DE112019006866T5

DE112019006866T5 - Zentrifugalverdichter und turbolader

Info

Publication number: DE112019006866T5
Application number: DE112019006866.0T
Authority: DE
Inventors: Kenichiro Iwakiri; Isao Tomita; Masaki TOJO; Takashi Yoshimoto
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Engine and Turbocharger Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Engine and Turbocharger Ltd
Priority date: 2019-03-19
Filing date: 2019-03-19
Publication date: 2021-11-25
Also published as: CN113574281B; WO2020188770A1; US11976667B2; JP7351903B2; US20220154729A1; JPWO2020188770A1; CN113574281A

Abstract

Ein Zentrifugalverdichter umfasst: ein Laufrad; ein Ansaugrohrabschnitt, der einen Eintrittsbereich bildet, um dem Laufrad Luft zuzuführen; und einen Drosselmechanismus, der geeignet ist, eine Strömungsdurchgangsfläche des Eintrittsbereichs stromaufwärts des Laufrads zu verkleinern. Der Drosselmechanismus enthält einen ringförmigen Bereich, der so konfiguriert ist, dass er sich zwischen einer ersten Position und einer zweiten Position stromaufwärts der ersten Position in einer axialen Richtung des Laufrads bewegt. In einem Querschnitt entlang einer Rotationsachse des Laufrads ist eine äußere Umfangsfläche des ringförmigen Bereichs so ausgebildet, dass sie eine Vorderkante und eine Hinterkante des ringförmigen Bereichs gleichmäßig verbindet.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf einen Zentrifugalverdichter und einen Turbolader.
TECHNISCHER HINTERGRUND
In den letzten Jahren wurde zur Erweiterung des Betriebsbereichs und zur Verbesserung der Effizienz am Betriebspunkt auf der Seite des niedrigen Durchflusses (nahe dem Pumppunkt) eines Zentrifugalverdichters vorgeschlagen, einen Drosselmechanismus (einlassvariabler Mechanismus) am Ansaugrohrabschnitt des Zentrifugalverdichters zu installieren, wie beispielsweise in Patentdokument 1 beschrieben.
Im Betriebspunkt des Zentrifugalverdichters mit geringem Volumenstrom kommt es an der Kopfseite der Laufradschaufeln zu einer Rückströmung. Der in Patentdokument 1 beschriebene Drosselmechanismus weist einen ringförmigen Bereich auf, der im Eintrittsbereich angeordnet ist, um die Rückströmung zu unterdrücken, und verkleinert den Strömungsdurchgangsbereich des Eintrittsbereichs, indem er einen äußeren Umfangsbereich des Eintrittsbereichs blockiert, der der Spitzenseite der Laufradschaufeln entspricht. Wenn der Durchflussbereich des Eintrittskanals verkleinert wird, obwohl die Spitzeneffizienz aufgrund des verringerten Bereichs verkleinert ist, ist es möglich, die Pumpstromrate zu verringern und die Effizienz in der Nähe des Pumppunkts zu verbessern. Mit anderen Worten: Durch eine variable Regelung, bei der die Durchflussfläche des Eintrittsbereichs während des Betriebs auf der Seite des hohen Durchflusses vergrößert und die Durchflussfläche des Eintrittsbereichs während des Betriebs auf der Seite des niedrigen Durchflusses verkleinert wird, ist es möglich, einen großen Bereich und eine verbesserte Effizienz am Betriebspunkt auf der Seite des niedrigen Durchflusses zu erreichen. Dies bedeutet, dass die Höhe der Laufradschaufeln abgesenkt (getrimmt) wird, um sie künstlich an den Betriebspunkt mit geringem Volumenstrom anzupassen, was als variabler Einlassverdichter (VIC) oder variabler Trimmverdichter (VTC) bezeichnet wird.
Zitierliste
Patentliteratur
Patentdokument 1: US9777640B
ZUSAMMENFASSUNG
Zu lösende Probleme
Das Patentdokument 1 offenbart als einen Drosselmechanismus ein System zum Einstellen des Strömungsdurchgangsbereichs des Eintrittsbereichs durch Bewegen des ringförmigen Bereichs zwischen der ersten Position und der zweiten Position stromaufwärts der ersten Position in axialer Richtung des Laufrads.
Bei dem im Patentdokument 1 beschriebenen Drosselmechanismus weist jedoch der äußere Umfangsbereich des ringförmigen Bereichs in einem Querschnitt entlang der Drehachse des Laufrads eine polygonale Form auf (Form mit diskontinuierlicher Änderung der Krümmung). Dementsprechend wird, wenn Luft entlang des ringförmigen Bereichs strömt, die Strömung auf der äußeren Umfangsfläche des ringförmigen Bereichs abgelöst, und die Ablösung verursacht eine Verringerung der Effizienz des Zentrifugalverdichters.
In Anbetracht der obigen Ausführungen besteht ein Ziel mindestens einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darin, einen Zentrifugalverdichter bereitzustellen, der die Effizienz im Betriebspunkt mit niedriger Durchflussrate verbessern kann, sowie einen Turbolader, der denselben enthält.
Lösung der Probleme
(1) Ein Zentrifugalverdichter gemäß mindestens einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst: ein Laufrad; ein Ansaugrohrabschnitt, der einen Eintrittsbereich bildet, um Luft in das Laufrad einzuleiten; und einen Drosselmechanismus, der geeignet ist, eine Strömungsdurchgangsfläche des Eintrittsbereichs stromaufwärts des Laufrads zu verkleinern. Der Drosselmechanismus enthält einen ringförmigen Bereich, der so konfiguriert ist, dass er sich zwischen einer ersten Position und einer zweiten Position stromaufwärts der ersten Position in einer axialen Richtung des Laufrads bewegt. In einem Querschnitt entlang einer Rotationsachse des Laufrads ist eine äußere Umfangsfläche des ringförmigen Bereichs so ausgebildet, dass sie eine Vorderkante und eine Hinterkante des ringförmigen Bereichs gleichmäßig verbindet.
Bei dem oben (1) beschriebenen Zentrifugalverdichter ist es möglich, durch Verkleinern der Strömungsdurchgangsfläche des Eintrittsbereichs durch den Drosselmechanismus stromaufwärts des Laufrads die Effizienz im Betriebspunkt mit niedriger Durchflussrate zu verbessern. Da die äußere Umfangsfläche des ringförmigen Bereichs so ausgebildet ist, dass sie die Vorderkante und die Hinterkante des ringförmigen Bereichs gleichmäßig verbindet, ist es außerdem möglich, die Ablösung der Strömung an der äußeren Umfangsfläche des ringförmigen Bereichs zu unterdrücken, wenn die Luft entlang des ringförmigen Bereichs strömt. Auf diese Weise ist es möglich, eine hohe Effizienz im Betriebspunkt mit niedriger Durchflussrate zu erreichen.
(2) In einigen Ausführungsformen nimmt bei dem oben unter (1) beschriebenen Zentrifugalverdichter die Dicke eines Vorderkantenbereichs des ringförmigen Abschnitts stromaufwärts in axialer Richtung ab.
Mit dem oben (2) beschriebenen Zentrifugalverdichter kann der Anstieg des Druckverlusts aufgrund der auf den Vorderkantenbereich des ringförmigen Bereichs auftreffenden Strömung unterdrückt werden.
(3) In einigen Ausführungsformen nimmt bei dem oben in (1) oder (2) beschriebenen Zentrifugalverdichter eine Dicke eines Hinterkanten-Bereichs des ringförmigen Bereichs stromabwärts in axialer Richtung ab.
