DE102017114007A1

DE102017114007A1 - Diffusor für einen Radialverdichter

Info

Publication number: DE102017114007A1
Application number: DE102017114007.7A
Authority: DE
Inventors: wird später genannt werden Erfinder
Original assignee: ABB Turbo Systems AG
Current assignee: Accelleron Industries AG
Priority date: 2017-06-23
Filing date: 2017-06-23
Publication date: 2018-12-27

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Diffusor für einen Radialverdichter, mit einem Strömungskanal, welcher von einer ersten Seitenwand und einer zweiten Seitenwand begrenzt wird, einem Diffusorschaufelkranz mit einer Vielzahl von Diffusorschaufeln, welche zumindest teilweise im Strömungskanal angeordnet sind, wobei jede der Diffusorschaufeln eine Druckseite und eine Saugseite aufweist, einer Vielzahl von Diffusorpassagen, wobei diese Diffusorpassagen zwischen jeweils zwei benachbarten Diffusorschaufeln der Vielzahl von Diffusorschaufeln gebildet sind, Druckausgleichsöffnungen, und einem Verbindungskanal, welcher mit dem Strömungskanal über die Druckausgleichsöffnungen fluidisch verbunden ist, wobei ein Teil der Vielzahl von Diffusorpassagen Druckausgleichsöffnungen aufweist und der verbleibende Teil der Vielzahl von Diffusorpassagen ohne Druckausgleichsöffnungen ausgebildet ist.

Description

TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Diffusor für einen Radialverdichter. Die Bezeichnung Radialverdichter umfasst im Folgenden auch sogenannte Mixed-Flow-Verdichter mit einer axialen Zuströmung und einer radialen Abströmung des Verdichterlaufrades. Der Anwendungsbereich der vorliegenden Erfindung erstreckt sich zudem auch auf Verdichter mit einer rein radialen oder diagonalen Zu- oder Abströmung des Verdichterlaufrades. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung einen Diffusor für einen Radialverdichter, wobei der Radialverdichter in einem Turbolader einsetzbar ist, und wobei der Turbolader eine Axialturbine oder eine Radial- oder eine sogenannte Mixed Flow-Turbine aufweisen kann.
STAND DER TECHNIK
Aus dem Stand der Technik sind Diffusoren für den Einsatz in Radialverdichtern für Turboladeranwendungen bekannt. In einem Radialverdichter wird zunächst über ein dem Diffusor vorgeschaltetes Verdichterrad ein Fluid, beispielsweise Luft, axial angesaugt und im Verdichterrad beschleunigt und vorverdichtet. Dem Fluid wird dabei Energie zugeführt, die in Form von Druck, Temperatur und kinetischer Energie vorliegt. Am Austritt des Verdichterrades herrschen hohe Strömungsgeschwindigkeiten. Die beschleunigte und verdichtete Luft verlässt das Verdichterrad tangential in Richtung des Diffusors. Im Diffusor wird die kinetische Energie der beschleunigten Luft in Druck umgesetzt. Dies geschieht durch eine Verzögerung der Strömung im Diffusor. Durch radiale Aufweitung wird der Strömungsquerschnitt des Diffusors vergrössert. Das Fluid wird damit verzögert und Druck wird aufgebaut.
Um in einem Turbolader mit Radialverdichter möglichst hohe Druckverhältnisse zu erreichen, können die darin verwendeten Diffusoren mit einer Beschaufelung versehen werden. Ein Beispiel für einen beschaufelten Diffusor zeigt die DE 10 2008 044 505 . Die aus dem Stand der Technik bekannten Diffusoren mit Beschaufelung sind im Allgemeinen als radiale parallelwandige Diffusoren mit Beschaufelung ausgebildet, wie zum Beispiel in der US 4,131,389 gezeigt. Um bei gegebenem Gesamtdruckverhältnis einen höheren Verdichterwirkungsgrad zu erreichen, kann die Strömung im Diffusor stärker verzögert werden. Die Strömungsgeschwindigkeiten in der Spirale werden dadurch reduziert, wodurch die Wandreibungsverluste abnehmen und der Wirkungsgrad der Verdichterstufe verbessert wird.
Aus dem Stand der Technik ist bekannt, dass der Einsatz von Diffusoren mit radialer Seitenwanddivergenz eine stärkere Verzögerung bei gleicher Baulänge gegenüber parallelwandigen Diffusoren erlaubt.
