DE102009024679A1

DE102009024679A1 - Verdichterlaufrad und damit ausgerüsteter Radialverdichter

Info

Publication number: DE102009024679A1
Application number: DE102009024679A
Authority: DE
Inventors: Martin Maier; Roman Schmidt
Original assignee: MAN Diesel and Turbo SE
Current assignee: MAN Energy Solutions SE
Priority date: 2009-06-12
Filing date: 2009-06-12
Publication date: 2010-12-23
Anticipated expiration: 2029-06-13
Also published as: DE102009024679B4

Abstract

Verdichterlaufrad und damit ausgerüsteter Radialverdichter, wobei das Verdichterlaufrad eine Laufradnabe mit einer ersten Seite und einer der ersten Seite abgewandten zweiten Seite und eine Mehrzahl von Laufradschaufeln aufweist, die entlang einer Umfangsrichtung der Laufradnabe verteilt auf der ersten Seite der Laufradnabe angeordnet sind und die eine Mehrzahl von Laufradpassagen zum Hindurchleiten eines Verdichtungsfluids definieren. Die Laufradpassagen weisen ein radial innenliegendes Verdichtungsfluid-Eintrittsende und ein radial außenliegendes Verdichtungsfluid-Austrittsende auf. An einem zum Verdichtungsfluid-Austrittsende radial korrespondierenden Abschnitt der zweiten Seite der Laufradnabe sind Fliehkraftfluss-Sperrmittel vorgesehen, welche eingerichtet sind, einen radial auswärts gerichteten Fluss von auf die zweite Seite aufgebrachtem flüssigem Kühlmedium zu stoppen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verdichterlaufrad gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 sowie einen mit einem solchen Verdichterlaufrad ausgerüsteten Radialverdichter für einen Turbolader.
Aus DE 10 2006 048 784 A1 ist ein Verdichterlaufrad der eingangsgenannten Art bekannt, welches in einen Radialverdichter integriert ist, wobei der Radialverdichter eingerichtet ist, so dass eine einer Innenseite eines Verdichtergehäuses des Radialverdichters zugewandte Rückseite des Verdichterlaufrades gekühlt werden kann.
Weitere rückseitig kühlbare Verdichterlaufräder sind aus EP 1 222 400 B1 , DE 103 25 980 A1 , DE 196 52 754 A1 und DE 10 2007 001 487 A1 bekannt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verdichterlaufrad gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 bereitzustellen, bei dem bei geringem bzw. reduziertem Kühlmittelverbrauch eine verbesserte Kühlleistung an einer Rückseite des Verdichterlaufrades erzielbar ist. Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, einen mit einem solchen Verdichterlaufrad ausgerüsteten Radialverdichter für einen Turbolader bereitzustellen.
Die o. g. Aufgaben werden mit einem Verdichterlaufrad gemäß Patentanspruch 1 bzw. einem Radialverdichter gemäß Patentanspruch 10 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweils abhängigen Ansprüchen definiert.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung weist ein Verdichterlaufrad für einen Radialverdichter eine Laufradnabe mit einer ersten Seite und einer der ersten Seite abgewandten zweiten Seite sowie eine Mehrzahl von Laufradschaufeln auf, die entlang einer Umfangsrichtung der Laufradnabe verteilt auf der ersten Seite der Laufradnabe angeordnet sind und die eine Mehrzahl von Laufradpassagen zum Hindurchleiten eines Verdichtungsfluids definieren, wobei die Laufradpassagen ein radial innenliegendes Verdichtungsfluid-Eintrittsende und ein radial außenliegendes Verdichtungsfluid-Austrittsende aufweisen, und wobei an einem zum Verdichtungsfluid-Austrittsende radial korrespondierenden Abschnitt der zweiten Seite der Laufradnabe Fliehkraftfluss-Sperrmittel vorgesehen sind, welche eingerichtet sind, einen radial auswärts gerichteten Fluss von auf die zweite Seite aufgebrachtem flüssigem Kühlfluid zu stoppen.
Bei dem erfindungsgemäßen Verdichterlaufrad ist bei geringem bzw. reduziertem Kühlmittelverbrauch eine verbesserte Kühlleistung an einer Rückseite des Verdichterlaufrades erzielbar. Dies wird insbesondere dadurch erreicht, dass die Fliehkraftfluss-Sperrmittel vorgesehen sind, welche einen radial auswärts gerichteten Fluss von auf die zweite Seite aufgebrachtem flüssigem Kühlfluid stoppen. Erfindungsgemäß wird der Fliehkraftfluss durch die im Betrieb des Verdichterlaufrades durch dessen Rotation hervorgerufene Fliehkraft bewirkt.
Bei der erfindungsgemäßen Gestaltung des Verdichterlaufrades wird auf die zweite Seite aufgebrachtes flüssiges Kühlfluid daran gehindert, in Radialrichtung des Verdichterlaufrades abzufließen, und hat somit eine längere Verweildauer an bzw. auf der zweiten Seite. Dies führt ab einer bestimmten Betriebstemperatur des Verdichterlaufrades zu einer Verdampfung des Kühlfluids auf der zweiten Seite bzw. dem Verdichterradrücken, wodurch eine zusätzliche direkte Abkühlung des Verdichterlaufrades erzielt wird.
