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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verdichtergehäuse gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie einen Verdichter umfassend ein erfindungsgemäßes Verdichtergehäuse und ein Verfahren zur Herstellung eines, insbesondere erfindungsgemäßen, Verdichtergehäuses.
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Bei beispielsweise aus der
DE 10 2007 009 781 B4 bekannten Verdichtern, insbesondere Radialverdichtern, wie einem Turbolader, wird ein Fluid über einen Fluidansaugstutzen angesaugt, mittels eines in dem Verdichtergehäuse rotierenden Verdichterrades verdichtet und über einen Fluidaustrittsstutzen aus dem Verdichtergehäuse abgeführt. Der Wirkungsgrad des Verdichters hängt sehr stark von der Größe eines Spaltes zwischen den radialen Enden des Verdichterrads und dem Gehäuse ab. So führt ein derartiger, auch als Radialspalt bezeichneter, Spalt dazu, dass es zu unerwünschten sogenannten Sekundärströmungen kommen kann, das bedeutet, dass verdichtetes Fluid aufgrund des Druckgefälles, anstatt über den Fluidaustrittsstutzen aus dem Verdichtergehäuse auszutreten, in den Fluidansaugstutzen zurückfließt. Es ist daher wünschenswert, eine derartige Sekundärströmung durch Ausbildung einer Rückstromsperre zu unterbinden, insbesondere indem ein bestehender Spalt zwischen dem Verdichtergehäuse und dem Verdichterrad durch eine Radialspaltverringerungseinrichtung minimiert wird, beispielsweise der Radialspalt auf zwei bis drei Zehntel-Millimeter reduziert wird.
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So schlägt die
DE 197 50 516 A1 ein Verfahren zur Herstellung eines Verdichtergehäuses vor, bei der ein Verdichtergehäuse eines Turboladers auf einer mit einem Verdichterrad zusammenwirkenden Innenwand mit einer Abriebsbeschichtung versehen ist. Dabei wird die Abriebsbeschichtung mittels Plasmaspritzen erzeugt. Anschließend wird das Verdichterrad im Verdichtergehäuse angeordnet und bei einem Anlaufen des Verdichterrades schleifen die Spitzen des Verdichterrades über die Abriebsbeschichtung, so dass diese ”eingelaufen” wird und so bei einer weiteren Rotation des Verdichterrades der Radialspalt minimiert wird.
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Auf ähnliche Weise wird ein Radialspalt im Offenbarungsgehalt der
DE 34 24 661 A1 reduziert. Es wird vorgeschlagen, dass ein Einlaufbelag an einer Strömungsmaschine bereitgestellt wird, indem mehrere Schichten von Teilchen, die aus einem nicht metallischen Kern und einer metallischen dünnen Hülle bestehen, durch chemisches oder physikalisches Abscheiden aus einer Gasphase auf einer Oberfläche der Strömungsmaschine angelagert werden.
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Ein Abriebsbelag wird auch in der
DE 10 2005 055 200 A1 , die ein Verfahren zum Herstellen eines Einlaufbelages offenbart, beschrieben. Zur Bereitstellung eines Einlaufbelags wird eine Mischung aus einem Lösungsmittel, im Lösungsmittel unlöslichen Partikeln eines metallischen Grundwerkstoffs für den Einlaufbelag und einem Füllstoff, wobei der Füllstoff mindestens einen in dem Lösungsmittel löslichen Bestandteil aufweist, bereitgestellt. Diese Mischung wird auf eine Oberfläche eines statorseitigen Bauteils einer Turbomaschine angeordnet und durch Auflösung des Lösungsmittels der Einlaufbelag bereitgestellt.
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Die zuvor beschriebenen Einlaufbeläge weisen jedoch den Nachteil auf, dass die Ausbildung eines derartigen Einlaufbelages auf einer Kunststoffoberfläche eines Verdichtergehäuses, wobei das Verdichtergehäuse vorzugsweise nur aus Kunststoffmaterialien besteht, nicht möglich ist, insbesondere eine verlässliche Haftung des Einlaufbelages auf der Kunststoffoberfläche nicht sichergestellt werden kann bzw. durch die verwendeten Verfahren, beispielsweise eine Beflammung einer Oberfläche, die Strukturintegrität des Verdichtergehäuses durch Angriff an die Kunststoffoberflächen angegriffen werden kann.