Mit dem oben (3) beschriebenen Zentrifugalverdichter kann der Anstieg des Druckverlustes, der auf der Rückseite des Hinterkanten-Bereichs des ringförmigen Bereichs verursacht wird, unterdrückt werden.
(4) In einigen Ausführungsformen ändert sich bei dem in einem der obigen Punkte (1) bis (3) beschriebenen Zentrifugalverdichter eine Dicke des ringförmigen Bereichs gleichmäßig von der Vorderkante zur Hinterkante des ringförmigen Bereichs.
Bei dem oben unter (4) beschriebenen Zentrifugalverdichter kann die Strömung gleichmäßig entlang des ringförmigen Bereichs von der Vorderkante zur Hinterkante des ringförmigen Bereichs geleitet werden.
(5) In einigen Ausführungsformen enthält bei dem in einem der obigen Punkte (1) bis (4) beschriebenen Zentrifugalverdichter der äußere Umfangsbereich des ringförmigen Abschnitts in einem Querschnitt entlang der Rotationsachse des Laufrads eine konvexe Krümmung.
Da bei dem oben unter (5) beschriebenen Zentrifugalverdichter die äußere Umfangsfläche des ringförmigen Bereichs eine konvexe Krümmung enthält, fungiert der ringförmige Bereich als Leitschaufel, die die Strömung entlang der äußeren Umfangsfläche in radialer Richtung nach innen (auf der Laufradseite) umlenkt, so dass der Anstieg des Druckverlusts aufgrund des ringförmigen Bereichs unterdrückt werden kann.
(6) In einigen Ausführungsformen weist bei dem in einem der vorstehenden Punkte (1) bis (5) beschriebenen Zentrifugalverdichter der ringförmige Bereich in einem Querschnitt entlang der Rotationsachse des Laufrads ein Flügelprofil auf.
Bei dem oben unter (6) beschriebenen Zentrifugalverdichter kann, da der ringförmige Bereich in einem Querschnitt entlang der Rotationsachse des Laufrads ein Flügelprofil aufweist, der Anstieg des Druckverlusts aufgrund des ringförmigen Bereichs unterdrückt werden. Da die äußere Umfangsfläche des ringförmigen Bereichs in einem Querschnitt entlang der Rotationsachse des Laufrads eine konvexe Krümmung enthält, fungiert der ringförmige Bereich außerdem als Leitschaufel, die die Strömung entlang der äußeren Umfangsfläche in radialer Richtung nach innen (auf der Laufradseite) ablenkt, so dass der Anstieg des Druckverlusts aufgrund des ringförmigen Bereichs unterdrückt werden kann.
(7) In einigen Ausführungsformen ist bei dem in einem der vorstehenden Punkte (1) bis (6) beschriebenen Zentrifugalverdichter in einem Querschnitt entlang der Rotationsachse des Laufrads eine Dicke des ringförmigen Bereichs an einer Position maximal, die X/D<o,6 genügt, wobei X ein Abstand von der Vorderkante entlang einer geraden Linie ist, die die Vorderkante und die Hinterkante des ringförmigen Bereichs verbindet, und D ein Abstand zwischen der Vorderkante und der Hinterkante ist.
Bei dem oben (7) beschriebenen Zentrifugalverdichter kann im Vergleich zu der in Patentdokument 1 beschriebenen Konfiguration, bei der die Dicke des ringförmigen Bereichs in der Nähe der Hinterkante des ringförmigen Bereichs maximal ist, die Erzeugung von Strömungsturbulenzen (Nachlauf) nach dem Durchgang durch den ringförmigen Bereich unterdrückt werden. Infolgedessen ist es möglich, die Verringerung der Leistung des Laufrads aufgrund der in das Laufrad einströmenden Nachlaufströmung zu unterdrücken.
(8) In einigen Ausführungsformen ist bei dem in einem der vorstehenden Punkte (1) bis (7) beschriebenen Zentrifugalverdichter in einem Querschnitt entlang der Rotationsachse des Laufrades eine gerade Linie, die die Vorderkante und die Hinterkante des ringförmigen Bereichs verbindet, in radialer Richtung des Laufrades nach außen geneigt, während sie in axialer Richtung stromaufwärts verläuft.
Um den Effekt der Effizienzverbesserung bei dem Betriebspunkt mit niedriger Durchflussrate durch den Drosselmechanismus zu erhöhen, ist es wünschenswert, eine bestimmte Verengung der Strömungsdurchgangsfläche des Eintrittsbereichs sicherzustellen. Wenn der Verengungsbetrag durch den Drosselmechanismus erhöht wird, indem einfach die Dicke des ringförmigen Bereichs (Dicke in der Richtung senkrecht zu der geraden Linie, die die Vorderkante und die Hinterkante des ringförmigen Bereichs verbindet) erhöht wird, steigt der Druckverlust, wenn Luft durch den ringförmigen Bereich strömt, wenn die Dicke des ringförmigen Bereichs zunimmt.
Da jedoch in dem oben beschriebenen Zentrifugalverdichter (8) die gerade Linie, die die Vorderkante und die Hinterkante des ringförmigen Bereichs verbindet, in radialer Richtung nach außen geneigt ist, während sie in axialer Richtung stromaufwärts verläuft, kann der Einschnürungsbetrag durch den Drosselmechanismus erhöht werden, während die Zunahme der Dicke des ringförmigen Bereichs unterdrückt wird. Dementsprechend ist es möglich, die Effizienz im Betriebspunkt mit geringer Durchflussrate effizient zu erhöhen und gleichzeitig den Anstieg des Druckverlusts aufgrund der Dicke des ringförmigen Bereichs zu unterdrücken. Ferner kann der Anstieg des Druckverlustes auch dadurch unterdrückt werden, dass der Luftstrom entlang der geneigten Fläche gleichmäßig zur stromabwärtigen Seite des ringförmigen Bereichs geleitet werden kann.
(9) In einigen Ausführungsformen enthält bei dem oben unter (8) beschriebenen Zentrifugalverdichter eine innere Umfangsfläche des Ansaugrohrabschnitts eine geneigte Fläche, die so geneigt ist, dass ein Innendurchmesser des Ansaugrohrabschnitts stromaufwärts in axialer Richtung zunimmt. In einem Querschnitt entlang der Rotationsachse des Laufrads ist ein Winkel zwischen der geraden Linie und der axialen Richtung kleiner als ein Winkel zwischen der geneigten Fläche und der axialen Richtung.
Wenn sich der ringförmige Bereich in der zweiten Position befindet, ist der Winkel zwischen der Stromlinie in der Nähe des ringförmigen Bereichs und der axialen Richtung kleiner als der Winkel zwischen der geneigten Fläche und der axialen Richtung, da der ringförmige Bereich von der geneigten Fläche nach innen in der radialen Richtung getrennt ist. Wenn daher der Winkel zwischen der geraden Linie, die die Vorderkante und die Hinterkante des ringförmigen Bereichs verbindet, und der axialen Richtung kleiner ist als der Winkel zwischen der geneigten Fläche und der axialen Richtung, wie oben beschrieben, kann die Luft gleichmäßig in Richtung des Laufrads entlang des ringförmigen Bereichs geleitet werden, und der Druckverlust aufgrund des ringförmigen Bereichs kann effektiv verkleinert werden.
(10) In einigen Ausführungsformen ist in dem Zentrifugalverdichter, der in einem der vorstehenden Punkte (1) bis (9) beschrieben ist, in einem Querschnitt entlang der Rotationsachse des Laufrads, wenn CL eine Mittellinie ist, die die Vorderkante und die Hinterkante des ringförmigen Bereichs verbindet und durch eine Mittelposition in einer Dickenrichtung des ringförmigen Bereichs verläuft, ein Winkel zwischen der Mittellinie CL und der axialen Richtung an einer Position der Hinterkante größer als ein Winkel zwischen der Mittellinie CL und der axialen Richtung an einer Position der Vorderkante.