Mit anderen Worten erfolgt die Wärmeableitung sowohl durch eine Temperatursteigerung des Kühlfluides als auch mit dessen Übergang in die Dampfphase. Wenn der Kühlfluid-Verdampfungspunkt erreicht ist, steigt die Temperatur des Materials des Verdichterlaufrades nicht mehr an und kann auf gleichem Niveau gehalten werden. Durch die direkte Wärmeableitung aus dem Verdichterlaufrad wird die Temperatur des Verdichterlaufrades auf einem für dessen Festigkeit unkritischen Niveau gehalten. Damit kann verhindert werden, dass eine bei Verdichterlaufrädern übliche Ausscheidungshärtung des Materials des Verdichterlaufrades, aufgehoben bzw. reduziert wird. Somit kann, trotz der hohen Druckverhältnisse und den damit entsprechend hohen Lufttemperaturen in einem Radialverdichter, z. B. eine kostengünstige Aluminiumlegierung als Material für das Verdichterlaufrad verwendet werden.
Im Ergebnis erfolgt eine erhöhte Temperaturabsenkung des Materials des Verdichterlaufrades im hochbelasteten Radaustrittsbereich (lokale Kühlung), womit sich eine Steigerung der Lebensdauer des Verdichterlaufrades ergibt.
Bevorzugt ist bei dem erfindungsgemäßen Verdichterlaufrad das Verdichtungsfluid-Austrittsende an einem radial äußersten Ende der ersten Seite angeordnet.
Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verdichterlaufrades sind die Fliehkraftfluss-Sperrmittel eingerichtet, auf der zweiten Seite radial auswärts geflossenes Kühlfluid zu speichern.
Dies unterstützt in vorteilhafter Weise die Gewährleistung eines geringen Kühlfluidverbrauchs, da die Kühlfluidzufuhr nur am Anfang des Kühlens zum Füllen des Speichers etwas höher und dann stark reduziert werden kann, da im Wesentlichen nur noch Verdampfungsverluste an Kühlfluid ausgeglichen werden brauchen.
Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verdichterlaufrades sind die Fliehkraftfluss-Sperrmittel eingerichtet, so dass sie eine Oberflächenvergrößerung für die zweite Seite der Laufradnabe bilden.
Dies unterstützt in vorteilhafter Weise den Wärmeübergang vom Verdichterlaufrad auf das Kühlfluid.
Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verdichterlaufrades weisen die Fliehkraftfluss-Sperrmittel wenigstens eine ringförmig umlaufende axial der Laufradnabe eingebrachte Vertiefung in der zweiten Seite der Laufradnabe auf.
Dies stellt eine besonders einfache und damit besonders vorteilhafte Realisierung für einen Kühlfluidspeicher dar, wobei gleichzeitig die Oberflächenvergrößerung für die zweite Seite bereitgestellt wird.
Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verdichterlaufrades weisen die Fliehkraftfluss-Sperrmittel eine Mehrzahl von ringförmig umlaufenden Vertiefungen in der zweiten Seite der Laufradnabe auf, wobei die Vertiefungen in einer Radialrichtung der Laufradnabe zu einander versetzt und sich aneinander anschließend angeordnet sind.
Bildhaft gesprochen sind also die jeweiligen Vertiefungen ähnlich den Ringen einer Schießscheibe konzentrisch zueinander angeordnet. Mit dieser Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verdichterlaufrades werden einerseits zusätzliche Speicherräume für das Kühlfluid und andererseits zusätzliche Oberflächenvergrößerungen für die zweite Seite bereitgestellt. Dies erhöht zusätzlich den an der zweite Seite des Verdichterlaufrades erzielbaren Kühleffekt.
Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verdichterlaufrades weist jede Vertiefung eine über einen axial der Laufradnabe tiefsten Abschnitt der Vertiefung axial vorstehende radial der Vertiefung außenliegende ringförmig umlaufende Begrenzungsrippe auf.
Diese Ausgestaltung der Vertiefung gewährleistet auf einfache und wirksame Weise das Stoppen eines radial auswärts gerichteten Flusses von auf die zweite Seite aufgebrachtem flüssigem Kühlfluid. Mit anderen Worten bildet die Begrenzungsrippe eine flüssigkeitsstoppende radial außenliegende Umrandung für die zweite Seite.
Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verdichterlaufrades hat die Begrenzungsrippe ein Basisende, das an dem tiefsten Abschnitt der Vertiefung angeordnet und mit diesem verbunden ist, und ein freies Ende, das in Bezug auf das Basisende radial einwärts der Laufradnabe versetzt angeordnet ist. Bevorzugt ist die Begrenzungsrippe zwischen Basisende und freiem Ende geradlinig ausgebildet.
Gemäß dieser Ausgestaltung der Erfindung ist die Vertiefung somit als nach radial außen hin geschlossene und schräg nach radial außen hin verlaufende umlaufende Tasche ausgebildet. Eine solche Tasche ist besonders vorteilhaft und wirksam hinsichtlich der Erzielung des Kühlfluid-Stoppeffektes und des Kühlfluid-Speichereffektes, da der durch die Tasche gebildete Hinterschnitt ausreichend Raum und Rippenhöhe dafür bereitstellt.
Dadurch, dass die radial außen geschlossene Tasche nahezu pfeilförmig nach radial außen weist, d. h. in die Flussrichtung eines radial auswärts gerichteten Flusses von auf die zweite Seite aufgebrachtem flüssigem Kühlfluid, wirkt die Tasche als Kühlfluidfalle für jegliches nach radial außen strömendes Kühlfluid.