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Darüber hinaus beschreibt die
DE 197 50 516 A1 eine abreibbare Dichtung, Es wird vorgeschlagen, dass in eine Vertiefung eines Gehäuses einer Strömungsmaschine, das ein gattungsgemäßes Verdichtergehäuse darstellt, eine abreibbare Dichtung aus einem filzähnlichen Material, bestehend aus zusammengepressten und gesinterten intermetallischen Fasern, angeordnet wird. Bei einem Anlaufen der Strömungsmaschine laufen sich Spitzen von Laufschaufeln in das Dichtungselement ein, um so einen Radialspalt zwischen dem Gehäuse und den Schaufeln zu minimieren.
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Nachteilig bei dieser Dichtung ist jedoch, dass die Laufschaufeln in die Vertiefung eingreifen müssen und darüber hinaus bei allen zuvor beschriebenen Abriebsbeschichtungen bzw. Abriebsdichtungen eine unzureichende Verringerung des Radialspalts in dem Fall erreicht wird, in dem ein Verdichterrad eine Unwucht aufweist, insbesondere nicht radialsymmetrisch ausgeführt ist. So wird die Abriebsbeschichtung bzw. die Abriebsdichtung bei einem Anlauf des Verdichterrades in einem solchen Fall durch Abrasion soweit abgetragen, dass der Abstand einer Drehachse des Verdichterrades von der Oberfläche der endgültigen Abriebsschicht nach einem Einlaufen, gerade der maximalen radialen Ausdehnung des Verdichterrades entspricht. Die Schaufeln des Verdichterrades, die jedoch eine geringere radiale Ausdehnungen aufweisen, weisen dann einen vergleichsweise großen Radialspalt zu der Gehäusewandung auf, wodurch es gerade zu der ungewünschten Sekundärströmung kommt.
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Zur weiteren Eliminierung eines Radialspaltes schlägt die
DE 10 2004 041 439 A1 , die eine Turbomaschine zur Expansion oder Verdichtung eines gas- oder dampfförmigen Fluids offenbart, vor, dass ein zwischen Laufschaufeln eines Laufrades und einem gattungsgemäßen Gehäuse entstehender Spalt durch eine am Gehäuse angeordnete ringförmigen Bürstendichtung abgedichtet wird, wobei die Bürstendichtung darüber hinaus sich über Federelemente, welche am Umfang der Bürstendichtung angeordnet und senkrecht zur Spaltrichtung ausgerichtet sind, am Gehäuse abstützt.
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Die
DE 20 2004 019 366 U1 offenbart einen Verdichter, insbesondere Seitenkanalverdichter, mit einem ebenfalls gattungsgemäßen Verdichtergehäuse. Um einen Dichtspalt zwischen einem Laufrad und einem Gehäuse des Seitenkanalverdichters bestmöglich zu minimieren, wird vorgeschlagen, dass in einer Nut in dem jeweiligen Gehäusenteil eine Dichtungseinrichtung eingesetzt wird, die einen Dichtring und ein Federelement umfasst, welches den Dichtring gegen eine von dem Gehäuse gebildete Anlagefläche drückt. Dadurch soll eine automatische und dynamische Nachführung des Dichtringes, beispielsweise aufgrund thermischer Verformungen bzw. unkontrolliertem Ausdehnen oder einem Verschieben des Dichtringes, welche zu einem Kontakt zwischen Dichtring und dem Laufrad führen könnten, erreicht werden.
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Schließlich offenbart die
WO 97/10439 A1 einen Seitenkanalverdichter. Es wird vorgeschlagen, dass ein Dichtband in einer Umlaufnut angeordnet wird, wobei das Dichtband innerhalb der Nut mittels einer zusätzlich eingebrachten Masse, die sich nur bis zu einem gewissen Grad verfestigt, fixiert wird. Es ist vorgesehen, dass der Dichtstreifen aus Teflon besteht und bei einer Taumelbewegung eines Laufrades ein Einschleifen des Dichtstreifens erfolgt.