Um den Anstieg des Druckverlusts aufgrund des ringförmigen Bereichs zu unterdrücken, ist es wünschenswert, dass der Vorderkanten-Bereich des ringförmigen Bereichs stromaufwärts des stromaufwärtigen Endes der geneigten Fläche angeordnet ist, wenn sich der ringförmige Bereich in der zweiten Position befindet. In diesem Fall sind die Stromlinien um den ringförmigen Bereich in der Nähe der Vorderkante des ringförmigen Bereichs in axialer Richtung und in der Nähe der Hinterkante des ringförmigen Bereichs in radialer Richtung gerichtet. Daher kann, wie oben (10) beschrieben, wenn der Winkel zwischen der Mittellinie CL und der axialen Richtung an der Position der Hinterkante des ringförmigen Bereichs größer ist als der Winkel zwischen der Mittellinie CL und der axialen Richtung an der Position der Vorderkante des ringförmigen Bereichs, die Form des ringförmigen Bereichs an die Änderung der Krümmung der Stromlinien angepasst werden, und der Anstieg des Druckverlusts aufgrund des ringförmigen Bereichs kann unterdrückt werden.
(11) In einigen Ausführungsformen enthält bei dem oben (10) beschriebenen Zentrifugalverdichter eine innere Umfangsfläche des Ansaugrohrabschnitts eine geneigte Fläche, die so geneigt ist, dass ein Innendurchmesser des Ansaugrohrabschnitts stromaufwärts in der axialen Richtung zunimmt. In einem Querschnitt entlang der Rotationsachse des Laufrads ist der Winkel zwischen der Mittellinie CL und der axialen Richtung an der Position der Hinterkante kleiner als ein Winkel zwischen der geneigten Fläche und der axialen Richtung.
Wenn sich der ringförmige Bereich in der zweiten Position befindet und von der geneigten Fläche nach innen in der radialen Richtung getrennt ist, ist der Winkel zwischen der Stromlinie nahe der Hinterkante des ringförmigen Bereichs und der axialen Richtung kleiner als der Winkel zwischen der geneigten Fläche und der axialen Richtung. Wenn also der Winkel zwischen der Mittellinie CL und der axialen Richtung an der Position der Hinterkante kleiner ist als der Winkel zwischen der geneigten Fläche und der axialen Richtung, kann der Anstieg des Druckverlusts in der Nähe der Hinterkante des ringförmigen Bereichs unterdrückt werden.
(12) In einigen Ausführungsformen verbindet die Mittellinie CL bei dem oben in (10) oder (11) beschriebenen Zentrifugalverdichter gleichmäßig die Vorderkante und die Hinterkante.
Bei dem oben (12) beschriebenen Zentrifugalverdichter kann die Luft gleichmäßig entlang des ringförmigen Bereichs zum Laufrad geleitet werden.
(13) In einigen Ausführungsformen enthält eine innere Umfangsfläche des Ansaugrohrabschnitts bei dem in einem der obigen Punkte (1) bis (12) beschriebenen Zentrifugalverdichter eine konkav gekrümmte Oberfläche, die so ausgebildet ist, dass sie der äußeren Umfangsfläche des ringförmigen Bereichs zugewandt ist, wenn sich der ringförmige Bereich in der zweiten Position befindet.
Bei dem oben (13) beschriebenen Zentrifugalverdichter kann eine konkav gekrümmte Oberfläche an der inneren Umfangsfläche des Ansaugrohrabschnitts so ausgebildet sein, dass die Strömungsdurchgangsfläche des Eintrittsbereichs keinen Mindestwert aufweist, und eine Konfiguration, bei der keine Verengung zwischen der inneren Umfangsfläche des Ansaugrohrabschnitts und der äußeren Umfangsfläche des ringförmigen Abschnitts ausgebildet ist, kann erreicht werden, so dass der Anstieg des Druckverlusts effektiv unterdrückt werden kann.
(14) In einigen Ausführungsformen ist bei dem oben (13) beschriebenen Zentrifugalverdichter die konkav gekrümmte Oberfläche so ausgebildet, dass eine Strömungsdurchgangsfläche des Eintrittsbereichs keinen Mindestwert in einem Existenzbereich des ringförmigen Abschnitts in der axialen Richtung aufweist, wenn sich der ringförmige Abschnitt in der zweiten Position befindet.
Mit dem oben beschriebenen Zentrifugalverdichter (14) kann eine Konfiguration erreicht werden, bei der keine Verengung zwischen der inneren Umfangsfläche des Ansaugrohrabschnitts und der äußeren Umfangsfläche des ringförmigen Abschnitts gebildet wird, so dass der Anstieg des Druckverlusts effektiv unterdrückt werden kann.
(15) Ein Turbolader gemäß mindestens einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst einen Zentrifugalverdichter, wie er in einem der obigen (1) bis (14) beschrieben ist.
Mit dem wie oben (15) beschriebenen Zentrifugalverdichter, da der Zentrifugalverdichter, beschrieben nach einem der obigen (1) bis (14), enthalten ist, ist es möglich, die Trennung der Strömung auf der äußeren Umfangsfläche zu unterdrücken, wenn der ringförmige Bereich in der zweiten Position ist. Auf diese Weise ist es möglich, die Verringerung der Effizienz des Zentrifugalverdichters zu unterdrücken.
Vorteilhafte Effekte
Mindestens eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sieht einen Zentrifugalverdichter vor, der die Effizienz im Betriebspunkt mit niedriger Durchflussrate verbessern kann, sowie einen Turbolader, der denselben enthält.
Figurenliste

1 ist eine schematische Querschnittsansicht eines Zentrifugalverdichters 4 eines Turboladers 2 gemäß einer Ausführungsform.
2 ist ein Diagramm, das die Schaufeldickenverteilung des in 1 dargestellten ringförmigen Bereichs 30 zeigt.
3 ist eine schematische Querschnittsansicht des Zentrifugalverdichters 4 des Turboladers 2 gemäß einer anderen Ausführungsform.
4 ist ein Diagramm, das die Schaufeldickenverteilung des in 3 dargestellten ringförmigen Bereichs 30 zeigt.
5A ist ein Diagramm, das ein weiteres Beispiel für die Form des ringförmigen Bereichs 30 in einem Querschnitt entlang der Rotationsachse des Laufrads 8 zeigt.
5B ist ein Diagramm, das ein weiteres Beispiel für die Form des ringförmigen Bereichs 30 in einem Querschnitt entlang der Rotationsachse des Laufrads 8 zeigt.
5C ist ein Diagramm, das ein weiteres Beispiel für die Form des ringförmigen Bereichs 30 in einem Querschnitt entlang der Rotationsachse des Laufrads 8 zeigt.
5D ist ein Diagramm, das ein weiteres Beispiel für die Form des ringförmigen Bereichs 30 in einem Querschnitt entlang der Rotationsachse des Laufrads 8 zeigt.
6 ist eine schematische Querschnittsansicht des Zentrifugalverdichters 4 des Turboladers 2 gemäß einer anderen Ausführungsform.
7 ist eine schematische Querschnittsansicht des Zentrifugalverdichters 4 des Turboladers 2 gemäß einer anderen Ausführungsform.
8 ist eine schematische Querschnittsansicht des Zentrifugalverdichters 4 des Turboladers 2 gemäß einer anderen Ausführungsform.
9 ist eine schematische Querschnittsansicht des Zentrifugalverdichters 4 des Turboladers 2 gemäß einer anderen Ausführungsform.
