DE102010037356B4

DE102010037356B4 - Verdichterradkühlung

Info

Publication number: DE102010037356B4
Application number: DE201010037356
Authority: DE
Inventors: Jens Hoffmann
Original assignee: KOMPRESSORENBAU BANNEWITZ GmbH
Current assignee: KOMPRESSORENBAU BANNEWITZ GmbH
Priority date: 2010-09-06
Filing date: 2010-09-06
Publication date: 2013-09-05
Anticipated expiration: 2030-09-07
Also published as: DE102010037356B8

Abstract

Vorrichtung und dazugehöriges Verfahren zur Kühlung einer Rückseite eines Verdichterrades, insbesondere eines Radialverdichters. Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kühleinrichtung für ein Verdichterrad vorzuschlagen, die eine verbesserte Verteilung und einen minimalen Verbrauch des Kühlfluids aufweist und eine möglichst geringe zusätzliche Last in axialer Richtung in das Lager des Verdichterrades einträgt und dabei insgesamt eine hinsichtlich der Bauteilbelastung vorteilhafte Gestaltung des Verdichterrades ermöglicht. Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch eine Kühleinrichtung für ein Verdichterrad (2), bei der in einem Axialspalt (13) an der Rückseite (5) des Verdichterrades (2) wenigstens ein offener, durch die Rückseite des Verdichterrades (2) dynamisch abgedichteter, mit einem Kühlfluid (12) beaufschlagter Kühlringraum (11) vorgesehen ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein dazugehöriges Verfahren zur Kühlung einer Rückseite eines Verdichterrades, insbesondere eines Radialverdichters. Derartige Verdichter kommen insbesondere in Abgasturboladern zum Einsatz. Das Arbeitsmedium, insbesondere Luft, wird zur Verbrennung in einer Brennkraftmaschine durch ein Verdichterrad komprimiert. Dieses ist bei einem Abgasturbolader mit einer Turbine gekoppelt, die ihrerseits durch den Abgasstrom derselben Brennkraftmaschine angetrieben wird.
Im Verdichterrad, insbesondere am äußeren Umfang des Verdichterrades, kommt es durch die Reibungswärme zwischen dem beweglichen Verdichterrad und dem Verdichtergehäuse, durch Reibung mit dem Arbeitsmedium, vor allem aber durch die Verdichtung des Arbeitsmediums zu hohen Temperaturen.
Hohe Temperaturen des Arbeitsmediums sind von Nachteil, denn sie verringern die Befüllung der Brennräume der Brennkraftmaschine wegen des höheren Volumens, woraus ein verminderter Wirkungsgrad resultiert.
Weiterhin weisen Materialien, insbesondere die bevorzugt eingesetzte Aluminiumlegierung, bei höheren Temperaturen geringere Festigkeitswerte auf oder aber es kommt zu einer Entfestigung des Materials, durch die die Lebensdauer des Verdichters verringert wird. Die am Verdichterrad geforderten hohen Drehzahlen verlangen aber nach einer hohen Materialfestigkeit der rotierende Teile, insbesondere des Verdichterrads selbst. Deshalb ist ein Absenken der Temperaturen im Material erforderlich. Dies geschieht durch Kühlung.
Die Schrift US 5 297 928 A beschreibt ein Verdichterrad, das über einen Ringsspalt gekühlt wird. Der Ringsspalt mündet in eine Labyrinthdichtung in Form einer kaskadenförmigen rotationssymmetrischen Kontur, die zuvor allein der Abdichtung des Raums hinter dem Verdichterrad diente. Diese Abdichtung ist erforderlich, weil der Raum hinter dem Verdichterrad zu Umgebung hin entlüftet wird und deshalb eine Verbindung mit dem Druckraum durch die Labyrinthdichtung verhindert werden muss. In dieser so genannten Labyrinthpackung baut sich jedoch ein Gegendruck auf. Dieser führt jedoch dazu, dass die axiale Lagerbelastung zusätzlich erhöht wird. Weiterhin erhöht der Einsatz eines Labyrinths die Kerbwirkung im betreffenden Bauelement, die Fertigung wird aufwändiger und die Reibung zwischen dem Bauelement und der in der Dichtung eingeschlossenen Luft erhöht sich.
Die Schrift US 6 190 123 B1 löst einen Teil dieser Probleme. Eine Abdichtung in der Art einer Labyrinthdichtung erfolgt nicht, jedoch ist ein enger Spalt am Umfang des Verdichterrades vorgesehen. Druckluft wird in den Zwischenraum eingeblasen, die verhindert, dass komprimiertes Gas aus der Druckkammer in den Bereich hinter dem Verdichterrad gelangen kann. Die Abdichtung erfolgt demzufolge durch Aufbau eines Gegendrucks, der die axiale Lagerbelastung erhöht.