Ferner wird durch die schräge Ausgestaltung der Begrenzungsrippe die Oberflächenvergrößerung für die zweite Seite optimiert.
Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verdichterlaufrades ist ein Übergang zwischen dem tiefsten Abschnitt der jeweiligen Vertiefung und dem Basisende der jeweiligen Begrenzungsrippe bogenförmig, insbesondere kreisbogenförmig, ausgebildet.
Durch die bogenförmige Ausgestaltung werden zuverlässig Risse am Übergang zwischen dem tiefsten Abschnitt der jeweiligen Vertiefung und dem Basisende der jeweiligen Begrenzungsrippe vermieden. Ferner kann im Bedarfsfall die Vertiefung bzw. Tasche gerade in diesem Bereich einfach gereinigt werden und werden Ablagerungen, welche zu Querschnittverlust an dieser Stelle führen könnten, sicher vermieden.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung weist ein Radialverdichter für einen Turbolader ein Verdichtergehäuse und ein drehbar in dem Verdichtergehäuse gelagertes Verdichterlaufrad gemäß einer, mehreren oder allen zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Ausführungsform(en) in jeder denkbaren Kombination auf, wobei zwischen der zweiten Seite der Laufradnabe des Verdichterlaufrades und einer daran angrenzenden der zweiten Seite zugewandten Innenseite des Verdichtergehäuses ein Radialspalt ausgebildet ist, und wobei das Verdichtergehäuse einen Hohlraum mit einem Kühlfluideinlass, über den dem Hohlraum flüssiges Kühlfluid zuführbar ist, und einem Kühlfluidauslass hat, über den flüssiges Kühlfluid aus dem Hohlraum in den Radialspalt und auf die zweite Seite der Laufradnabe gespeist werden kann.
Bei einem solchen erfindungsgemäßen Radialverdichter ist bei geringem bzw. reduziertem Kühlmittelverbrauch eine verbesserte Kühlleistung an der Rückseite des Verdichterlaufrades erzielbar. Dies wird insbesondere dadurch erreicht, dass die Fliehkraftfluss-Sperrmittel vorgesehen sind, welche einen radial auswärts gerichteten Fluss von über den Kühlfluidauslass des Hohlraums auf die zweite Seite aufgebrachtem flüssigem Kühlfluid stoppen.
Damit wird auf die zweite Seite aufgebrachtes flüssiges Kühlfluid daran gehindert, in Radialrichtung des Verdichterlaufrades abzufließen und hat somit eine längere Verweildauer an bzw. auf der zweiten Seite. Dies führt ab einer bestimmten Betriebstemperatur des Verdichterlaufrades zu einer Verdampfung des Kühlfluids auf der zweiten Seite bzw. dem Verdichterradrücken, wodurch eine zusätzliche direkte Abkühlung des Verdichterlaufrades erzielt wird.
Mit anderen Worten erfolgt die Wärmeableitung sowohl durch eine Temperatursteigerung des Kühlfluides als auch mit dessen Übergang in die Dampfphase. Wenn der Kühlfluid-Verdampfungspunkt erreicht ist, steigt die Temperatur des Materials des Verdichterlaufrades nicht mehr an und kann auf gleichem Niveau gehalten werden. Durch die direkte Wärmeableitung aus dem Verdichterlaufrad wird die Temperatur des Verdichterlaufrades auf einem für dessen Festigkeit unkritischen Niveau gehalten. Damit kann verhindert werden, dass eine bei Verdichterlaufrädern übliche Ausscheidungshärtung des Materials des Verdichterlaufrades, aufgehoben bzw. reduziert wird. Somit kann, trotz der hohen Druckverhältnisse und den damit entsprechend hohen Lufttemperaturen in einem Radialverdichter, z. B. eine kostengünstige Aluminiumlegierung als Material für das Verdichterlaufrad verwendet werden.
Im Ergebnis erfolgt eine erhöhte Temperaturabsenkung des Materials des Verdichterlaufrades im hochbelasteten Radaustrittsbereich (lokale Kühlung), womit sich eine Steigerung der Lebensdauer des Verdichterlaufrades ergibt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Radialverdichters weist das Verdichtergehäuse ein erstes Gehäuseteil und ein dichtend in das erste Gehäuseteil eingesetztes zweites Gehäuseteil auf, wobei das erste und das zweite Gehäuseteil jeweils eine Aussparung aufweisen, so dass die beiden Aussparungen gemeinsam den Hohlraum bilden.
Bei dieser Ausgestaltung der Erfindung ist der Hohlraum besonders einfach und damit kostengünstig herstellbar, da die jeweiligen Hohlraumhälften durch spanende Bearbeitung herstellbar sind. Auf teure Gusskerne zum Ausbilden des Hohlraums kann gemäß dieser Ausgestaltung der Erfindung somit verzichtet werden.
Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Radialverdichters weist das erste Gehäuseteil den Kühlfluideinlass auf und weist das zweite Gehäuseteil den Kühlfluidauslass und die der zweiten Seite der Laufradnabe zugewandte Innenseite des Verdichtergehäuses auf. Bevorzugt bildet das zweite Gehäuseteil einen Dichtdeckel für das Verdichterlaufrad.
Gemäß noch einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Radialverdichters ist der Kühlfluidauslass von einer den Hohlraum mit dem Radialspalt verbindenden Passage gebildet, wobei in der Passage eine Sprühdüse angeordnet ist, mittels deren durch die Passage strömendes Kühlfluid in den Radialspalt hinein und auf die zweite Seite der Laufradnabe verstäubbar ist.
