DE102012207727B4

DE102012207727B4 - Radialverdichter

Info

Publication number: DE102012207727B4
Application number: DE102012207727.8A
Authority: DE
Inventors: Hannes Benetschik
Original assignee: MAN Energy Solutions SE
Current assignee: MAN Energy Solutions SE
Priority date: 2012-05-09
Filing date: 2012-05-09
Publication date: 2019-04-18
Anticipated expiration: 2032-05-10
Also published as: CH706524B1; DE102012207727A1; CH706524A2

Abstract

Radialverdichter, insbesondere Radialverdichter eines Abgasturboladers, mit einem rotorseitigen Laufrad (10) und einem statorseitigen Gehäuse (11), wobei das Laufrad (10) mehrere Laufschaufeln (12) aufweist, wobei ein gegenüber dem Vektor der Umfangsgeschwindigkeit entgegengesetzten Umfangrichtung gemessener Austrittswinkel (β) der Laufschaufeln derart bemessen ist, dass der radial innere Austrittswinkel (β) und der radial äußere Austrittswinkel (β) voneinander abweichen, nämlich derart, dass der radial innere Austrittswinkel (β) größer als der radial äußere Austrittswinkel (β) ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Radialverdichter gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Aus der DE 25 24 710 B2 ist ein Radialverdichter mit einem feststehenden Vorleitrad und einem dem Vorleitrad nachgeordneten, rotierenden Laufrad bekannt. Das Laufrad verfügt über Laufschaufeln, die durch einen sogenannten Eintrittswinkel sowie durch einen sogenannten Austrittswinkel gekennzeichnet sind, wobei sowohl der Eintrittswinkel als auch der Austrittswinkel der Laufschaufeln des Laufrads radial innen an einem sogenannten Innenschnitt anders dimensioniert ist als radial außen an einem sogenannten Außenschnitt. Nach der DE 25 24 710 B2 ist der radial innere Austrittswinkel der Laufschaufeln bezogen auf die Umfangsrichtung kleiner als der radial äußere Austrittswinkel derselben. Ein solcher Radialverdichter eignet sich insbesondere zur Anwendung bei sogenannten Prozessverdichtern und weist einen hohen Wirkungsgrad auf.
Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, einen neuartigen Radialverdichter mit erhöhter Pumpstabilität zu schaffen. Diese Aufgabe wird durch einen Radialverdichter gemäß Anspruch 1 gelöst. Erfindungsgemäß ist der radial innere Austrittswinkel β_2i der Laufschaufeln des Laufrads größer als der radial äußere Austrittswinkel β_2a der Laufschaufeln des Laufrads.
Beim erfindungsgemäßen Radialverdichter ist der radial innere Austrittswinkel der Laufschaufeln des Laufrads größer als der radial äußere Austrittswinkel derselben. Dadurch lässt sich die Pumpstabilität eines Radialverdichters verbessern. Der erfindungsgemäße Radialverdichter eignet sich insbesondere zur Anwendung bei Turboladern.
Vorzugsweise ist der radial innere Austrittswinkel β_2i zwischen 20° und 45°, insbesondere zwischen 30° und 45°, größer als der radial äußere Austrittswinkel β_2a . Ein derartiger Winkelversatz zwischen dem radial inneren Austrittswinkel und dem radial äußeren Austrittswinkel der Laufschaufeln des Laufrads ist zur Erweiterung des Arbeitsbereiches an der Pumpgrenze des Radialverdichters besonders geeignet, sodass ein Radialverdichter mit erhöhter Pumpstabilität bereitgestellt werden kann.
Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung beträgt der radial innere Austrittswinkel β_2i zwischen 45° und 90°. Diese Dimensionierung des radial inneren Austrittswinkels der Laufschaufeln des Laufrads in Verbindung mit dem oben dargestellten Winkelversatz zwischen dem radial inneren Austrittswinkel und dem radial äußeren Austrittswinkel der Laufschaufeln des Laufrads ist besonders geeignet, um die Pumpstabilität des Radialverdichters auf vorteilhafte Art und Weise zu erhöhen.
Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist der Radialverdichter eine gehäuseseitige Rezirkulationsstruktur auf, über welche eine rezirkulierende Strömung stromaufwärts des Laufrads mit einer Hauptströmung mischbar ist. Dann, wenn die erfindungsgemäße Konturierung des Austrittswinkels der Laufschaufeln in Verbindung mit einer gehäuseseitigen Rezirkulationsstruktur genutzt wird, kann die Pumpstabilität des Radialverdichters weiter verbessert werden.
Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:

1: eine perspektivische Ansicht eines Laufrades eines erfindungsgemäßen Radialverdichters;
2: einen Meridianschnitts durch eine vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Radialverdichters; und
3 ein Diagramm zur weiteren Verdeutlichung der Erfindung.

Die hier vorliegende Erfindung betrifft einen Radialverdichter, insbesondere einen Radialverdichters eines Abgasturboladers.
Ein Radialverdichter verfügt zumindest über ein rotorseitiges Laufrad sowie ein statorseitiges Gehäuse. 1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Radialverdichters, nämlich eines Laufrads 10 des Radialverdichters, wobei 2 einen Meridianschnitt durch den Radialverdichter im Bereich des rotorseitigen Laufrads 10 und eines statorseitigen Gehäuses 11 zeigt.
Das rotorseitige Laufrad 10 des Radialverdichters verfügt über mehrere Laufschaufeln 12, wobei die Laufschaufeln 12 einerseits durch einen Eintrittswinkel und andererseits durch einen Austrittswinkel gekennzeichnet sind, der jeweils gegenüber einer Umfangsrichtung des Laufrads 10 gemessen wird.
Die hier vorliegende Erfindung betrifft die Bemessung des Austrittswinkels ß₂ der Laufschaufeln 12 des Laufrads 10, jeweils gemessen gegenüber einer Umfangsrichtung U des Laufrads 10.
Der gegenüber der Umfangsrichtung U gemessene Austrittswinkel ß₂ der Laufschaufeln 12 ist derart bemessen, dass ein radial innerer Austrittswinkel ß_2i und der radial äußere Austrittswinkel ß_2a voneinander abweichen, nämlich derart, dass, wie in 1 gezeigt, im Bereich jeder Laufschaufel 12 der radial innere Austrittswinkel ß_2i größer ist als der äußere Austrittswinkel ß_2a .
Mit einer solchen erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Austrittswinkels ß₂ der Laufschaufeln 12 des Laufrads 10 wird radial innen an der Beschaufelung des Laufrads 10 eine ausgeprägte Verzögerung einer sogenannten Relativgeschwindigkeit eingestellt, sodass ein nach radial außen gerichteter Verdrängungseffekt für die Strömung einsetzt. Dadurch wird eine für Radialverdichter typische Verzögerung der Relativgeschwindigkeit radial außen gemäßigt, wodurch die Pumpstabilität des Laufrads 10 und damit des gesamten Radialverdichters gesteigert werden kann.
Dieser Gewinn an Pumpstabilität kann dazu genutzt werden, um einen realisierbaren Variationsbereich für den Durchsatz durch den Radialverdichter gegenüber dem Stand der Technik zu steigern. Weiterhin kann dieser Gewinn an Pumpstabilität genutzt werden, um die realisierbaren Verdichterdruckverhältnisse zu steigern, wobei diese beiden Effekte auch in Kombination miteinander genutzt werden können.
Die oben erwähnte Verzögerung der Relativgeschwindigkeit entspricht dem Verhältnis w_2a /w_1a , wobei es sich bei der Größe w_2a um die Relativgeschwindigkeit der Strömung radial außen am Austritt des Laufrads 10 und bei der Größe w_1a um die Relativgeschwindigkeit der Strömung radial außen am Eintritt des Laufrads 10 handelt. Die Relativgeschwindigkeiten w_1i am Eintritt und die Relativgeschwindigkeiten w_2i am Austritt des Laufrads 10 sind in 1 durch Pfeile visualisiert.
1 verdeutlicht weiterhin mit einem Pfeil den Vektor der Rotationsbewegung dessen betrag die sogenannte Kreisfrequenz ω des Verdichters 10 kennzeichnet, wobei für die Kreisfrequenz ω gilt: $ω= 2 ∗π∗ n,$
mit der Drehzahl n des Laufrads 10.
Für die Umfangsgeschwindigkeit u₂ der Laufschaufeln 12 des Laufrads 10 am Austritt des Laufrads 10 gilt folgende Beziehung: $u_{2} = ω∗ r_{2},$
wobei es sich bei r₂ um den Radius der Laufschaufeln 12 am Austritt des Laufrads 10 handelt. Radial innen, also bei einem kleinen Radius r_2i , ist bei gleicher Kreisfrequenz die Umfangsgeschwindigkeit kleiner als radial außen, also bei einem großen Radius r_2a .
Wie bereits erwähnt, ist erfindungsgemäß im Bereich jeder Laufschaufel 12 des Laufrads 10 der radial innere Austrittswinkel ß_2i größer als der radial äußere Austrittswinkel ß_2a, wobei der radial innere Austrittswinkel ß_2i vorzugsweise um mindestens 10° größer ist als der radial äußere Austrittswinkel ß_2a .