Eine Ausführungsform sieht vor, den Spalt zwischen Lüfterrad und Gehäuse durch ein Dichtelement abzuschließen. Eine Kühlung erfolgt im vorliegenden Fall durch das Auftreffen eines Kühlmediums in den Zwischenraum im Bereich der hinteren Rückwand. Der Strom des gasförmigen Kühlmediums ist auf die Rückwand des Verdichterrades, insbesondere auf durch hohe Temperaturen gefährdete Bereiche, gerichtet. Eine weitere Leitung in der Gehäuserückwand dient zum Abführen des Kühlmediums nach der Wärmeübertragung. Als Alternative zu einer gesonderten Leitung zum Abführen des Kühlmediums ist es vorgesehen, das Kühlmedium zusammen mit dem Arbeitsmedium abzuführen, nachdem das Kühlmedium durch den Randspalt des Verdichterrades in den Strom des Arbeitsmediums gelangt ist. Alternativen bei der Zuführung des Kühlmediums bestehen darin, dass das Kühlmedium von außerhalb des Umfangs des Verdichterrades im Gehäuse in den Zwischenraum zugeführt wird.
Da nur einfache Zuleitungen für das Kühlmedium vorgesehen sind, ist eine gezielte Applikation des Kühlmediums, unter besonderer Berücksichtigung des Kühleffekts, aber auch von dynamischen Druckproblemen, nicht gegeben. Weiterhin ist der Verbrauch an Kühlmedium hoch, da es nur unspezifisch aufgebracht wird. Zudem ist die Kühlleistung gering, da sich das Kühlmedium mit dem im Zwischenraum befindlichen warmen gasförmigen Arbeitsmedium mischt.
Die WO 2001 029426 A1 zeigt Möglichkeiten zur Kühlung des Spalts zwischen Gehäuse und Verdichterrad auf. Dabei zeigen verschiedene angebotene Lösungen einen dünnenwandigen Bereich im Gehäuse, eine Kavität, in der das Kühlmedium fließt. Hierbei wird insbesondere Kühlwasser eingesetzt. Abgesehen davon ist auch eine Lösung vorgestellt, bei der zusätzlich zur indirekten Kühlung ein zweites Kühlmedium für eine direkte Kühlung zur Anwendung kommt. Dieses wird über mehrere tangential zu Rückwand des Verdichterrades in den Axialspalt mündende Zuführkanäle direkt in den Axialspalt eingeleitet, entfaltet seine Kühlwirkung am Verdichterrad und entweicht nach dem Wärmeübergang durch eine in Strömungsrichtung gelegene Abführeinrichtung. Damit ersetzt das zweite Kühlmedium die heiße Strömung und sorgt dafür, dass die sich an der Rückwand des Verdichterrades ausbildende Grenzschicht (so die Vorstellung des Erfinders) von Beginn an vor allem durch die gekühlte Ladeluft gebildet wird. Das zweite Kühlmedium wird aus der Ladeluft nach dem Ladeluftkühler entnommen, auch die Nutzung von Pressluft ist vorgesehen. Gekühlt wird die Strömung, die aus der Hauptströmung entweicht und in den Axialspalt gelangt.
Nachteil ist hierbei, dass das Kühlmedium nur an wenigen Stellen aus dem Gehäuse austritt und das Verdichterrad erreicht. Weiterhin ist eine zusätzliche indirekte Kühlung notwendig und es ist eine große Menge zurückzuführendes Kühlfluid, insbesondere für die Direktkühlung, erforderlich.
Die WO 2008/043539 A1 zeigt ein Verdichterrad, das mit einer den Wärmeeintrag vermindernden Beschichtung versehen ist und zusätzlich von der Rückseite her gekühlt wird. Weiterhin ist die indirekte Kühlung des Zwischenraums hinter dem Verdichterrad, in einer alternativen Ausführungsform auch direkte Kühlung vorgesehen. Dabei weist das Verdichtergehäuse mehrere, in Umfangsrichtung verteilte axiale Bohrungen auf, die mit einer Kavität kommunizieren, die keine Ableitungen aufweist. Die Kühlluft wird aus einem Ladeluftkühler entnommen. Die Zuleitung zur Kavität erfolgt unter Überdruck, so dass die Kühlluft durch die axialen Bohrungen strömt und auf die Rückseite des Verdichterrades prallt. Nachdem die Kühlluft die Wärme vom Verdichterrad aufgenommen hat, strömt sie aus den Axialspalt in die Hauptströmung des Arbeitsmediums, wodurch die Leckageströmung vermindert wird. Auch das Beaufschlagen einer Labyrinthdichtung durch das Kühlmedium im Sinne einer Direktkühlung ist vorgesehen.
Die EP 0518027 B1 beschreibt ein Verdichterrad, das eine Labyrinthdichtung am Umfang aufweist. In diese Labyrinthdichtung erfolgt die Injektion eines Kühlmediums, das durch die Labyrinthdichtung ins Arbeitsmedium oder in den Axialspalt entweicht. Eine alternative Ausgestaltung zeigt den Eintritt des Kühlmediums in den Axialspalt, wobei das Kühlmedium auch hier durch die Labyrinthdichtung entweichen muss.