Die im Diffusor durch Geometrievariation erreichbare Verzögerung bzw. Druckerhöhung für einen gegebenen Betriebspunkt ist jedoch begrenzt, da es bei zu starker Verzögerung zu Strömungsinstabilitäten aufgrund von Grenzschichtablösungen im Diffusor kommt. Die Grenzen des stabilen Betriebsbereichs des Diffusors bestimmen damit die Lage der Pumpgrenze des Verdichters im Verdichterkennfeld. Wird anstelle eines parallelwandigen Diffusors ein Diffusor mit Seitenwanddivergenz eingesetzt - ein solcher Diffusor ist zum Beispiel in der WO 2012/116880 A1 beschrieben - so erhöht sich zwar der Wirkungsgrad bei gleichen Verdichterdruckverhältnissen, gleichzeitig verschiebt sich jedoch für ein gegebenes Verdichterdruckverhältnis die Pumpgrenze gegenüber dem Verdichter mit parallelwandigem Diffusor zu grösseren Massenströmen. Dieser Effekt ist unerwünscht. Die Verdichter-Kennfeldbreite wird dadurch reduziert und die Verwendbarkeit der Verdichterstufe für Anwendungen im Turbolader wird dadurch eingeschränkt.
Eine Lösung besteht darin, einen Diffusorkanalabschnitt eines beschaufelten Diffusors über Druckausgleichsöffnungen mit einem Ringkanal fluidisch zu verbinden, um einen Druckausgleich zwischen einzelnen Diffusorpassagen des Diffusors, welche von benachbarten Diffusorschaufeln gebildet werden, zu ermöglichen. Jedoch kann bei dieser Lösung unter Verwendung von Druckausgleichsöffnungen das Problem entstehen, dass der Ringkanal und/oder die einzelnen Druckausgleichsöffnungen verstopfen, beispielsweise aufgrund von Rückständen und Ablagerungen aus einer Verdichterreinigung oder durch Partikel, welche sich in ölhaltiger Ansaugluft befinden. Dies hat einen negativen Einfluss auf die Pumpgrenze des Verdichters und kann im Extremfall dazu führen, dass ein an den Diffusor angeschlossener Motor nicht mehr betrieben werden kann.
Aus der WO 2016/102594 ist ein Diffusor für einen Radialverdichter bekannt, bei dem das vorstehend genannte Problem nicht auftritt. Dieser Diffusor weist einen Diffusorkanalabschnitt auf, welcher von einer ersten Seitenwand und einer zweiten Seitenwand gebildet wird, wobei die erste Seitenwand und die zweite Seitenwand in Strömungsrichtung zumindest teilweise zueinander divergent angeordnet sind. Weiterhin umfasst der Diffusor einen Schaufelkranz mit einer Anzahl von Schaufeln, wobei die Schaufeln zumindest teilweise im Diffusorkanalabschnitt angeordnet sind, und wobei jede der Schaufeln eine Druckseite und eine Saugseite aufweist. Die Druckseite und die Saugseite einer jeden Schaufel werden von einer Schaufeleintrittskante und von einer Schaufelaustrittskante dieser Schaufel begrenzt. Weiterhin umfasst der Diffusor eine Anzahl von Druckausgleichsöffnungen, welche in zumindest eine der beiden Seitenwände des Diffusorkanalabschnitts eingearbeitet sind, wobei jede der Anzahl von Druckausgleichsöffnungen zwischen der Druckseite einer Schaufel und der Saugseite der benachbarten Schaufel des Schaufelkranzes angeordnet ist. Weiterhin umfasst der Diffusor einen Ringkanal, welcher hinter den Druckausgleichsöffnungen angeordnet ist, wobei der Ringkanal mit dem Diffusorkanalabschnitt über die Druckausgleichsöffnungen fluidisch verbunden ist. Der Ringkanal ist über einen Verbindungskanal mit einem Druckplenum verbindbar, wodurch ein Fluid aus dem Druckplenum in den Ringkanal strömen kann, damit der Ringkanal mit dem Fluid gespült wird. Ein derartiger Aufbau hat den Vorteil, dass über das als Spülmedium ausgebildete Fluid, welches aus dem Druckplenum in den Ringkanal strömt, um den Ringkanal mit Fluid zu spülen, mögliche Ablagerungen und Rückstände aus Verkokung durch ölhaltige Ansaugluft, welche den Ringkanal und die Druckausgleichsöffnungen verstopfen könnte, aus dem Ringkanal und damit auch aus den Druckausgleichsöffnungen gespült werden.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Druckausgleichsöffnungen aufweisenden, beschaufelten Diffusor derart weiterzubilden, dass dessen Herstellungsaufwand reduziert ist.
