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Die Erfindung betrifft einen Radialverdichter mit einem Verdichterrad, das in einem Verdichtergehäuse mit einer Verdichtervolute und einem Diffusor mit einer Diffusorgeometrie drehbar ist, die einen Pinchbereich aufweist.
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Stand der Technik
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Aus der deutschen Offenlegungsschrift
DE 10 2008 024 115 A1 ist ein Abgasturbolader mit einem Verdichterrad und einem das Verdichterrad umgebenden Diffusor bekannt, wobei an Pinchflächen und Diffusorinnenflächen eine Mikrostruktur vorgesehen ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen Radialverdichter mit einem Verdichterrad, das in einem Verdichtergehäuse mit einer Verdichtervolute und einem Diffusor mit einer Diffusorgeometrie drehbar ist, die einen Pinchbereich aufweist, funktionell, insbesondere im Hinblick auf einen Wirkungsgrad im Betrieb des Radialverdichters, zu verbessern.
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Die Aufgabe ist bei einem Radialverdichter mit einem Verdichterrad, das in einem Verdichtergehäuse mit einer Verdichtervolute und einem Diffusor mit einer Diffusorgeometrie drehbar ist, die einen Pinchbereich aufweist, dadurch gelöst, dass die Diffusorgeometrie radial außerhalb des Pinchbereichs einen Divergenzbereich aufweist, in welchem eine axiale Breite des Diffusors radial nach außen zunimmt. Die Begriffe axial und radial beziehen sich auf eine Drehachse des Verdichterrads im Betrieb des Radialverdichters. Axial bedeutet in Richtung oder parallel zu der Drehachse. Radial bedeutet quer zu der Drehachse. Der Diffusor hat die Gestalt eines Ringraums, der axial von Begrenzungsflächen begrenzt wird. Im einfachsten Fall hat der Diffusor parallel verlaufende Begrenzungsflächen. Eine gewünschte Verzögerung der Strömung durch den Diffusor ergibt sich dann durch Vergrößerung des Strömungsquerschnitts mit zunehmendem Radius. In dem Pinchbereich konvergieren die Begrenzungsflächen. Der Begriff Pinch kommt aus dem Englischen und bedeutet im Deutschen Klemmen, Einzwängen, Einschnüren. Durch die in dem Pinchbereich konvergierenden Begrenzungsflächen wird die Strömungsfläche konstant gehalten, so dass die Verzögerung der Strömung stromabwärts einsetzt. Der Pinchbereich dient der Stabilisierung der Strömung. Das Verdichterrad des Radialverdichters wird vorzugsweise elektrisch angetrieben. Das Verdichterrad kann zusätzlich mit einem Turbinenrad gekoppelt sein. Dann wird der Radialverdichter auch als Turboverdichter bezeichnet. Der vorzugsweise elektrisch angetriebene Radialverdichter oder Turboverdichter wird in einem Brennstoffzellensystem zur Luftversorgung verwendet. Das Verdichterrad ist auf einer rotierenden Welle angebracht, die durch einen Elektromotor angetrieben ist. Über den Radialverdichter wird ein im Betrieb des Brennstoffzellensystems benötigter Luftmassenstrom in Richtung mindestens einer Brennstoffzelle gefördert. Bei einem herkömmlichen Diffusor sind die Begrenzungsflächen, abgesehen von dem Pinchbereich, parallel angeordnet. Eine Querschnittsaufweitung ergibt sich in dem Diffusor über den wachsenden Radius. Mit dem radial außerhalb des Pinchbereichs angeordneten Divergenzbereich kann die Diffusorgeometrie strömungstechnisch so optimiert werden, dass sich eine deutliche Steigerung eines mit dem Radialverdichter aufgebauten Drucks ergibt. Dadurch wiederum kann der Verdichterwirkungsgrad signifikant erhöht werden.