Mit dieser Ausgestaltung der Erfindung ist eine äußerst feine und gleichmäßige Verteilung des Kühlfluids auf der vergrößerten Oberfläche der zweiten Seite der Laufradnabe erzielbar, womit das Kühlfluid sowohl sparsam als auch höchst kühleffektiv einsetzbar ist. Durch die Auswahl einer geeigneten Düse (Durchflussmenge, Sprühwinkel, Tröpfchengröße) kann die Kühlfluidzufuhr an verdichterspezifische Parameter angepasst werden.
Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Radialverdichters ist die Passage geradlinig ausgebildet und weist ein erstes Ende, das mit dem Hohlraum verbunden ist, und ein zweites Ende auf, das mit dem Radialspalt verbunden ist und das in Bezug auf das erste Ende radial nach außen versetzt ist.
Mit anderen Worten erstreckt sich die Passage schräg nach radial außen hin, womit dem Kühlfluid einerseits eine Strömungsbewegung nach radial außen hin voraufgeprägt werden kann und andererseits das Kühlfluid gezielt dorthin gesprüht werden kann, wo die Kühlung erfolgen soll, nämlich am zum Fluidaustrittsende der Laufradpassagen korrespondierenden Teil des Verdichterlaufrades.
Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Radialverdichters weist der Hohlraum einen zusätzlichen Kühlfluidauslass auf, wobei der Kühlfluideinlass und der zusätzliche Kühlfluidauslass eingerichtet sind, so dass über diese ein kontinuierlicher Kühlfluidaustausch in dem Hohlraum realisierbar ist.
Mit dem so erzielten kontinuierlichen Kühlfluidaustausch in dem Hohlraum können dessen Begrenzungswände sicher heruntergekühlt werden, womit auch die Innenseite des Verdichtergehäuses bzw. von dessen zweiten Gehäuseteil heruntergekühlt wird. Somit kann die Innenseite des Verdichtergehäuses das im Radialspalt befindliche, insbesondere das verdampfte, Kühlfluid kühlen, womit das Kühlfluid zusätzliche Wärme vom Verdichterlaufrad aufnehmen kann. Schon verdampftes Kühlfluid kann kondensieren und sich teilweise auf der zweiten Seite der Laufradnabe des Verdichterlaufrades niederschlagen. Mit anderen Worten wird so, zusätzlich zu der direkten Kühlung per Kühlfluid, eine indirekte Kühlung der zweiten Seite der Laufradnabe des Verdichterlaufrades erzielt.
Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Radialverdichters weist die Innenseite des Verdichtergehäuses bzw. von dessen zweiten Gehäuseteil Oberflächenvergrößerungsmittel auf.
Diese Ausgestaltung der Erfindung unterstützt auf vorteilhafte Weise den Wärmeübergang von dem erhitzten Kühlfluid auf die Innenseite des Verdichtergehäuses.
Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Radialverdichters weisen die Oberflächenvergrößerungsmittel wenigstens einen ringförmig umlaufenden in den Radialspalt hinein vorstehenden Vorsprung an der Innenseite des Verdichtergehäuses bzw. dessen zweiten Gehäuseteils auf.
Diese Ausgestaltung der Oberflächenvergrößerungsmittel ist besonders einfach z. B. per Drehbearbeitung zu realisieren.
Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Radialverdichters weisen die Oberflächenvergrößerungsmittel eine Mehrzahl von ringförmig umlaufenden in den Radialspalt hinein vorstehenden Vorsprüngen an der Innenseite des Verdichtergehäuses bzw. von dessen zweiten Gehäuseteil auf, wobei die Vorsprünge in einer Radialrichtung des Verdichtergehäuses zu einander versetzt und sich aneinander anschließend angeordnet sind.
Bildhaft gesprochen sind also die jeweiligen Vorsprünge ähnlich den Ringen einer Schießscheibe konzentrisch zueinander angeordnet. Dies ist platzsparend und außerdem einfach z. B. per Drehbearbeitung zu fertigen.
Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Radialverdichters sind die Oberflächenvergrößerungsmittel des Verdichtergehäuses radial so angeordnet, dass sie radial zu dem radial zum Verdichtungsfluid-Austrittsende der Laufradpassagen korrespondierenden Abschnitt der zweiten Seite der Laufradnabe korrespondieren.
Aus diese Weise wird der Kreislauf von Verdampfung und Kondensation des Kühlfluids durch örtliche Nähe optimiert.
Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Radialverdichters sind die Oberflächenvergrößerungsmittel des Verdichtergehäuses so eingerichtet, dass sie mit den Fliehkraftfluss-Sperrmitteln in Eingriff stehend eine Fluiddichtung bilden.
Die so bereitgestellte Fluiddichtung verhindert zuverlässig, dass per Leckagefluss von radial außen von der ersten Seite der Laufradnabe her Verdichtungsfluid, wie z. B. atmosphärische Luft, in den gesamten Radialspalt einströmen und die Laufradnabe von der zweiten Seite dieser her erwärmen kann.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer bevorzugten Ausführungsform und unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren detaillierter beschrieben.
