DE102022127147B4

DE102022127147B4 - Verdichter und Turbolader

Info

Publication number: DE102022127147B4
Application number: DE102022127147.1A
Authority: DE
Inventors: Hannes Benetschik; Sebastian Spengler; Christoph Leitenmeier
Original assignee: MAN Energy Solutions SE
Current assignee: MAN Energy Solutions SE
Priority date: 2022-10-17
Filing date: 2022-10-17
Publication date: 2024-06-27
Anticipated expiration: 2042-10-18
Also published as: CH720132A2; DE102022127147A1

Abstract

Verdichter (10), nämlich Radialverdichter oder Diagonalverdichter, mit einem Verdichtergehäuse (16), mit einem im Verdichtergehäuse (16) aufgenommenen, in Axialrichtung angeströmten und in Radialrichtung oder Diagonalrichtung abgeströmten Verdichterrotor (11), wobei der Verdichterrotor (11) einen nabenartigen Grundkörper (12) und gegenüber dem Grundkörper (12) nach radial außen vorstehende Lauschaufeln (13) aufweist, wobei die Laufschaufeln (13) jeweils eine Strömungseintrittskante (17), die mit einem konkav gewölbten Fillet (19) in den nabenartigen Grundkörper (12) übergeht, und eine Strömungsaustrittskante (18) aufweisen, und wobei sich im Bereich der Strömungseintrittskante (17) jeder Laufschaufel (13) an das konkav gewölbte Fillet (19) zunächst ein konvex gekrümmter Abschnitt (20) der Strömungseintrittskante (17) und hieran anschließend ein konkav gekrümmter Abschnitt (21) der Strömungseintrittskante (17) anschließt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Verdichter, insbesondere einen Verdichter eines Turboladers, und einen Turbolader.
Ein Verdichter dient der Verdichtung eines Mediums. Ein Verdichter verfügt über ein Verdichtergehäuse sowie über einen im Verdichtergehäue aufgenommenen Verdichterrotor. Der Verdichterrotor eines Radialverdichters ist in Axialrichtung des Verdichterrotors vom zu verdichtenden Medium angeströmt und in Radialrichtung des Verdichterrotors vom verdichteten Medium abgeströmt. Der Verdichterrotor eines Diagonalverdichters ist in Axialrichtung des Verdichterrotors angeströmt und in Diagonalrichtung des Verdichterrotors abgeströmt. Verdichter werden auch als Kompressoren bezeichnet.
Ein Turbolader verfügt über zusätzlich zu einem Verdichter über eine Turbine. Die Turbine eines Turboladers dient der Entspannung eines ersten Mediums, insbesondere zur Entspannung von Abgas, wobei der Verdichter eines Turboladers der Verdichtung eines zweiten Mediums, insbesondere von Ladeluft, unter Nutzung der bei der Entspannung des ersten Mediums in der Turbine gewonnenen Energie dient. Die Turbine eines Turboladers verfügt über ein Turbinengehäuse sowie einen Turbinenrotor. Der Verdichter eines Turboladers verfügt über ein Verdichtergehäuse sowie einen Verdichterrotor. Der Turbinenrotor und der Verdichterrotor des Turboladers sind über eine Welle des Turboladers gekoppelt, die in einem Lagergehäuse des Turboladers gelagert ist, wobei das Lagergehäuse einerseits mit dem Turbinengehäuse und andererseits mit dem Verdichtergehäuse verbunden ist.
Der Verdichterrotor eines Verdichters verfügt über einen nabenseitigen Grundkörper sowie gegenüber dem Grundkörper nach radial außen vorstehende Laufschaufeln. Jede Laufschaufel verfügt über eine Strömungseintrittskante sowie über eine Strömungsaustrittskante. Bei einem Radialverdichter erstrecken sich die Strömungseintrittskanten des in Axialrichtung angeströmten Verdichterrotors in Radialrichtung bzw. im Wesentlichen in Radialrichtung und die Strömungsaustrittskanten in Axialrichtung. Bei einem Diagonalverdichter erstrecken sich die Strömungsaustrittskanten in Diagonalrichtung und sind gegenüber der Radialrichtung sowie Axialrichtung schräggestellt.
EP 1 948 939 B1 offenbart einen Verdichter nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
DE 10 2018 101 052 A1 , DE 10 2016 220 133 A1 , EP 3 092 413 B1 , EP 2 918 849 B1 und US 2016 / 0 252 101 A1 offenbaren weiteren Stand der Technik.
