DE112016005563T5

DE112016005563T5 - Turboladerverdichter und verfahren dafür

Info

Publication number: DE112016005563T5
Application number: DE112016005563.3T
Authority: DE
Inventors: Richard E. Annati; Eric Reinhart; Daniel Singer
Original assignee: Caterpillar Inc
Current assignee: Caterpillar Inc
Priority date: 2016-01-04
Filing date: 2016-12-20
Publication date: 2018-09-06
Anticipated expiration: 2036-12-21
Also published as: CN108431385B; US20170191490A1; US10167875B2; WO2017120029A1; CN108431385A; DE112016005563B4

Abstract

Ein Verdichterrad (213) für einen Turbolader (119) umfasst erste, zweite und dritte Vielzahlen von Schaufeln (308), die um eine zentrale Nabe (302) herum angeordnet sind. Jede der zweiten Vielzahl von Schaufeln (308) ist zwischen benachbarten Schaufeln (308) aus der ersten Vielzahl von Schaufeln (308) angeordnet und erstreckt sich über einen kürzeren Abstand als die erste Vielzahl von Schaufeln (308) entlang der Mittellinie der zentralen Nabe (302). Jede der dritten Vielzahl von Schaufeln (308) ist zwischen benachbarten Schaufeln (308) aus der ersten und zweiten Vielzahl von Schaufeln (308) angeordnet, und erstreckt sich über einen kürzeren Abstand als die zweite Vielzahl von Schaufeln (308) entlang der Mittellinie der zentralen Nabe (302). Zusammen sind die Schaufeln (308) in Sätze unterteilt, wobei jeder Satz der Reihe nach eine Schaufel (308) aus jeder der ersten, zweiten und dritten Vielzahl umfasst, in Bezug auf jede radiale Position um das Verdichterrad (213) herum, während sich das Verdichterrad (213) dreht.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Diese Patentoffenbarung betrifft allgemein Turbolader zur Verwendung mit Verbrennungsmotoren und insbesondere Laufräder für Zentrifugalverdichter, die als Teil von Turboladern zur Verwendung mit Verbrennungsmotoren verwendet werden.
HINTERGRUND
Verbrennungsmotoren werden mit einem Gemisch von Luft und Kraftstoff zur Verbrennung innerhalb des Motors versorgt, der mechanische Leistung erzeugt. Um die durch den Verbrennungsprozess erzeugte Leistung zu maximieren, ist der Motor oft mit einem Lufteinlasssystem mit Turboaufladung ausgestattet.
Ein Lufteinlasssystem mit Turboaufladung umfasst einen Turbolader, der Abgas von dem Motor verwendet, um in den Motor strömende Luft zu verdichten, wodurch mehr Luft in eine Verbrennungskammer des Motors gedrückt wird, als der Motor auf andere Weise in die Verbrennungskammer saugen könnte. Diese erhöhte Zufuhr von Luft erlaubt eine höhere Kraftstoffzufuhr, was zu einer erhöhten Motorleistungsabgabe führt.
Die Effizienz der Umwandlung von Kraftstoff in Energie durch einen Motor kann von vielen Faktoren abhängen, darunter auch der Effizienz des Turboladers des Motors. Die Turboladereffizienz kann durch die Strukturen an der Turbine beeinflusst werden, die betrieben werden, um dem Abgas Energie zu entziehen, sowie den Strukturen an dem Verdichter, die betrieben werden, um die entzogene Energie zum Verdichten von Luft zu verwenden, die an die Motorzylinder zugeführt wird.
In der Vergangenheit wurden verschiedene Versuche unternommen, um die Effizienz von Turboladern zu verbessern, indem zum Teil die betriebliche Effizienz des Verdichters durch Abstimmen von Konstruktionsmerkmalen des Verdichterlaufrads verbessert wurde. Ein Beispiel eines Verdichterlaufrads ist der DE102009007843A1 (dem '843-Referenzdokument) zu entnehmen, die ein Verdichterrad mit einem Satz von geteilten Schaufeln umfasst, die zwischen zwei aufeinander folgenden ungeteilten Schaufeln angeordnet sind. Wie in dem '843-Referenzdokument gezeigt, zum Beispiel in 1 und 2, umfasst das Verdichterrad eine längere Schaufel und eine kürzere Schaufel zwischen Schaufeln mit voller Länge, in dieser Reihenfolge und relativ zu einer Drehrichtung des Verdichterrads (von rechts nach links, wie in 2 dargestellt). Die in dem '843-Patent beschriebenen Verdichterrad-Anordnungen können jedoch nur zum Teil beträchtliche Effizienzsteigerungen für bestimmte Rahmengrößen von Verdichtern erzielen, und auch nur für bestimmte Verdichterrad-Größen, und können für Motoren mit großem Hubraum, die große Mengen an durch den Verdichter strömende Luft benötigen, während gleichzeitig eine annehmbare Leistung am unteren Ende der Betriebsbedingungen aufrecht erhalten werden soll, ungeeignet sein.