Die EP 2 067 999 A1 beschreibt ebenfalls ein Verdichterrad, welches eine Labyrinthdichtung am Umfang aufweist und in diese die Injektion eines Kühlmediums erfolgt.
Die EP 1 222 400 B1 lehrt ein Verfahren zur Kühlung der Strömung in zwischen Rotoren und Statoren von Turbomaschinen ausgebildeten Radialspalten und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Nachteil dieser Lösungen ist, dass sich an der Rückseite des Verdichterrades ein hoher Druck aufbaut, der zusätzlich zur Arbeitsbelastung das Axiallager des Verdichterrades belastet.
Insgesamt ist den Lösungen, die der Stand der Technik anbietet, gemeinsam, dass eine Direktkühlung zwar Anwendung findet, diese jedoch mit einem hohen Verbrauch an Kühlfluid verbunden ist. Weiterhin ist bei der Anwendung von Direktkühlung eine höhere Lagerbelastung in axialer Richtung verbunden.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Kühleinrichtung für ein Verdichterrad vorzuschlagen, die eine verbesserte Verteilung und einen minimalen Verbrauch des Kühlfluids aufweist und eine möglichst geringe zusätzliche Last in axialer Richtung in das Lager des Verdichterrades einträgt und dabei insgesamt eine hinsichtlich der Bauteilbelastung vorteilhafte Gestaltung des Verdichterrades ermöglicht.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1, indem zur Kühlung einer Rückseite eines Verdichterrades, insbesondere eines Radialverdichters, mit einer der Rückseite gegenüber angeordneten, Verdichterschaufeln aufweisenden Vorderseite, wobei in einem Axialspalt an der Rückseite des Verdichterrades wenigstens ein offener, durch die Rückseite des Verdichterrades dynamisch abgedichteter, mit einem Kühlfluid beaufschlagter achsferner Radialspaltbereich vorgesehen ist.
Es hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, das Verdichterrad an der Rückseite zu kühlen, da die Vorderseite Verdichterschaufeln aufweist, die mit dem Arbeitsmedium in Kontakt und einer direkten Kühlung nicht zugänglich sind. Weiterhin bestehen Verdichterradschaufeln aus sehr gut wärmeleitfähigen Material, so dass eine Wärmeleitung an die Rückseite des Verdichterrades sehr leicht erfolgen kann. Dort setzt die erfindungsgemäße Kühlung an.
Über den achsfernen Radialspaltbereich wird das Kühlfluid unmittelbar auf den zu kühlenden Bereich der Rückseite des Verdichterrades aufgebracht. Der Axialspalt ist dabei so eng bemessen, dass er die Funktion einer dynamischen Dichtung übernimmt und den Abfluss von Kühlfluid aus dem achsfernen Radialspaltbereich begrenzt. Der Axialspalt sorgt weiterhin für eine gleichmäßige Verteilung der Kühlwirkung über den Umfang des zu kühlenden Bereichs. Dadurch kann eine exakte, in ihrem Bereich begrenzte Kühlung am Verdichterrad erreicht werden und zugleich der Verbrauch an Kühlfluid minimiert werden. Damit wird ein Optimum zwischen Kühlwirkung und Kühlfluidverbrauch geschaffen.
Als Kühlfluid kommt bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform gekühlte Ladeluft zur Anwendung. Deshalb ist ein besonders sparsamer Einsatz des Kühlfluids zur Kühlung des Verdichterrads vorteilhaft. Daneben kommen auch andere Arten von Kühlfluid in Frage, beispielsweise ein infolge Expansion in seiner Temperatur abgesenktes Druckgas aus einem Druckbehälter.
Es ist vorteilhaft, wenn der wenigstens eine achsferne Radialspaltbereich in wenigstens einem Bereich der größten Überhitzungsgefahr des Verdichterrades angeordnet und als Kühlringraum ausgeführt ist.
Um den Bedarf an Kühlfluid weiter zu optimieren, wird der achsferne Radialspaltbereich dort angeordnet, wo der Kühlbedarf am größten ist. Das ist im Bereich der größten Überhitzungsgefahr, im allgemeinen im Randbereich des Verdichterrades, wo einerseits das Verdichterrad eine geringe Materialstärke aufweist und andererseits eine hohe Kompression des zu verdichtenden Arbeitsmediums vorherrscht.
