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Technisches Gebiet
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Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Strömungsmaschinen, sie betrifft ein Verdichterrad eines Radialverdichters sowie einen Abgasturbolader mit einem derartigen Verdichterrad.
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Stand der Technik
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Im Strömungsmaschinenbau werden zur Abdichtung mit hoher Drehzahl rotierender Bauteile häufig Labyrinthe, d.h. berührungsfreie Bewegungsdichtungen eingesetzt. Bekannt ist eine Vielzahl unterschiedlichster Labyrinthdichtungen, deren Wirkprinzip in der Regel darauf beruht, den Fluid-Massenstrom durch das Labyrinth zu minimieren. Dazu weisen sie in der Regel mehrere analog aufgebaute und in Strömungsrichtung des Arbeitsfluids nacheinander angeordnete Dichtelemente für den zwischen dem Rotor und dem Stator ausgebildeten, abzudichtenden Trennspalt auf. Jedes Dichtelement besteht zumindest aus einer Drosselstelle und einer stromab anschliessenden Wirbelkammer, welche bei den verschiedensten Labyrinthdichtungen mehr oder weniger stark ausgeprägt sind. Durch Aneinanderreihen von Dichtelementen lässt sich der Durchflusswiderstand beliebig vergrössern und damit die durch die Dichtung hindurchtretende Fluidmenge klein halten.
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Bei Radialverdichtern wird der Trennspalt zwischen der Verdichterrad-Rückwand und dem Lagergehäuse mittels derartigen Dichtungen abgedichtet. Damit wird einerseits die Leckageströmung, der sogenannte Blow-By, reduziert, andererseits werde die auf die Rückwand des Verdichterrades in axialer Richtung wirkenden Kräfte durch den Druckabbau in der Dichtstelle reduziert.
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Die Strömungsverzögerung und die Dissipation der Enthalpie durch Reibung in den Drosselstellen der Labyrinthdichtungen kann zu zusätzlicher, starker Erwärmung im Bereich der Labyrinthdichtungen am äusseren Rand der Verdichterrad-Rückwand führen. Die zusätzliche Erwärmung schwächt das Verdichterrad insbesondere bei hohen Drehgeschwindigkeiten, was sich wiederum negativ auf die Lebensdauer des Verdichterrades auswirken kann.
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Kurze Darstellung der Erfindung
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, eine Alternative zum berührungsfreien Abdichten des zwischen einem Rotor und einem Stator ausgebildeten Trennspalts zu schaffen.
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Erfindungsgemäss wird dies durch eine im Bereich der Verdichterrad-Rückwand integrierte Turbine mit einer Anzahl entlang des Umfangs verteilt angeordneter Laufschaufeln erreicht. Damit wird die in dem Leckage-Massestrom enthaltene Enthalpie nicht in Reibungswärme sondern in Rotationsenergie umgewandelt, was sich positiv auf die Lebensdauer des Verdichterrades auswirkt. Thermodynamisch ist die Expansion des Fluids in der integrierten Turbine mit einer Abkühlung verbunden, welche sich ebenfalls positiv auf die Belastung des Verdichterrades auswirkt.
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Optional wird eine Reihe entlang des Umfangs verteilter Leitschaufeln auf der Seite des Lagergehäuses angeordnet, welche die Leckage-Strömung auf die in der Verdichterrad-Rückwand integrierten Laufschaufeln ausrichtet.
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Bei gleicher Geometrie kann das Verdichterrad aufgrund der verringerten Wärmeentwicklung bei höheren Drehzahlen betrieben werden und es können damit höhere Druckverhältnisse erzielt werden, ohne dass durch Materialschwächung negative Auswirkungen auf die Lebensdauer des Verdichterrades zu erwarten wären.
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Damit können auch zusätzliche, aufwendige Kühlungsvorrichtungen weggelassen werden.
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Über der Turbinenstufe erfährt die Leckageströmung wie in der Labyrinthdichtung einen signifikanten Druckabbau, so dass die auf die Rückwand des Verdichterrades in axialer Richtung wirkenden Kräfte vergleichbar sind.
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Schliesslich wird auch der Wirkungsgrad der Verdichterstufe erhöht, da die Leckageströmung nicht einfach in das Lagergehäuse oder die Umgebung geführt wird, sondern zuerst in der integrierten Turbinenstufe am Verdichterrad Arbeit verrichtet.