ZUSAMMENFASSUNG
Die Offenbarung beschreibt nach einem Aspekt einen Turbolader zur Verwendung in einem Verbrennungsmotor. Der Turbolader umfasst ein Turbinengehäuse, das ein drehbares Turbinenrad umgibt, das mit einer Welle verbunden ist. Ein zentrales Gehäuse umfasst eine Lageranordnung, welche die Welle drehbar lagert, wobei sich die Welle durch das zentrale Gehäuse erstreckt. Ein Verdichtergehäuse umgibt ein Ende der Welle, und ein Verdichterrad ist mit dem Ende der Welle verbunden und ist drehbar innerhalb des Verdichtergehäuses angeordnet. Das Verdichterrad umfasst eine zentrale Nabe mit einer Mittellinie, einen Fußabschnitt und einen Endabschnitt. Der Fußabschnitt ist benachbart zu einer Verbindung zwischen dem Verdichterrad und dem Ende der Welle.
In einer Ausführungsform ist eine erste Vielzahl von Schaufeln um die zentrale Nabe herum ausgebildet, so dass jede der ersten Vielzahl von Schaufeln sich von dem Fußabschnitt bis zu einem ersten Bereich benachbart zu dem Endabschnitt entlang der Mittellinie erstreckt. Eine zweite Vielzahl von Schaufeln ist um die zentrale Nabe herum ausgebildet. Jede der zweiten Vielzahl von Schaufeln ist zwischen benachbarten Schaufeln aus der ersten Vielzahl von Schaufeln angeordnet und erstreckt sich von dem Fußabschnitt der Nabe bis zu einem zweiten Bereich entlang der Mittellinie, der in Bezug auf die Mittellinie kürzer ist als der erste Bereich. Eine dritte Vielzahl von Schaufeln ist um die zentrale Nabe herum ausgebildet, so dass jede der dritten Vielzahl von Schaufeln entlang der zentralen Nabe zwischen benachbarten Schaufeln aus der ersten Vielzahl von Schaufeln und aus der zweiten Vielzahl von Schaufeln angeordnet ist. Jede der dritten Vielzahl von Schaufeln erstreckt sich von dem Fußabschnitt der Nabe bis zu einem dritten Bereich entlang der Mittellinie, wobei der dritte Bereich in Bezug auf die Mittellinie kürzer ist als der zweite Bereich.
Dementsprechend umfasst das Verdichterrad eine Vielzahl von Schaufelsätzen, wobei jeder Schaufelsatz eine Schaufel aus jeder der ersten, zweiten und dritten Vielzahl von Schaufeln umfasst, die in einer solchen Reihenfolge angeordnet sind, dass in jeder radialen Position um das Verdichterrad herum während des Betriebs einer Schaufel aus der ersten Vielzahl von Schaufeln eine Schaufel aus der zweiten Vielzahl von Schaufeln folgt, und jeder Schaufel aus der zweiten Vielzahl von Schaufeln eine Schaufel aus der dritten Vielzahl von Schaufeln folgt.
Figurenliste

1 ist ein Blockdiagramm eines Verbrennungsmotors gemäß der Offenbarung.
2 ist eine perspektivische Ansicht einer Turboladeranordnung in Übereinstimmung mit der Offenbarung.
3 ist eine Schnittansicht der in 2 gezeigten Turboladeranordnung.
4 und 5 veranschaulichen jeweils perspektivische Ansichten eines Verdichterrads in Übereinstimmung mit der Offenbarung von vorne bzw. der Seite.
6 ist ein teilweiser Schnitt durch ein Verdichterlaufrad in Übereinstimmung mit der Offenbarung.
7 und 8 sind jeweils Diagramme des Druckverhältnisses bzw. der Effizienz für einen Verdichter in Übereinstimmung mit der Offenbarung.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Diese Offenbarung betrifft eine verbesserte Turboladerkonfiguration zur Verwendung mit einem Verbrennungsmotor. Insbesondere betrifft die Offenbarung einen verbesserten Verdichter, bei dem ein Verdichterrad, das auch als Verdichterimpeller oder Verdichterlaufrad bezeichnet werden kann, von einem Zentrifugalverdichtertyp ist, bei dem Schaufeln mit unterschiedlichen Längen angeordnet sind, um die Verdichtereffizienz zu erhöhen und die transienten Ansprechzeiten des Verdichters zu verringern und so die Motorleistung zu erhöhen.