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Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Radialverdichters ist dadurch gekennzeichnet, dass sich der Pinchbereich in radialer Richtung von einem Radaustrittsdurchmesser bis zu einem Pinchdurchmessser erstreckt, wobei ein Verhältnis zwischen dem Pinchdurchmesser und dem Radaustrittsdurchmesser zwischen 1,05 und 1,15 beträgt. Der Radaustrittsdurchmesser, der auch als Verdichterradaustrittsmesser bezeichnet werden kann, entspricht einem Diffusoreintrittsdurchmesser. Der Pinchbereich ist deutlich kleiner als der Divergenzbereich. Das bedeutet unter anderem, dass der Divergenzbereich mehr als mindestens doppelt so groß wie der Pinchbereich ist. Das beanspruchte Verhältnis hat sich bei aerodynamischen Vermessungen am Prüfstand sowie bei Untersuchungen in einer Simulation als positiv hinsichtlich des Druckaufbaus und des Wirkungsgrads erwiesen.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Radialverdichters ist dadurch gekennzeichnet, dass sich der Divergenzbereich in radialer Richtung vom Pinchdurchmesser bis zu einem Divergenzdurchmesser erstreckt, wobei ein Verhältnis zwischen einem Diffusoraustrittsdurchmesser und dem Divergenzdurchmesser zwischen 1,07 und 1,1 beträgt. Der Pinchbereich erstreckt sich in radialer Richtung vom Radaustrittsdurchmesser bis zum Pinchdurchmesser. Der Divergenzbereich erstreckt sich in radialer Richtung vom Pinchdurchmesser bis zum Divergenzdurchmesser. Im Pinchbereich verringert sich die axiale Breite des Diffusors radial nach außen. Im Divergenzbereich vergrößert sich die axiale Breite des Diffusors radial nach außen. Das beanspruchte Verhältnis hat sich bei aerodynamischen Vermessungen am Prüfstand sowie bei Untersuchungen in einer Simulation als positiv hinsichtlich des Druckaufbaus und des Wirkungsgrads erwiesen.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Radialverdichters ist dadurch gekennzeichnet, dass die Diffusorgeometrie radial außerhalb des Divergenzbereichs einen Konstanzbereich aufweist, der sich in radialer Richtung vom Divergenzdurchmesser bis zu dem Diffusoraustrittsdurchmesser erstreckt und in welchem eine axiale Breite des Diffusors radial nach außen konstant ist. In dem Konstanzbereich ändert sich die axiale Breite des Diffusors radial nach außen, anders als im Pinchbereich und im Divergenzbereich, nicht. Der Konstanzbereich ist in radialer Richtung vorzugsweise größer als der Pinchbereich, aber kleiner als der Divergenzbereich. Durch die speziell geformte Diffusorgeometrie, die, bezogen auf die axiale Breite, zunächst konvergent, dann divergent und schließlich konstant ausgeführt ist, wird erreicht, dass die Strömung den Diffusor mit einer geringeren Strömungsgeschwindigkeit verlässt. Das führt dazu, dass der statische Druck am Austritt des Diffusors höher als bei einem Standarddiffusor ist, weil die Strömung durch den Diffusor stärker verzögert wird. Durch die geringere Strömungsgeschwindigkeit am Eintritt zur Volute sind dort entstehende Verluste geringer. Ein Totalverlust in der Volute ist somit bei Verwendung des optimierten Diffusors geringer als bei einem Standarddiffusor.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Radialverdichters ist dadurch gekennzeichnet, dass ein Verhältnis zwischen dem Diffusoraustrittsdurchmesser und dem Radaustrittsdurchmesser zwischen 1,45 und 1,80 beträgt. Das beanspruchte Verhältnis hat sich bei aerodynamischen Vermessungen am Prüfstand sowie bei Untersuchungen in einer Simulation als positiv hinsichtlich des Druckaufbaus und des Wirkungsgrads erwiesen.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Radialverdichters ist dadurch gekennzeichnet, dass die Diffusorgeometrie am Pinchdurchmesser eine Pinchbreite aufweist, deren Verhältnis zu einer Radaustrittsbreite am Radaustrittsdurchmesser 0,85 bis 0,9 beträgt. Das beanspruchte Verhältnis hat sich bei aerodynamischen Vermessungen am Prüfstand sowie bei Untersuchungen in einer Simulation als positiv hinsichtlich des Druckaufbaus und des Wirkungsgrads erwiesen.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Radialverdichters ist dadurch gekennzeichnet, dass die Diffusorgeometrie am Diffusoraustrittsdurchmesser eine Diffusoraustrittsbreite aufweist, deren Verhältnis zur Radaustrittsbereite am Radaustrittsdurchmesser 1,0 bis 1,25 beträgt. Das beanspruchte Verhältnis hat sich bei aerodynamischen Vermessungen am Prüfstand sowie bei Untersuchungen in einer Simulation als positiv hinsichtlich des Druckaufbaus und des Wirkungsgrads erwiesen.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Radialverdichters ist dadurch gekennzeichnet, dass Begrenzungsflächen der Diffusorgeometrie, im Längsschnitt durch den Radialverdichter betrachtet, kontinuierlich verlaufen. Kontinuierlich bedeutet in diesem Zusammenhang, dass die Begrenzungsflächen der Diffusorgeometrie, im Längsschnitt durch den Radialverdichter betrachtet, keine Kanten entlang einer Strömung durch den Diffusor aufweisen. Das hat sich im Hinblick auf den gewünschten Druckaufbau und die Wirkungsgradverbesserung als vorteilhaft erwiesen.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Radialverdichters ist dadurch gekennzeichnet, dass Begrenzungsflächen der Diffusorgeometrie, im Längsschnitt durch den Radialverdichter betrachtet, in dem Divergenzbereich gerade verlaufen. Dabei verläuft eine Begrenzungsfläche zum Beispiel in radialer Richtung, während die andere Begrenzungsfläche leicht schräg zu der erstgenannten Begrenzungsfläche verläuft. Daraus ergibt sich die gewünschte Erweiterung des Diffusors in dem Divergenzbereich.