So ist jeweils im Bereich wenigstens einer Innenbarriere einerseits und im Bereich wenigstens einer Randbarriere andererseits der Axialspalt in der Weise ausgebildet, dass die Druck- und Strömungsverhältnisse des Kühlfluids im Kühlringraum gezielt beeinflussbar sind. Der Kühlringraum wird über einen Ringraumverbindungskanal mit Kühlfluid versorgt. Der Abfluss des erwärmten Kühlfluids erfolgt über den Axialspalt im Bereich der beiden den Kühlringraum begrenzenden Barrieren, die Innenbarriere und die Randbarriere, in den achsnahen Radialspaltbereich bzw. den Auslassraum. Durch eine spezielle Ausbildung des Axialspalts im Bereich von Innenbarriere und die Randbarriere, insbesondere durch die Breite des Axialspalts, erfolgen eine verbesserte, beeinfluss- und einstellbare Kühlung und ein Druckausgleich im Kühlringraum. So kann der Volumenstrom des Abflusses von Kühlfluid in den achsnahen Radialspaltbereich bzw. den Auslassraum getrennt festgelegt werden.
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die wenigstens eine Innenbarriere zwischen einem achsnahen Radialspaltbereich und einem achsfernen Radialspaltbereich wenigstens ein Druckausgleichskanal vorgesehen ist. Die Innenbarriere grenzt den achsnahen Radialspaltbereich und damit den Kühlringraum gegen das Abfließen des Kühlmediums ab. Dadurch wird der Kühlfluidverbrauch gesenkt und außerdem der achsnahe Radialspaltbereich nicht durch eine zu hohe Menge an Kühlfluid belastet. Dadurch baut sich kein durch die Kühlung verursachter Druck im achsnahen Radialspaltbereich auf, der als zusätzliche axiale Last das Axiallager der Verdichterwelle belasten würde. Der Druckausgleichskanal ist damit von besonderer Bedeutung für den Schutz des Axiallagers der Verdichterwelle vor zusätzlicher axialer Last. Sobald sich ein Druck im achsnahen Radialspaltbereich aufbaut, fließt dieser über den Druckausgleichskanal in den Auslassraum, der besonders bevorzugt ebenfalls als Ringraum ausgeführt ist, ab. Von dort aus kann das unter Druck stehende Kühlfluid in den Arbeitsraum entweichen.
Eine Randbarriere grenzt den Kühlringraum gegenüber dem Auslassraum ab, der bevorzugt ebenfalls als Ringraum ausgeführt ist, und aus dem das Kühlmedium in den Arbeitsraum des Verdichters entweicht.
Günstig ist es vor allem, wenn gegenüber dem wenigstens einen offenen achsfernen Radialspaltbereich, der als Kühlringraum ausgeführt ist, wenigstens ein geschlossener innerer Ringraum angeordnet, zwischen beiden wenigstens ein fluiddurchlässiger Ringraumverbindungskanal vorgesehen ist und der wenigstens eine geschlossene innere Ringraum wenigstens einen Kühlfluideinlass aufweist.
In den inneren Ringraum wird Kühlfluid unter Druck injiziert. Dieses kann sich im inneren Ringraum gleichmäßig verteilen und den Druck ausgleichen. Das ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn mehrere Ringraumverbindungskanäle vorhanden sind. In diesem Fall kann infolge des ausgeglichen Drucks über jeden der Ringraumverbindungskanäle in etwa derselbe Kühlfluidstrom in den Kühlringraum gelangen. Damit erfolgt ein besonders gleichmäßiges Beaufschlagen des Kühlringraumes mit Kühlfluid, was den Kühleffekt optimiert und zugleich den Verbrauch an Kühlfluid senkt.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der wenigstens eine Druckausgleichskanal wenigstens eine Druckausgleichskanaldrossel und der Ringraumverbindungskanal wenigstens eine Ringraumverbindungskanaldrossel auf. Drosseln in den Verbindungskanälen, beispielsweise dem Druckausgleichskanal oder dem Ringraumverbindungskanal, ermöglichen eine Beeinflussung des Strömungsquerschnitts, damit der Volumenstrom des Kühlfluids und folglich auch des Druckes in den stromauf gelegenen Bereichen des Systems. Die Ringraumverbindungskanaldrossel ermöglicht die Steuerung des Zustroms an Kühlfluid, dabei insbesondere eine Begrenzung des zuströmenden Kühlfluids und des Druckes im Kühlsystem. Demgegenüber kann mit der Druckausgleichskanaldrossel das Abfließen von Kühlfluid aus dem achsnahen Radialspaltbereich gesteuert werden. Auch damit ist der Druck im Kühlsystem beeinflussbar und der Abfluss von Kühlfluid aus dem System begrenzbar. Beide Drosseln werden nach der besonders bevorzugten Ausführungsform für eine einmalige Justierung sehr einfach ausgeführt. Andere Ausführungen sind jedoch vorgesehen, beispielsweise mittels Servoantrieb und elektronischer Steuerung einstellbare Drosseln.