Ein Verdichterrotor eines Verdichters soll sowohl über eine hohe HCF-Festigkeit sowie über gute aerodynamische Eigenschaften verfügen. Bislang bereitet es Schwierigkeiten, diese beiden Eigenschaften gleichermaßen bereitzustellen. Es besteht daher Bedarf an einem Verdichter sowie an einem Turbolader mit einem Verdichter, wobei der Verdichter eine hohe HCF-Festigkeit sowie über gute aerodynamische Eigenschaften verfügen soll.
Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen neuartigen Verdichter, insbesondere einen Verdichter eines Turboladers, und einen Turbolader mit einem solchen Verdichter zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch einen Verdichter nach Anspruch 1 und durch einen Turbolader nach Anspruch 10 gelöst.
Erfindungsgemäß schließt sich im Bereich der Strömungseintrittskante jeder Laufschaufel an das konkav gewölbte Fillet zunächst ein konvex gekrümmter Abschnitt der Strömungseintrittskante und hieran anschließend ein konkav gekrümmter Abschnitt der Strömungseintrittskante an. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Strömungseintrittskante anschließend an das Fillet, mit welchem die jeweilige Laufschaufel in den nabenseitigen Grundkörper übergeht, können überhöhte statische und dynamische Spannungen in den Laufschaufeln vermieden werden, ohne die aerodynamischen Eigenschaften des Verdichterrotors zu beeinträchtigen. So kann eine hohe HCF-Festigkeit bei guten aerodynamischen Eigenschaften des Verdichterrotors gewährleistet werden.
Vorzugsweise erstreckt sich der konvex gekrümmte Abschnitt der Strömungseintrittskante bis maximal 20% der Radialerstreckung der Strömungseintrittskante. Der sich an den konvex gekrümmten Abschnitt der Strömungseintrittskante anschließende konkav gekrümmte Abschnitt der Strömungseintrittskante erstreckt sich vorzugsweise bis maximal 25% der Radialerstreckung der Strömungseintrittskante. Dies ist besonders bevorzugt, um eine hohe HCF-Festigkeit bei guten aerodynamischen Eigenschaften zu gewährleisten.
Vorzugsweise schließt sich der an das Fillet anschließende konvex gekrümmte Abschnitt der Strömungseintrittskante unmittelbar und stetig an das Fillet an. Der sich an den konvex gekrümmten Abschnitt der Strömungseintrittskante anschließende konkav gekrümmte Abschnitt der Strömungseintrittskante schließt sich vorzugsweise unmittelbar und stetig an den konvex gekrümmten Abschnitt der Strömungseintrittskante an. Auch dies dient der Bereitstellung einer hohen HCF-Festigkeit bei guten aerodynamischen Eigenschaften.
Vorzugsweise entspricht ein Radius des sich an das Fillet anschließenden konvex gekrümmten Abschnitts dem Radius des Fillets oder derselbe ist größer als der Radius des Fillets. Besonders bevorzugt entspricht der Radius des sich an das Fillet anschließenden konvex gekrümmten Abschnitts dem 1,5-fachen Radius des Fillets oder derselbe ist größer als das 1 ,5-fache des Radius des Fillets. Auch dies dient der Bereitstellung einer hohen HCF-Festigkeit bei guten aerodynamischen Eigenschaften. Vorzugsweise entspricht ein Radius des sich an den konvex gekrümmten Abschnitt der Strömungseintrittskante anschließenden konkav gekrümmten Abschnitts der Strömungseintrittskante dem Radius des Fillets oder derselbe ist größer als der Radius des Fillets. Besonders bevorzugt entspricht der Radius des sich an den konvex gekrümmten Abschnitt der Strömungseintrittskante anschließenden konkav gekrümmten Abschnitts der Strömungseintrittskante dem 1 ,5-fachen Radius des Fillets oder derselbe ist größer als das 1,5-fache des Radius des Fillets. Auch dies dient der Bereitstellung einer hohen HCF-Festigkeit bei guten aerodynamischen Eigenschaften.
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 Ausschnitt aus einem erfindungsgemäßen Verdichter; und
2 das Detail II der 1.

