DE10261789A1 - Vorleitstator for flow machines - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Vorleitstator (10) für Strömungsmaschinen, insbesondere für Turboverdichter (12), mit mehreren im Anströmbereich eines Verdichterrads (14) angeordneten Eintrittsleitschaufeln (16), deren drallerzeugender Schaufelwinkel in Abhängigkeit eines Fluidvolumenstroms durch die Strömungsmaschine bzw. durch den Turboverdichter (10) verstellbar ist. DOLLAR A Es ist vorgesehen, dass die Eintrittsleitschaufeln (16) sich bei verändernden Strömungsverhältnissen verformen.The invention relates to a preliminary stator (10) for turbomachines, in particular for turbocompressors (12), having a plurality of inlet guide vanes (16) arranged in the inflow region of a compressor wheel (14), the swirl-generating blade angles of which depend on a fluid volume flow through the turbomachine or through the turbocompressor (10 ) is adjustable. DOLLAR A It is envisaged that the inlet guide vanes (16) will deform under changing flow conditions.

Description

Die Erfindung betrifft einen Vorleitstator für Strömungsmaschinen mit den im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Merkmalen.The invention relates to a preliminary stator for turbo machines with the features mentioned in the preamble of claim 1.

Zur Erhöhung des Luftdurchsatzes bei Verbrennungsmotoren eignen sich unter anderem Abgasturbolader, die aus der Strömungsenergie des Abgases Energie zum Antrieb eines Verdichterrades gewinnen, das die den Brennräumen zugeführte Verbrennungsluft unter einen erhöhten Druck setzt. Der Energieinhalt eines der Brennkraftmaschine zugeführten Luft-Kraftstoff-Gemisches kann dadurch erhöht werden. Abgasturbolader werden sowohl bei Brennkraftmaschinen mit Selbstzündung wie auch bei solchen mit Fremdzündung verwendet. Insbesondere bei Fahrzeugantrieben weisen Abgasturbolader oftmals den Nachteil eines verzögerten bzw. unzureichenden Ansprechverhaltens bei kleineren Motordrehzahlen auf. Hierbei ist die Strömungsenergie des Abgases so gering, dass auch der Verdichter nur eine geringe Energie aufbringen kann. Diese wird erst dann größer, wenn der Abgasdruck ausreichend groß ist. Diese Verzögerung ist auch als sogenanntes Turboloch bekannt. Um auch bei geringem Abgasdruck den Verdichter auf eine Drehmomentanforderung schnell reagieren zu lassen, sind elektrische Zusatzantriebe für das Verdichterrad bekannt. Die US-A-6 029 452 beschreibt bspw. eine derartige Verbesserung des Ansprechverhaltens eines Abgasturboladers mittels einer Unterstützung durch einen elektrischen Zusatzantrieb.To increase the air throughput in internal combustion engines, exhaust gas turbochargers are suitable, among other things, which use the flow energy of the exhaust gas to generate energy for driving a compressor wheel, which puts the combustion air supplied to the combustion chambers under an increased pressure. The energy content of an air / fuel mixture supplied to the internal combustion engine can thereby be increased. Exhaust gas turbochargers are used both in internal combustion engines with spark ignition and in those with spark ignition. Exhaust gas turbochargers, in particular in vehicle drives, often have the disadvantage of a delayed or inadequate response behavior at lower engine speeds. The flow energy of the exhaust gas is so low that the compressor can only apply a small amount of energy. This only increases when the exhaust gas pressure is sufficiently high. This delay is also known as a so-called turbo lag. In order to allow the compressor to react quickly to a torque request even at low exhaust gas pressure, additional electrical drives for the compressor wheel are known. The US-A-6 029 452 describes, for example, such an improvement in the response behavior of an exhaust gas turbocharger by means of support by an additional electrical drive.

Ein solcher elektrischer Zusatzantrieb kann die Antriebswelle eines bereits vorhandenen Verdichters unterstützen. Eine weitere Art einer elektrischen Unterstützung ist ein separater, rein elektrisch betriebener Hilfslader, der in der Frischluftführung in Reihe zur Verdichterturbine eines konventionellen Abgasturboladers betrieben wird und als sogenannter elektrischer Zusatzverdichter bezeichnet wird.Such an additional electric drive can support the drive shaft of an existing compressor. A Another type of electrical support is a separate, pure one electrically operated auxiliary loader, which in the fresh air duct in Series for the compressor turbine of a conventional exhaust gas turbocharger is operated and as a so-called additional electrical compressor referred to as.

