DE102017127421A1

DE102017127421A1 - Radialverdichter

Info

Publication number: DE102017127421A1
Application number: DE102017127421.9A
Authority: DE
Inventors: Hannes Benetschik; Christoph Heinz
Original assignee: MAN Energy Solutions SE
Current assignee: MAN Energy Solutions SE
Priority date: 2017-11-21
Filing date: 2017-11-21
Publication date: 2019-05-23
Also published as: JP2019094897A; CN109812453A; KR20190058324A; CH714389B1; CH714389A2; US20190154041A1

Abstract

Radialverdichter (10), insbesondere Radialverdichter eines Abgasturboladers, mit einem Laufrad (11); mit einem feststehenden Gehäuse (13); mit einem vom Gehäuse (13) definierten Hauptströmungskanal (14) zum Zuführen eines zu verdichtenden Mediums in Richtung auf das Laufrad (11); und mit einer radial außerhalb des Hauptströmungskanals (14) angeordneten Sekundärströmungskammer (15), welche durch eine Konturwand (16) vom Hauptströmungskanal (14) abgegrenzt ist und welche mit dem Hauptströmungskanal über eine Sekundärströmungsöffnung (18) im Bereich des Laufrads (11) mit dem Hauptströmungskanal (14) verbunden ist. Im Meridianschnitt gesehen ist die Sekundärströmungsöffnung (18), über welche die Sekundärströmungskammer (15) im Bereich des Laufrads (11) mit dem Hauptströmungskanal (14) verbunden ist, gegenüber einer Radialrichtung schräggestellt oder geneigt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Radialverdichter gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Aus der EP 2 194 277 A1 ist ein Radialverdichter eines Abgasturboladers gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt. So zeigt die EP 2 194 272 A1 einen Radialverdichter mit einem rotierenden Laufrad und einem feststehenden Gehäuse. Das Gehäuse definiert einen Hauptströmungskanal, um zu verdichtendes Medium in Richtung auf das Laufrad zu führen. Außerhalb des Hauptströmungskanals ist eine Sekundärströmungskammer angeordnet, welche durch eine Konturwand von dem Hauptströmungskanal abgegrenzt ist. Nach der EP 2 194 277 A1 erstreckt sich die Sekundärströmungskammer ausgehend von einem Ansaugbereich des Hauptströmungskanals bis zu einer Sekundärströmungsöffnung im Bereich des Laufrads. Im Bereich des Laufrads ist die Sekundärströmungskammer über die Sekundärströmungsöffnung mit dem Hauptströmungskanal verbunden. Innerhalb der Sekundärströmungskammer verlaufen Streben, welche die Konturwand, die den Hauptströmungskanal von der Sekundärströmungskammer abgrenzt, mit dem Gehäuse verbinden. Nach der EP 2 194 272 A1 erstreckt sich die Sekundärströmungsöffnung, über welche die Sekundärströmungskammer im Bereich des Laufrads mit dem Hauptströmungskanal verbunden ist, im Meridianschnitt gesehen in Radialrichtung.
Über eine solche Sekundärströmungskammer, die mit dem Hauptströmungskanal verbunden ist, lässt sich bereits die Kennfeldstabilität und damit das Betriebsverhalten eines Radialverdichters in gewissem Umfang verbessern.
Mit zunehmender Drosselung des Radialverdichters erfährt das im Verdichter zu verdichtende Arbeitsmedium bereits im Eintrittsbereich des Laufrads einen hinreichenden Druckaufbau, sodass das Arbeitsmedium über die Sekundärströmungskammer entgegengesetzt zur Strömungsrichtung im Hauptströmungskanal rezirkuliert, wobei auf diese Weise in einem Rezirkulations-Modus die aerodynamische Stabilität bei reduzierten Fördermengen des Verdichters erzielt werden kann.
Liegen hohe Anforderungen an den Durchsatz des Radialverdichters vor, so entsteht im Eintrittsbereich des Laufrads ein Druckgefälle, welches zur Folge hat, dass das Arbeitsmedium über die Sekundärströmungskammer in einer Richtung strömt, die sich in Strömungsrichtung durch den Hauptströmungskanal ersetzt, sodass dann die Sekundärströmungskammer nicht in dem Rezirkulations-Modus, sondern in einem Bypass-Modus durchströmt wird. Damit lassen sich dann hohe Fördermengen des Radialverdichters realisieren.
Es besteht Bedarf daran, die Kennfeldstabilität eines Radialverdichters weiter zu verbessern. Insbesondere besteht Bedarf daran, den stabilen Arbeitsbereich in Richtung auf weiter reduzierte Fördermengen sowie das Schluckvermögen des Radialverdichters zu erhöhen.
Hievon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, einen neuartigen Radialverdichter zu schaffen. Diese Aufgabe wird durch einen Radialverdichter gemäß Anspruch 1 gelöst. Erfindungsgemäß ist im Meridianschnitt gesehen die Sekundärströmungsöffnung, über welche die Sekundärströmungskammer im Bereich des Laufrads mit dem Hauptströmungskanal verbunden ist, gegenüber einer Radialrichtung schräggestellt oder geneigt. Mit diesen Maßnahmen kann die Stabilität des Arbeitsbereichs des Radialverdichters weiter verbessert werden. Insbesondere kann der Arbeitsbereich hinsichtlich weiter reduzierter Fördermengen sowie hinsichtlich des Schluckvermögens erhöht werden.
Nach einer vorteilhaften Weiterbildung schließt im Meridianschnitt gesehen die Sekundärströmungsöffnung, über welche die Sekundärströmungskammer im Bereich des Laufrads mit dem Hauptströmungskanal verbunden ist, mit der Radialrichtung einen Winkel zwischen 10° und 80°, bevorzugt einen Winkel zwischen 10° und 70°, besonders bevorzugt einen Winkel zwischen 20° und 70°, höchst bevorzugt einen Winkel zwischen 20° und 60°, ein. Mit diesen Winkelbereichen, in welchen die Sekundärströmungsöffnung im Meridianschnitt gesehen gegenüber der Radialrichtung geneigt ist, kann der stabile Arbeitsbereich des Radialverdichters besonders bevorzugt erweitert werden, insbesondere zur Bereitstellung weiter reduzierter Fördermengen sowie zur Erweiterung des Schluckvermögens.
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: einen schematisierten Meridianschnitt durch einen erfindungsgemäßen Radialverdichter.