Ein vereinfachtes beispielhaftes Blockdiagramm eines Motors 100 ist in 1 dargestellt. Der Motor 100 umfasst ein Zylindergehäuse 104, das eine Vielzahl von Verbrennungszylindern 104 umgibt. In der illustrierten Ausführungsform sind sechs Verbrennungszylinder in einer Reihen- oder „I“-Konfiguration dargestellt, doch kann eine beliebige andere Anzahl von Zylindern, die in einer unterschiedlichen Konfiguration, etwa einer „V“-Konfiguration angeordnet sind, verwendet werden. Die Vielzahl von Verbrennungszylindern 106 ist fluidmäßig über Auslassventile (nicht dargestellt) mit einem Abgaskanal 108 verbunden. Der Abgaskanal 108 ist mit einer Turbine 120 eines Turboladers 119 verbunden. In der illustrierten Ausführungsform umfasst die Turbine 120 ein Gehäuse 122 mit einem Gaseinlass 124, der fluidmäßig mit dem Abgaskanal 108 verbunden ist und angeordnet ist, um Abgas von diesem zu empfangen. An die Turbine 120 zugeführtes Abgas veranlasst ein Turbinenrad (hier nicht dargestellt), das mit einer Welle 126 verbunden ist, zur Drehung. Abgas verlässt das Gehäuse 122 der Turbine 120 durch einen Auslass 128. Das Abgas an dem Auslass 128 wird optional durch andere Abgasnachbehandlungs-Komponenten und -Systeme geleitet, etwa eine Nachbehandlungsvorrichtung 130, die mechanisch und chemisch Verbrennungsnebenprodukte aus dem Abgasstrom entfernt, und/oder einen Schalldämpfer 132, der Motorgeräusche dämpft, bevor es durch einen Abzug oder Auspuff 134 an die Umgebung abgegeben wird.
Die Drehung der Welle 126 veranlasst ein Verdichterrad (hier nicht dargestellt) eines Verdichters 136 zur Drehung. Wie gezeigt ist der Verdichter 136 ein radialer Verdichter, der dazu ausgestaltet ist, einen Strom von gefilterter Frischluft von einem Luftfilter 138 durch einen Verdichtereinlass 140 zu empfangen. Unter Druck stehende Luft an einem Auslass 142 des Verdichters 136 wird über einen Ladeluftkanal 144 an einen Ladeluftkühler 146 geleitet, bevor sie an eine Einlasssammelleitung 148 des Motors 100 geliefert wird. In der illustrierten Ausführungsform wird Luft von der Einlasssammelleitung 148 an die Verbrennungszylinder 106 geleitet, wo sie mit Kraftstoff gemischt und verbrannt wird, um Motorleistung zu erzeugen.
Ein AGR-System 102, das optional ist, umfasst einen AGR-Kühler 150, der ebenfalls optional ist, und fluidmäßig mit einem AGR-Gaszufuhranschluss 152 des Abgaskanals 108 verbunden ist. Ein Strom von Abgas von dem Abgaskanal 108 kann durch den AGR-Kühler 150 laufen, wo er gekühlt wird, bevor er über einen AGR-Kanal 156 an ein AGR-Ventil 154 zugeführt wird. Das AGR-Ventil 154 kann elektronisch gesteuert sein und so ausgestaltet sein, um die Strömungsrate des durch den AGR-Kanal 156 laufenden Gases zu dosieren oder zu steuern. Ein Auslass des AGR-Ventils 154 ist fluidmäßig mit der Einlasssammelleitung 148 verbunden, so dass Abgas von dem AGR-Kanal 156 sich mit Druckluft von dem Ladeluftkühler 146 innerhalb der Einlasssammelleitung 148 des Motors 100 mischen kann.
Der Abgasdruck an dem Abgaskanal 108, der allgemein als Staudruck bezeichnet wird, ist höher als der Umgebungsdruck, zum Teil aufgrund der durch die Turbine 120 gebildeten Strömungsbegrenzung. Der Druck der Luft oder des Luft/AGR-Gas-Gemischs in der Einlasssammelleitung 148, der allgemein als Verstärkungsdruck bezeichnet wird, ist durch die von dem Verdichter 136 bereitgestellte Verdichtung höher als der Umgebungsdruck. Die Druckdifferenz zwischen dem Staudruck und dem Verstärkungsdruck bestimmt zusammen mit der Strömungsbegrenzung und dem Fließquerschnitt der Komponenten des AGR-Systems 102 größtenteils die maximale Strömungsrate von AGR-Gas, die bei verschiedenen Motorbetriebszuständen erreicht werden kann.
