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Die Erfindung betrifft eine Leitschaufel für einen Diffusor eines Radialverdichters gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
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Derartige Leitschaufeln für Diffusoren von Radialverdichtern sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bereits hinlänglich bekannt. Üblicherweise weist der Radialverdichter einen Aufnahmebereich auf, in welchem ein Verdichterrad des Radialverdichters aufnehmbar beziehungsweise – im fertig hergestellten Zustand des Radialverdichters – aufgenommen ist. Ferner weist der Radialverdichter einen stromab des Aufnahmebereichs angeordneten Diffusor auf, welcher sich beispielsweise zumindest im Wesentlichen in radialer Richtung erstreckt. Während des Betriebs des Radialverdichters wird mittels des Verdichterrads Luft verdichtet, welche das Verdichterrad abströmt und den Diffusor durchströmt.
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Die zuvor genannte Leitschaufel ist in dem beispielsweise als Radialdiffusor ausgebildeten Diffusor anordnenbar beziehungsweise – im fertig hergestellten Zustand des Radialverdichters – angeordnet und dient zum Leiten der den Diffusor durchströmenden Luft. Dabei weist die Leitschaufel eine Skelettlinie auf, wobei die Leitschaufel beispielsweise als Tragflächenprofil ausgebildet sein kann.
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Üblicherweise sind in dem Diffusor mehrere Leitschaufeln angeordnet, welche in Umfangsrichtung des Verdichterrads über dessen Umfang aufeinanderfolgend angeordnet sind. Durch die mehreren Leitschaufeln ist eine Leiteinrichtung gebildet, welche auch als Nachleitgitter bezeichnet wird. Die Leiteinrichtung ist nämlich in Strömungsrichtung der Luft stromab des Verdichterrads beziehungsweise des Aufnahmebereichs angeordnet und sorgt für vorteilhafte Strömungsbedingungen im Diffusor.
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Ferner offenbart die
WO 2006/053579 A1 einen Turbolader mit einer Turbine, welche ein Turbinenrad und ein stromauf des Turbinenrads angeordnetes Leitgitter mit einer Mehrzahl von Leitschaufeln umfasst.
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Herkömmliche Leitschaufeln, welche bei herkömmlichen Radialverdichtern zum Einsatz kommen und dabei im Diffusor angeordnet beziehungsweise anordenbar sind, weisen Schaufelgeometrien auf, welche zu ungünstigen und somit unvorteilhaften Strömungsbedingungen im Diffusor führen. Bei einer solchen Schaufelgeometrie handelt es sich beispielsweise um eine Geometrie in Form eines Profiltropfens, welcher zu einer starken Verengung eines von der Luft durchströmbaren Strömungskanals führt, so dass der Strömungskanal von einem nur geringen maximalen Massenstrom der Luft durchströmt werden kann. Eine weitere Schaufelgeometrie ist das so genannte NACA-Profil, welches für Flugzeugtragflächen optimiert ist, jedoch für hohe Verluste im Diffusor sorgt. Eine weitere Schaufelgeometrie ist die so genannte Keilschaufel, welche zu hohen Verluste durch eine schlagartige Kanalvergrößerung am Schaufelende führt. Ist die jeweilige Leitschaufel beispielsweise als gerade Schaufel mit konstanter Dicke ausgebildet, so führt dies zu einer unerwünscht starken Verzögerung der Strömung der Luft, woraus hohe Verluste resultieren. Eine weitere Schaufelgeometrie ist die so genannte Circular-Arc-Geometrie mit konstanter Dicke. Hierbei existiert eine nur unzureichend hohe Anzahl an freien Geometrieparametern und diese Schaufelgeometrie führt zu starken Verzögerungen insbesondere im Mittelteil der Leitschaufel.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Leitschaufel der eingangs genannten Art derart weiter zu entwickeln, dass besonders vorteilhafte Strömungsbedingungen im Diffusor realisiert werden können.
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Diese Aufgabe wird durch eine Leitschaufel mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
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Um eine Leitschaufel der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art derart weiter zu entwickeln, dass besonders vorteilhafte Strömungsbedingungen im Diffusor realisiert werden können, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Skelettlinie zumindest in einem Teilbereich ellipsenförmig ausgebildet ist.
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Als besonders vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn die gesamte Skelettlinie, das heißt entlang ihrer gesamten Erstreckung ellipsenförmig ausgebildet ist. Durch den Einsatz einer Leitschaufel mit einer ellipsenförmigen Skelettlinie kann eine zumindest nahezu gleichmäßige Verzögerung in einem durch die Leitschaufel zumindest teilweise begrenzten Strömungskanal realisiert werden ohne dass es zu einer übermäßigen Einschnürung an der Vorderkante der Schaufel kommt. Darüber hinaus besteht durch den Einsatz einer Leitschaufel mit einer ellipsenförmigen Skelettlinie ein hohes Maß an freien Geometrieparametern.