1 zeigt einen ausschnittsweisen Querschnitt durch ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Radialverdichters 10.
Ein Radialverdichter 10 verfügt über ein rotierendes Laufrad 11 mit mehreren Laufschaufeln 12. Ferner verfügt ein Radialverdichter 10 über ein feststehendes Gehäuse 13. Das Gehäuse 13 des Radialverdichters 10 definiert einen Hauptströmungskanal 14 für zu verdichtendes Medium, um über den Hauptströmungskanal 14 das zu verdichtende Medium in Richtung auf das Laufrad 11 zu führen. Außerhalb des Hauptströmungskanals 14 definiert das Gehäuse 13 eine Sekundärströmungskammer 15. Eine Konturwand 16, die auch als Ringsteg bezeichnet wird, begrenzt den Hauptströmungskanal 14 von der Sekundärströmungskammer 15 ab.
Die Sekundärströmungskammer 15 erstreckt sich von einem Abschnitt stromaufwärts des Laufrads 11 bis in den Bereich des Laufrads 11 hinein. So zeigt 1, dass stromaufwärts des Laufrads 11 eine erste Sekundärströmungsöffnung 17 ausgebildet ist, über die die Sekundärströmungskammer 15 in Strömungsrichtung des zur verdichtenden Mediums gesehen stromaufwärts des Laufrads 11 mit dem Hauptströmungskanal 14 verbunden ist. Eine zweite Sekundärströmungsöffnung 18 ist im Bereich des Laufrads 11 ausgebildet, über welche die Sekundärströmungskammer 15 im Bereich des Laufrads 11 mit dem Hauptströmungskanal 14 verbunden ist.
Innerhalb der Sekundärströmungskammer 15 erstrecken sich Streben 19. Über die Streben 19 ist die Konturwand 16 mit dem Gehäuse 13 verbunden.
Diejenige Sekundärströmungsöffnung 18, über welche die Sekundärströmungskammer 15 im Bereich des Laufrads 11 mit dem Hauptströmungskanal 14 verbunden ist, ist erfindungsgemäß im Meridianschnitt gesehen gegenüber einer Radialrichtung R schräg gestellt.
Im Meridianschnitt gesehen schließt dabei die Sekundärströmungsöffnung 18, über welche die Sekundärströmungskammer 15 im Bereich des Laufrads 11 mit dem Hauptströmungskanal 14 verbunden sind, mit der Radialrichtung R einen Winkel α ein. Dieser Winkel α liegt zwischen 10° und 80°, bevorzugt zwischen 10° und 70°, besonders bevorzugt zwischen 20° und 70°, höchst bevorzugt zwischen 20° und 60°.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung beträgt der Winkel α 25° ± 15°, vorzugsweise 25° ± 10°, vorzugsweise 25° ± 5°.
Durch die erfindungsgemäße Ausführung der Sekundärströmungsöffnung 18, über welche die Sekundärströmungskammer 15 im Bereich des Laufrads mit dem Hauptströmungskanal 15 verbunden ist, können folgende Vorteile erzielt werden.
Bei Annäherung an die Pumpgrenze des Radialverdichters wird eine Rezirkulation des im Radialverdichter zu verdichtenden Mediums im Bereich der Sekundärströmungskammer 15 begünstigt. In 1 visualisiert ein Pfeil I die Rezirkulation des Arbeitsmediums durch die Sekundärströmungskammer 15, und zwar ausgehend von der Sekundärströmungsöffnung 18 im Bereich des Laufrads 11 in Richtung auf die Sekundärströmungsöffnung 17 stromaufwärts des Laufrads 11 entgegengesetzt zur Strömungsrichtung der Hauptströmung, die in 1 durch den Pfeil III visualisiert ist.
Bei Annäherung an die Schluckgrenze bzw. Sperrgrenze des Radialverdichters wird eine Bypass-Strömung durch die Sekundärströmungskammer 15 begünstigt, wobei eine solche Bypass-Strömung in 1 durch den Pfeil II visualisiert ist. Diese Bypass-Strömung II dient der Bereitstellung hoher Fördermengen im Bereich der Sperrgrenze bzw. Schluckgrenze und ist ausgehend von der Sekundärströmungsöffnung 17 stromaufwärts des Laufrads 11 in Richtung auf die Sekundärströmungsöffnung 18 im Bereich des Laufrads 11 gerichtet. Diese Bypass-Strömung II kann nahezu ohne Drosselungseffekte der Hauptströmung zugeführt werden. Es kann demnach nicht nur die Pumpgrenze, sondern auch die Schluckgrenze bzw. Sperrgrenze erweitert werden.
Dadurch kann letztendlich der Arbeitsbereich des Radialverdichters erheblich erweitert werden. Bei einem Turbolader, welcher den erfindungsgemäßen Radialverdichter nutzt, kann der Wirkungsgrad gesteigert werden. Ferner kann ein schnelleres Ansprechverhalten bei Lastaufschaltung realisiert werden.
Übergangskonturen der Sekundärströmungsöffnung 18 im Bereich des Laufrads 11 zum Gehäuse 13 sowie zur Konturwand 16 können scharfkantig oder auch abgerundet ausgeführt sein.
Die Sekundärströmungsöffnung 18 ist vorzugsweise als ein in Umfangsrichtung umlaufende Schlitz ausgeführt.
Bezugszeichenliste