1 zeigt einen schematisierten Ausschnitt aus einem als Radialverdichter ausgebildeten Verdichter 10. Vom Verdichter 10 ist ein Verdichterrotor 11 gezeigt, der über einen nabenartigen Grundkörper 12 sowie über gegenüber dem nabenartigen Grundkörper 12 nach radial außen vorstehende Laufschaufeln 13 verfügt. Der nabenartige Grundkörper 12 begrenzt radial innen einen Strömungskanal 14 für das im Bereich des Verdichters 10 zu verdichtende Medium. Radial außen ist dieser Strömungskanal 14 von einer Wandung 15 eines Verdichtergehäuses 16 begrenzt.
Jede der Laufschaufeln 13 des Verdichterrotors 11 verfügt über eine Strömungseintrittskante 17 sowie über eine Strömungsaustrittskante 18. Die Strömungseintrittskante 17 erstreckt sich im Wesentlichen in Radialrichtung R des Verdichterrotors 11, die Strömungsaustrittskante 18 erstreckt sich einem Radialverdichter in Axialrichtung A des Verdichterrotors 11. Bei einem Diagonalverdichter ist die Strömungsaustrittskante 18 gegenüber der Radialrichtung R und Axialrichtung A des Verdichterrotors 11 schräggestellt.
Die Laufschaufeln 13 gehen auch insbesondere im Bereich ihrer Strömungseintrittskante 17 mit einem konkav gewölbtem Fillet 19 in den nabenartigen Grundkörper 12 über. Das Fillet 19 ist konkav gewölbt und verfügt über einen Radius r1.
Erfindungsgemäß schließt sich im Bereich jeder Laufschaufel 13 des Verdichterrotors 11 an das konkav gewölbte Fillet 19 zunächst ein konvex gekrümmter Abschnitt 20 der Strömungseintrittskante 17 und anschließend hieran ein konkav gekrümmter Abschnitt 21 der Strömungseintrittskante 17 an. Hierdurch wird eine Art S-Schlag zwischen dem Fillet 19 und der eigentlichen Strömungseintrittskante 17 der jeweiligen Laufschaufel 13 durch die Abschnitte 20, 21 der Strömungseintrittskante 17 bereitgestellt. Hierdurch können überhöhte statische und dynamische Spannungen im Bereich der jeweiligen Laufschaufel 13 und so eine hohe HCF-Festigkeit bei guten aerodynamischen Eigenschaften gewährleistet werden.
Das konkav gewölbte Fillet 19 verfügt über den Radius r1, der sich an das Fillet 19 anschließende konvex gekrümmte Abschnitt 20 über den Radis r2 und der sich hieran anschließende konkav gewölbte Abschnitt 21 über einen Radius r3. Mittelpunkte der Radien r1, r3 des konkav gewölbten Fillets und des konkav gewölbten Abschnitts 21 liegen außerhalb der jeweiligen Laufschaufel 13. Der Mittelpunkt des Radius r2 des konvex gekrümmten Abschnitts 20 liegt bezogen auf die Strömungseintrittskante 17 auf einer gegenüberliegenden Seite derselben wie die Mittelpunkte der Radien r1 und r3 und vorzugsweise im Bereich der jeweiligen Laufschaufel 13 oder des nabenartigen Grundkörpers 12.
Der Radius r2 des sich an das Fillet 19 anschließenden konvex gekrümmten Abschnitts 20 entspricht entweder dem Radius r1 des Fillets 19 oder ist größer als der Radius r1 des Fillets 19. Insbesondere entspricht der Radius r2 dem 1,5-fachen des Radius r1 oder ist größer als das 1,5-fache des Radius r1.