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Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verdichtergehäuse, insbesondere einen Diffusor, für einen vorab beschriebenen Radialverdichter. Das Verdichtergehäuse, insbesondere der Diffusor, ist gegebenenfalls separat handelbar.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung verschiedene Ausführungsbeispiele im Einzelnen beschrieben sind.
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Figurenliste
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Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines Radialverdichters im Halbschnitt;
- 2 eine stark vereinfachte Darstellung eines Diffusors des Radialverdichters mit einer herkömmlichen Diffusorgeometrie;
- 3 eine ähnliche Darstellung wie in 2 mit einer erfindungsgemäßen Diffusorgeometrie;
- 4 ein kartesisches Koordinatendiagramm zum Druckaufbau in dem Radialverdichter im Vergleich einer Standardgeometrie mit einer optimierten Diffusorgeometrie;
- 5 eine vergrößerte Darstellung einer Einzelheit V aus 4; und
- 6 ein kartesisches Koordinatendiagramm zum Vergleich von Verdichterwirkungsgraden mit einer Standardgeometrie und einer optimierten Diffusorgeometrie bei unterschiedlichen Drehzahlen.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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In 1 ist ein Radialverdichter 1 mit einem Verdichterrad 2 schematisch dargestellt. Das Verdichterrad 2 ist, zum Beispiel durch einen Elektromotor, um eine Drehachse 6 drehbar in einem Verdichtergehäuse 3 angetrieben.
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Das Verdichtergehäuse 3 umfasst eine Verdichtervolute 4. Zwischen dem Verdichterrad 2 und der Verdichtervolute 4 umfasst das Verdichtergehäuse 3 einen Diffusor 5.
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In 2 ist eine Diffusorgeometrie 7 eines herkömmlichen Diffusors stark vereinfacht dargestellt. Begrenzungsflächen 8, 9 sind bei einer herkömmlichen Diffusorgeometrie 7 parallel zueinander angeordnet.
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Nur in einem Pinchbereich 10 an einem Radaustrittsbereich des Verdichterrads verlaufen die Begrenzungsflächen 8, 9 konvergent. Durch die konvergierenden Begrenzungsflächen 8, 9 in dem Pinchbereich 10 soll die Strömung vom Verdichterrad in den Diffusor stabilisiert werden.
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In 3 ist eine optimierte Diffusorgeometrie 7 mit Begrenzungsflächen 8, 9 in ähnlicher Art und Weise wie in 2 dargestellt. Zur Bezeichnung gleicher oder ähnlicher Teile werden die gleichen Bezugszeichen verwendet.
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Durch radiale Pfeile, die quer zur Drehachse 6 verlaufen, sind verschiedene Durchmesser angedeutet. Durch axial angeordnete Doppelpfeile sind verschiedene axiale Breiten der Diffusorgeometrie 7 angedeutet.
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An einem Radeintrittsdurchmesser 11 tritt zu verdichtende Luft in das Verdichterrad ein. An einem Radaustrittsdurchmesser 12 tritt die zu verdichtende beziehungsweise zum Teil schon verdichtete Luft aus und in den Diffusor mit der Diffusorgeometrie 7 ein. Daher kann der Radaustrittsdurchmesser 12 auch als Diffusoreintrittsdurchmesser bezeichnet werden.
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Ein Pinchbereich 10 erstreckt sich vom Radaustrittsdurchmesser 12 bis zu einem Pinchdurchmesser 13. Ausgehend vom Radaustrittsdurchmesser 12 wird zunächst die axiale Breite von einer Radaustrittsbreite 18 in dem Pinchbereich 10 auf eine Pinchbreite 19 verringert.
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Anschließend wird die axiale Breite der Diffusorgeometrie 7 zwischen den Begrenzungsflächen 8, 9 ausgehend von dem Pinchdurchmesser 13 in einem Divergenzbereich 16 bis zu einem Divergenzdurchmesser 14 vergrößert. Vom Divergenzdurchmesser 14 bleibt die axiale Breite in einem Konstanzbereich 17 bis zu einem Diffusoraustrittsdurchmesser 15 konstant. Diese konstante axiale Breite wird auch als Diffusoraustrittsbreite 20 bezeichnet.
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Im Verdichterrad wird die Strömung beschleunigt. Dabei wird Totaldruck aufgebaut. Darüber hinaus wird bereits im Verdichterrad statischer Druck aufgebaut. In den nachfolgenden Komponenten Diffusor und Verdichtervolute wird kinetische Energie der Strömung in statischen Druck umgewandelt, wobei sich die Strömungsgeschwindigkeit sukzessive verringert.