Eine Umrissdarstellung des Turboladers 119 ist in 2 dargestellt, und eine Schnittansicht durch den Verdichter ist in 3 dargestellt. Unter Bezugnahme auf diese Figuren und in der folgenden Beschreibung können zur Vereinfachung Strukturen und Merkmale, die bereits beschriebenen Strukturen und Merkmalen gleichen oder ähnlich sind, durch dieselben Bezugszahlen bezeichnet werden. Wie gezeigt ist die Welle 126 an einem Ende mit einem Verdichterrad 213 verbunden. Das Verdichterrad 213 ist angeordnet, um sich in einem Verdichtergehäuse 217 zu drehen.
Der Verdichter 136 umfasst einen Verdichter-Schaufellagerring 274, an dem Schaufeln 276 radial um das Verdichterrad 213 herum angeordnet sind. Die Schaufeln 276 stellen eine Fluidverbindung zwischen einer Verdichtereinlassbohrung 278, die das Verdichterrad 213 enthält, und einem Verdichter-Schneckendurchgang 280 her, der in dem Verdichtergehäuse 217 ausgebildet ist und in einer Verdichterauslassöffnung 282 endet. Schrauben 284 und kreisförmige Plattensegmente 286 verbinden das Verdichtergehäuse 217 mit einer Verdichter-Montageplatte 268.
Eine Umrissdarstellung des Verdichterrotors oder Verdichterrads 213 ist in einer Perspektive von vorne in 4 dargestellt, und in einer seitlichen Perspektive in 5. Eine teilweise Schnittansicht des Verdichterrads 213 ist in 6 dargestellt. Unter Bezugnahme auf diese Figuren umfasst das Verdichterrad 213 eine zentrale Nabe 302 mit einem freien Ende 304 und einem Verbindungsende 306, an dem das Verdichterrad 213 in die Welle 126 eingebunden sein kann (3). In der illustrierten Ausführungsform weist die zentrale Nabe 302 einen allgemein kreisförmigen Querschnitt auf, dessen Durchmesser sich wie in 6 dargestellt entlang einer Nabenmittellinie 307 nicht linear in einer Richtung von dem Verbindungsende 306 zu dem freien Ende 304 der zentralen Nabe 302 verringert.
Verschiedene Schaufeln 308 sind um die zentrale Nabe 302 herum und dieser entlang ausgebildet. Die Schaufeln 308 dienen dazu, Luft, die in den Verdichter eintreten, zu dem Verdichterauslass hin umzulenken, während sie die Luft auch verdichten. In der illustrierten Ausführungsform sind drei unterschiedliche Typen von Schaufeln 308 dargestellt, die an dem Verdichterrad 213 ausgebildet sind. Insbesondere umfasst das Verdichterrad 213 eine erste Vielzahl von Schaufeln 310, eine zweite Vielzahl von Schaufeln 312 und eine dritte Vielzahl von Schaufeln 314. Jede Schaufel in der ersten, zweiten und dritten Vielzahl von Schaufeln 310, 312 und 314 dient dazu, Luft zu dem Verdichterauslass umzuleiten und/oder Luftströme zu teilen, die über und um das Verdichterrad herum strömen, um die Verdichtereffizienz zu erhöhen.
Insbesondere ist jede der ersten Vielzahl von Schaufeln 310 eine Schaufel voller Größe im Vergleich zu den übrigen Schaufeln 308, was bedeutet, dass sich die Schaufel voller Größe sich von einem Fußbereich 316 der zentralen Nabe 302 bis zu einem Bereich benachbart zu dem freien Ende 304 erstreckt, wie in 5 dargestellt. Jede der ersten Vielzahl von Schaufeln 310 umfasst einen vorderen Rand 318, der nahe dem freien Ende 304 angeordnet ist und unter einem spitzen Winkel α in Bezug auf die Nabenmittellinie 307 von etwa 9,5 Grad rückwärts geneigt ist. Jeder vordere Rand 318 bildet eine Spitze 320. Die Spitzen 320 sind an einem ersten Abstand X1 von einem Fußdurchmesser 322 der zentralen Nabe 302 angeordnet, wie in 5 dargestellt. Die erste Vielzahl von Schaufeln 310 in dem Verdichterrad 213 umfasst sechs Schaufeln, wie in 4 und 5 veranschaulicht.