Bevorzugt ist eine Variante der Erfindung, in welcher der radial innere Austrittswinkel ß_2i um mindestens 20° größer als der radial äußere Austrittswinkel ß_2a ist, besonders bevorzugt ist der radial innere Austrittswinkel ß_2i um mindestens 30° als der radial äußere Austrittswinkel ß_2a .
Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist der radial innere Austrittswinkel ß_2i zwischen 20° und 45°, vorzugsweise zwischen 30° und 45°, größer als der radial äußere Austrittswinkel ß_2a .
Beim radial äußeren Austrittswinkel ß_2a handelt es sich um denjenigen Winkel der Laufschaufeln 12 am Austritt des Laufrads 10, welchen die Laufschaufeln 12 am radial äußeren Ende mit der Umfangsrichtung des Laufrads 10 gemäß 1 einschließen.
Beim radial inneren Austrittswinkel ß_2i der Laufschaufeln 12 handelt es sich um denjenigen Winkel, welchen die Laufschaufeln 12 radial innen unmittelbar benachbart zu einer Nabe des Laufrads 10 austrittsseitig mit der Umfangsrichtung des Laufrads 10 gemäß 1 einschließen.
Der radial innere Austrittswinkel ß_2i am Austritt des Laufrads 10 beträgt im Bereich jeder Laufschaufel 12 vorzugsweise mindestens 45°, vorzugsweise beträgt der radial innere Austrittswinkel ß_2i zwischen 45° und 90°.
Diese Abmessung des radial inneren Austrittswinkels ß_2i der Laufschaufeln 12 in Verbindung mit dem Winkelversatz zwischen dem radial inneren Austrittswinkel ß_2i und dem radial äußeren Austrittswinkel ß_2a erlaubt die Bereitstellung eines Radialverdichters mit einer besonders vorteilhaften Pumpstabilität.
2 verdeutlicht eine vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Radialverdichters, bei welchem im Bereich des Gehäuses 11 desselben eine Rezirkulationsstruktur 13, ein sogenanntes Casing Treatment, ausgebildet ist, nämlich derart, dass eine in definierten Betriebspunkten des Radialverdichters vorhandene Rezirkulationsströmung 14, welche die Rezirkulationsstruktur 13 entgegengesetzt zu einer Hauptströmung 15 durchströmt, stromaufwärts des Laufrads 10 mit der Hauptströmung 15 mischbar ist. Dadurch kann in Kombination mit den oben beschriebenen Maßnahmen zur Ausgestaltung des Austrittswinkels ß₂ der Laufschaufeln 12 des Laufrads 10 die Pumpstabilität des erfindungsgemäßen Radialverdichters weiter gesteigert werden.
Abhängig vom Betriebspunkt des Radialverdichters kann sich durch die Rezirkulationsstruktur 13 auch eine Sekundärströmung 16 ausbilden, die parallel zur Hauptströmung 15 verläuft und sich stromabwärts der Eintrittskante des Laufrads 10 mit der Hauptströmung 15 vereinigt.
Im Schaubild der 3 ist über einem Volumenstrom V ein Totaldruckverhältnis Δp des Radialverdichters gezeigt, wobei in 3 einerseits die mit dem erfindungsgemäßen Radialverdichter erzielbare Pumpgrenze 17 und die daraus resultierende erzielbare Betriebslinie des Verdichters 17' gezeigt sind. Gemäß 3 kann demnach beim erfindungsgemäßen Radialverdichter die Pumpgrenze 17 zu kleineren Werten des Volumenstromes verschoben und damit die Pumpstabilität verbessert werden. Mit der Bezugsziffer 18 ist in 3 die Pumpgrenze eines gemäß dem Stand der Technik ausgeführten Radialverdichters gezeigt, wobei mit der Bezugsziffer 18' die erzielbare Betriebslinie eines Radialverdichters nach dem Stand der Technik angegeben ist. Die Drehzahllinien mit konstanter Drehzahl sind in 3 mit der Bezugsziffer 19 gekennzeichnet. Bezugsziffer 20 verdeutlicht die Kennlinie mit optimalem Wirkungsgrad für den erfindungsgemäßen Radialverdichter. Bezugsziffer 21 verdeutlicht die sogenannte Sperrgrenze.
Mit der Erfindung kann bei einem Radialverdichter im Bereich des Laufrads 10 radial innen im Bereich eines Innenschnitts eine im Vergleich mit dem Stand der Technik intensivere Verzögerung des Arbeitsmediums als radial außen an einem Außenschnitt eingestellt werden. Dies hat zur Folge, dass ein Teil des in Nabennähe energiereicheren Arbeitsmediums zum Außenschnitt der Laufschaufeln 12 verdrängt wird. Hierdurch ist es möglich, die für Radialverdichterlaufräder kritische Strömung in Gehäusenähe energetisch anzureichern und die Pumpstabilität des Radialverdichters 10 zu erhöhen.
Der erfindungsgemäße Radialverdichter ist zur Verwendung in einem Abgasturbolader ausgelegt.
Bezugszeichenliste