10 ist eine schematische Querschnittsansicht des Zentrifugalverdichters 4 des Turboladers 2 gemäß einer anderen Ausführungsform.
11 ist eine schematische Querschnittsansicht des Zentrifugalverdichters 4 des Turboladers 2 gemäß einer anderen Ausführungsform.
12 ist eine schematische Querschnittsansicht des Zentrifugalverdichters 4 des Turboladers 2 gemäß einer anderen Ausführungsform.
13 ist ein Diagramm zur Verteilung der Strömungsdurchgangsfläche, das eine Beziehung zwischen der Strömungsdurchgangsfläche des Eintrittsbereichs 24 und der axialen Position in dem in 12 dargestellten Zentrifugalverdichter 4 zeigt.
14 ist eine schematische Querschnittsansicht des Zentrifugalverdichters 4 des Turboladers 2 gemäß einer anderen Ausführungsform.
15 ist ein Diagramm zur Verteilung der Strömungsdurchgangsfläche, das die Beziehung zwischen der in 14 dargestellten axialen Position im Zentrifugalverdichter 4 und der Strömungsdurchgangsfläche des Eintrittsbereichs 24 zeigt.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nun unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen im Detail beschrieben. Es ist jedoch beabsichtigt, dass Abmessungen, Materialien, Formen, relative Positionen und dergleichen von Komponenten, die in den Ausführungsformen beschrieben werden, nur als illustrativ zu verstehen sind und nicht dazu dienen, den Umfang der vorliegenden Erfindung einzuschränken, sofern sie nicht besonders gekennzeichnet sind.
So ist z. B. der Ausdruck „relative oder absolute Anordnung“ wie „in einer Richtung“, „entlang einer Richtung“, „parallel“, „orthogonal“, „zentriert“, „konzentrisch“ und „koaxial“ nicht so auszulegen, dass er nur die Anordnung im strengen Wortsinn bezeichnet, sondern auch einen Zustand enthält, in dem die Anordnung um eine Toleranz oder um einen Winkel oder einen Abstand relativ verschoben ist, wodurch es möglich ist, die gleiche Funktion zu erreichen.
So ist z. B. der Ausdruck „dasselbe“, „gleich“ und „einheitlich“ nicht so zu verstehen, dass er nur den Zustand angibt, in dem das Merkmal strikt gleich ist, sondern er enthält auch einen Zustand, in dem eine Toleranz oder ein Unterschied besteht, durch den dennoch dieselbe Funktion erreicht werden kann.
Darüber hinaus ist z. B. der Ausdruck „Form“, wie z. B. eine rechteckige oder zylindrische Form, nicht so auszulegen, dass er nur die geometrisch strenge Form bezeichnet, sondern auch eine Form mit Unebenheiten oder abgeschrägten Ecken innerhalb des Bereichs enthält, in dem derselbe Effekt erzielt werden kann.
Andererseits sind Ausdrücke wie „umfassen“, „enthalten‟, „aufweisen“, „beinhalten“ und „bilden“ nicht so zu verstehen, dass sie andere Bestandteile ausschließen.
1 ist eine schematische Querschnittsansicht eines Zentrifugalverdichters 4 eines Turboladers 2 gemäß einer Ausführungsform. Der Zentrifugalverdichter 4 ist über eine Drehwelle 6 mit einer Turbine (nicht dargestellt) verbunden und verdichtet die von einer Verbrennungskraftmaschine (nicht dargestellt) angesaugte Luft, da die Drehleistung der durch Abgase der Verbrennungskraftmaschine (nicht dargestellt) angetriebenen Turbine über die Drehwelle 6 übertragen wird.
Wie in 1 dargestellt, enthält der Zentrifugalverdichter 4 ein Laufrad 8 und ein Gehäuse 10, das das Laufrad 8 aufnimmt. Das Gehäuse 10 enthält einen Mantelwandabschnitt 14, der das Laufrad 8 umgibt, um einen Laufradgehäuseteil 12 zu bilden, in dem das Laufrad 8 angeordnet ist, einen Spiralabschnitt 18, der eine Spiralpassage 16 an der äußeren Umfangsseite des Laufradgehäuseteils 12 bildet, und einen Diffusorabschnitt 22, der eine Diffusorpassage 20 bildet, die den Laufradgehäuseteil 12 und die Spiralpassage 16 verbindet. Ferner enthält das Gehäuse 10 einen Ansaugrohrabschnitt 26, der einen Eintrittsbereich 24 bildet, um Luft in das Laufrad 8 entlang der Rotationsachse des Laufrades 8 einzuleiten. Der Ansaugrohrabschnitt 26 ist konzentrisch mit dem Laufrad 8 angeordnet.
Im Folgenden wird die axiale Richtung des Laufrads 8 lediglich als „axiale Richtung“ bezeichnet, und die radiale Richtung des Laufrads 8 wird lediglich als „radiale Richtung“ bezeichnet, und die Umfangsrichtung des Laufrads 8 wird lediglich als „Umfangsrichtung“ bezeichnet.
Der Zentrifugalverdichter 4 enthält einen Drosselmechanismus 28 (einlassvariabler Mechanismus), der geeignet ist, die Strömungsdurchgangsfläche des Eintrittsbereichs 24 stromaufwärts des Laufrads 8 in axialer Richtung zu verkleinern. Der Drosselmechanismus 28 enthält einen ringförmigen Bereich 30 (beweglicher Bereich), der in dem Eintrittsbereich 24 konzentrisch zu dem Laufrad 8 angeordnet ist.
Der ringförmige Bereich 30 ist so konfiguriert, dass er entlang der axialen Richtung zwischen einer ersten Position P1 und einer zweiten Position P2 stromaufwärts von der ersten Position P1 in der axialen Richtung beweglich ist. Der ringförmige Bereich 30 wird von einer Strebe (nicht dargestellt) getragen und bewegt sich zwischen der ersten Position P1 und der zweiten Position P2 durch die Antriebskraft, die von einem Aktuator (nicht dargestellt) über die Strebe übertragen wird.
Eine innere Umfangsfläche 40 des Ansaugrohrabschnitts 26 enthält eine geneigte Fläche 42, die so geneigt ist, dass der Innendurchmesser des Ansaugrohrabschnitts 26 stromaufwärts in axialer Richtung zunimmt, um den Anstieg des Druckverlusts aufgrund des ringförmigen Bereichs 30 zu unterdrücken. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die geneigte Fläche 42 in einem Querschnitt entlang der Drehachse des Laufrads 8 linear geformt.
Eine äußere Umfangsfläche 44 des ringförmigen Bereichs 30 ist so angeordnet, dass sie der geneigten Fläche 42 zugewandt ist. Wenn sich der ringförmige Bereich 30 in der zweiten Position P2 befindet, ist die äußere Umfangsfläche 44 des ringförmigen Bereichs 30 von der geneigten Fläche 42 getrennt. Wenn sich der ringförmige Bereich 30 von der zweiten Position P2 in axialer Richtung stromabwärts bewegt, verringert sich der Abstand zwischen der äußeren Umfangsfläche 44 des ringförmigen Bereichs 30 und der geneigten Fläche 42. Der ringförmige Bereich 30 ist so konfiguriert, dass er mit der geneigten Fläche 42 in Kontakt kommt, wenn er sich in der ersten Position P1 befindet, um einen äußeren Umfangsbereich 38 des Eintrittsbereichs 24 zu blockieren, der einem Spitzenbereich 36 einer Schaufel 32 des Laufrads 8 (einem radial äußeren Endbereich der Schaufel 32) entspricht. Der ringförmige Bereich 30 ist einer Vorderkante 34 des Spitzenbereichs 36 der Schaufel 32 des Laufrads 8 in axialer Richtung zugewandt, wenn er sich in der ersten Position P1 befindet. Mit anderen Worten, in einer axialen Ansicht überlappen sich der ringförmige Bereich 30 und der Spitzenbereich 36 zumindest teilweise.