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Der Einsatz von Abrasionsbeschichtungen, insbesondere in Radialverdichtern bzw. Turboladern eines Kraftfahrzeugs, ist jedoch nachteilig. So führt die Abrasion bzw. das Abtragen der Einlaufschicht bzw. Einlaufdichtung dazu, dass es während der Einlaufphase aber auch zu einem späteren Zeitpunkt, wenn es beispielsweise aufgrund thermischer Ausdehnungen des Gehäuses des Verdichterrades zur Ablösung von Partikeln der Abriebsbeschichtung kommt, zu Verunreinigungen des mittels des Verdichters verdichteten Fluids, wie gefilterter Verbrennungsluft in einem Kraftfahrzeug, kommen kann. Diese Partikel können zu Motorschäden bei dem Kraftfahrzeug führen.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung das gattungsgemäße Verdichtergehäuse derart weiterzuentwickeln, dass die Nachteile des Stands der Technik überwunden werden, insbesondere ein Radialspalt in einem Kunststoffverdichtergehäuse reduziert werden kann, auch bei einem unwuchtigen bzw. asymmetrischen Verdichterrad ein minimaler Radialspalt einstellbar ist und/oder eine Verunreinigung eines durch den Verdichter verdichteten Fluids vermieden wird.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Mit den Unteransprüchen 2 bis 13 werden bevorzugte Ausführungsformen des Verdichtergehäuses beansprucht.
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Darüber hinaus liefert die Erfindung einen Verdichter gemäß dem Patentanspruch 14 und Weiterentwicklungen desselben gemäß dem Patentanspruch 15.
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Schließlich liefert die Erfindung ein Verfahren gemäß dem Patentanspruch 16 und den in den Patentansprüchen 17 und 18 beschriebenen Weiterentwicklungen.
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Der Erfindung liegt somit die überraschende Erkenntnis zugrunde, dass eine unerwünschte Sekundärströmung in einem Verdichter, auch wenn der Verdichter ein Kunststoffverdichtergehäuse aufweist, effektiv dadurch eliminiert werden kann, dass ein Radialspaltverringerungseinrichtung in Form eines Körpers derartig in einer Vertiefung des Verdichtergehäuses angeordnet wird, dass die Radialspaltverringerungseinrichtung zumindest bereichsweise aus der Vertiefung hervorsteht und derartige Materialeigenschaften aufweist, dass sie bei einer Berührung mit einem Verdichterrad lediglich elastisch und plastisch verformt wird, insbesondere keine Abrasion bzw. kein Abrieb der Radialspaltverringerungseinrichtung auftritt.
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Bei der Radialspaltverringerungseinrichtung kann es sich insbesondere um einen einen Kunststoff umfassenden Ring handeln, der in einer auf einer Innenseite des Verdichtergehäuses, insbesondere im Bereich eines Turboladers, in dem das Verdichterrad positioniert ist, in einer Ringnut angeordnet wird. Dabei ist der Kunststoffring vorzugsweise derart dimensioniert, dass das Verdichterrad und der Ring sich leicht berühren können.
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Die Materialeigenschaften der Radialspaltverringerungseinrichtung sind ferner derart gewählt, dass die Radialspaltverringerungseinrichtung einen vergleichsweise zähen Kunststoff umfasst, der neben einer hohen Temperatur- und Chemikalienbeständigkeit entsprechende tribologische Eigenschaften aufweist, die ein Verschleißen eines Verdichterrades in einer Einlaufphase verhindern, insbesondere die Radialspaltverringerungseinrichtung einen geringeren Härtegrad als des Verdichterrad aufweist.
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Darüber hinaus kommt es bei einem Kontakt zwischen dem Verdichterrad und der Radialspaltverringerungseinrichtung, insbesondere dem Kunststoffring, zu einer elastischen und/oder plastischen Verformung der Radialspaltverringerungseinrichtung, insbesondere wird keine Abrasion hervorgerufen. Die plastische Verformung der Radialspaltverringerungseinrichtung führt dazu, dass bei einem Einlaufen des Verdichterrades eine Materialstauchung bzw. eine Verformung durch Verfließen des Materials der Radialspaltverringerungseinrichtung hervorgerufen wird, insbesondere der Bereich der Radialspaltverringerungseinrichtung, der aus der Vertiefung herausragt, in eine radiale Richtung einer Drehachse des Verdichterrades gestaucht wird.
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Die elastischen Eigenschaften der Radialspaltverringerungseinrichtung werden insbesondere dann ausgenutzt, wenn das Verdichterrad eine asymmetrische Geometrie und/oder eine Unwucht aufweist. So kommt es bei einer Berührung der Radialspaltverringerungseinrichtung mit einem Teil des Verdichterrades, der im Vergleich zu dem restlichen Umfang des Verdichterrades einen größeren radialen Abstand zu einer Drehachse aufweist dazu, dass die Radialspaltverringerungseinrichtung lediglich elastisch verformt wird, so dass die Radialspaltverringerungseinrichtung sich nach einem Kontakt mit diesem Bereich des Verdichterrades wieder elastisch zurückverformt und so auch für die restlichen Bereiche des Verdichterrades eine größtmögliche Verringerung des Radialspaltes hervorgerufen wird.