1 zeigt eine schematische Teilansicht eines Radialverdichters gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
2 zeigt eine schematische Teilansicht eines Radialverdichters gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
1 zeigt gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung eine schematische Teilansicht eines Radialverdichter 1 eines Abgas-Turboladers (nicht vollständig dargestellt) für einen Verbrennungsmotor (nicht dargestellt).
Der Radialverdichter 1 weist ein Verdichtergehäuse 10 und ein um eine Rotationsachse R drehbar (d. h. auf einer nicht dargestellten Triebwelle) in dem Verdichtergehäuse 10 gelagertes Verdichterlaufrad 20 auf.
Das rotationssymmetrische Verdichterlaufrad 20 weist eine Laufradnabe 21 mit einer ersten Seite 21a (einer Vorderseite) und einer der ersten Seite 21a abgewandten zweiten Seite 21b (einer Rückseite) sowie eine Mehrzahl von Laufradschaufeln 22 auf, die entlang einer Umfangsrichtung der Laufradnabe 21 verteilt auf der ersten Seite 21a der Laufradnabe 21 angeordnet sind und die eine Mehrzahl von Laufradpassagen 22a zum Hindurchleiten eines Verdichtungsfluids, wie beispielsweise zu verdichtender atmosphärischer Luft oder eines chemisches Prozessgases, definieren.
Die Laufradpassagen 22a weisen jeweils ein radial (entlang der Radialrichtung RR und relativ zur Rotationsachse R) innenliegendes Verdichtungsfluid-Eintrittsende 23a und ein radial außenliegendes Verdichtungsfluid-Austrittsende 23b auf. Wie aus 1 ersichtlich, sind die jeweiligen Verdichtungsfluid-Austrittsenden 23b an einem radial äußersten Ende der ersten Seite 21a, d. h. benachbart bzw. korrespondierend zu einem Außenumfang des Verdichterlaufrades 20, angeordnet. Der Erfinder weist darauf hin, dass die Eintritts kanten auch zurückgeschnitten ausgebildet sein können.
Im Betrieb des Radialverdichters 1 wird Verdichtungsfluid, wie z. B. atmosphärische Luft, von den Laufradschaufeln 22 in Radialrichtung RR und in Umfangsrichtung (nicht bezeichnet) des Verdichterlaufrades 20 beschleunigt und in einem anschließenden Diffusor (nicht dargestellt) abgebremst und dadurch komprimiert. Dabei erwärmt sich das Verdichtungsfluid vor allem in dem Bereich der Laufradschaufeln 22, in dem ihm durch die Beschleunigung Energie zugeführt wird. Diese Wärme gibt das Verdichtungsfluid teilweise an das Verdichterlaufrad 20 ab, wobei die Temperaturdifferenz, die dem Wärmeeintrag proportional ist, im Bereich der Verdichtungsfluid-Austrittsenden 23b der Laufradschaufeln 22 am höchsten ist.
Um das bevorzugt aus einer Aluminiumlegierung hergestellte Verdichterlaufrad 20 vor Überhitzung in diesem Bereich zu schützen, wird das erfindungsgemäße Verdichteriaufrad 20 auf der zweiten Seite 21b von dessen Laufradnabe 21 sowohl direkt als auch indirekt gekühlt. Wie diese beiden Kühlprinzipien realisiert sind, ist im Folgenden beschrieben.
In die zweite Seite 21b ist eine ringförmig in Umfangsrichtung der Laufradnabe 21 bzw. des Verdichterlaufrades 20 umlaufende Vertiefung 24 axial (entlang der Axialrichtung AR) der Laufradnabe 21 eingebracht.
Die Vertiefung 24 weist eine über einen axial der Laufradnabe 21 tiefsten Abschnitt der Vertiefung 24 axial vorstehende radial der Vertiefung 24 außenliegende ringförmig umlaufende Begrenzungsrippe 25 auf, welche eine Oberflächenvergrößerung für die zweite Seite 21b der Laufradnabe 21 bildet.
Die Begrenzungsrippe 25 weist ein Basisende 25a, das an dem tiefsten Abschnitt der Vertiefung 24 angeordnet und mit diesem einstückig verbunden ist, und ein axial vorstehendes freies Ende 25b auf, das in Bezug auf das Basisende 25a radial einwärts der Laufradnabe 21 versetzt angeordnet ist. Ein Übergang zwischen dem tiefsten Abschnitt der Vertiefung 24 und dem Basisende 25a der Begrenzungsrippe 24 ist bogenförmig und bevorzugt kreisbogenförmig ausgebildet.
Das Verdichtergehäuse 10 weist ein erstes Gehäuseteil 10a und ein mittels Dichtringen (nicht separat bezeichnet) dichtend in das erste Gehäuseteil 10a eingesetztes zweites Gehäuseteil 10b auf, wobei das erste Gehäuseteil 10a und das zweite Gehäuseteil 10b jeweils eine Aussparung (nicht separat bezeichnet) aufweisen, so dass die beiden Aussparungen gemeinsam einen Hohlraum bzw. eine Kavität 11 bilden. Das zweite Gehäuseteil 10b bildet einen rückseitigen Dichtdeckel für das Verdichterlaufrad 20 und weist eine der zweiten Seite 21b der Laufradnabe 21 zugewandte Innenseite 14 auf.
Zwischen der zweiten Seite 21b der Laufradnabe 21 des Verdichterlaufrades 20 und der daran angrenzenden, der zweiten Seite 21b zugewandten Innenseite 14 des zweiten Gehäuseteils 10b des Verdichtergehäuses 10 ist ein Radialspalt S ausgebildet.