Die Aufgabe der Erfindung wird weiterhin gelöst durch ein Verfahren zur Kühlung einer Rückseite eines Verdichterrades mit einer der Rückseite gegenüber angeordneten, Verdichterschaufeln aufweisenden Vorderseite, wobei ein Kühlfluid an die Rückseite des Verdichterrades über wenigstens einen offenen, durch die Rückseite des Verdichterrades dynamisch abgedichteten achsferner Radialspaltbereich im Axialspalt hingeführt wird. Die Kühlung erfolgt durch das erfindungsgemäße Verfahren besonders effektiv, da der Kühlfluidverbrauch durch den dynamisch abgedichteten achsfernen Radialspaltbereich minimiert wird. Dennoch erfolgt im optimalen Fall die Ausbildung einer Kühlfluidgrenzschicht, die einen optimalen Kühleffekt garantiert, an der Rückseite des Verdichterrades. Der offene Radialspaltbereich, wobei die Öffnung zur Rückseite des Verdichterrades hin erfolgt, sichert eine exakte Anwendung des Kühlfluids auf die Fläche an der Rückseite des Verdichterrades, die besonders stark thermisch belastet ist.
Vorteilhaft ist es, wenn der Druck im Kühlfluid zwischen einem durch eine Innenbarriere von einem achsfernen Radialspaltbereich getrennten achsnahen Radialspaltbereich und einem Auslassraum über wenigstens einen Druckausgleichskanal ausgeglichen wird. Dass über den Druckausgleichskanaldrossel fließende Kühlfluid mindert den Druck im achsnahen Radialspaltbereich. Dadurch wird die axiale Last auf das Verdichterrad in diesem Bereich vermindert. Damit wird gleichzeitig das Axiallager, dass die Verdichterwelle in axialer Richtung abstützt, entlastet.
Bevorzugt ist der wenigstens eine offene, als Kühlringraum ausgeführte achsferne Radialspaltbereich mit wenigstens einem ihm gegenüber angeordneten geschlossenen inneren Ringraum verbunden und durch den wenigstens einen Ringraumverbindungskanal strömt das Kühlfluid. Durch den Ringraumverbindungskanal erfolgt der Druckausgleich zwischen dem inneren Ringraum und dem achsfernen Radialspaltbereich, wobei der innere Ringraum den höheren Druck aufweist. Sind mehrere Ringraumverbindungskanäle vorhanden, erfolgt der Druckausgleich schneller und gleichmäßiger. Deshalb ist diese Ausführungsform besonders bevorzugt.
In einer weiteren besonders bevorzugten Ausgestaltung werden ein Übergangsstrom durch den wenigstens einen Ringraumverbindungskanal durch eine Ringraumverbindungskanaldrossel gedrosselt und die Druck- und Strömungsverhältnisse des Kühlfluids im Kühlringraum durch den Axialspalt im Bereich wenigstens einer Innenbarriere und im Bereich wenigstens einer Randbarriere gesteuert.
Die Drosselung von Zu- und Abfluss des Kühlfluids in das Kühlsystem und aus diesem heraus ermöglicht die Steuerung der Druckverhältnisse sowie des Kühlfluidverbrauchs im Kühlsystem. Besonders bevorzugt ist die feste Einstellung der Drosseln, da es sich um wiederholt auftretende Druckverhältnisse im System handelt und eine einmalige Einstellung in den meisten Fällen ausreichend ist. Alternativ dazu ist jedoch vorgesehen, in das Druck- und Volumenstromsystem gezielt einzugreifen. Das ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die Temperaturverhältnisse und die momentane Last im Verdichter als Einflussgrößen berücksichtigt werden sollen. So ist es beispielsweise vorgesehen, dass bei einer sehr hohen Belastung des Verdichters und einer durch einen Sensor ermittelten hohen Temperatur des Verdichterrades im kritischen Bereich eine verstärkte Kühlung erfolgt. In diesem Fall wird die Ringraumverbindungskanaldrossel vollständig geöffnet. Dadurch kann ein maximaler Volumenstrom des Kühlfluids durch das System erreicht und der Kühleffekt maximiert werden. Geht daraufhin die Temperatur am Verdichterrad zurück, greift die Steuerung erneut ein mit dem Ziel, den Kühlfluidverbrauch wieder zu senken. Dann wird die Ringraumverbindungskanaldrossel beispielsweise soweit geschlossen, dass nur 50% des Verbindungskanals geöffnet sind, und die Druckausgleichskanaldrossel wird ebenfalls auf 50% des Querschnitts geschlossen. Damit wird erreicht, dass der Kühlfluidverbrauch stark abgesenkt, aber dennoch der Druck im achsnahen Radialspaltbereich konstant gehalten wird. Die Höhe dieses Druckes ist so bemessen, dass das Axiallager der Verdichterwelle keine zu große zusätzliche Last erhält, aber dennoch das Kühlfluid mit ausreichend hohem Druck im Bereich größter Überhitzungsgefahr anliegt.