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Bei der Radialspaltverringerungseinrichtung kann es sich insbesondere um einen Formkörper handeln, der nach einer Herstellung des Kunststoffverdichtergehäuses in die Vertiefung des Kunststoffverdichtergehäuses eingesetzt wird. Dabei kann eine Fixierung des Körpers durch ein Verclipsen, Verrasten, Verschweißen und/oder Verkleben erfolgen.
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Auch kann eine Fixierung der Radialspaltverringerungseinrichtung insbesondere dadurch erzielt werden, dass Verankerungselemente auf den Oberflächen des Kunststoffverdichtergehäuses, insbesondere im Bereich der Vertiefung, ausgebildet werden, wie ein Bereich hoher Oberflächenrauhigkeit, Hinterschnitte und/oder Durchbrechungen, die von dem umspritzten Werkstoff umspritzt werden.
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Um in dem Fall, in dem die Radialspaltverringerungseinrichtung nachträglich montiert wird, eine Montagefreundlichkeit zu erhöhen und einen ausreichenden Toleranzausgleich zwischen dem Verdichterrad und dem Gehäuse zu ermöglichen, kann darüber hinaus vorgesehen sein, dass die Radialspaltverringerungseinrichtung mit einem Federelement zusammenwirkt und/oder ein entsprechendes Federelement umfasst. Dieses Federelement bewirkt insbesondere, dass die Radialspaltverringerungseinrichtung in Richtung des Verdichterrades vorgespannt wird, wobei die Federeinrichtung beispielsweise durch einen im Bezug auf das Verdichterrad hinter der Radialspaltverringerungseinrichtung angeordneten Elastomerring ausgebildet sein kann oder das Federelement auch als Integralteil der Radialspaltverringerungseinrichtung ausgebildet sein kann, insbesondere die Radialspaltverringerungseinrichtung mehrteilig ausgebildet ist und durch das Federelement nur ein Teil der Radialspaltverringerungseinrichtung in Richtung des Verdichterrades gezwungen wird.
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Darüber hinaus bietet die Erfindung den Vorteil, dass auch bestehende Verdichtergehäuse erfindungsgemäß nachgerüstet werden können und eine Überholung von bereits bestehenden Verdichtergehäusen ermöglicht wird. Eine Nachrüstung bestehender Verdichtergehäuse kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass in dem Verdichtergehäuse eine Vertiefung, beispielsweise eine Ringnut, die insbesondere einen Fluidansaugstutzen radial umgibt, ausgebildet wird und in diese eine Radialspaltverringerungseinrichtung im Sinne der Erfindung eingesetzt wird. Insbesondere derartige Verdichtergehäuse können auch nachfolgend, in dem Fall, in dem es zu einem Verschleißen der Radialspaltverringerungseinrichtung kommt, dadurch überholt werden, dass die Radialspaltverringerungseinrichtung aus der Vertiefung entnommen und durch eine neue Radialspaltverringerungseinrichtung ersetzt wird.
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Insgesamt führt die Erfindung also dazu, dass der Wirkungsgrad eines Verdichters, insbesondere Radialverdichters und/oder Turboladers, erhöht werden kann, insbesondere auch im Vergleich zu dem auf den Stand der Technik bekannten Abriebsbeschichtungen, da auch im Vergleich zu diesen Beschichtungen ein Radialspalt bei einem asymmetrischen Verdichterrad weitestgehend reduziert wird und so Sekundärströmungen, die unerwünscht sind, vermieden werden.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung anhand von schematischen Zeichnungen erläutert ist. Dabei zeigt:
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1 eine perspektivische Aufsicht auf ein Verdichtergehäuse gemäß der Erfindung; und
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2 Querschnittsansichten der einzelnen Elemente des Verdichtergehäuses der 1.
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In
1 ist eine Aufsicht auf ein Verdichtergehäuse gemäß der Erfindung dargestellt. Bei dem Verdichtergehäuse
1 handelt es sich insbesondere um ein Kunststoffverdichtergehäuse, wie es in der
DE 10 2007 027 282 B3 der Anmelderin beschrieben ist.