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Zur Erfindung gehört auch ein Radialverdichter, insbesondere für einen Abgasturbolader einer Verbrennungskraftmaschine, mit einem Aufnahmebereich für ein Verdichterrad des Radialverdichters, mit einem stromab des Aufnahmebereichs angeordneten Diffusor, und mit wenigstens einer in dem Diffusor angeordneten, erfindungsgemäßen Leitschaufel. Der Diffusor an sich ist ein von Luft durchströmbarer Strömungskanal, wobei die Luft mittels des Verdichterrads verdichtet wird, vom Verdichterrad abströmt und den Diffusor durchströmt. Dadurch, dass die Leitschaufel eine zumindest im Wesentlichen ellipsenförmige Skelettlinie aufweist, können im Diffusor besonders vorteilhafte Strömungsbedingungen ohne übermäßige Nachteile realisiert werden, so dass sich ein besonders effizienter Betrieb des Radialverdichters realisieren lässt.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in der einzigen Figur alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Die Zeichnung zeigt in der einzigen Figur eine schematische Schnittansicht einer Leitschaufel für einen stromab eines Aufnahmebereichs für ein Verdichterrad angeordneten Diffusor eines Radialverdichters, mit einer Skelettlinie, welche zumindest in einem Teilbereich ellipsenförmig ausgebildet ist.
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Die Fig. zeigt in einer schematischen Schnittansicht eine im Ganzen mit 10 bezeichnete Leitschaufel für einen stromab eines Aufnahmebereichs für ein Verdichterrad angeordneten Diffusor eines Radialverdichters. Der Radialverdichter ist vorzugsweise Bestandteil eines Abgasturboladers, mit welchem eine beispielsweise als Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine ausgebildete Verbrennungskraftmaschine eines Kraftwagens ausgestattet ist. Dabei ist die Verbrennungskraftmaschine zum Abtreiben des Kraftwagens ausgebildet und umfasst einen von Abgas der Verbrennungskraftmaschine durchströmbaren Abgastrakt sowie einen von Luft durchströmbaren Ansaugtrakt. Mittels des Ansaugtrakts wird die den Ansaugtrakt durchströmenden Luft in wenigstens einen Brennraum, insbesondere Zylinder, der Verbrennungskraftmaschine geführt.
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Der Abgasturbolader weist eine Turbine auf, die in dem Abgastrakt angeordnet und von dem Abgas antreibbar ist. Hierzu umfasst die Turbine ein Turbinengehäuse sowie ein in dem Turbinengehäuse angeordnetes Turbinenrad, welches von dem Abgas antreibbar ist. Das Turbinenrad ist um eine Drehachse relativ zu dem Turbinengehäuse drehbar und Bestandteil eines Rotors des Abgasturboladers. Der Rotor umfasst ferner das zuvor genannte Verdichterrad sowie eine Welle, mit welcher das Turbinenrad und das Verdichterrad drehfest verbunden sind. Dadurch ist das Verdichterrad über die Welle von dem Turbinenrad antreibbar, so dass – während des Betriebs des Radialverdichters – Luft mittels des Verdichterrads verdichtet wird. Dadurch kann im Abgas enthaltene Energie zum Verdichten der Luft genutzt werden.
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Der Radialverdichter ist in dem Ansaugtrakt angeordnet und umfasst ein Verdichtergehäuse, in welchem das Verdichterrad angeordnet ist. Dabei ist das Verdichterrad beziehungsweise der Rotor um die genannte Drehachse relativ zu dem Verdichtergehäuse drehbar. Der genannte Aufnahmebereich, in welchem das Verdichterrad angeordnet ist, ist durch das Verdichtergehäuse begrenzt.
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Der Radialverdichter weist ferner den zuvor genannten Diffusor auf, welcher in Strömungsrichtung der Luft durch den Radialverdichter stromab des Aufnahmebereichs und somit des Turbinenrads angeordnet ist. Der Diffusor ist ein Kanal, welcher von der mittels des Verdichterrads verdichteten und vom Verdichterrad abströmenden Luft durchströmbar ist beziehungsweise während des Betriebs des Radialverdichters durchströmt wird. Vorzugsweise ist der Diffusor als Radialdiffusor ausgebildet, wobei sich der Diffusor zumindest im Wesentlichen in radialer Richtung erstreckt.
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Der Radialverdichter umfasst ferner eine Leiteinrichtung, welche auch als Nachleitgitter bezeichnet wird. Die Leiteinrichtung umfasst eine Mehrzahl von in dem Diffusor und somit stromab des Aufnahmebereichs beziehungsweise des Verdichterrads angeordneten Leitschaufeln, von denen in der Fig. die mit 10 bezeichnete Leitschaufel gezeigt ist. Die in dem Diffusor angeordneten Leitschaufeln dienen zum Leiten der den Diffusor durchströmenden Luft, so dass vorteilhafte Strömungsbedingungen im Diffusor realisiert werden können. Die vorigen und folgenden Ausführungen zur Leitschaufel 10 können ohne weiteres auf die anderen Leitschaufeln des Nachleitgitters übertragen werden.