10: Laufrad
11: Gehäuse
12: Laufschaufel
13: Rezirkulationsstruktur
14: Rezirkulationsströmung
15: Hauptströmung
16: Sekundärströmung
17, 18: Pumpgrenze
17', 18': Charakteristik / Betriebslinie Verdichter
19: Drehzahllinie
20: optimaler Wirkungsgrad
21: Sperrgrenze

Claims

Radialverdichter, insbesondere Radialverdichter eines Abgasturboladers, mit einem rotorseitigen Laufrad (10) und einem statorseitigen Gehäuse (11), wobei das Laufrad (10) mehrere Laufschaufeln (12) aufweist und wobei ein gegenüber dem Vektor der Umfangsgeschwindigkeit entgegengesetzten Umfangsrichtung gemessener Austrittswinkel (β₂) der Laufschaufeln derart bemessen ist, dass der radial innere Austrittswinkel (β_2i) und der radial äußere Austrittswinkel (β_2a) voneinander abweichen, dadurch gekennzeichnet, dass der radial innere Austrittswinkel (β_2i) größer als der radial äußere Austrittswinkel (β_2a) ist.
Radialverdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der radial innere Austrittswinkel (β_2i) um mindestens 10° größer als der radial äußere Austrittswinkel (β_2a) ist.
Radialverdichter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der radial innere Austrittswinkel (β_2i) um mindestens 20° größer als der radial äußere Austrittswinkel (β_2a) ist.
Radialverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der radial innere Austrittswinkel (β_2i) zwischen 20° und 45° größer als der radial äußere Austrittswinkel (β_2a) ist.
Radialverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der radial innere Austrittswinkel (β_2i) um mindestens 30° größer als der radial äußere Austrittswinkel (β_2a) ist.
Radialverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der radial innere Austrittswinkel (β_2i) zwischen 30° und 45° größer als der radial äußere Austrittswinkel (β_2a) ist.
Radialverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der radial innere Austrittswinkel (B2,) größer gleich 45° ist.
Radialverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der radial innere Austrittswinkel (β_2i) zwischen 45° und 90° beträgt.
Radialverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch eine gehäuseseitige Rezirkulationsstruktur (13), über welchen eine rezirkulierende Strömung stromaufwärts des Laufrads (10) mit einer Hauptströmung mischbar ist.