Diese Aufgabe wird durch einen Diffusor mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Ein Diffusor gemäß der Erfindung weist einen Strömungskanal, welcher von einer ersten Seitenwand und einer zweiten Seitenwand begrenzt wird, einen Diffusorschaufelkranz mit einer Vielzahl von Diffusorschaufeln, welche zumindest teilweise im Strömungskanal angeordnet sind, wobei jede der Diffusorschaufeln eine Druckseite und eine Saugseite aufweist, eine Vielzahl von Diffusorpassagen, wobei diese Diffusorpassagen zwischen jeweils zwei benachbarten Diffusorschaufeln der Vielzahl von Diffusorschaufeln gebildet sind, Druckausgleichsöffnungen und einen Verbindungskanal auf, welcher mit dem Strömungskanal über die Druckausgleichsöffnungen fluidisch verbunden ist, wobei ein Teil der Vielzahl von Diffusorpassagen Druckausgleichsöffnungen aufweist und der verbleibende Teil der Vielzahl von Diffusorpassagen ohne Druckausgleichsöffnungen ausgebildet ist.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die Druckausgleichsöffnungen aufweisenden Diffusorpassagen lediglich in einem Umfangsbereich des Diffusorschaufelkranzes vorgesehen, in dessen Nähe Instabilitäten auftreten.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die Druckausgleichsöffnungen aufweisenden Diffusorpassagen lediglich im Bereich des spiralzungenseitigen Ausgangs des Diffusorkanals vorgesehen.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist jede der Druckausgleichsöffnungen in einer Diffusorpassage zwischen der Druckseite einer Diffusorschaufel und der Saugseite einer benachbarten Diffusorschaufel angeordnet.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist der Diffusor Druckausgleichsöffnungen auf, die sich über mehrere Diffusorpassagen erstrecken.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die Druckausgleichsöffnungen im Bereich der engsten Stelle der Diffusorpassage oder stromauf davon angeordnet.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die Diffusorschaufeln entlang des Umfangsbereiches des Diffusorschaufelkranzes äquidistant verteilt.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die Diffusorschaufeln entlang des Umfangbereiches des Diffusorschaufelkranzes nicht äquidistant verteilt.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weisen die Druckausgleichsöffnungen unterschiedliche Querschnittsflächen auf.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Anzahl der Druckausgleichsöffnungen aufweisenden Diffusorpassagen kleiner als die Hälfte der Gesamtzahl der Diffusorpassagen.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist der Diffusor Diffusorschaufeln auf, deren Eintrittswinkel sich von den Eintrittswinkeln der weiteren Diffusorschaufeln unterscheiden.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Anzahl der Druckausgleichsöffnungen aufweisenden Diffusorpassagen gleich, kleiner oder größer als die Anzahl der Diffusorschaufeln, deren Eintrittswinkel sich von den Eintrittswinkeln der weiteren Diffusorschaufeln unterscheidet.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weisen alle Diffusorschaufeln dasselbe Profil auf und die Eintrittswinkel der Diffusorschaufeln, deren Eintrittswinkel sich von den Eintrittswinkeln der weiteren Diffusorschaufeln unterscheidet, sind durch ein Verdrehen einer oder beider die jeweilige Diffusorpassage begrenzenden Diffusorschaufeln festgelegt.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die Eintrittswinkel der Diffusorschaufeln, deren Eintrittswinkel sich von den Eintrittswinkeln der weiteren Diffusorschaufeln unterscheidet, durch Diffusorschaufeln mit verändertem Profil festgelegt.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung haben die Seitenwände des Diffusorkanals einen divergenten Verlauf.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der Verbindungskanal als Ringkanal oder als Ringkanalsegment ausgebildet.
Gemäß einer Ausführungsform ist ein Radialverdichter mit einem erfindungsgemäßen Diffusor, einem stromauf des Diffusors angeordneten, Verdichterradschaufeln aufweisenden Verdichterrad und einem stromab des Diffusors angeordneten, einen zungenförmigen Eingangsbereich aufweisenden Spiralgehäuse ausgestattet.
Gemäß einer Ausführungsform ist ein Turbolader mit einem Radialverdichter ausgestattet, der einen erfindungsgemäßen Diffusor aufweist.