Jede der zweiten Vielzahl von Schaufeln 312, die als Halbschaufeln bezeichnet werden können, ist kürzer als eine Schaufel voller Größe, was bedeutet, dass jede der zweiten Vielzahl von Schaufeln 312 sich von dem Fußbereich 316 der zentralen Nabe 302 bis zu einem Bereich erstreckt, der näher an dem Fußdurchmesser 322 liegt als die vorderen Ränder 318 der ersten Vielzahl von Schaufeln 310. Jede der zweiten Vielzahl von Schaufeln 312 umfasst einen vorderen Rand 324, der eine Spitze 326 bildet, die an einem zweiten Abstand X2 von dem Fußdurchmesser 322 der zentralen Nabe 302 angeordnet ist, wie in 5 dargestellt. Die zweite Vielzahl von Schaufeln 312 in dem Verdichterrad 213 umfasst sechs Schaufeln, wie in 4 und 5 veranschaulicht.
Ähnlich wie die zweite Vielzahl von Schaufeln 312 ist jede der dritten Vielzahl von Schaufeln 314, die als eine Teilschaufel bezeichnet werden können, kürzer als eine Schaufel voller Größe, was bedeutet, dass jede der dritten Vielzahl von Schaufeln 314 sich von dem Fußbereich 316 der zentralen Nabe 302 bis zu einem Bereich erstreckt, der näher an dem Fußdurchmesser 322 liegt als die vorderen Ränder 318 der ersten Vielzahl von Schaufeln 310 und auch als die vorderen Ränder 324 der zweiten Vielzahl von Schaufeln 312. Jede der dritten Vielzahl von Schaufeln 314 umfasst einen vorderen Rand 328, der eine Spitze 330 bildet, die an einem dritten Abstand X3 von dem Fußdurchmesser 322 der zentralen Nabe 302 angeordnet ist, wie in 5 dargestellt. Die dritte Vielzahl von Schaufeln 314 in dem Verdichterrad 213 umfasst sechs Schaufeln, wie in 4 und 5 veranschaulicht.
Wie in 5 zu sehen ist, sind die erste, zweite und dritte Vielzahl von Schaufeln 310, 312 und 314 jeweils in Sätzen angeordnet, so dass jeder Satz eine Schaufel aus jeder der Vielzahlen von Schaufeln umfasst, insgesamt also 18 Schaufeln in der illustrierten Ausführungsform; es können jedoch auch andere Anordnungen mit unterschiedlichen Anzahlen von Sätzen aus jeweils 3 Schaufeln verwendet werden, zum Beispiel weniger oder mehr als 6, 9, 12, 15, 21, 24, usw., in Abhängigkeit von der Größe des Verdichterrads und anderen Konstruktionsüberlegungen.
Darüber hinaus können unterschiedliche Verhältnisse der Längen X1, X2 und X3 verwendet werden. In der veranschaulichten Ausführungsform ist X1 so ausgewählt, dass X1 etwa gleich 1,6-mal X2 und etwa 2,2-mal X3 ist. Anders ausgedrückt gilt für die illustrierte Ausführungsform X2 ^∼ 0,62*X1, oder 62 % von X1, es kann jedoch beliebig in dem Bereich zwischen 55 % und 70 % von X1 liegen. In ähnlicher Weise gilt für die illustrierte Ausführungsform X3 ^∼ 0,46*X1, oder 46 % von X1, es kann jedoch beliebig in dem Bereich zwischen 40 % und 55 % von X1 liegen. Auf Grundlage dieser Verhältnisse sollte klar sein, dass X2 ^∼ 1,36*X3, oder X3 ^∼ 0,73*X2, oder etwa 73 % von X2, es kann jedoch beliebig in dem Bereich zwischen 65 % und 80 % liegen.
Am Fuß des Rades sind die Schaufeln so angeordnet, dass in einer Drehrichtung R, wie in der Figur bezeichnet, einer Schaufel aus der ersten Vielzahl von Schaufeln 310 eine Schaufel aus der zweiten Vielzahl von Schaufeln 312 folgt, und dann diesen beiden eine Schaufel aus der dritten Vielzahl von Schaufeln 314 folgt, und zwar an jeder radialen Position des Verdichterrads 213, wenn sich das Verdichterrad 213 dreht. Nahe dem freien Ende 304 sind die Schaufeln jedoch anders angeordnet, so dass der führende Rand 328 einer Schaufel aus der dritten Vielzahl von Schaufeln 314 dem führenden Rand 318 einer Schaufel aus der ersten Vielzahl von Schaufeln 310 folgt, und dann der führende Rand 324 einer Schaufel aus der zweiten Vielzahl von Schaufeln 312 folgt.