Somit verkleinert der ringförmige Bereich 30 die Strömungsdurchgangsfläche des Eintrittsbereichs 24 durch Blockieren des äußeren Umfangsbereichs 38 des Eintrittsbereichs 24, der dem Spitzenbereich 36 der Schaufel 32 des Laufrads 8 entspricht. Dadurch wird zwar die Spitzeneffizienz aufgrund der verringerten Strömungsdurchgangsfläche verkleinert, aber es ist möglich, die Pumpstromrate zu verringern und die Effizienz in der Nähe des Pumppunktes zu verbessern. Mit anderen Worten, durch Einstellen des Drosselmechanismus 28, so dass sich der ringförmige Bereich 30 in der ersten Position P1 am Betriebspunkt mit niedriger Durchflussrate (Betriebspunkt in der Nähe des Pumppunktes) und der ringförmige Bereich 30 in der zweiten Position P2 am Betriebspunkt mit hoher Durchflussrate (beispielsweise während des Nennbetriebs) befindet, wo die Durchflussrate höher ist als am Betriebspunkt mit niedriger Durchflussrate, kann die Effizienz am Betriebspunkt mit niedriger Durchflussrate verbessert und der Betriebsbereich des Zentrifugalverdichters 4 erweitert werden.
Eine äußere Umfangsfläche 44 des ringförmigen Bereichs 30 ist so ausgebildet, dass sie gleichmäßig eine Vorderkante 48 und eine Hinterkante 50 des ringförmigen Bereichs 30 verbindet. Mit anderen Worten, in einem Querschnitt entlang der Rotationsachse des Laufrads 8 ist die Änderung der Krümmung der äußeren Umfangsfläche 44 des ringförmigen Bereichs 30 gleichmäßig von der Vorderkante 48 zur Hinterkante 50 des ringförmigen Bereichs 30. Dabei bedeutet die Vorderkante 48 des ringförmigen Bereichs 30 das stromaufwärtige Ende des ringförmigen Bereichs 30 in der axialer Richtung, und die Hinterkante 50 des ringförmigen Bereichs 30 bedeutet das stromabwärtige Ende des ringförmigen Bereichs 30 in der axialer Richtung.
Da die äußere Umfangsfläche 44 des ringförmigen Bereichs 30 so ausgebildet ist, dass sie die Vorderkante 48 und die Hinterkante 50 des ringförmigen Bereichs 30 gleichmäßig verbindet, ist es möglich, die Ablösung der Strömung an der äußeren Umfangsfläche 44 des ringförmigen Bereichs 30 zu unterdrücken, wenn sich der ringförmige Bereich 30 in der zweiten Position P2 befindet. Somit ist es möglich, die Verringerung der Effizienz des Zentrifugalverdichters zu unterdrücken.
In dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel wird die äußere Umfangsfläche 44 des ringförmigen Bereichs 30 in einem Querschnitt entlang der Rotationsachse des Laufrads 8 durch eine konvexe Krümmung E1 gebildet, die so gekrümmt ist, dass sie die Vorderkante 48 und die Hinterkante 50 gleichmäßig verbindet, und eine innere Umfangsfläche 58 des ringförmigen Bereichs 30 wird durch eine gerade Linie E2 gebildet, die die Vorderkante 48 und die Hinterkante 50 verbindet. In der dargestellten beispielhaften Ausführungsform ist die konvexe Krümmung E1 ein Kreisbogen.
Da die äußere Umfangsfläche 44 des ringförmigen Bereichs 30 durch die konvexe Krümmung E1 gebildet wird, die die Vorderkante 48 und die Hinterkante 50 verbindet, fungiert der ringförmige Bereich 30 als Leitschaufel, die die Strömung entlang der äußeren Umfangsfläche 44 nach innen (auf der Seite des Laufrads 8) in radialer Richtung umlenkt, so dass der Anstieg des Druckverlusts aufgrund des ringförmigen Bereichs 30 unterdrückt werden kann.
In einigen Ausführungsformen, zum Beispiel wie in 1 gezeigt, nimmt die Dicke t eines Vorderkantenbereichs 52 des ringförmigen Bereichs 30 stromaufwärts in der axialer Richtung ab, und die Dicke t eines Hinterkantenbereichs 54 des ringförmigen Bereichs 30 nimmt stromabwärts in der axialer Richtung ab. Dabei bedeutet der Vorderkantenbereich 52 des ringförmigen Bereichs 30 das stromaufwärtige Ende des ringförmigen Bereichs 30 in der axialer Richtung, und der Hinterkantenbereich 54 des ringförmigen Bereichs 30 bedeutet das stromabwärtige Ende des ringförmigen Bereichs 30 in der axialer Richtung. Ferner bedeutet die Dicke t des ringförmigen Bereichs 30 die Dicke in der Richtung senkrecht zu der geraden Linie, die die Vorderkante 48 und die Hinterkante 50 des ringförmigen Bereichs 30 verbindet.
Da die Dicke des Vorderkantenbereichs 52 des ringförmigen Bereichs 30 stromaufwärts in der axialer Richtung abnimmt, kann der Anstieg des Druckverlusts aufgrund der auf den Vorderkantenbereich 52 des ringförmigen Bereichs 30 auftreffenden Strömung unterdrückt werden. Da der Hinterkantenbereich 54 des ringförmigen Bereichs 30 stromabwärts in axialer Richtung abnimmt, kann der Anstieg des Druckverlusts, der auf der Rückseite des Hinterkantenbereichs 54 des ringförmigen Bereichs 30 verursacht wird, unterdrückt werden.
2 ist ein Diagramm, das die Schaufeldickenverteilung des in 1 dargestellten ringförmigen Bereichs 30 zeigt. Das in 2 gezeigte Diagramm zeigt eine Beziehung zwischen dem Verhältnis X/D von Abstand X zu Abstand D und der Dicke t des ringförmigen Bereichs 30, wobei X ein Abstand von der Vorderkante 48 entlang der geraden Linie ist, die die Vorderkante 48 und die Hinterkante 50 des ringförmigen Bereichs 30 verbindet, und D ein Abstand zwischen der Vorderkante 48 und der Hinterkante 50 ist, in einem in 1 gezeigten Querschnitt.
Wie in 2 gezeigt, nimmt die Dicke t des ringförmigen Bereichs 30 von der Vorderkante 48 des ringförmigen Bereichs 30 bis zu der Position, an der X/D=0,5 erfüllt ist, gleichmäßig zu, und nimmt von der Position, an der X/D=0,5 erfüllt ist, bis zur Hinterkante 50 gleichmäßig ab.
Da sich die Dicke t des ringförmigen Bereichs 30 gleichmäßig von der Vorderkante 48 zur Hinterkante 50 des ringförmigen Bereichs 30 ändert, kann die Strömung gleichmäßig entlang des ringförmigen Bereichs 30 von der Vorderkante 48 zur Hinterkante 50 des ringförmigen Bereichs 30 geleitet werden. Außerdem ist die Dicke t des ringförmigen Bereichs 30 an der Stelle maximal, an der X/D<0,6 erfüllt ist. Dementsprechend kann im Vergleich zu der in Patentschrift 1 beschriebenen Konfiguration, bei der die Dicke des ringförmigen Bereichs nahe der Hinterkante des ringförmigen Bereichs maximal ist, die Erzeugung von Strömungsturbulenzen (Nachlauf) nach dem Durchgang durch den ringförmigen Bereich 30 unterdrückt werden. Infolgedessen ist es möglich, die Verringerung der Leistung des Laufrads 8 aufgrund des in das Laufrad 8 einströmenden Nachlaufs zu unterdrücken.