Figurenliste
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben, die anhand von Zeichnungen näher erläutert werden. Hierbei zeigen:

1 einen Schnitt entlang der Verdichterachse durch einen Radialverdichter, der einen beschaufelten Diffusor aufweist,
2 eine Skizze zur Veranschaulichung der Verteilung der Diffusorschaufeln entlang des gesamten Umfangsbereiches eines Diffusors,
3 eine Skizze zur Veranschaulichung der Anordnung der Druckausgleichsöffnungen zwischen zwei Diffusorschaufeln eines Diffusors,
4 eine Skizze zur Veranschaulichung des durch die Druckausgleichsöffnungen fließenden Fluidstromes in Abhängigkeit von der Winkelposition der Diffusorpassagen entlang des Umfangs des Diffusorschaufelkranzes in unterschiedlichen Arbeitsbereichen des Diffusors,
5 eine Skizze zur Veranschaulichung einer ersten Ausführungsform der Erfindung,
6 eine Schnittdarstellung zur Veranschaulichung des Aufbaus eines Teilbereiches eines erfindungsgemäßen Diffusors und
7 eine Skizze zur Veranschaulichung einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, die ergänzend oder unabhängig von der ersten Ausführungsform verwendet werden kann.

In der nachfolgenden Beschreibung werden für gleiche und gleich wirkende Teile identische Bezugszeichen verwendet.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die 1 zeigt einen Schnitt entlang der Verdichterachse durch einen Radialverdichter, der einen beschaufelten Diffusor aufweist.
Der dargestellte Radialverdichter umfasst ein auf einer Welle 17 angeordnetes Verdichterrad 18, welches eine Nabe 19 und auf dieser Nabe angeordnete Verdichterradschaufeln 20 umfasst. Dieses Verdichterrad ist in einem Verdichtergehäuse angeordnet, welches in der Regel mehrere Bestandteile umfasst. Dazu gehören ein Spiralgehäuse 21 und ein Eintrittsgehäuse 22. Zwischen dem Verdichter und der in der 1 nicht dargestellten Turbine befindet sich ein Lagergehäuse 24, in welchem die Welle 17 gelagert ist. Der Strömungskanal des Verdichters wird durch das Verdichtergehäuse begrenzt. Im Bereich des Verdichterrades übernimmt die Nabe 19 des Verdichterrades die radial innere Begrenzung, wobei die Verdichterradschaufeln 20 im Strömungskanal angeordnet sind.
In Strömungsrichtung des zu verdichtenden Mediums stromab des Verdichterrades ist der einen Strömungskanal 3 aufweisende Diffusor 2 angeordnet, der zur Verlangsamung der durch das Verdichterrad beschleunigten Strömung dient. Dies erfolgt einerseits durch Diffusorschaufeln 6 eines Diffusorschaufelkranzes, andererseits durch das Spiralgehäuse 21, welches im Übergangsbereich zum Strömungskanal 3 des Diffusors 2 eine Spiralgehäusezunge aufweist. Vom Spiralgehäuse aus wird das verdichtete Medium den Brennkammern einer Brennkraftmaschine zugeführt. Die Diffusorschaufeln 6 sind einseitig oder beidseitig des Strömungskanals 3 mit einer ersten Seitenwand 4 oder einer zweiten Seitenwand 5 verbunden.
Die 2 zeigt eine Skizze zur Veranschaulichung der Verteilung der Diffusorschaufeln entlang des gesamten Umfangsbereiches des Schaufelkranzes eines Diffusors. Es ist ersichtlich, dass beim gezeigten Ausführungsbeispiel entlang des gesamten Umfangsbereiches insgesamt 18 Diffusorschaufeln 6₁ bis 6₁₈ vorgesehen sind. Zwischen jeweils zwei benachbarten Diffusorschaufeln befindet sich jeweils eine Diffusorpassage. Beim gezeigten Ausführungsbeispiel sind insgesamt 18 Diffusorpassagen 13₁ , ..., 13₁₈ vorgesehen. Die gezeigten 18 Diffusorschaufeln sind entlang des gesamten Umfangsbereiches um jeweils 20° voneinander beabstandet und folglich entlang des gesamten Umfangsbereiches äquidistant angeordnet. Jede der Diffusorschaufeln hat eine Druckseite 7 und eine Saugseite 8, wie es in der 2 bei der Diffusorschaufel 6₁₈ angegeben ist. Die Mitte des Diffusorkanals 13₁ befindet sich bei 0°, die Mitte des Diffusorkanals 13₆ bei 100°, die Mitte des Diffusorkanals 13₁₀ bei 180° und die Mitte des Diffusorkanals 13₁₄ bei 260°. In unmittelbarer Nähe des Diffusorkanals 13₁₀ ist die Spiralgehäusezunge 21a des stromab des Diffusors angeordneten Spiralgehäuses 21 angeordnet.
Des Weiteren befindet sich zwischen jeweils zwei benachbarten Diffusorschaufeln eine in der 2 nicht dargestellte Druckausgleichsöffnung. Diese ist zwischen der Saugseite einer Diffusorschaufel und der Druckseite der jeweils benachbarten Diffusorschaufel vorgesehen.