Insbesondere beim Betrieb solcher Strömungsmaschinen besteht das Problem eines eingegrenzten Betriebsbereichs, der durch das sogenannte Verdichterkennfeld beschrieben wird. Soll ein Strömungsverdichter auch bei geringeren Massenströmen noch effektiv arbeiten, muss sein Kennfeld so erweitert werden, dass die Pumpgrenze herabgesetzt wird. Eine bekannte Methode zur Kennfeldverbreiterung bzw. Kennfeldstabilisierung von Strömungsmaschinen sind u. a. verstellbare bzw. feststehende Statorelemente, die als Stellelemente vor dem Eintritt bzw. nach dem Austritt der beschaufelten Verdichter oder Turboräder angeordnet sind. Hierbei ist zwischen nicht verstellbaren bzw. verstellbaren Leiträdern zu unterscheiden. Verstellbare Leiträder ermöglichen eine höhere Effektivität und eine bessere Verbreite rung eines Kennfeldes. Die verstellbaren Elemente werden hierbei aktiv betätigt.Especially when operating such Turbomachinery there is the problem of a limited operating range caused by the so-called compressor map is described. Should be a flow compressor even with lower mass flows still work effectively, its map must be expanded so that the surge limit is lowered. A well known method for Map expansion or map stabilization of turbo machines are u. a. adjustable or fixed stator elements, which as Control elements before the entry or after the exit of the bladed Compressors or turbo wheels are arranged. Here is between non-adjustable or adjustable idlers to distinguish. Adjustable idlers enable a higher effectiveness and a better broadening of a map. The adjustable elements are actively operated here.

Ein erfindungsgemäßer Vorleitstator für Strömungsmaschinen, insbesondere für Turboverdichter, weist mehrere im Anströmbereich eines Verdichterrads angeordnete Eintrittsleitschaufeln auf, deren drallerzeugender Schaufelwinkel in Abhängigkeit eines Fluidvolumenstroms durch die Strömungsmaschine bzw. den Turboverdichter verstellbar ist. Die Erfindung sieht eine variable Verformung der Eintrittsleitschaufeln bei sich verändernden Strömungsverhältnissen vor. Auf diese Weise kann der Vorleitstator optimal an unterschiedliche Fluidvolumenströme angepasst werden, ohne dass eine relativ aufwändige Verstellbarkeit von Leitschaufeln notwendig ist. Um dies zu erreichen, sind die Eintrittsleitschaufeln in sich flexibel und bestehen aus einem verformbaren Material, insbesondere aus Kunststoff. Die Leitschaufeln des Vorleitrades können sich auf diese Weise mit erhöhtem Massendurchsatz ohne externe Stellelemente zunehmend entformen. Hierdurch wird ein selbststellendes Glied zur effektiven Kennfelderweiterung von Turbomaschinen und insbesondere Turboverdichtern zur Verfügung gestellt.An inventive stator for turbomachines, especially for Turbo compressor, has several in the flow area of a compressor wheel arranged inlet guide vanes, their swirl-generating blade angle dependent on of a fluid volume flow through the turbomachine or the turbocompressor is adjustable. The invention provides a variable deformation of the Inlet guide vanes with changing flow conditions in front. In this way, the Vorleitstator optimally to different Fluid flow rates can be adjusted without the need for relatively complex adjustability of guide vanes necessary is. To achieve this, the inlet guide vanes are flexible in itself and consist of a deformable material, in particular made of plastic. The guide vanes of the guide vane can be in this way with increased Demold mass throughput without external control elements. This is a self-adjusting link for effective map expansion of turbomachines and in particular turbocompressors.

Ein axial durchströmter Vorleitstator ist hierbei bei einer Ausgestaltung der Erfindung einem Radialverdichter mit axial durchströmtem Impeller vorgesetzt. Mit steigendem Volumenstrom verringert sich die Verformung der Eintrittsleitschaufeln, woraus ein variabler Schaufelwinkel zwischen ca. 0 und 20 Grad resultieren kann. Bei einem hohen Volumenstrom beträgt der Schaufelwinkel annähernd 0 Grad, während er bei geringem Volumenstrom in einem Bereich von bis zu ungefähr 85 Grad liegen kann. Die Schaufeln sind im entspannten Zustand vorzugsweise gleichmäßig gewölbt, um ideale Strömungsverhältnisse zu ermöglichen. Durch eine geeignete Geometrie- und Materialwahl kann ein individuell anpassbarer Vorleitstator für die unterschiedlichsten Arten von Strömungsmaschinen zur Verfügung gestellt werden.An axial flow stator is a radial compressor in one embodiment of the invention with axial flow Impeller in front. With increasing volume flow decreases the deformation of the inlet guide vanes, resulting in a variable Blade angles between about 0 and 20 degrees can result. at a high volume flow the blade angle approximately 0 degrees while it with a low volume flow in a range of up to approximately 85 degrees can lie. The blades are preferred in the relaxed state evenly arched to ideal flow conditions to enable. Through a suitable geometry and Material selection can be an individually adjustable lead stator for the most varied Types of fluid machines to disposal be put.