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Aus der Fig. ist erkennbar, dass die Leitschaufel 10 eine Skelettlinie X aufweist. Um nun besonders vorteilhafte Strömungsbedingungen in dem Diffusor realisieren zu können, ist die Skelettlinie X zumindest in einem Teilbereich ellipsenförmig ausgebildet. Vorliegend ist es vorgesehen, dass die gesamte Skelettlinie X ellipsenförmig ausgebildet ist. Dies bedeutet, dass die Skelettlinie X entlang ihrer gesamten Erstreckung ellipsenförmig, das heißt als Teil einer Ellipse ausgebildet ist.
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Die Fig. zeigt auch ein Diagramm 12, welches als Hilfsdiagramm zum Konstruieren der Skelettlinie X verwendet wird. Aus der Fig. ist besonders gut erkennbar, dass die Skelettlinie X der Leitschaufel 10 als Ellipse mit elliptischer Aufdickung über die Länge der Sehne C der Leitschaufel 10 konstruiert wird. Die Leitschaufel 10 weist dabei einen Schaufeleintritt 14 auf, über welchen die Leitschaufel 10 während des Betriebs des Radialverdichters von der Luft angeströmt wird. Ferner weist die Leitschaufel 10 einen Schaufelaustritt 16 auf, über welchen die Luft die Leitschaufel 10 abströmt. Der Schaufeleintritt 14 und der Schaufelaustritt 16 schneiden eine gemeinsame Gerade und definieren so die Sehne C.
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Da die Skelettlinie X ellipsenförmig ausgebildet ist, wird die Skelettlinie X im Folgenden auch als Ellipse bezeichnet. Die Ellipse weist genau zwei Schnittwinkel mit der Sehne C auf, wobei die Schnittwinkel der Ellipse mit der Sehne C der Leitschaufel 10 jeweils, das heißt einzeln betrachtet, geringer als 45° und gemeinsam, das heißt in Summe, stets geringer als 80° sind.
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Mit fr,3 ist ein Eintrittsradius der Leitschaufel 10 bezeichnet, wobei mit fr,4 ein Austrittsradius der Leitschaufel 10 bezeichnet ist. Der Eintrittsradius fr,3 ist in der Fig. auch durch r3 veranschaulicht, wobei der Austrittsradius fr,4 auch durch r4 veranschaulicht ist. Ferner ist in der Fig. ein Radius r2 erkennbar. Darüber hinaus weist die Leitschaufel 10 einen Eintrittswinkel αb,3 und einen Austrittswinkel αb,4 auf, wobei die Leitschaufel 10, insbesondere ihr Eintrittsbereich, in welchem die Leitschaufel 10 von Luft angeströmt wird, den Eintrittswinkel αb,3 mit der Radialen einschließt. Ferner schließt die Leitschaufel 10, insbesondere ihr Austrittsbereich, über welchem die Leitschaufel 10 von der Luft abgeströmt wird, den Austrittswinkel αb,4 mit der Radialen ein, wobei diese Radiale in der Fig. jeweils mit r → veranschaulicht ist.
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Ferner weist die Leitschaufel 10 eine maximale Dicke db und eine sogenannte Dickenrücklage fb auf. Die Länge der Sehne C ist ferner mit lb bezeichnet. Darüber hinaus hat es sich als besonders vorteilhaft gezeigt, wenn der Mittelpunkt M der Ellipse bezüglich der Sehnenachse der Leitschaufel 10 nicht weiter als die Hälfte der Länge lb der Sehne C vom Mittelpunkt S der Sehne C entfernt liegt.
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Durch die in der Fig. veranschaulichte Ausgestaltung der Leitschaufel 10 kann in einem zumindest teilweise durch die Leitschaufel 10 begrenzten Strömungskanal, welcher von der Luft durchströmbar ist, eine zumindest im Wesentlichen gleichmäßige Verzögerung ohne übermäßige Einschnürung an der Schaufelvorderkante realisiert werden, wobei gleichzeitig ein besonders hohes Maß an freien Geometrieparametern darstellbar ist. Dadurch lässt sich für den vorzugsweise als Radialdiffusor ausgebildeten Diffusor ein Nachleitgitterdesign mit elliptischer Charakteristik schaffen, wodurch besonders vorteilhafte Strömungsbedingungen im Diffusor darstellbar sind.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Leitschaufel
- 12
- Diagramm
- 14
- Schaufeleintritt
- 16
- Schaufelaustritt
- C
- Sehne
- S
- Mittelpunkt
- M
- Mittelpunkt
- X
- Skelettlinie
- db
- maximale Dicke
- fb
- Dickenrücklage
- fr,3
- Eintrittsradius
- fr,4
- Austrittsradius
- lb
- Länge
- r2
- Radius
- r3
- Eintritssradius
- r4
- Austrittsradius
- r →
- Radiale
- αb,3
- Eintrittswinkel
- αb,4
- Austrittswinkel
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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