Das erste Gehäuseteil 10a weist einen Kühlfluideinlass 12 auf, über den dem Hohlraum 11 flüssiges Kühlfluid von einer Kühlfluidquelle, wie z. B. einem Motorkühlsystem, zuführbar ist, und das zweite Gehäuseteil 10b weist einen Kühlfluidauslass 13 auf, über den flüssiges Kühlfluid aus dem Hohlraum 11 in den Radialspalt S und auf die zweite Seite 21b der Laufradnabe 21 gespeist werden kann.
Der Kühlfluidauslass 13 ist von einer den Hohlraum 11 mit dem Radialspalt S verbindenden Passage gebildet, wobei in der Passage eine Sprühdüse 15 angeordnet ist, mittels deren durch die Passage strömendes Kühlfluid in den Radialspalt S hinein und auf die zweite Seite 21b der Laufradnabe 21 verstäubbar ist.
Gemäß der gezeigten Ausführungsform ist die den Kühlfluidauslass 13 des Hohlraums 11 bildende Passage geradlinig und parallel zur Rotationsachse R ausgebildet.
Gemäß einer nicht dargestellten alternativen Ausführungsform kann die den Kühlfluidauslass 13 des Hohlraums 11 bildende Passage geradlinig ausgebildet sein, sich aber schräg nach radial außen hin erstrecken. Mit anderen Worten weist die Passage dann ein erstes Ende, das mit dem Hohlraum 11 verbunden ist, und ein zweites Ende auf, das mit dem Radialspalt S verbunden ist und das in Bezug auf das erste Ende radial nach außen versetzt ist.
Wie aus 1 ersichtlich, bildet die Vertiefung 24 mit ihrer Begrenzungsrippe 25 eine nach radial außen hin geschlossene und schräg nach radial außen hin verlaufende umlaufende Tasche, die ein Fliehkraftfluss-Sperrmittel bereitstellt, welches an einem zu den Verdichtungsfluid-Austrittsenden 23b der Laufradpassage 23 radial korrespondierenden Abschnitt der zweiten Seite 21b der Laufradnabe 21 angeordnet ist und welches eingerichtet ist, einen radial auswärts gerichteten Fluss von auf die zweite Seite 21b aufgebrachtem flüssigem Kühlfluid zu stoppen.
Die radial außen geschlossene Tasche weist dabei nahezu pfeilförmig nach radial außen, d. h. in die Flussrichtung eines radial auswärts gerichteten Flusses von auf die zweite Seite 21b aufgebrachtem flüssigem Kühlfluid, womit die Tasche als Kühlfluidfalle und Kühlfluidspeicher für jegliches nach radial außen strömende Kühlfluid wirkt.
Gemäß einer nicht dargestellten Variante der in 1 gezeigten Ausführungsform der Erfindung weist der Hohlraum 11 einen zusätzlichen Kühlfluidauslass auf, welcher bevorzugt als zusätzliche Passage im ersten Gehäuseteil 10b des Verdichtergehäuses 10 ausgebildet ist. In diesem Fall sind der Kühlfluideinlass 12 und der zusätzliche Kühlfluidauslass derart eingerichtet, d. h. verfügen über die notwendigen Zuleitungen von der Kühlfluidquelle und Ableitungen zu dieser zurück, dass über den Kühlfluideinlass 12 und den zusätzlichen Kühlfluidauslass ein kontinuierlicher Kühlfluidaustausch in dem Hohlraum 11 realisierbar ist.
2 zeigt in einer schematischen Teilansicht eine zweite erfindungsgemäße Ausführungsform eines Radialverdichter 1' eines Abgas-Turboladers (nicht vollständig dargestellt) für einen Verbrennungsmotor (nicht dargestellt).
Der in 2 gezeigte Radialverdichter 1' gleicht bis auf einige im Folgenden beschriebene Unterschiede dem mit Bezug auf 1 beschriebenen Radialverdichter 1 und seinen Varianten. Aus diesem Grund sind in 2 Komponenten, welche jenen des Radialverdichters 1 von 1 gleichen, mit den gleichen Bezugszeichen wie in 1 bezeichnet.
Der Radialverdichter 1' gemäß 2 weist ein gegenüber dem Verdichtergehäuse 10 von 1 leicht modifiziertes Verdichtergehäuse 10' und ein gegenüber dem Verdichterlaufrad 20 von 1 leicht modifiziertes Verdichterlaufrad 20' auf.
Gemäß der Ausführungsform von 2 sind in der zweiten Seite 21b der Laufradnabe 21 eine Mehrzahl von ringförmig umlaufenden Vertiefungen 24a bis 24d ausgebildet, welche die Fliehkraftfluss-Sperrmittel bilden.
Die Vertiefungen 24a–24d sind jeweils so wie die in Bezug auf 1 beschriebene Vertiefung 24 ausgebildet und sind in Radialrichtung RR der Laufradnabe 21 zu einander versetzt und sich aneinander anschließend, d. h. ähnlich den Ringen einer Schießscheibe, angeordnet.
Wie aus 2 ersichtlich, weist die Innenseite 14 des Verdichtergehäuses 10' Oberflächenvergrößerungsmittel in Form von wenigstens einem und hier in Form einer Mehrzahl von ringförmig umlaufenden in den Radialspalt S hinein vorstehenden Vorsprüngen 14a bis 14e (hier fünf Vorsprünge, wobei in 2 nur drei Vorsprünge 14a, 14b und 14e bezeichnet sind) an der Innenseite 14 des zweiten Gehäuseteils 10b des Verdichtergehäuses 10' auf.