Diese Anordnungen sind in 4 und 5 dargestellt. Unter Bezugnahme auf 5, wo ebenfalls die Drehrichtung R angegeben ist, ist ersichtlich, dass, wenn sich das Verdichterrad 213 von der Oberseite der Figur zum Boden hin dreht, für die sichtbaren Schaufeln eine Schaufel A der ersten Vielzahl von Schaufeln 310 einer Schaufel B der zweiten Vielzahl von Schaufeln 312 folgt, und die zwei Schaufeln A und B einer Schaufel C der dritten Vielzahl von Schaufeln 314 folgen. Somit kann die Reihenfolge der Schaufeln während der Drehung in Bezug auf den Fuß der Schaufeln als C - B - A bezeichnet werden, während sich das Verdichterrad 213 dreht. In Bezug auf die führenden Ränder ist in 4 zu sehen, dass dem führenden Rand der Schaufel A der führende Rand der Schaufel C folgt, und dann der führende Rand der Schaufel B folgt. Somit kann die Reihenfolge der Schaufeln in Bezug auf die führenden Ränder der Schaufeln während der Drehung nahe an dem freien Ende als A - C - B ausgedrückt werden. Durch die Unterschiede in der Reihenfolge, in der die verschiedenen Schaufelmerkmale auf die eingehende Luft treffen (die auf das Rad in der in 4 dargestellten Orientierung trifft und sich in der in 5 dargestellten Orientierung von links nach rechts bewegt), hat sich in vorteilhafter Weise und unerwartet gezeigt, dass die Verdichtereffizienz beträchtlich erhöht wird. Jede Schaufel 308 umfasst des Weiteren einen Seitenrand 332, der so gestaltet ist, dass er allgemein einem Profil des inneren Profils des Verdichtergehäuses 217 (3) folgt, mit einem vorbestimmten Spielraum, der minimiert werden kann, um die betriebliche Effizienz des Verdichters zu verbessern.
INDUSTRIELLE ANWENDBARKEIT
Die vorliegende Offenbarung ist auf einen Radialturbolader-Verdichter für Verbrennungsmotoren, kann aber auch auf andere Typen von Verdichtern mit drehenden Schaufeln angewendet werden. In den hierin gezeigten Ausführungsformen hat sich gezeigt, dass ein Verdichter mit einem Verdichterrad oder Laufrad mit drei separaten Schaufelsätzen mit unterschiedlichen Längen und Gestalten in unerwarteter Weise die Verdichter- und Turboladereffizienz zum Beispiel in Bezug auf das Druckverhältnis über den Verdichter und in Bezug auf die Temperaturentropieeffizienz erhöht.
Ein qualitatives Diagramm, das zwei Druckverhältnis-Kennfelder für einen Vergleichs-Verdichter und einen Verdichter mit einem Verdichterrad in Übereinstimmung mit der vorliegenden Offenbarung zeigt, ist in 7 dargestellt. Im Allgemeinen ist das Druckverhältnis für einen Verdichter definiert als ein Verhältnis des absoluten Fluiddrucks an dem Auslass des Verdichters zu dem absoluten Fluiddruck an dem Einlass des Verdichters. In dem Graph von 7 ist das Druckverhältnis sowohl für den Vergleichs- als auch den verbesserten Verdichter in Übereinstimmung mit der Offenbarung entlang der vertikalen Achse 402 aufgetragen, und eine korrigierte Fluidströmung durch den Verdichter als ein Prozentsatz einer maximalen Strömung ist entlang der horizontalen Achse 404 aufgetragen. Der Graph zeigt zwei Gruppen von Kurven, die Betriebspunkte darstellen, wobei eine Vergleichskurve 406, die einen Vergleichsverdichter darstellt, in durchgezogenen Linien dargestellt ist, und eine verbesserte Kurve 408, die den Verdichter in Übereinstimmung mit der Offenbarung darstellt, in unterbrochenen Linien dargestellt ist. Wie aus dem Graph in 7 zu ersehen ist, kann die verbesserte Verdichterleistung, die durch die Kurven 408 dargestellt wird, ein konsistent um zwischen 5 % und 15 % höheres Druckverhältnis im Vergleich zu dem durch die Kurven 406 dargestellten Vergleichsverdichter erreichen.
Ein qualitatives Diagramm, dass die Verdichtereffizienz für einen Vergleichsverdichter und den Verdichter mit einem Verdichterrad in Übereinstimmung mit der vorliegenden Offenbarung zeigt, ist in 8 dargestellt. Im Allgemeinen kann die Verdichtereffizienz als das Verhältnis der Arbeitsausgabe eines idealen isentropischen Verdichtungsverfahrens und dem Arbeitseingang betrachtet werden, der erforderlich um ein bestimmtes Druckverhältnis über den Verdichtereinlass und -auslass zu entwickeln. In dem Graph von 8 sind die Verdichtereffizienzen, ausgedrückt als ein Prozentsatz einer maximalen ausgewählten Energieeffizienz, zum Beispiel 85 %, für den Vergleichs- und den verbesserten Verdichter in Übereinstimmung mit der Offenbarung entlang der vertikalen Achse 410 aufgetragen, und eine korrigierte Fluidströmung durch den Verdichter, als ein Prozentsatz einer maximalen Strömung, ist entlang der horizontalen Achse 412 aufgetragen. Der Graph zeigt zwei Gruppen von Kurven, die Betriebspunkte darstellen, wobei eine Gruppe von Vergleichskurven 414 die verschiedenen Effizienzkurven für den Vergleichsverdichter in Bezug auf den korrigierten Massendurchsatz darstellen und in durchgezogenen Linien dargestellt sind.