Die elastische Beschaffenheit des Vorleitstators ermöglicht eine selbsttätige Adaption der Laufradanströmung durch den beaufschlagenden Volumenstrom selbst. Ist der Volumenstrom gering, weicht der Axialstator nur wenig von seiner unbeaufschlagten Position ab. Der Vorleitkörper erzeugt einen wohldefinierten Gegendrall, der zu einer Herabsetzung der Pumpgrenze des stromabwärts befindlichen Strömungsverdichters führt. Entspricht der Volumenstrom dem Auslegungspunkt der Radialmaschine mit drallfreier Anströmung, entwindet sich der Vorleitkörper, so dass die Strömung nahezu parallel in das nachgeschaltete Laufrad gelangen kann.The elastic nature of the Vorleitstators allows an automatic Adaption of the impeller flow through the acting volume flow itself. Is the volume flow low, the axial stator differs only slightly from its unloaded Position. The lead body creates a well-defined counter-swirl that leads to a degradation the surge line of the downstream located flow compressor leads. The volume flow corresponds to the design point of the radial machine with swirl-free flow, the lead body unwinds, so the flow can get almost parallel to the downstream impeller.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den abhängigen Ansprüchen genannten Merkmalen.Further advantageous configurations the invention emerge from the remaining claims mentioned in the dependent claims Features.

Die Erfindung wird nachfolgend in bevorzugten Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt:The invention is hereinafter in preferred embodiments based on the associated drawings explained in more detail. there shows:

1 eine schematische Schnittansicht eines Turboverdichters mit einem erfindungsgemäßen Vorleitstator im Anströmbereich eines Verdichterrades, 1 1 shows a schematic sectional view of a turbocompressor with a preliminary stator according to the invention in the inflow region of a compressor wheel,

2 eine Draufsicht auf den Vorleitstator gemäß 1 im entspannten Zustand, 2 a plan view of the Vorleitstator according to 1 in a relaxed state,

3 eine schematische Schnittansicht des Turboverdichters bei hohem Volumenstrom und 3 is a schematic sectional view of the turbocompressor at high volume flow and

4 eine Draufsicht auf den Vorleitstator mit verformten Schaufeln gemäß 3. 4 a plan view of the Vorleitstator with deformed blades according to 3 ,

Beschreibung der Ausführungsbeispieledescription of the embodiments

1 verdeutlicht einen Vorleitstator 12 eines Turboverdichters 10, der einem Verdichterrad 14 vorgeschaltet ist. Der Verdichter 10 wird von oben nach unten durchströmt, wobei sich das Verdichterrad 14 gegen den Uhrzeigersinn dreht (vgl. hierzu auch 2). 1 illustrates a lead stator 12 of a turbo compressor 10 that a compressor wheel 14 is connected upstream. The compressor 10 is flowed through from top to bottom, whereby the compressor wheel 14 turns counterclockwise (see also 2 ).

Der Vorleitstator 12 weist mehrere Eintrittsleitschaufeln 16 auf, die an ihren unteren Blattkanten 26 bei einem geringen Volumenstrom einen Schaufelwinkel gegenüber einer Längsachse 20 von bis zu ca. 85 Grad aufweisen können. Der gezeigte Winkel ist allerdings deutlich kleiner als dieser Maximalwert und beträgt ca. 20 bis 30 Grad. Wie anhand der Draufsicht der 2 verdeutlicht wird, sind die Eintrittsleitschaufeln 16 jeweils an Querstegen 18 angeordnet und sind in Strömungsrichtung und in Richtung ihrer unteren Blattkante 26 frei aufgehängt. Die Aufhängung 24 an den Querstegen 18 ist hierbei starr ausgeführt, während die Eintrittsleitschaufeln 16 selbst aus einem flexiblen Material bestehen und sich bei zunehmendem Volumenstrom entwinden. Der Schaufelwinkel nähert sich hierbei einem Wert von 0 Grad an.The lead stator 12 has several inlet guide vanes 16 on that at their lower leaf edges 26 with a low volume flow, a blade angle with respect to a longitudinal axis 20 of up to approximately 85 degrees. However, the angle shown is significantly smaller than this maximum value and is approximately 20 to 30 degrees. As with the top view of the 2 is made clear are the inlet guide vanes 16 each on cross bars 18 arranged and are in the direction of flow and in the direction of their lower sheet edge 26 hung freely. The suspension 24 on the crossbars 18 is designed to be rigid while the inlet guide vanes 16 themselves consist of a flexible material and unwind with increasing volume flow. The blade angle approaches a value of 0 degrees.