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Optional kann auf die Turbine in den Trennspalt über eine zusätzliche Strömungsleitung Druckluft geleitet werden, welche vorteilhafterweise dem Luftstrom vor dem Lufteintritt am Motor entnommen werden kann. Auch hier ist die Expansion des Fluids in der integrierten Turbine thermodynamisch mit einer Abkühlung verbunden, welche sich positiv auf die Belastung des Verdichterrades und damit dessen Lebensdauer auswirkt.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Hierbei zeigt
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1 eine schematische Darstellung eines aufgeladenen Verbrennungsmotors mit einem herkömmlichen Abgasturbolader,
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2 eine schematische Darstellung eines aufgeladenen Verbrennungsmotors mit einem erfindungsgemäss um eine im Bereich der Verdichterrad-Rückwand integrierte Turbine ergänzten Abgasturboladers, und
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3 einen Schnitt durch einen Verdichter eines Abgasturboladers nach 2,
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Weg zur Ausführung der Erfindung
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1 zeigt schematisch einen Verbrennungsmotor 40 mit einer vorgeschalteten Aufladung mit einem Abgas-Turbolader. Der Turbolader ist ebenfalls schematisch dargestellt und umfasst eine Turbine 20 mit einem Turbinenrad und einen Verdichter 10 mit einem über eine Welle 30 mit dem Rad der Turbine verbundenen Verdichterrad. Zur Aufladung des Verbrennungsmotors wird dem Verdichter über einen Lufteintritt 11 Frischluft (das Arbeitsfluid) zugeführt. Im Verdichter wird der Luftstrom verdichtet und optional über einen nicht dargestellten Ladeluftkühler dem Lufteintritt am Verbrennungsmotor zugeführt. Nach dem Verbrennungs-Prozess tritt der heisse Abgasstrom über den Abgasaustritt 21 aus dem Verbrennungsmotor aus und wird auf die Turbine geführt. Nach der Expansion in der Turbine wird der Abgasstrom über den Abgasaustritt 22 an der Turbine einer nicht dargestellten Auspuffanlage zugeführt. Wie Eingangs beschrieben kann es im Bereich zwischen dem Verdichterrad und dem Lagergehäuse, in welchem die Welle des Turboladers gelagert ist, zu einer Leckageströmung 150 kommen, welche in der Regel ins Lagergehäuse entweicht, oder aber auch gezielt abgegriffen und etwa zur Kühlung der turbinenseitigen Lagerbereiche verwendet werden kann. Die Leckageströmung dringt unmittelbar stromabwärts der Austrittskanten der Laufschaufeln des Verdichterrades in einen Trennspalt zwischen der Verdichterrad-Rückseite und dem Lagergehäuse ein.
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Die erfindungsgemässe Anordnung einer Turbinenstufe auf der Rückseite des Verdichterrades ist in 2 schematisch dargestellt. Die Leckageströmung 151, expandiert über der im Trennspalt angeordneten Turbine 15. Wie in 3 dargestellt, umfasst die im Verdichterrad 100 integrierte, im Trennspalt 152 angeordnete Turbine eine Vielzahl entlang des Umfangs verteilt angeordneter Laufschaufeln 155, welche – wie die Laufschaufeln des über die Welle mit dem Verdichterrad verbundenen Turbinenrades – den Laufschaufeln 110 des Verdichterrades im Drehsinn entgegengesetzt angewinkelt ausgerichtet angeordnet sind. Dadurch erfolgt durch die Expansion der unter höherem Druck stehenden Leckageströmung über den Laufschaufeln der integrierten Turbine eine die Rotation des Verdichterrades positiv unterstützende Wirkung. Optional, zur optimalen Ausrichtung der Leckageströmung auf die Laufschaufeln, kann an der dem Lagergehäuse 50 zuzuordnenden Zwischenwand 51 eine Reihe ebenfalls entlang des Umfangs verteilt angeordneter Leitschaufeln 157 vorgesehen sein.
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Optional kann der Leckageströmung, wie in 2 angedeutet, zusätzliche Druckluft zugeführt werden, welche wie dargestellt der Luftströmung zum Lufteintritt am Motor entnommen werden kann. Zur Steuerung dieses zusätzlichen Luftstroms kann in der Strömungsleitung 171 ein Ventil 17 angeordnet sein.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Verdichter des Turboladers
- 11
- Lufteintritt am Verdichter
- 12
- Lufteintritt am Verbrennungsmotor
- 15
- Integrierte Turbine am Verdichterrad
- 17
- Ablassventil
- 20
- Turbine des Turboladers
- 21
- Abgasaustritt am Verbrennungsmotor
- 22
- Abgasaustritt an der Turbine
- 30
- Welle des Turboladers
- 40
- Verbrennungsmotor
- 50
- Lagergehäuse
- 51
- Zwischenwand, Teil des Lagergehäuses
- 100
- Verdichterrad-Nabe
- 110
- Laufschaufeln des Verdichterrades
- 150
- Leckageströmung (Blow-By)
- 151
- über die integrierte Turbine am Verdichterrad geführte Leckageströmung
- 152
- Trennspalt zwischen dem Verdichterrad und der Zwischenwand des Lagergehäuses
- 155
- Laufschaufeln der integrierten Turbine auf der Rückwand des Verdichterrades
- 157
- Leitschaufeln
- 171
- Strömungsleitung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 0924386 B1 [0003]
- EP 0518027 A1 [0003]