10: Radialverdichter
11: Laufrad
12: Laufschaufel
13: Gehäuse
14: Hauptströmungskanal
15: Sekundärströmungskammer
16: Konturwand
17: Sekundärströmungsöffnung
18: Sekundärströmungsöffnung
19: Strebe

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 2194277 A1 [0002]
EP 2194272 A1 [0002]

Claims

Radialverdichter (10), insbesondere Radialverdichter eines Abgasturboladers, mit einem rotierenden Laufrad (11); mit einem feststehenden Gehäuse (13); mit einem vom Gehäuse (13) definierten Hauptströmungskanal (14) zum Zuführen eines zu verdichtenden Mediums in Richtung auf das Laufrad (11); mit einer radial außerhalb des Hauptströmungskanals (14) angeordneten Sekundärströmungskammer (15), welche durch eine Konturwand (16) vom Hauptströmungskanal (14) abgegrenzt ist und welche mit dem Hauptströmungskanal über eine Sekundärströmungsöffnung (18) im Bereich des Laufrads (11) mit dem Hauptströmungskanal (14) verbunden ist; dadurch gekennzeichnet, dass im Meridianschnitt gesehen die Sekundärströmungsöffnung (18), über welche die Sekundärströmungskammer (15) im Bereich des Laufrads (11) mit dem Hauptströmungskanal (14) verbunden ist, gegenüber einer Radialrichtung schräggestellt oder geneigt ist.
Radialverdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Meridianschnitt gesehen die Sekundärströmungsöffnung (18), über welche die Sekundärströmungskammer (15) im Bereich des Laufrads (11) mit dem Hauptströmungskanal (14) verbunden ist, mit der Radialrichtung einen Winkel zwischen 10° und 80° einschließt.
Radialverdichter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Meridianschnitt gesehen die Sekundärströmungsöffnung (18) mit der Radialrichtung einen Winkel zwischen 10° und 70° einschließt.
Radialverdichter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Meridianschnitt gesehen die Sekundärströmungsöffnung (18) mit der Radialrichtung einen Winkel zwischen 20° und 70° einschließt.
Radialverdichter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass im Meridianschnitt gesehen die Sekundärströmungsöffnung (18) mit der Radialrichtung einen Winkel zwischen 20° und 60° einschließt.
Radialverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundärströmungskammer (15) mit dem Hauptströmungskanal (14) in Strömungsrichtung des zur verdichtenden Mediums gesehen stromaufwärts des Laufrads (11) über eine weitere Sekundärströmungsöffnung (17) mit dem Hauptströmungskanal (14) verbunden ist.