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Das Kunststoffverdichtergehäuse 1 weist einen Fluidansaugstutzen 3 und ein Fluidaustrittsstutzen 5 auf. Darüber hinaus ist in dem Verdichtergehäuse 1 ein Verdichterkanal 7 ausgebildet. Das Verdichtergehäuse 1 weist bezüglich des Fluidansaugstutztens 3 eine Symmetrieachse D auf. Um diese Symmetrieachse D dreht sich bei einem Betrieb des Verdichters ein nicht dargestelltes Verdichterrad in dem Verdichtergehäuse 1, wobei das Verdichterrad vorzugsweise zumindest bereichsweise in den Fluidansaugstutzen 3 hineinragt.
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Im Bereich des Fluidansaugstutzens 3 ist eine Vertiefung in Form einer Ringnut 9 ausgebildet. In diese Ringnut 9 kann eine Radialspaltverringerungseinrichtung in Form eines Einlaufrings 11 angeordnet werden. Der Einlaufring 11 besteht insbesondere aus einem zähen Kunststoffmaterial, welches sich im Wesentlichen ausschließlich elastisch und/oder plastisch verformen lässt, insbesondere ist der Härtegrad und die Elastizität des Einlaufrings 11 so gewählt, dass eine Beschädigung eines Verdichterrads nicht auftritt und gleichzeitig ein Ablösen von Partikeln des Einlaufrings von demselben bei einem Kontakt mit den Verdichterrad beispielsweise durch Abrasion ausgeschlossen ist.
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Nach einem Zusammenbau und einer Inbetriebnahme des Verdichters bewirkt der Einlaufring 11, dass bei einem Anlaufen des Verdichterrads dieses den Einlaufring 11 derartig plastisch verformt, dass ein Radialspalt zwischen einem Radialumfang des Verdichterrads und dem Verdichtergehäuse geringstmöglich gehalten wird. Bei einem weiteren Betrieb des Verdichters verformt sich der Einlaufring 11 insbesondere darüber hinaus auch elastisch, um unterschiedliche Temperaturexpansionen als auch eine Unwucht oder Asymmetrie des Verdichterrads ohne eine Vergrößerung des Radialpalts ausgleichen zu können.
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In 2 ist eine Querschnittsansicht des Verdichtergehäuses 1 als auch des Einlaufrings 11 dargestellt. Wie der 2 zu entnehmen ist, weist die Ringnut 11 einen wesentlichen rechteckförmige Querschnittsform auf, während der Einlaufring 11 eine davon abweichende Konturierung aufweist. In der Ringnut 9 sind nicht dargestellte erste Verankerungselemente in Form einer erhöhten Oberflächenrauigkeit vorhanden, während der Einlaufring 11 zweite Verankerungselement in Form einer Verdickung 13 aufweist. Diese Verdickung 13 bewirkt, dass bei einem Einführen des Einlaufrings 11 in die Ringnut 9 der Einlaufring 11 in der Ringnut 9 verklemmt wird und so eine Fixierung desselben erreicht wird. Darüber hinaus kann der Einlaufring 11 auch mittels Verkleben und/oder Verschweißen in dem Verdichtergehäuse 1 befestigt werden.
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In einer weiteren, nicht dargestellten, Ausführungsform ist insbesondere vorgesehen, dass der Einlaufring 11 mittels eines nicht dargestellten Federelements in Richtung des Verdichterrads, also in 2 nach unten, gezwungen wird. Dies ermöglicht es, dass trotz einer nachträglichen Montage des Einlaufrings 11 Fertigungstoleranzen des Gehäuses als auch des Einlaufrings 11 ausgeglichen werden und gleichzeitig eine maximale Verringerung eines Radialspalts erreicht werden kann.
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Weiterhin können auch mehrere Vertiefungen in dem Gehäuse vorgesehen sein. So können Sekundärströmungen noch wirksamer unterdrückt werden, indem mehrere Radialspaltverringerungseinrichtungen vorgesehen sind, jeweils zumindest eine in jeder Vertiefung, und so mehrere Barrieren für die Sekundärströmung aufgebaut werden, oder eine Radialspaltverringerungseinrichtung einen größeren Oberflächenbereich des Verdichtergehäuses überspannen und so einem größeren Bereich mit minimalem Radialspalt bereitstellen.
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Die in der vorstehenden Beschreibung, in den Ansprüchen sowie in den Figuren offenbarten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Verdichtergehäuse
- 3
- Fluidansaugstutzen
- 5
- Fluidaustrittsstutzen
- 7
- Verdichterkanal
- 9
- Ringnut
- 11
- Einlaufring
- 13
- Verdickung
- D
- Symmetrieachse