Die in der 2 gezeigten Diffusorschaufeln weisen alle dasselbe Profil auf und haben jeweils einen Schaufeleintrittsbereich und einen Schaufelaustrittsbereich.
Die 3 zeigt eine Skizze zur Veranschaulichung der Anordnung der Durckausgleichsöffnungen zwischen zwei benachbarten Diffusorschaufeln eines Diffusors. In dieser Skizze ist die Diffusorschaufel 6₁ und die dazu benachbarte Diffusorschaufel 6₂ dargestellt. Beide Diffusorschaufeln enthalten eine Druckseite 7 und eine Saugseite 8. Des Weiteren enthalten beide Diffusorschaufeln eine Schaufeleintrittskante 9 und eine Schaufelaustrittskante 10. Die in der 3 dargestellte Druckausgleichsöffnung 11 ist schlitzförmig ausgebildet und erstreckt sich zwischen der Saugseite 8 der Diffusorschaufel 6₁ und der Druckseite 7 der Diffusorschaufel 6₂ . Zwischen den beiden Diffusorschaufeln 6₁ und 6₂ erstreckt sich der Diffusorkanal 13₁ . Die Druckausgleichsöffnung 11 verbindet den Diffusorkanal 13₁ fluidisch mit einem darunter angeordneten, gestrichelt gezeichneten Verbindungskanal, bei dem es sich beim gezeigten Ausführungsbeispiel um einen Ringkanal 15 handelt. Dieser Ringkanal erstreckt sich um den gesamten Umfangsbereich des Diffusorschaufelkranzes und verbindet folglich die Diffusorkanäle 13₁ bis 13₁₈ über die Druckausgleichsöffnungen 11 dieser Diffusorkanäle fluidisch miteinander.
Die 4 zeigt eine Skizze zur Veranschaulichung des durch die Druckausgleichsöffnungen fließenden Fluidstromes in Abhängigkeit von der Winkelposition der Diffusorpassagen entlang des Umfangs des Diffusorschaufelkranzes in unterschiedlichen Betriebszuständen des Diffusors. Dabei ist in der 4 längs der Abszissenachse die Winkelposition WP und längs der Ordinatenachse die Massenflussrate FR des durch die Druckausgleichsöffnungen 11 fließenden Fluidstromes dargestellt, wobei durch den Pfeil FI ein Fluidfluss von den Diffusorpassagen durch die Druckausgleichsöffnungen in den Ringkanal und durch den Pfeil FO ein Fluidfluss aus dem Ringkanal durch die Druckausgleichsöffnungen in die Diffusorpassagen veranschaulicht ist. Die Kurve OP1 zeigt einen in der Nähe der Stopfgrenze liegenden Betriebszustand, die Kurve OP5 einen in der Nähe der Pumpgrenze liegenden Betriebszustand und die Kurven OP2, OP3 und OP4 dazwischenliegende Betriebszustände.
Aus den Verläufen der in der 4 dargestellten Kurven ist ersichtlich, dass in allen Betriebsbereichen, insbesondere auch in der Nähe der Pumpgrenze, der Großteil der durch die Druckausgleichsöffnungen fließenden Fluidstromes in einem vergleichsweise engen Winkelbereich fließt, der beidseits von 180° liegt. Dieser vergleichsweise enge Winkelbereich und die in diesem fließenden Ausgleichsströme sind in der 4 innerhalb der dort gezeichneten Ellipse veranschaulicht.
Dieser vergleichsweise enge Winkelbereich entspricht, wie aus der 2 ersichtlich ist, einem Winkelbereich des Diffusorschaufelkranzes, in dessen Nähe die Spiralgehäusezunge 21a des an den Ausgang des Diffusors angeschlossenen Spiralgehäuses 21 angeordnet ist.
Die Erfinder haben anhand der in der 4 dargestellten Kurven erkannt, dass es ausreichend ist, Druckausgleichsöffnungen nur in den Winkelbereichen vorzusehen, in welchen die vergleichsweise größten Druckausgleichsfluidströme fließen. Dies ist beim gezeigten Ausführungsbeispiel derjenige Winkelbereich, in welchem die Spiralgehäusezunge 21a des stromab des Diffusors angeschlossenen Spiralgehäuses positioniert ist.