Der Radius r3 des sich an den konvex gekrümmten Abschnitt 20 der Strömungseintrittskante 17 anschließenden konkav gekrümmten Abschnitts 21 der Strömungseintrittskante 17 entspricht entweder dem Radius r1 des Fillets 19 oder ist größer als der Radius r1 des Fillets 19. Insbesondere entspricht der Radius r3 dem 1,5-fachen des Radius r2 oder ist größer als das 1,5-fache des Radius r1 des Fillets 19.
Bezogen auf eine radiale Erstreckung der Strömungseintrittskante 17 erstreckt sich der konvex gekrümmte Abschnitt 20 der Strömungseintrittskante 17 bis maximal 20% der Radialerstreckung der Strömungseintrittskante 17. In 2 ist das radial äußere Ende des Abschnitts 20 durch den Abstand a2 vom nabenartigen Grundkörper 12 gekennzeichnet. Der Abstand a2 beträgt demnach maximal 20% der radialen Erstreckung der Strömungseintrittskante 17.
Der sich an den konvex gekrümmten Abschnitt 20 anschließende konkav gewölbte Abschnitt 21 der Strömungseintrittskante 17 erstreckt sich bis maximal 25% der Radialerstreckung der Strömungseintrittskante 17. In 2 ist das radial äußere Ende des Abschnitts 21 durch den Abstand a3 vom nabenartigen Grundkörper 12 gekennzeichnet. Der Abstand a3 beträgt demnach maximal 25% der Radialerstreckung der Strömungseintrittskante 17.
Der Abstand a1 der 2 visualisiert den Abstand des radial äußeren Endes des Fillets 19 vom nabenartigen Grundkörper 12.
Vorzugsweise geht der konvex gekrümmte Abschnitt 20 der Strömungseintrittskante 17 jeder Laufschaufel 13 unmittelbar und stetig in das Fillet 19 über. Der sich an den konvex gekrümmten Abschnitt 20 der Strömungseintrittskante 17 anschließende konkav gekrümmte Abschnitt 21 jeder Laufschaufel 13 geht unmittelbar und stetig in den konvex gekrümmten Abschnitt 20 der Strömungseintrittskante 17 über.
Die Abschnitte 20, 21 der Strömungseintrittskante 17 jeder Laufschaufel 13 bilden einen sogenannten S-Schlag zwischen dem Fillet 19 und dem sich an den Abschnitt 21 anschließenden Bereich der Strömungseintrittskante 17 unter Bereitstellung einer Materialaufdickung des sich an das Fillet 19 anschließenden Bereichs der Strömungseintrittskante 17 der jeweiligen Laufschaufel 13 aus.
Es kann eine hohe HCF-Festigkeit bei guten aerodynamische des Verdichterrotors 11 gewährleistet werden.
Beim Verdichter 10 kann es sich um einen Turbokompressor oder auch um einen Verdichter eines Turboladers handeln. Ein Turbolader verfügt über eine Turbine zur Entspannung eines ersten Mediums, insbesondere zur Entspannung von Abgas einer Brennkraftmaschine. Ferner verfügt ein Turbolader über einen Verdichter zur Verdichtung eines zweiten Mediums, insbesondere von Ladeluft, und zwar unter Nutzung von in der Turbine bei der Entspannung des ersten Mediums gewonnener Energie. Die Turbine verfügt über ein Turbinengehäuse und einen Turbinenrotor. Der Verdichter verfügt über ein Verdichtergehäuse und einen Verdichterrotor. Der Verdichterrotor ist mit dem Turbinenrotor über eine Welle gekoppelt, die in einem Lagergehäuse gelagert ist, wobei das Lagergehäuse zwischen dem Turbinengehäuse und dem Verdichtergehäuse positioniert und sowohl mit dem Turbinengehäuse und dem Verdichtergehäuse verbunden ist. Dieser grundsätzliche Aufbau eines Turboladers ist dem hier angesprochenen Fachmann geläufig.
Bezugszeichenliste