Die Vorsprünge 14a–14e sind in Radialrichtung RR des Verdichtergehäuses 10' zu einander versetzt und sich aneinander anschließend, d. h. ähnlich den Ringen einer Schießscheibe, angeordnet.
Die Vorsprünge 14a–14e sind ferner radial so angeordnet, dass sie radial zu dem radial zum Verdichtungsfluid-Austrittsende 23b der Laufradpassagen 23 korrespondierenden Abschnitt der zweiten Seite 21b der Laufradnabe 21 korrespondieren.
Wie aus 2 ferner ersichtlich, steht jeder der Vorsprünge 14a–14e der Innenseite 14 des zweiten Gehäuseteils 10b des Verdichtergehäuses 10' mit einer der Vertiefungen 24a–24d der zweiten Seite 21b der Laufradnabe 21 des Verdichterlaufrades 20 in Eingriff bzw. in diese hinein vor, dass die Vorsprünge 14a–14e zusammen mit den Vertiefungen 24a–24d eine Fluiddichtung bzw. Labyrinthdichtung bilden.
Die so bereitgestellte Fluiddichtung verhindert zuverlässig, dass per Leckagefluss von radial außen von der ersten Seite 21a der Laufradnabe 21 her erhitztes Verdichtungsfluid, wie z. B. atmosphärische Luft, in den gesamten Radialspalt S einströmen und die Laufradnabe 21 von der zweiten Seite 21b dieser her erwärmen kann.
Gemäß einer nicht dargestellten Variante der in 2 gezeigten Ausführungsform der Erfindung weist, ähnlich wie bei der zu 1 beschriebenen Variante, der Hohlraum 11 einen zusätzlichen Kühlfluidauslass auf, welcher bevorzugt als zusätzliche Passage im ersten Gehäuseteil 10b des Verdichtergehäuses 10' ausgebildet ist. Der Kühlfluideinlass 12 und der zusätzliche Kühlfluidauslass sind wieder derart eingerichtet, d. h. verfügen über die notwendigen Zuleitungen von der Kühlfluidquelle und Ableitungen zu dieser zurück, dass über den Kühlfluideinlass 12 und den zusätzlichen Kühlfluidauslass ein kontinuierlicher Kühlfluidaustausch in dem Hohlraum 11 realisierbar ist.

1: Radialverdichter
1': Radialverdichter
10: Verdichtergehäuse
10': Verdichtergehäuse
10a: erstes Gehäuseteil
10b: zweites Gehäuseteil
11: Hohlraum
12: Kühlfluideinlass
13: Kühlfluidauslass
14: Innenwand
14a: Vorsprung
14b: Vorsprung
14c: Vorsprung
14d: Vorsprung
14e: Vorsprung
15: Sprühdüse
20: Verdichterlaufrad
20': Verdichterlaufrad
21: Laufradnabe
21a: erste Seite
21b: zweite Seite
22: Laufradschaufel(n)
22a: Laufradpassage(n)
23a: Verdichtungsfluid-Eintrittsende
23b: Verdichtungsfluid-Austrittsende
24: Vertiefung
24a: Vertiefung
24b: Vertiefung
24c: Vertiefung
24d: Vertiefung
25: Begrenzungsrippe
25a: Basisende
25b: freies Ende
S: Radialspalt
AR: Axialrichtung
RR: Radialrichtung
R: Rotationsachse

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102006048784 A1 [0002]
- EP 1222400 B1 [0003]
- DE 10325980 A1 [0003]
- DE 19652754 A1 [0003]
- DE 102007001487 A1 [0003]

Claims

Verdichterlaufrad (20; 20') für einen Radialverdichter (1; 1'), aufweisend: eine Laufradnabe (21) mit einer ersten Seite (21a) und einer der ersten Seite (21a) abgewandten zweiten Seite (21b), eine Mehrzahl von Laufradschaufeln (22), die entlang einer Umfangsrichtung der Laufradnabe (21) verteilt auf der ersten Seite (21a) der Laufradnabe (21) angeordnet sind und die eine Mehrzahl von Laufradpassagen (22a) zum Hindurchleiten eines Verdichtungsfluids definieren, und wobei die Laufradpassagen (22a) ein radial innenliegendes Verdichtungsfluid-Eintrittsende (23a) und ein radial außenliegendes Verdichtungsfluid-Austrittsende (23b) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass an einem zum Verdichtungsfluid-Austrittsende (23b) radial korrespondierenden Abschnitt der zweiten Seite (21b) der Laufradnabe (21) Fliehkraftfluss-Sperrmittel vorgesehen sind, welche eingerichtet sind, einen radial auswärts gerichteten Fluss von auf die zweite Seite (21b) aufgebrachtem flüssigem Kühlfluid zu stoppen.
Verdichterlaufrad (20; 20') gemäß Anspruch 1, wobei das Verdichtungsfluid-Austrittsende (23b) an einem radial äußersten Ende der ersten Seite (21a) angeordnet ist.
Verdichterlaufrad (20; 20') gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Fliehkraftfluss-Sperrmittel eingerichtet sind, auf der zweiten Seite (21b) radial auswärts geflossenes Kühlfluid zu speichern.