Die 5 zeigt eine Skizze zur Veranschaulichung einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Bei dieser Ausführungsform sind wiederum entlang des gesamten Umfangsbereiches insgesamt 18 Diffusorschaufeln 6₁ bis 6₁₈ vorgesehen. Zwischen jeweils zwei benachbarten Diffusorschaufeln befindet sich jeweils eine Diffusorpassage. Folglich sind auch hier insgesamt 18 Diffusorpassagen 13₁ , ..., 13₁₈ vorgesehen. Die 18 Diffusorschaufeln sind entlang des gesamten Umfangsbereiches um jeweils 20° voneinander beabstandet und folglich entlang des gesamten Umfangsbereiches äquidistant angeordnet. Jede der Diffusorschaufeln hat eine Druckseite 7 und eine Saugseite 8, wie es in der 5 bei der Diffusorschaufel 6₁₈ angegeben ist. Die Mitte der Diffusorpassage 13₁ befindet sich bei 0°, die Mitte der Diffusorpassage 13₁₀ bei 180°. In unmittelbarer Nähe der Diffusorpassage 13₁₀ ist die Spiralgehäusezunge 21a des stromab angeordneten Spiralgehäuses 21 positioniert. Alternativ können die Diffusorschaufeln entlang des Umfangsbereiches des Diffusorschaufelkranzes auch nicht äquidistant verteilt sein.
Im Unterschied zu der oben anhand der 2 erläuterten bekannten Anordnung sind Druckausgleichsöffnungen lediglich in einem Umfangsbereich des Diffusorschaufelkranzes vorgesehen, in dessen Nähe die größten Fluidausgleichsströme fließen. Beim gezeigten Ausführungsbeispiel sind insgesamt fünf Druckausgleichsöffnungen 11 vorgesehen. Diese befinden sich innerhalb der Diffusorpassagen 13₇ , 13₈ , 13₉ , 13₁₀ und 13₁₁ . Die weiteren Diffusorpassagen 13₁ bis 13₆ sowie 13₁₂ bis 13₁₈ sind ohne Druckausgleichsöffnungen ausgebildet.
Die in der 5 gezeigten Druckausgleichsöffnungen 11 verbinden die jeweilige Diffusorpassage 13₇ , 13₈ , 13₉ , 13₁₀ sowie 13₁₁ fluidisch mit einem darunter angeordneten, gestrichelt gezeichneten Verbindungskanal, bei dem es sich beim gezeigten Ausführungsbeispiel um ein Ringkanalsegment 16 handelt, das sich nur um einen Teil des gesamten Umfangsbereiches erstreckt. Alternativ dazu kann es sich bei diesem Verbindungskanal auch um einen Ringkanal handeln, der sich entlang des gesamten Umfangsbereiches des Diffusorschaufelkranzes erstreckt.
Beim vorstehend anhand der 5 beschriebenen Ausführungsbeispiel weist der Diffusor insgesamt 18 Diffusorpassagen auf, von denen insgesamt fünf mit Druckausgleichsöffnungen versehen sind. Die restlichen 13 Diffusorpassagen sind ohne Druckausgleichsöffnungen ausgebildet. Bei den Druckausgleichsöffnungen kann es sich um eine oder mehrere kreisförmige, schlitzförmige, schlitzsegmentförmige oder anders geformte Druckausgleichsöffnungen handeln, die sich auch über mehrere Diffusorpassagen erstrecken können. Diese Druckausgleichsöffnungen sind vorzugsweise im Bereich der engsten Stelle der jeweiligen Diffusorpassage oder stromauf davon angeordnet. Alternativ dazu können Druckausgleichsöffnungen auch stromab der engsten Stelle der jeweiligen Diffusorpassage angeordnet sein. Sie können dieselbe Querschnittsfläche oder unterschiedliche Querschnittsflächen aufweisen.
Die gewünschten Ergebnisse können insbesondere erreicht werden, solange die Anzahl der Druckausgleichsöffnungen aufweisenden Diffusorpassagen kleiner ist als die Hälfte der Gesamtzahl der Diffusorpassagen.
In diesen Fällen wird in vorteilhafter Weise erreicht, dass der Herstellungsaufwand des Diffusors und damit auch des gesamten Radialverdichters und auch eines einen erfindungsgemäßen Diffusor aufweisenden Turboladers reduziert ist. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die Produktionszeit reduziert ist und damit auch die Produktionskosten reduziert sind. Denn im Vergleich zu bekannten Diffusoren, die Druckausgleichsöffnungen in allen Diffusorpassagen aufweisen, muss bei der Produktion nur eine geringere Anzahl von Druckausgleichsöffnungen eingebracht werden.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass der Fluidfluss durch die nicht mit Druckausgleichsöffnungen versehenen Diffusorpassagen ungestört und damit verwirbelungsfrei ablaufen kann. Dadurch wird die Effizienz und die Stabilität der Arbeitsweise des Diffusors erhöht.