Die zweite Gruppe von Kurven 416, die in unterbrochenen Linien dargestellt sind, stellt die Leistungskurven in Bezug auf den korrigierten Massendurchsatz des Verdichters in Übereinstimmung mit der Offenbarung dar. Wie in dem Graph in 8 dargestellt, beginnt die Spitzeneffizienz des Vergleichsverdichters über einem korrigierten Massendurchsatz von etwa 55 % von einer Effizienz von etwa 95 % der ausgewählten Effizienzgrundlinie bis zu einer Effizienz von etwa 85 % zu fallen, bei einer korrigierten Strömung von etwa 80 % der maximalen Strömung. Im Gegensatz dazu wird die Spitzeneffizienz des verbesserten Verdichters über 95 % der ausgewählten Vergleichseffizienz bei etwa 80 % durch einen korrigierten Massendurchsatz von etwa 80 % gehalten, und fällt auf etwa 90 % der ausgewählten Effizienz über 90 % der maximalen Strömung.
Es versteht sich, dass die vorstehende Beschreibung nur Beispiele des offenbarten Systems bzw. der offenbarten Technik bietet. Es wird jedoch in Betracht gezogen, dass andere Implementierungen der Offenbarung sich im Detail von den vorstehenden Beispielen unterscheiden können. Alle Verweise auf die Offenbarung oder deren Beispiele sind als Verweis auf das speziell an dieser Stelle besprochene Beispiel zu verstehen und stellen keine Begrenzung des Umfangs der Offenbarung im Allgemeinen dar. Alle Formulierungen einer Unterscheidung und einer Herabsetzung bezüglich bestimmter Merkmale sollen eine geringere Bevorzugung dieser Merkmale angeben, diese jedoch nicht vom Bereich der Offenbarung ausschließen, falls nichts Anderes angegeben ist.
Die Erwähnung von Wertebereichen soll hier nur als ein abgekürztes Verfahren dazu dienen, einzeln jeden getrennten Wert zu nennen, der in den Bereich fällt, außer wenn dies in anderer Weise hier angezeigt wird, und jeder getrennte Wert wird in die Beschreibung mit eingeschlossen, genauso wie wenn er einzeln hier genannt worden wäre. Alle hier beschriebenen Verfahren können in beliebiger geeigneter Reihenfolge durchgeführt werden, falls hier nichts Anderes angegeben ist oder es zum konkreten Zusammenhang nicht in einem klaren Widerspruch steht.
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

DE 102009007843 A1 [0005]

Claims

Turbolader (119) zur Verwendung mit einem Verbrennungsmotor (100), der Folgendes umfasst: ein Gehäuse (122) für eine Turbine (122), das ein drehbares Turbinenrad umgibt, das mit einer Welle (126) verbunden ist; ein zentrales Gehäuse (122), das eine Lageranordnung umfasst, die drehbar die Welle (126) lagert, wobei die Welle (126) sich durch das zentrale Gehäuse (122) erstreckt; ein Verdichtergehäuse (217), das ein Ende der Welle (126) umgibt; und ein Verdichterrad (213), das mit dem Ende der Welle (126) verbunden ist und drehbar innerhalb des Verdichtergehäuses (217) angeordnet ist, wobei das Verdichterrad (213) umfasst: eine zentrale Nabe (302) mit einer Mittellinie, einem Fußabschnitt (316) und einem Endabschnitt (304), wobei der Fußabschnitt zu einer Verbindung zwischen dem Verdichterrad (213) und dem Ende der Welle (126) benachbart ist; eine erste Vielzahl von Schaufeln (310), die um die zentrale Nabe (302) herum ausgebildet ist, wobei jede der ersten Vielzahl von Schaufeln sich von dem Fußabschnitt bis zu einem ersten Bereich (X1) benachbart zu dem Endabschnitt entlang der Mittellinie erstreckt; eine zweite Vielzahl von Schaufeln (312), die um die zentrale Nabe (302) herum ausgebildet ist, wobei jede der zweiten Vielzahl von Schaufeln zwischen benachbarten Schaufeln aus der ersten Vielzahl von Schaufeln angeordnet ist und sich von dem Fußabschnitt der Nabe bis zu einem zweiten Bereich (X2) entlang der Mittellinie (307) erstreckt, der kürzer als der erste Bereich (X1) in Bezug