Der Kühlringraum ist mit einem Ringraumverbindungskanal verbunden. An den Kühlringraum grenzen die beiden Barrieren, die Innenbarriere und die Randbarriere. Innenbarriere und Randbarriere bilden mit der gegenüber angeordneten Rückseite des Verdichterrades den Axialspalt, über den im Bereich der Innenbarriere und der Randbarriere jeweils eine Verbindung in den achsnahen Radialspaltbereich bzw. den Auslassraum ausgebildet ist. Der Axialspalt ist im Bereich von Innenbarriere und Randbarriere jeweils in seiner Breite und Länge in der Weise ausgebildet, dass vorteilhafte Strömungsverhältnisse hervorgerufen werden, die eine beeinfluss- und einstellbare Kühlung und einen Druckausgleich im Kühlringraum ermöglichen.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels mit Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen. Es zeigen:
1 schematisch eine geschnittene Seitenansicht einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Kühlung einer Rückseite eines Verdichterrades 2 und einer Verdichterradkühlvorrichtung 1 und
2 schematisch eine geschnittene Seitenansicht einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Kühlung einer Rückseite eines Verdichterrades 2, einer Verdichterradkühlvorrichtung 1, mit einer schematischen Ansicht einer Ausführungsform des Strömungsverlaufs des Kühlfluids 12 in der Verdichterradkühlvorrichtung 1.
Wie aus 1 zu entnehmen ist weist das Verdichterrad 2 auf seiner Vorderseite 3 Verdichterradschaufeln 4 auf. Während das Verdichterrad 2 durch die Verdichterwelle 6 angetrieben wird, verdichtet es auf seiner Vorderseite 3 das nicht dargestellte Arbeitsmedium. Dabei kommt es zu einer Temperaturerhöhung des Arbeitsmediums, wobei die Wärme auch auf das Verdichterrad 2 übertragen wird. Dieses erhitzt sich dabei, vor allem im Randbereich in einem Bereich größter Überhitzungsgefahr 19. Das Verdichterrad 2 besteht aber andererseits aus einem Material, bevorzugt einer Aluminiumlegierung, dessen Toleranz gegenüber hohen Temperaturen begrenzt ist, beziehungsweise nimmt bei hohen Temperaturen die Festigkeit des Materials stark ab. Durch die hohen Drehzahlen des Verdichterrades 2 ist dieses hoch belastet, weswegen eine Festigkeitsverminderung durch zu hohe Temperaturen nicht hingenommen werden kann. Abhilfe schafft eine Kühlung des Verdichterrads 2, die vorteilhafter Weise an der Rückseite 5 des Verdichterrads 2 erfolgt.
Ein Kühlfluideinlass 8 dient zum Einbringen des Kühlfluids 12 in das System. Der Kühlfluideinlass 8 ist verbunden mit dem inneren Ringraum 9, der sich konzentrisch zur Verdichterwelle 6 im Verdichtergehäuse 7 erstreckt. Vom inneren Ringraum 9 geht ein in der bevorzugten Ausführungsform einzelner Ringraumverbindungskanal 10 aus und schafft eine Verbindung zum Kühlringraum 11. In alternativen Ausführungsformen sind auch mehrere Ringraumverbindungskanäle 10, besonders bevorzugt drei bis acht Ringraumverbindungskanäle 10, vorgesehen.
Der Kühlringraum 11 ist ein erweiterter Teil des Axialspalts 13. Der Axialspalt 13 ist ein enger Spalt zwischen der Rückseite 5 des Verdichterrads 2 und dem Gehäuse 7. In der bevorzugten Ausführungsform hat er eine Breite zwischen 0,3 und 1,5 mm, alternativ dazu sind in weiteren Ausführungsformen auch kleinere und auch größere Breiten des Axialspalts 13 vorgesehen, da die Breite des Axialspalts 13 insbesondere auch von der gesamten Größe des Verdichters abhängt.
An den Ringspalt 13 grenzen gegenüber der Rückseite 5 des Verdichterrads 2 der achsnahe Radialspaltbereich 14, die Innenbarriere 16, der achsferne Radialspaltbereich 15, der in der besonders bevorzugten Ausführungsform als Kühlringraum 11 ausgeführt ist, eine Randbarriere 41 und ein Auslassraum 21, der in der besonders bevorzugten, dargestellten Ausführungsform ebenfalls als Ringraum ausgeführt ist. Aus dem Auslassraum 21 strömt das Kühlfluid 12 durch einen Radialspalt 20 und wird in den Arbeitsraum des Verdichters 2 weitergeleitet.
Der Axialspalt 13 ist somit in den Bereichen wenigstens einer Innenbarriere 16 und wenigstens einer Außenbarriere 41 in der Weise ausgebildet, dass eine gezielte Steuerung des Kühlfluidabflusses in den achsnahen Radialspaltbereich 14 einerseits und in den achsfernen Radialspaltbereich 15 erfolgen. Dadurch wird sowohl die Menge des durch das System strömenden Kühlfluids 12 gesteuert und damit der Kühleffekt sowie auch die Druckverhältnisse im achsnahen Radialspaltbereich 14 und im achsfernen Radialspaltbereich 15 gezielt beeinflusst.