3 ist eine schematische Querschnittsansicht des Zentrifugalverdichters 4 des Turboladers 2 gemäß einer anderen Ausführungsform. In den anderen nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen des Zentrifugalverdichters 4 bezeichnen Bezugszeichen, die den in 1 gezeigten Komponenten des Zentrifugalverdichters 4 gemeinsam sind, dieselben Komponenten des in 1 gezeigten Zentrifugalverdichters, sofern nicht anders angegeben, und die Erläuterung entfällt.
In einigen Ausführungsformen, beispielsweise wie in 3 gezeigt, kann der ringförmige Bereich 30 in einem Querschnitt entlang der Rotationsachse des Laufrads 8 eine Flügelprofilform aufweisen. In einem Querschnitt entlang der Rotationsachse des Laufrads 8 enthält die äußere Umfangsfläche 44 des ringförmigen Bereichs 30 eine konvexe Krümmung E3, die gleichmäßig gekrümmt ist.
4 ist ein Diagramm, das die Schaufeldickenverteilung des in 3 dargestellten ringförmigen Bereichs 30 zeigt. Das in 4 gezeigte Diagramm zeigt eine Beziehung zwischen dem Verhältnis X/D von Abstand X zu Abstand D und der Dicke t des ringförmigen Bereichs 30, wobei X ein Abstand von der Vorderkante 48 entlang der geraden Linie ist, die die Vorderkante 48 und die Hinterkante 50 des ringförmigen Bereichs 30 verbindet, und D ein Abstand zwischen der Vorderkante 48 und der Hinterkante 50 ist, in einem in 3 gezeigten Querschnitt.
Wie in 4 gezeigt, nimmt die Dicke t des ringförmigen Bereichs 30 von der Vorderkante 48 des ringförmigen Bereichs 30 bis zu der Position, an der X/D=0,3 erfüllt ist, gleichmäßig zu, und nimmt von der Position, an der X/D=0,3 erfüllt ist, bis zur Hinterkante 50 gleichmäßig ab.
Da sich die Dicke t des ringförmigen Bereichs 30 gleichmäßig von der Vorderkante 48 zur Hinterkante 50 des ringförmigen Bereichs 30 ändert, kann die Strömung gleichmäßig entlang des ringförmigen Bereichs 30 von der Vorderkante 48 zur Hinterkante 50 des ringförmigen Bereichs 30 geleitet werden. Ferner ist die Dicke t des ringförmigen Bereichs 30 an der Stelle maximal, an der X/D<0,6 (in der dargestellten Ausführungsform 0,2<X/D<0,4) erfüllt ist. Dementsprechend kann im Vergleich zu der in Patentschrift 1 beschriebenen Konfiguration, bei der die Dicke des ringförmigen Bereichs in der Nähe der Hinterkante des ringförmigen Bereichs maximal ist, die Erzeugung des Nachlaufs unterdrückt werden. Infolgedessen ist es möglich, die Leistungsminderung des Laufrads 8 aufgrund des in das Laufrad 8 einströmenden Nachlaufs zu unterdrücken.
In einigen Ausführungsformen, zum Beispiel wie in 5A und 5B gezeigt, können der Vorderkantenbereich 52 des ringförmigen Bereichs 30 und der Hinterkantenbereich 54 des ringförmigen Bereichs 30 eine stumpfe Form aufweisen. Der Vorderkantenbereich 52 und der Hinterkantenbereich 54 des in 5A gezeigten ringförmigen Bereichs 30 weisen jeweils einen Bogen mit einem bestimmten Krümmungsradius in einem Querschnitt entlang der Drehachse des Laufrads 8 auf, und der Vorderkantenbereich 52 und der Hinterkantenbereich 54 sind durch ein Paar gerader Linien verbunden. Der Vorderkantenbereich 52 und der Hinterkantenbereich 54 des in 5B dargestellten ringförmigen Bereichs 30 werden jeweils durch einen Teil einer Ellipse in einem Querschnitt entlang der Drehachse des Laufrads 8 gebildet, und der Vorderkantenbereich 52 und der Hinterkantenbereich 54 sind durch ein Paar gerader Linien verbunden. Die Ellipse, die einen Teil der in 5B gezeigten Form definiert, kann unter dem Gesichtspunkt des Verkleinerns des Druckverlustes ein Verhältnis von kleiner zu großer Achse von etwa 1:2 aufweisen.
In einigen Ausführungsformen, zum Beispiel wie in 5C und 5D gezeigt, können der Vorderkantenbereich 52 des ringförmigen Bereichs 30 und der Hinterkantenbereich 54 des ringförmigen Bereichs 30 eine scharfe Form aufweisen. In diesem Fall kann in einem Querschnitt entlang der Rotationsachse des Laufrads 8 jeder Vorderkantenbereich 52 und Hinterkantenbereich 54 des ringförmigen Bereichs 30 ein Paar gerader Linien enthalten, die an einem Ende in axialer Richtung verbunden sind, wie in 5C gezeigt, oder ein Paar von Krümmungen enthalten, die an einem Ende in axialer Richtung verbunden sind, wie in 5D gezeigt.
In jeder der oben beschriebenen Ausführungsformen ist die äußere Umfangsfläche 44 des ringförmigen Bereichs 30 so ausgebildet, dass sie gleichmäßig die Vorderkante 48 und die Hinterkante 50 des ringförmigen Bereichs 30 verbindet. Mit dieser Konfiguration ist es möglich, die Ablösung der Strömung an der äußeren Umfangsfläche 44 des ringförmigen Bereichs 30 zu unterdrücken, wenn sich der ringförmige Bereich 30 in der zweiten Position P2 befindet, und es ist möglich, die Verringerung der Effizienz des Zentrifugalverdichters zu unterdrücken. Ferner nimmt die Dicke t des Vorderkantenbereichs 52 des ringförmigen Bereichs 30 stromaufwärts in axialer Richtung ab, und die Dicke t des Hinterkantenbereichs 54 des ringförmigen Bereichs 30 nimmt stromabwärts in axialer Richtung ab. Mit dieser Konfiguration kann der Anstieg des Druckverlusts aufgrund der Strömung, die auf den Vorderkantenbereich 52 des ringförmigen Bereichs 30 auftrifft, unterdrückt werden, und der Anstieg des Druckverlusts, der auf der Rückseite des Hinterkantenbereichs 54 des ringförmigen Bereichs 30 verursacht wird, kann unterdrückt werden.
In einigen Ausführungsformen, zum Beispiel wie in den 6 bis 8 gezeigt, ist in einem Querschnitt entlang der Rotationsachse des Laufrads 8 die gerade Linie C, die die Vorderkante 48 und die Hinterkante 50 des ringförmigen Bereichs 30 verbindet, in radialer Richtung nach außen geneigt, während sie in axialer Richtung stromaufwärts verläuft. Die Querschnittsform des in 6 gezeigten ringförmigen Bereichs 30, die Querschnittsform des in 7 gezeigten ringförmigen Bereichs 30 und die Querschnittsform des in 8 gezeigten ringförmigen Bereichs 30 entsprechen der geneigten Querschnittsform des in 1 gezeigten ringförmigen Bereichs 30, der geneigten Querschnittsform des in 3 gezeigten ringförmigen Bereichs 30 bzw. der geneigten Querschnittsform des in 5A gezeigten ringförmigen Bereichs 30.
