschaufeln (4) induzierten Störung im Wesentlichen entgegengerichtet ist.
Abgasturbolader, insbesondere für eine selbstzündende Brennkraftmaschine, mit einer Strömungsmaschine nach einem der vorstehenden Ansprüche.
Verfahren zur Reduzierung einer durch die Leitschaufeln (4) induzierten Schwingung in den Laufschaufeln (3) einer Strömungsmaschine eines Abgasturbolader nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Störungsgenerator (5) eine Störung in der Fluidströmung induziert, die die durch die Leitschaufeln (4) induzierte Schwingung der Laufschaufeln (3) durch Überlagerung reduziert.