auf die Mittellinie ist; und eine dritte Vielzahl von Schaufeln (314), die um die zentrale Nabe (302) herum ausgebildet ist, wobei jede der dritten Vielzahl von Schaufeln entlang der zentralen Nabe (302) zwischen benachbarten Schaufeln aus der ersten Vielzahl von Schaufeln (310) und aus der zweiten Vielzahl von Schaufeln (312)angeordnet ist, wobei jede der dritten Vielzahl von Schaufeln (314) sich von dem Fußabschnitt der zentralen Nabe bis zu einem dritten Bereich (X3) entlang der Mittellinie erstreckt, der kürzer als der zweite Bereich (X2) in Bezug auf die Mittellinie ist; wobei ein Verdichterrad (213) eine Vielzahl von Schaufelsätzen (308) umfasst, wobei jeder Schaufelsatz (308) eine Schaufel aus jeder der ersten, zweiten und dritten Vielzahl von Schaufeln (310, 312, 314) umfasst, in einer solchen Reihenfolge angeordnet, dass an jeder radialen Position um das Verdichterrad (213) herum während des Betriebs einer Schaufel aus der ersten Vielzahl von Schaufeln (310) eine Schaufel aus der zweiten Vielzahl von Schaufeln (312) folgt, und einer Schaufel aus der zweiten Vielzahl von Schaufeln (312) eine Schaufel aus der dritten Vielzahl von Schaufeln (314) folgt.
Turbolader (119) nach Anspruch 1, wobei die zentrale Nabe (302) einen allgemein kreisförmigen Querschnitt mit einem variierenden Durchmesser aufweist, wobei sich der Durchmesser nicht linear in einer Richtung von dem Fußende zu dem Endabschnitt hin verringert.
Turbolader (119) nach Anspruch 1, wobei jede Schaufel in der ersten, zweiten und dritten Vielzahl von Schaufeln dazu dient, Luft zu einem Verdichterauslass (128) hin umzuleiten, der in dem Verdichtergehäuse (217) ausgebildet ist.
Turbolader (119) nach Anspruch 3, wobei jede Schaufel in der ersten, zweiten und dritten Vielzahl von Schaufeln des Weiteren dazu dient, die Luftströme zu teilen, die über und um das Verdichterrad (213) herum strömen, um die Verdichtereffizienz zu erhöhen.
Turbolader (1) nach Anspruch 2, wobei jede der ersten Vielzahl von Schaufeln einen ersten führenden Rand (318) aufweist, der nahe dem Endabschnitt angeordnet ist.
Turbolader (1) nach Anspruch 2, wobei der führende Rand (318) jeder der ersten Vielzahl von Schaufeln (310) zu dem Fußabschnitt hin zurückgeneigt ist.
Turbolader (119) nach Anspruch 6, wobei der führende Rand (318) jeder der ersten Vielzahl von Schaufeln sich unter einem spitzen Winkel α in Bezug auf die Mittellinie erstreckt.
Turbolader (119) nach Anspruch 7, wobei der Winkel α etwa 9,5 Grad beträgt.
Turbolader (119) nach Anspruch 5, wobei jede der ersten Vielzahl von Schaufeln (310) eine erste Spitze (320) an einem radial äußeren Ende des jeweiligen ersten führenden Rands (318) bildet, wobei die ersten Spitzen (320) der ersten Vielzahl von Schaufeln (310) axial relativ zu der Mittellinie ausgerichtet und an einem ersten Abstand X1 in Bezug auf einen Fußdurchmesser (322) der zentralen Nabe (302) angeordnet sind; wobei jede der zweiten Vielzahl von Schaufeln (310) einen zweiten führenden Rand (324) umfasst, der eine zweite Spitze (326) bildet, wobei die zweiten Spitzen (326) axial relativ zu der Mittellinie ausgerichtet und an einem zweiten Abstand X2 in Bezug auf den Fußdurchmesser (322) der zentralen Nabe (302) angeordnet sind; und wobei jede der dritten Vielzahl von Schaufeln (314) einen dritten führenden Rand (328) umfasst, der eine dritte Spitze (330) bildet, wobei die dritten Spitzen (330) axial relativ zu der Mittellinie ausgerichtet und an einem dritten Abstand X3 in Bezug auf den Fußdurchmesser (322) der zentralen Nabe (302) angeordnet sind.
Turbolader (119) nach Anspruch 9, wobei X2 zwischen 55 % und 70 % von X1 ist, X3 zwischen 40 % und 55 % von X1 ist und X3 zwischen 65 % und 80 % von X2 ist.