Um den Effekt der Effizienzverbesserung bei dem Betriebspunkt mit niedriger Durchflussrate durch den Drosselmechanismus 28 zu erhöhen, ist es wünschenswert, einen bestimmten Verengungsbetrag der Strömungsdurchgangsfläche des Eintrittsbereichs 24 sicherzustellen. Hier, wie in 9 gezeigt, im ringförmigen Bereich 30 mit der geraden Linie C parallel zur axialen Richtung, wenn der Verengungsbetrag durch den Drosselmechanismus 28 erhöht wird, indem die Dicke des ringförmigen Bereichs 30 (Dicke in der Richtung senkrecht zur geraden Linie C) erhöht wird, steigt der Druckverlust, wenn Luft durch den ringförmigen Bereich 30 strömt, mit der Erhöhung der Dicke des ringförmigen Bereichs 30.
Andererseits ist bei den in den 6 bis 8 gezeigten Ausführungsformen, da die gerade Linie C wie oben beschrieben geneigt ist, kann der Verengungsbetrag durch den Drosselmechanismus 28 erhöht werden, während die Zunahme der Dicke des ringförmigen Bereichs 30 unterdrückt wird. Dementsprechend ist es möglich, die Effizienz im Betriebspunkt mit geringer Durchflussrate effizient zu erhöhen und gleichzeitig den Anstieg des Druckverlusts aufgrund der Dicke des ringförmigen Bereichs 30 zu unterdrücken. Ferner kann der Anstieg des Druckverlustes auch dadurch unterdrückt werden, dass der Luftstrom entlang der geneigten Fläche 42 gleichmäßig zur stromabwärtigen Seite des ringförmigen Bereichs 30 geleitet werden kann.
In einigen Ausführungsformen, zum Beispiel wie in den 6 bis 8 gezeigt, ist in einem Querschnitt entlang der Rotationsachse des Laufrads 8 ein Winkel θ2 (Versatzwinkel) zwischen der Geraden C und der axialen Richtung kleiner als ein Winkel θ1 zwischen der geneigten Fläche 42 und der axialen Richtung.
Wenn sich der ringförmige Bereich 30 in der zweiten Position P2 befindet, ist der Winkel zwischen der Stromlinie in der Nähe des ringförmigen Bereichs 30 und der axialen Richtung kleiner als der Winkel θ1 zwischen der geneigten Fläche 42 und der axialen Richtung, da der ringförmige Bereich 30 von der geneigten Fläche 42 nach innen in der radialen Richtung getrennt ist. Daher kann, wenn der Winkel θ2 kleiner ist als der Winkel θ1, wie oben beschrieben, die Luft gleichmäßig entlang des ringförmigen Bereichs 30 geleitet werden, und der Druckverlust aufgrund des ringförmigen Bereichs 30 kann effektiv verkleinert werden.
Ferner kann bei den in den 6 und 7 gezeigten Ausführungsformen, da die äußere Umfangsfläche 44 des ringförmigen Bereichs 30 eine gekrümmte Form aufweist (da die äußere Umfangsfläche 44 durch eine gekrümmte Fläche gebildet wird), die äußere Umfangsfläche 44 in einem Querschnitt entlang der Rotationsachse des Laufrads 8 in Punktkontakt mit der geneigten Fläche 42 kommt, und der Verengungsbetrag durch den Drosselmechanismus 28 erhöht werden kann, während die Zunahme der Dicke des ringförmigen Bereichs 30 unterdrückt wird. Dementsprechend ist es möglich, die Effizienz im Betriebspunkt mit geringer Durchflussrate effizient zu erhöhen, während der Anstieg des Druckverlustes aufgrund der Dicke des ringförmigen Bereichs 30 unterdrückt wird.
In einigen Ausführungsformen, zum Beispiel wie in den 10 und 11, in einem Querschnitt entlang der Rotationsachse des Laufrads 8, wenn CL eine Mittellinie (Krümmungslinie) ist, die die Vorderkante 48 und die Hinterkante 50 des ringförmigen Bereichs 30 verbindet und durch die Mittelposition in der Dickenrichtung des ringförmigen Bereichs 30 verläuft, ein Winkel α1 zwischen der Mittellinie CL und der axialen Richtung an der Position der Hinterkante 50 größer ist als ein Winkel α2 (0° in den dargestellten Ausführungsformen) zwischen der Mittellinie CL und der axialen Richtung an der Position der Vorderkante 48. Die Querschnittsform des in 10 gezeigten ringförmigen Bereichs 30 entspricht der Querschnittsform des in 7 gezeigten ringförmigen Bereichs 30, die so gekrümmt ist, dass die Mittellinie CL in radialer Richtung nach außen konvex ist, und die Querschnittsform des in 11 gezeigten ringförmigen Bereichs 30 entspricht der Querschnittsform des in 8 gezeigten ringförmigen Bereichs 30, die so gekrümmt ist, dass die Mittellinie CL in der radialen Richtung nach außen konvex ist.
Um den Anstieg des Druckverlustes durch den ringförmigen Bereich 30 zu unterdrücken, wie er in 10 und 11 gezeigt, ist es wünschenswert, dass die Vorderkante 48 des ringförmigen Abschnitts 30 stromaufwärts des stromaufwärtigen Endes 56 der geneigten Fläche 42 positioniert ist (wo die Strömungsdurchgangsfläche des Ansaugrohrabschnitts 26 maximal und die Strömungsgeschwindigkeit klein ist), wenn sich der ringförmige Abschnitt 30 in der zweiten Position P2 befindet. In diesem Fall sind die Stromlinien um den ringförmigen Bereich 30 in der axialen Richtung nahe der Vorderkante 48 des ringförmigen Bereichs 30 und in der radialen Richtung nahe der Hinterkante 50 des ringförmigen Bereichs 30 gerichtet. Daher kann, wie oben beschrieben, wenn der Winkel α1 (Hinterkanten-Metallwinkel) zwischen der Mittellinie CL und der axialen Richtung an der Position der Hinterkante 50 größer ist als der Winkel α2 (Vorderkanten-Metallwinkel) zwischen der Mittellinie CL und der axialen Richtung an der Position der Vorderkante 48, die Form des ringförmigen Bereichs 30 an die Änderung der Krümmung der Stromlinien angepasst werden, und der Anstieg des Druckverlusts aufgrund des ringförmigen Bereichs 30 kann unterdrückt werden. Da die Mittellinie CL die Vorderkante 48 und die Hinterkante 50 gleichmäßig verbindet und die Mittellinie CL eine gleichmäßige Krümmungsänderung von der Vorderkante 48 zur Hinterkante 50 aufweist, kann die Luft gleichmäßig entlang des ringförmigen Bereichs 30 in Richtung des Laufrads 8 gelenkt werden.
Ferner kann bei den in den 10 und 11 gezeigten Ausführungsformen in einem Querschnitt entlang der Rotationsachse des Laufrads 8 der Winkel α1 zwischen der Mittellinie CL und der axialen Richtung an der Position der Hinterkante 50 kleiner ist als der Winkel θ1 zwischen der geneigten Fläche 42 und der axialen Richtung.
Wie oben beschrieben, ist, wenn sich der ringförmige Bereich 30 in der zweiten Position P2 befindet, da der ringförmige Bereich 30 von der geneigten Fläche 42 nach innen in der radialen Richtung getrennt ist, der Winkel zwischen der Stromlinie nahe der Hinterkante 50 des ringförmigen Bereichs 30 und der axialen Richtung kleiner als der Winkel θ1 zwischen der geneigten Fläche 42 und der axialen Richtung. Wenn der Winkel α1 kleiner ist als der Winkel θ1, wie oben beschrieben, kann daher der Anstieg des Druckverlusts in der Nähe der Hinterkante 50 des ringförmigen Bereichs 30 unterdrückt werden.