Zwischen dem achsnahen Radialspaltbereich 14 und dem Auslassraum 21 ist ein Druckausgleichskanal 17 vorgesehen, der beide Räume strömungstechnisch miteinander verbindet.
Im Ringraumverbindungskanal 10 ist eine Ringraumverbindungskanaldrossel 40 angeordnet. Die Ringraumverbindungskanaldrossel 40 beeinflusst den Strömungsquerschnitt im Ringraumverbindungskanal 10. Sie ist in der dargestellten, bevorzugten Ausführungsform als fest einstellbare, während des Betriebs nicht variabel veränderbare Drossel ausgeführt. Alternative Ausführungen sehen jedoch vor, die Ringraumverbindungskanaldrossel 40 verstellbar auszuführen, so dass auch während des Betriebs des Verdichters 2, insbesondere für den Erprobungsbetrieb, ein Verstellen und damit eine Einflussnahme auf den Strömungsquerschnitt im jeweiligen Kanal möglich wird. Besonders wird eine Weiterbildung bevorzugt, bei der die Drossel durch einen Antrieb bewegt wird, der seinerseits mit einer Steuereinrichtung verbunden ist, wodurch die Temperatur- und Druckverhältnisse im System mittels von Sensoren bereitgestellter Messwerte die Steuerung beeinflusst wird.
2 zeigt schematisch eine geschnittene Seitenansicht einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Kühlung einer Rückseite eines Verdichterrades 2, einer Verdichterradkühlvorrichtung 1, mit einer schematischen Ansicht einer Ausführungsform des Strömungsverlaufs des Kühlfluids 12 in der Verdichterradkühlvorrichtung 1.
Das Kühlfluid 12 wird in das System über den Kühlfluideinlass 8 eingebracht. Bei dem Kühlfluid 12 handelt es sich in der besonders bevorzugten Ausführungsform um gekühlte Ladeluft, dem ”Produkt” des Verdichters und seiner Zusatzaggregate, mit dem sparsamst umzugehen ist, da sie als Ladeluft für den angeschlossenen Verbrennungsmotor bestimmt ist. Ein sparsamer Verbrauch des Kühlfluids wird erfindungsgemäß erreicht.
Ein Kühlfluidzustrom 30 tritt somit in das System ein und verzweigt sich zu einem ersten Ringraumkühlstrom 31 im inneren Ringraum 9. Über den Ringraumverbindungskanal 10 erreicht das Kühlfluid 12 den Kühlringraum 11, wo eine Kühlfluidverteilung 33 und ein Anströmen der Rückseite 5 des Verdichterrads 2 erfolgt. Damit wird der erfindungsgemäß beabsichtigte Kühleffekt am Verdichterrad 2 erreicht. Das Kühlfluid 12 steht dabei unter einem vorgegebenen Druck, der über dem Druck außerhalb des Kühlringraumes 11 liegt. Das Kühlfluid 12 ist bestrebt, aus dem Kühlringraum 11 abzuströmen.
Das Abströmen erfolgt über die Innenbarriere 16 zum achsnahen Radialspaltbereich 14 sowie über die Randbarriere 41 direkt zum Auslassraum 21. Der Teil des Kühlfluids 12, der in den achsnahen Radialspaltbereich 14 gelangt, sorgt dort für eine Druckerhöhung. Der Druck im achsnahen Radialspaltbereich 14, der in diesem Bereich auf der Rückseite 5 des Verdichterrads 2 lastet, erzeugt eine zusätzliche Axiallast 36 in der Axiallagerung der Verdichterwelle 6. Um diese zusätzliche Last zu vermeiden, erfolgt eine Entlastungsströmung 37 durch den Druckausgleichskanal 17. Dadurch erreicht das Kühlfluid 12 ebenfalls den Auslassraum 21 und verlässt als Kühlfluidabstrom 39 den Bereich des Kühlsystems, der Verdichterradkühlung 1. Es strömt in der dargestellten Ausführungsform in den Arbeitsbereich des Verdichters.
Der Übergangsstrom 32 wird in alternativen Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Kühlverfahrens durch eine Drosselung beeinflusst. In der bevorzugten Ausführungsform kommt dabei wenigstens eine Drossel zum Einsatz, die für eine einmalige Abstimmung des Systems, die Einstellung der Druck-Strömungsverhältnisse vorgesehen sind. Die so eingestellte Drosselung erfährt dabei im Betrieb keine Veränderungen, passt sich aber auch nicht an veränderte Betriebssituationen des Verdichters an.