10: Verdichter
11: Verdichterrotor
12: Grundkörper
13: Laufschaufel
14: Strömungskanal
15: Wandung
16: Verdichtergehäuse
17: Strömungseintrittskante
18: Strömungsaustrittskante
19: Fillet
20: Abschnitt
21: Abschnitt
A: Axialrichtung
R: Radialrichtung
r1: Radius
r2: Radius
r3: Radius
a1: Abstand
a2: Abstand
a3: Abstand

Claims

Verdichter (10), nämlich Radialverdichter oder Diagonalverdichter, mit einem Verdichtergehäuse (16), mit einem im Verdichtergehäuse (16) aufgenommenen, in Axialrichtung angeströmten und in Radialrichtung oder Diagonalrichtung abgeströmten Verdichterrotor (11), wobei der Verdichterrotor (11) einen nabenartigen Grundkörper (12) und gegenüber dem Grundkörper (12) nach radial außen vorstehende Lauschaufeln (13) aufweist, wobei die Laufschaufeln (13) jeweils eine Strömungseintrittskante (17), die mit einem konkav gewölbten Fillet (19) in den nabenartigen Grundkörper (12) übergeht, und eine Strömungsaustrittskante (18) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass sich im Bereich der Strömungseintrittskante (17) jeder Laufschaufel (13) an das konkav gewölbte Fillet (19) zunächst ein konvex gekrümmter Abschnitt (20) der Strömungseintrittskante (17) und hieran anschließend ein konkav gekrümmter Abschnitt (21) der Strömungseintrittskante (17) der jeweiligen Laufschaufel (13) anschließt.
Verdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich der konvex gekrümmte Abschnitt (20) der Strömungseintrittskante (17) bis maximal 20% der Radialerstreckung der Strömungseintrittskante (17) erstreckt.
Verdichter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich der an den konvex gekrümmten Abschnitt (20) der Strömungseintrittskante (17) anschließende konkav gekrümmte Abschnitt (21) der Strömungseintrittskante (17) bis maximal 25% der Radialerstreckung der Strömungseintrittskante (17) erstreckt.
Verdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der sich an das Fillet (19) anschließende konvex gekrümmte Abschnitt (20) der Strömungseintrittskante (17) sich unmittelbar und stetig an das Fillet (19) anschließt.
Verdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der sich an den konvex gekrümmten Abschnitt (20) der Strömungseintrittskante (17) anschließende konkav gekrümmte Abschnitt (21) der Strömungseintrittskante (17) sich unmittelbar und stetig an den konvex gekrümmten Abschnitt (20) der Strömungseintrittskante (17) anschließt.
Verdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Radius (r2) des sich an das Fillet (19) anschließenden konvex gekrümmten Abschnitts (20) einem Radius (r1) des Fillets (19) entspricht oder größer als der Radius (r1) des Fillets (19) ist.
Verdichter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Radius (r2) des sich an das Fillet (19) anschließenden konvex gekrümmten Abschnitts (20) dem 1,5-fachen Radius (r1) des Fillets (19) entspricht oder größer als das 1,5-fache des Radius (r1) des Fillets (19) ist.
Verdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Radius (r3) des sich an den konvex gekrümmten Abschnitt (20) der Strömungseintrittskante (17) anschließenden konkav gekrümmten Abschnitts (21) der Strömungseintrittskante (17) dem Radius (r1) des Fillets (19) entspricht oder größer als der Radius (r1) des Fillets (19) ist.
Verdichter nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Radius (r3) des sich an den konvex gekrümmten Abschnitt (20) der Strömungseintrittskante (17) anschließenden konkav gekrümmten Abschnitts (21) der Strömungseintrittskante (17) dem 1,5-fachen Radius (r1) des Fillets (19) entspricht oder größer als das 1,5-fache des Radius (r1) des Fillets (19) ist.
Turbolader, mit einer Turbine zur Entspannung eines ersten Mediums, mit einem Verdichter (10) zur Verdichtung eines zweiten Mediums unter Nutzung von in der Turbine bei der Entspannung des ersten Mediums gewonnener Energie, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 ausgebildet ist.