Verdichterlaufrad (20; 20') gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Fliehkraftfluss-Sperrmittel eingerichtet sind, so dass sie eine Oberflächenvergrößerung für die zweite Seite (21b) der Laufradnabe (21) bilden.
Verdichterlaufrad (20; 20') gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Fliehkraftfluss-Sperrmittel wenigstens eine ringförmig umlaufende axial der Laufradnabe (21) eingebrachte Vertiefung (24; 24a–24d) in der zweiten Seite (21b) der Laufradnabe (21) aufweisen.
Verdichterlaufrad (20') gemäß Anspruch 5, wobei die Fliehkraftfluss-Sperrmittel eine Mehrzahl von ringförmig umlaufenden Vertiefungen (24a–24d) in der zweiten Seite (21b) der Laufradnabe (21) aufweisen, wobei die Vertiefungen (24a–24d) in einer Radialrichtung (RR) der Laufradnabe (21) zu einander versetzt und sich aneinander anschließend angeordnet sind.
Verdichterlaufrad (20; 20') gemäß Anspruch 5 oder 6, wobei jede Vertiefung (24; 24a–24d) eine über einen axial der Laufradnabe (21) tiefsten Abschnitt der Vertiefung (24; 24a–24d) axial vorstehende radial der Vertiefung (24; 24a–24d) außenliegende ringförmig umlaufende Begrenzungsrippe (25) aufweist.
Verdichterlaufrad (20; 20') gemäß Anspruch 7, wobei die Begrenzungsrippe (25) ein Basisende (25a), das an dem tiefsten Abschnitt der Vertiefung (24; 24a–24d) angeordnet und mit diesem verbunden ist, und ein freies Ende (25b) hat, das in Bezug auf das Basisende (25a) radial einwärts der Laufradnabe (21) versetzt angeordnet ist.
Verdichterlaufrad (20; 20') gemäß Anspruch 8, wobei ein Übergang zwischen dem tiefsten Abschnitt der jeweiligen Vertiefung (24; 24a–24d) und dem Basisende (25a) der jeweiligen Begrenzungsrippe (25) bogenförmig, insbesondere kreisbogenförmig, ausgebildet ist.
Radialverdichter (1; 1') für einen Turbolader, aufweisend: ein Verdichtergehäuse (10; 10'), und ein drehbar in dem Verdichtergehäuse (10; 10') gelagertes Verdichterlaufrad (20, 20') gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei zwischen der zweiten Seite (21b) der Laufradnabe (21) des Verdichterlaufrades (20; 20') und einer daran angrenzenden der zweiten Seite (21b) zugewandten Innenseite (14) des Verdichtergehäuses (10; 10') ein Radialspalt (S) ausgebildet ist, wobei das Verdichtergehäuse (10; 10') einen Hohlraum (11) mit einem Kühlfluideinlass (12), über den dem Hohlraum (11) flüssiges Kühlfluid zuführbar ist, und einem Kühlfluidauslass (13) hat, über den flüssiges Kühlfluid aus dem Hohlraum (11) in den Radialspalt (S) und auf die zweite Seite (21b) der Laufradnabe (21) gespeist werden kann.
Radialverdichter (1; 1') gemäß Anspruch 10, wobei der Kühlfluidauslass (13) von einer den Hohlraum (11) mit dem Radialspalt (S) verbindenden Passage gebildet ist, wobei in der Passage eine Sprühdüse (15) angeordnet ist, mittels deren durch die Passage strömendes Kühlfluid in den Radialspalt (S) hinein und auf die zweite Seite (21b) der Laufradnabe (21) verstäubbar ist.
Radialverdichter (1; 1') gemäß Anspruch 10 oder 11, wobei der Hohlraum (11) einen zusätzlichen Kühlfluidauslass aufweist, und wobei der Kühlfluideinlass (12) und der zusätzliche Kühlfluidauslass eingerichtet sind, so dass über diese ein kontinuierlicher Kühlfluidaustausch in dem Hohlraum (11) realisierbar ist.
Radialverdichter (1') gemäß einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei die Innenseite (14) des Verdichtergehäuses (10') Oberflächenvergrößerungsmittel aufweist.
Radialverdichter (1') gemäß Anspruch 13, wobei die Oberflächenvergrößerungsmittel wenigstens einen ringförmig umlaufenden in den Radialspalt (S) hinein vorstehenden Vorsprung (14a–14e) an der Innenseite (14) des Verdichtergehäuses (10') aufweisen.
Radialverdichter (1') gemäß Anspruch 13 oder 14, wobei die Oberflächenvergrößerungsmittel eine Mehrzahl von ringförmig umlaufenden in den Radialspalt (S) hinein vorstehenden Vorsprüngen (14a–14e) an der Innenseite (14) des Verdichtergehäuses (10') aufweisen, wobei die Vorsprünge (14a–14e) in Radialrichtung (RR) des Verdichtergehäuses (10') zu einander versetzt und sich aneinander anschließend angeordnet sind.
Radialverdichter (1') gemäß einem der Ansprüche 13 bis 15, wobei die Oberflächenvergrößerungsmittel des Verdichtergehäuses (10') radial so angeordnet sind, dass sie radial zu dem radial zum Verdichtungsfluid-Austrittsende (23b) der Laufradpassagen (22a) korrespondierenden Abschnitt der zweiten Seite (21b) der Laufradnabe (21) korrespondieren.