Alternativ erfolgt eine sensorgestützte Steuerung, bei der beispielsweise Messwerte von Staudruck 35 und der Temperatur im Bereich größter Überhitzungsgefahr 19 am Verdichterrad 2 verarbeitet werden. Wird durch die nicht dargestellte Steuerung ein kritischer Zustand, sei es sowohl hinsichtlich der Temperatur am Verdichterrad 2, insbesondere im kritischen Bereich 19, oder hinsichtlich des Staudruckes 35 im achsnahen Radialspaltbereich 14, festgestellt, wird durch entsprechende Einstellung der Ringraumverbindungskanaldrossel 40, wie sie in 1 dargestellt ist, Einfluss genommen und Abhilfe geschaffen. Wird die Drosselung vermindert, ist ein höherer Übergangsstrom 32 im Ringraumverbindungskanal 10 die Folge. Daraufhin sinkt der Staudruck 35 im achsnahen Radialspaltbereich 14 und die Radiallast 36 nimmt ab.
Ist beispielsweise die Temperatur am Verdichterrad 2 zu hoch, wird die Ringraumverbindungskanaldrossel 40 geöffnet und eine größere Menge Kühlmedium 12 über einen erhöhten Übergangsstrom 32 an das Verdichterrad 2 zur Kühlung seiner Rückseite 5 herangeführt.
Bezugszeichenliste

1: Verdichterradkühlvorrichtung
2: Verdichterrad
3: Vorderseite des Verdichterrads
4: Verdichterschaufel
5: Rückseite des Verdichterrads
6: Verdichterwelle
7: Verdichtergehäuse
8: Kühlfluideinlass
9: innerer Ringraum
10: Ringraumverbindungskanal
11: Kühlringraum
12: Kühlfluid
13: Axialspalt
14: achsnaher Radialspaltbereich
15: achsferner Radialspaltbereich
16: Innenbarriere
17: Druckausgleichskanal
19: Bereich größter Überhitzungsgefahr
20: Radialspalt
21: Auslassraum
30: Kühlfluidzustrom
31: erster Ringraumkühlstrom
32: Übergangsstrom
33: Kühlfluidverteilung
34: Überströmen
35: Staudruck
36: Axiallast
37: Entlastungsströmung
39: Kühlfluidabstrom
40: Ringraumverbindungskanaldrossel
41: Randbarriere

Claims

Vorrichtung zur Kühlung einer Rückseite eines Verdichterrades mit einem Axialspalt (13) an der Rückseite (5) des Verdichterrades (2) und mit wenigstens einem achsfernen Radialspaltbereich (15) im Axialspalt (13), wobei jeweils im Bereich wenigstens einer Innenbarriere (16) einerseits und im Bereich wenigstens einer Randbarriere (41) andererseits der Axialspalt (13) in der Weise ausgebildet ist, dass die Druck- und Strömungsverhältnisse des Kühlfluids (12) im Kühlringraum (11) gezielt beeinflussbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass gegenüber dem wenigstens einen offenen achsfernen Radialspaltbereich (15), der als Kühlringraum (11) ausgeführt ist, wenigstens ein geschlossener innerer Ringraum (9) angeordnet, zwischen beiden wenigstens ein fluiddurchlässiger Ringraumverbindungskanal (10) vorgesehen ist und der wenigstens eine geschlossene innere Ringraum (9) wenigstens einen Kühlfluideinlass (8) aufweist und der Axialspalt (13) durch einen achsnahen Radialspaltbereich (14) und einen achsfernen Auslassraum (21) radial begrenzt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ringraumverbindungskanal (10) wenigstens eine Ringraumverbindungskanaldrossel (40) aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem achsnahen Radialspaltbereich (14) und dem achsfernen Auslassraum (21) die wenigstens eine Innenbarriere (16) wenigstens einen Druckausgleichskanal (17) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Druckausgleichskanal (17) eine Druckausgleichskanaldrossel besitzt.
Verfahren zur Kühlung einer Rückseite eines Verdichterrades, wobei ein Kühlfluid (12) an die Rückseite (5) des Verdichterrades (2) über wenigstens einen offenen, durch die Rückseite (5) des Verdichterrades (2) dynamisch abgedichteten achsferner Radialspaltbereich (15) im Axialspalt (13) hingeführt wird. dadurch gekennzeichnet, dass der Druck im Kühlfluid (12) zwischen einem durch eine Innenbarriere (16) von einem achsfernen Radialspaltbereich (15) getrennten achsnahen Radialspaltbereich (14) und einem Auslassraum (21) über wenigstens einen Druckausgleichskanal (17) ausgeglichen wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine offene, als Kühlringraum (11) ausgeführte achsferne Radialspaltbereich (15) mit wenigstens einem ihm gegenüber angeordneten geschlossenen inneren Ringraum (9) verbunden ist und durch den wenigstens einen Ringraumverbindungskanal (10) das Kühlfluid (12) strömt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Übergangsstrom (32) durch den wenigstens einen Ringraumverbindungskanal (10) durch eine Ringraumverbindungskanaldrossel (40) gedrosselt und die Druck- und Strömungsverhältnisse des Kühlfluids (12) im Kühlringraum (11) durch den Axialspalt (13) im Bereich wenigstens einer Innenbarriere (16) und im Bereich wenigstens einer Randbarriere (41) gesteuert werden.