Wie anhand der 3 und 4 verdeutlicht wird, können die Anströmverhältnisse bei größerem Volumenstrom dadurch verbessert werden, dass sich der Schaufelwinkel reduziert, was durch eine Streckung der Verdichterschaufeln 22 erreicht wird. Diese Streckung der in sich flexiblen Verdichterschaufeln 22 wird durch den Strömungsdruck selbst erreicht und nicht durch externe Stellelemente.As with the 3 and 4 is made clear, the inflow conditions can be improved with a larger volume flow in that the blade angle is reduced, which is due to an expansion of the compressor blades 22 is achieved. This stretching of the flexible compressor blades 22 is achieved by the flow pressure itself and not by external control elements.

Bei höherem Massendurchsatz wird nur noch ein geringer Anströmdrall erzeugt, der sich bei entsprechendem Volumendurchsatz einem Wert von Null annähert.At higher mass throughput only a small flow swirl generates a value with the corresponding volume throughput approaching from zero.

Der erfindungsgemäße Vorleitstator 12 des Turboverdichters 10 ermöglicht somit eine Kennfelderweiterung des Verdichters und eine Verschiebung dessen Pumpgrenze nach unten, so dass auch bei geringem Volumenstrom durch den Verdichter eine effektive Anströmung des Verdichterrads 14 ermöglicht ist.The preliminary stator according to the invention 12 of the turbocompressor 10 This enables the compressor to be expanded and the pump limit to be shifted downwards, so that even with a low volume flow through the compressor, there is an effective flow against the compressor wheel 14 is possible.

Claims (9)

Vorleitstator für Strömungsmaschinen, insbesondere für Turboverdichter, mit mehreren im Anströmbereich eines Verdichterrads angeordneten Eintrittsleitschaufeln, deren drallerzeugender Schaufelwinkel in Abhängigkeit eines Fluidvolumenstroms durch die Strömungsmaschine bzw. den Turboverdichter verstellbar ist, gekennzeichnet durch eine variable Verformung der Eintrittsleitschaufeln (16) bei sich verändernden Strömungsverhältnissen.Vorleitstator for turbomachines, in particular for turbocompressors, with several inlet guide vanes arranged in the inflow area of a compressor wheel, the swirl-generating blade angle of which can be adjusted depending on a fluid volume flow through the turbomachine or the turbocompressor, characterized by a variable deformation of the inlet guide vanes ( 16 ) with changing flow conditions. Vorleitstator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Eintrittsleitschaufeln (16) aus einem verformbaren Material gefertigt und in sich flexibel sind.Vorleitstator according to claim 1, characterized in that the inlet guide vanes ( 16 ) are made of a deformable material and are flexible in themselves. Vorleitstator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Eintrittsleitschaufeln (16) aus Kunststoff gefertigt sind.Vorleitstator according to claim 2, characterized in that the inlet guide vanes ( 16 ) are made of plastic. Vorleitstator nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorleitstator (12) in axialer Richtung durchströmt wird.Vorleitstator according to any one of the preceding claims, characterized in that the Vorleitstator ( 12 ) is flowed through in the axial direction. Vorleitstator nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsmaschine ein Radialverdichter mit axial durchströmtem Impeller (14) ist.Vorleitstator according to any one of the preceding claims, characterized in that the turbomachine is a radial compressor with an axially flowed impeller ( 14 ) is. Vorleitstator nach einem der voranstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine sich mit steigendem Volumenstrom verringernde Verformung der Eintrittsleitschaufeln (16).Vorleitstator according to any one of the preceding claims, characterized by a deformation of the inlet guide vanes (decreasing with increasing volume flow) ( 16 ). Vorleitstator nach einem der voranstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen variablen Schaufelwinkel der Eintrittsleitschaufeln (16) zwischen 0 Grad und ca. 85 Grad.Vorleitstator according to any one of the preceding claims, characterized by a variable blade angle of the inlet guide blades ( 16 ) between 0 degrees and approx. 85 degrees. Vorleitstator nach einem der voranstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Schaufelwinkel von ca. 0 Grad bei hohem Volumenstrom.Vorleitstator according to any one of the preceding claims, characterized due to a blade angle of approx. 0 degrees with a high volume flow. Vorleitstator nach einem der voranstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Schaufelwinkel von mehr als 50, vorzugsweise von bis zu ca. 85 Grad bei geringem Volumenstrom.Vorleitstator according to any one of the preceding claims, characterized by a blade angle of more than 50, preferably from to to about 85 degrees with low volume flow.
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