Die 6 zeigt eine Schnittdarstellung zur Veranschaulichung des Aufbaus eines Teilbereichs eines erfindungsgemäßen Diffusors. In dieser Schnittdarstellung sind insbesondere drei benachbarte Diffussorschaufeln 6, das den Verbindungskanal bildende Ringkanalsegment 16 und eine Druckausgleichsöffnung 11 gezeigt.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung, die auch ohne die oben beschriebene Reduzierung der Anzahl der Druckausgleichsöffnungen angewendet werden kann, besteht darin, Änderungen an den im oben beschriebenen kritischen Bereich angeordneten Diffusorschaufeln vorzunehmen, d.h. an den Diffusorschaufeln, die in der Nähe der Spiralgehäusezunge 21a des stromab des Diffusors angeordneten Spiralgehäuses 21 angeordnet sind.
Diese Änderungen können darin bestehen, dass der Eintrittswinkel der in der Nähe der Spiralgehäusezunge 21a angeordneten Diffusorschaufeln verändert wird. Diese Änderungen können darin bestehen, eine der beiden einander benachbarten Diffusorschaufeln oder beide benachbarten Diffusorschaufeln zu verdrehen. Zum Ausgleich für diese Veränderung des Eintrittswinkels müssen die Eintrittswinkel der weiteren Diffusorschaufeln entsprechend angepasst werden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind Diffusorschaufeln, deren Eintrittswinkel sich von den Eintrittswinkeln der weiteren Diffusorschaufeln unterscheidet, Diffusorschaufeln, zwischen denen Druckausgleichsöffnungen vorliegen.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann die Anzahl der Diffusorschaufeln, deren Eintrittswinkel verändert ist, auch kleiner oder größer als die Anzahl der Diffusorkanäle sein, die Druckausgleichsöffnungen aufweisen.
Die genannten Änderungen an den Diffusorschaufeln können auch darin bestehen, dass die Eintrittswinkel der in der Nähe der Spiralgehäusezunge angeordneten Diffusorschaufeln durch eine Änderung des Profils dieser Diffusorschaufeln verändert werden.
Die 7 zeigt eine Skizze einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, die ergänzend oder unabhängig von der ersten Ausführungsform der Erfindung verwendet werden kann.
Diese weitere Ausführungsform entspricht im Wesentlichen der in der 5 gezeigten Ausführungsform und unterscheidet sich von dieser Ausführungsform dadurch, dass in der Nähe des Bereiches der Spiralgehäusezunge 21a Diffusorschaufeln vorgesehen sind, deren Eintrittswinkel von den Eintrittswinkeln der weiteren Diffusorschaufeln abweicht, insbesondere kleiner ist als die Eintrittswinkel aller weiteren Diffusorkanäle, wobei der Eintrittswinkel zwischen der Tangente an der Schaufelsehne der Eintrittskante und der Umfangsrichtung gemessen wird.
Bei dem in der 7 gezeigten Ausführungsbeispiel handelt es sich dabei um die durch die Diffusorschaufeln 6₁₀ , 6₁₁ und 6₁₂ bestimmten Eintrittswinkel. Als Ausgleich dafür sind alle anderen Eintrittswinkel entsprechend vergrößert, um die Verkleinerung der durch die Diffusorschaufeln 6₁₀ , 6₁₁ und 6₁₂ bestimmten Eintrittswinkel zu kompensieren.
Die Anzahl der Diffusorschaufeln, deren Eintrittswinkel verkleinert ist, kann mit der Anzahl der Diffusorkanäle, in denen Druckausgleichsöffnungen vorgesehen sind, übereinstimmen oder größer oder kleiner sein als die Anzahl der Druckausgleichsöffnungen aufweisenden Diffusorkanäle. Die Druckausgleichsöffnungen einer Diffusorpassage können entweder in einer Seitenwand oder in beiden Seitenwänden 4 und/oder 5 des Diffusors oder in einer Diffusorschaufel der Diffusorpassage vorgesehen sein.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung haben die Seitenwände 4, 5 des Strömungskanals 3 in Strömungsrichtung einen divergenten Verlauf.