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In den Teilkomponenten Diffusor und Verdichtervolute findet außerdem ein Abbau von Totaldruck statt. Dies ist durch Strömungsverluste unvermeidlich. Mit dem aufgebauten Druck nach der Verdichtervolute verlässt die Strömung den Verdichter.
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In 4 ist die vorab beschriebene Arbeitsweise des Verdichters beispielhaft für einen Arbeitspunkt in einem kartesischen Koordinatendiagramm mit einer x-Achse und einer y-Achse dargestellt. Das Diagramm in 4 sowie alle weiteren Diagramme basieren auf Simulationsdaten.
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Auf der y-Achse in 4 ist der Druck in einer geeigneten Druckeinheit aufgetragen. Auf der x-Achse in 4 sind vier Punkte 41 bis 44 in dem Verdichter aufgetragen. Der Punkt 41 entspricht vor dem Verdichterrad. Der Punkte 42 entspricht nach dem Verdichterrad oder vor dem Diffusor. Der Punkt 43 entspricht nach dem Diffusor oder vor der Volute. Der Punkt 44 entspricht nach der Volute.
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Mit 21 ist der Totaldruckverlauf bei einem Standarddiffusor bezeichnet. Mit 22 ist der Totaldruckverlauf bei dem optimierten Diffusor bezeichnet. Mit 23 ist der statische Druckverlauf bei einem Standarddiffusor bezeichnet. Mit 24 ist der statische Druckverlauf bei dem optimierten Diffusor bezeichnet.
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In 5 ist ein Ausschnitt V aus 4 vergrößert dargestellt. Bei 25 sieht man, dass der Standardverdichter einen höheren Druckverlust in der Volute aufweist. Bei 26 sieht man, dass der optimierte Diffusor zu einem geringeren Druckverlust in der Volute führt.
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Der wesentliche Vorteil ist, dass durch die speziell geformte Diffusorgeometrie 7, die zunächst konvergent und dann divergent ausgeführt ist, die Strömung den Diffusor mit einer geringeren Strömungsgeschwindigkeit verlässt. Das heißt, der statische Druck am Diffusoraustritt ist höher als bei einem Standarddiffusor, weil die Strömung stärker verzögert wird.
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Durch die geringere Strömungsgeschwindigkeit am Eintritt zur Volute sind die dort vorhandenen Verluste geringer. Der Totaldruckverlust in der Volute ist somit bei Verwendung des optimierten Diffusors geringer als bei einem Standarddiffusor.
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Der Totaldruckverlust im Diffusor der optimierten Variante ist zwar aufgrund der Größe und Strömungsverzögerung etwas höher als beim Standarddiffusor, jedoch wird dieser Nachteil durch die deutlich geringeren Verluste in der anschließenden Volute überkompensiert.
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Schließlich verlässt die Strömung den Verdichter mit einem höheren Druck, was vorteilhaft für den Wirkungsgrad ist. Dies ist in 6 für unterschiedliche Drehzahlen 31, 32, 33; 34, 35, 36 in einem kartesischen Koordinatendiagramm mit einer x-Achse und einer y-Achse dargestellt.
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Auf der x-Achse ist ein Massenstrom durch den Verdichter in einer geeigneten Einheit aufgetragen. Auf der y-Achse ist ein isentroper Verdichterwirkungsgrad aufgetragen. Die erste Drehzahl 31; 34 ist größer als die zweite Drehzahl 32; 35, die wiederum größer als die dritte Drehzahl 33; 36 ist.
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Durch eine Linie 37 ist ein maximaler Wirkungsgrad eingezeichnet. Durch einen Pfeil 38 ist eine Richtung zu einem geringen Massenstrom angedeutet. Durch einen Pfeil 39 ist eine Richtung zu einem hohen Massenstrom angedeutet.
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Die Darstellung in 6 mit den drei Drehzahllinien 31 bis 33; 34 bis 36 für geringe Last, mittlere Last und hohe Last deckt ersatzweise das gesamte Verdichterkennfeld ab. Es zeigt sich, dass die Drehzahllinien 34 bis 36 der optimierten Diffusorgeometrie gegenüber den Drehzahllinien 31 bis 33 der Standarddiffusorgeometrie deutliche Wirkungsgradvorteile bei hohen Massenströmen der jeweiligen Drehzahllinie aufweist. Bei geringen Massenströmen der jeweiligen Drehzahllinie ergeben sich keine nennenswerten Nachteile im Vergleich zum Standarddiffusor. Gesamtheitlich betrachtet ergeben sich somit deutliche Vorteile für die optimierte Diffusorgeometrie, wie sie in 3 veranschaulicht ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008024115 A1 [0002]