Bezugszeichenliste

1: Radialverdichter
2: Diffusor
3: Strömungskanal
4: Erste Seitenwand des Diffusors
5: Zweite Seitenwand des Diffusors
6: Diffusorschaufel
6₁,...,6₁₈: Diffusorschaufeln
7: Druckseite der Diffusorschaufel
8: Saugseite der Diffusorschaufel
9: Schaufeleintrittskante
10: Schaufelaustrittskante
11: Druckausgleichsöffnung
13: Diffusorpassage
13₁,...,13₁₈: Diffusorpassagen
15: Ringkanal
16: Ringkanalsegment
17: Welle
18: Verdichterrad
19: Nabe
20: Verdichterradschaufel
21: Spiralgehäuse
21a: Spiralgehäusezunge
22: Eintrittsgehäuse
23: Spiralgehäuseseitiger Ausgang des Diffusorkanals
24: Lagergehäuse

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102008044505 [0003]
US 4131389 [0003]
WO 2012/116880 A1 [0005]
WO 2016/102594 [0007]

Claims

Diffusor (2) für einen Radialverdichter (1), mit - einem Strömungskanal (3), welcher von einer ersten Seitenwand (4) und einer zweiten Seitenwand (5) begrenzt wird, - einem Diffusorschaufelkranz mit einer Vielzahl von Diffusorschaufeln (6), welche zumindest teilweise im Strömungskanal angeordnet sind, wobei jede der Diffusorschaufeln eine Druckseite (7) und eine Saugseite (8) aufweist, - einer Vielzahl von Diffusorpassagen (13), wobei diese Diffusorpassagen zwischen jeweils zwei benachbarten Diffusorschaufeln der Vielzahl von Diffusorschaufeln gebildet sind, - Druckausgleichsöffnungen (11) und - einem Verbindungskanal (15,16), welcher mit dem Strömungskanal über die Druckausgleichsöffnungen fluidisch verbunden ist, wobei - ein Teil der Vielzahl der Diffusorpassagen Druckausgleichsöffnungen aufweist und der verbleibende Teil der Vielzahl der Diffusorpassagen ohne Druckausgleichsöffnungen ausgebildet ist.
Diffusor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckausgleichsöffnungen aufweisenden Diffusorpassagen lediglich in einem Umfangsbereich des Diffusorschaufelkranzes vorgesehen sind, in dessen Nähe Instabilitäten auftreten.
Diffusor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckausgleichsöffnungen aufweisenden Diffusorpassagen lediglich in der Nähe eines spiralzungenseitigen Ausgangs des Strömungskanals angeordnet sind.
Diffusor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jede der Druckausgleichsöffnungen in einer Diffusorpassage zwischen der Druckseite einer Diffusorschaufel und der Saugseite einer benachbarten Diffusorschaufel angeordnet ist.
Diffusor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er Druckausgleichsöffnungen aufweist, die sich über mehrere Diffusorpassagen erstrecken.
Diffusor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckausgleichsöffnungen im Bereich der engsten Stelle der Diffusorpassage oder stromauf davon angeordnet sind.
Diffusor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckausgleichsöffnungen unterschiedliche Querschnittsflächen aufweisen.
Diffusor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Diffusorschaufeln entlang des Umfangsbereiches des Diffusorschaufelkranzes äquidistant oder nicht äquidistant verteilt sind.
Diffusor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Druckausgleichsöffnungen aufweisenden Diffusorpassagen kleiner ist als die Hälfte der Gesamtzahl der Diffusorpassagen.
Diffusor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er Diffusorschaufeln aufweist, deren Eintrittswinkel sich von den Eintrittswinkeln der weiteren Diffusorschaufeln unterscheiden.
Diffusor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Druckausgleichsöffnungen aufweisenden Diffusorpassagen gleich, kleiner oder größer ist als die Anzahl der Diffusorschaufeln, deren Eintrittswinkel sich von den Eintrittswinkeln der weiteren Diffusorschaufeln unterscheidet.
Diffusor nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass alle Diffusorschaufeln dasselbe Profil aufweisen und dass die Eintrittswinkel der Diffusorschaufeln, deren Eintrittswinkel sich von den Eintrittswinkeln der weiteren Diffusorschaufeln unterscheidet, durch ein Verdrehen eines oder beider eine jeweilige Diffusorpassage begrenzenden Diffusorschaufeln festgelegt sind.
Diffusor nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Eintrittswinkel der Diffusorschaufeln, deren Eintrittswinkel sich von den Eintrittswinkeln der weiteren Diffusorschaufeln unterscheidet, durch Diffusorschaufeln mit verändertem Profil festgelegt sind.
Diffusor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Seitenwände (4, 5) des Strömungskanals (3) in Strömungsrichtung einen divergenten Verlauf haben.
Diffusor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbindungskanal als Ringkanal (15) oder als Ringkanalsegment (16) ausgebildet ist.
Radialverdichter mit einem Diffusor nach einem der Ansprüche 1 bis 15, einem stromauf des Diffusors angeordneten, Verdichterradschaufeln aufweisenden Verdichterrad und einer stromab des Diffusors angeordneten, einen zungenförmigen Eingangsbereich aufweisenden Spiralgehäuse.
Turbolader mit einem Radialverdichter nach Anspruch 16.