12 ist eine schematische Querschnittsansicht des Zentrifugalverdichters 4 des Turboladers 2 gemäß einer anderen Ausführungsform. 13 ist ein Diagramm zur Verteilung der Strömungsdurchgangsfläche, das eine Beziehung zwischen der Strömungsdurchgangsfläche des Eintrittsbereichs 24 und der axialen Position in dem in 12 dargestellten Zentrifugalverdichter 4 zeigt.
In einigen Ausführungsformen, beispielsweise wie in 12 gezeigt, enthält die innere Umfangsfläche 40 des Ansaugrohrabschnitts 26 eine konkav gekrümmte Oberfläche 60, die so ausgebildet ist, dass sie der äußeren Umfangsfläche 44 des ringförmigen Bereichs 30 zugewandt ist, wenn sich der ringförmige Bereich 30 in der zweiten Position P2 befindet. Die konkav gekrümmte Oberfläche 60 ist so ausgebildet, dass sie in der radialen Richtung nach außen konkav ist. Wie in 13 gezeigt, ist die konkav gekrümmte Oberfläche 60 so ausgebildet, dass die Strömungsdurchgangsfläche des Eintrittsbereichs 24 keinen Mindestwert in einem Existenzbereich S des ringförmigen Abschnitts 30 in axialer Richtung aufweist, wenn sich der ringförmige Abschnitt 30 in der zweiten Position P2 befindet. Mit anderen Worten, die konkav gekrümmte Oberfläche 60 ist so gestaltet, dass zwischen der inneren Umfangsfläche 40 des Ansaugrohrabschnitts 26 und der äußeren Umfangsfläche 44 des ringförmigen Abschnitts 30 keine Verengung gebildet wird. Unter der „Strömungsdurchgangsfläche des Eintrittsbereichs 24‟ ist hier die Strömungsdurchgangsfläche zu verstehen, die sich ergibt, wenn man die Querschnittsfläche des ringförmigen Bereichs 30 (Fläche des Querschnitts senkrecht zur axialen Richtung) von der durch den Innendurchmesser des Ansaugrohrabschnitts 26 definierten Strömungsdurchgangsfläche subtrahiert.
Wie in der in 14 gezeigten Ausführungsform kann die Strömungsdurchgangsfläche des Eintrittsbereichs 24 einen Mindestwert im Existenzbereich S des ringförmigen Bereichs 30 in axialer Richtung aufweisen, wenn die geneigte Fläche 42 so ausgebildet ist, dass sie sich in radialer Richtung nach außen erstreckt, während sie in axialer Richtung in einem Querschnitt entlang der Rotationsachse des Laufrads 8 stromaufwärts verläuft, wie in 15 gezeigt. Mit anderen Worten, zwischen der inneren Umfangsfläche 40 des Ansaugrohrabschnitts 26 und der äußeren Umfangsfläche 44 des ringförmigen Abschnitts 30 kann eine Verengung gebildet werden, wie in 14 dargestellt. In diesem Fall erhöht sich die Strömungsgeschwindigkeit lokal an der Einschnürung, was zu einer Erhöhung des Druckverlustes führen kann.
Wie jedoch in den 12 und 13 gezeigt ist, wenn die konkav gekrümmte Oberfläche 60 an der inneren Umfangsfläche 40 des Ansaugrohrabschnitts 26 so ausgebildet ist, dass die Strömungsdurchgangsfläche des Eintrittsbereichs 24 keinen Mindestwert aufweist, kann eine Konfiguration erreicht werden, bei der keine Verengung zwischen der inneren Umfangsfläche 40 des Ansaugrohrabschnitts 26 und der äußeren Umfangsfläche 44 des ringförmigen Abschnitts 30 ausgebildet ist, so dass der Anstieg des Druckverlusts effektiv unterdrückt werden kann.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt, sondern enthält Modifikationen der oben beschriebenen Ausführungsformen und Ausführungsformen, die aus Kombinationen dieser Ausführungsformen bestehen.
In 1, 5A bis 5D, 6 und 8 usw. weisen beispielsweise der Vorderkantenbereich 52 und der Hinterkantenbereich 54 des ringförmigen Bereichs 30 die gleiche Querschnittsform auf, aber der Vorderkantenbereich 52 und der Hinterkantenbereich 54 des ringförmigen Bereichs 30 können unterschiedliche Querschnittsformen aufweisen, und die oben beschriebenen Formen des Vorderkantenbereichs 52 und des Hinterkantenbereichs 54 können nach Wunsch kombiniert werden.
Bezugszeichenliste

2: Turbolader
4: Zentrifugalverdichter
6: Drehwelle
8: Laufrad
10: Gehäuse
12: Laufradgehäuseteil
14: Mantelwandabschnitt
16: Spiralpassage
18: Spiralabschnitt
20: Diffusorpassage
22: Diffusorabschnitt
24: Eintrittsbereich
26: Ansaugrohrabschnitt
28: Drosselmechanismus
30: Ringförmiger Bereich
32: Schaufel
34: Vorderkante
36: Spitzenbereich
38: Äußerer Umfangsbereich
40: Innere Umfangsfläche
42: Geneigte Fläche
44: Äußere Umfangsfläche
48: Vorderkante
50: Hinterkante
52: Vorderkantenbereich
54: Hinterkantenbereich
56: Stromaufwärtiges Ende
58: Innere Umfangsfläche
60: Konkav gekrümmte Oberfläche

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

US 9777640 B [0004]

Claims

Zentrifugalverdichter, umfassend: ein Laufrad; ein Ansaugrohrabschnitt, der einen Eintrittsbereich bildet, um dem Laufrad Luft zuzuführen; und einen Drosselmechanismus, der geeignet ist, eine Strömungsdurchgangsfläche des Eintrittsbereichs stromaufwärts des Laufrads zu verkleinern, wobei der Drosselmechanismus einen ringförmigen Bereich enthält, der so konfiguriert ist, dass er sich zwischen einer ersten Position und einer zweiten Position stromaufwärts der ersten Position in einer axialen Richtung des Laufrads bewegt, und wobei in einem Querschnitt entlang einer Rotationsachse des Laufrads eine äußere Umfangsfläche des ringförmigen Bereichs so ausgebildet ist, dass sie eine Vorderkante und eine Hinterkante des ringförmigen Bereichs gleichmäßig verbindet.
Zentrifugalverdichter nach Anspruch 1, wobei eine Dicke eines Vorderkantenbereichs des ringförmigen Bereichs stromaufwärts in der axialen Richtung abnimmt.
Zentrifugalverdichter nach Anspruch 1 oder 2, wobei eine Dicke eines Hinterkantenbereichs des ringförmigen Bereichs stromabwärts in der axialer Richtung abnimmt.
Zentrifugalverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei sich eine Dicke des ringförmigen Bereichs gleichmäßig von der Vorderkante zur Hinterkante des ringförmigen Bereichs ändert.
Zentrifugalverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der äußere Umfangsbereich des ringförmigen Abschnitts in einem Querschnitt entlang der Rotationsachse des Laufrads eine konvexe Krümmung enthält.
Zentrifugalverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der ringförmige Bereich in einem Querschnitt entlang der Rotationsachse des Laufrads ein Flügelprofil aufweist.
Zentrifugalverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei in einem Querschnitt entlang der Rotationsachse des Laufrads eine Dicke des ringförmigen Bereichs an einer Position maximal ist, die X/D<0,6 genügt, wobei X ein Abstand von der Vorderkante entlang einer geraden Linie ist, die die Vorderkante und die Hinterkante des ringförmigen Bereichs verbindet, und D ein Abstand zwischen der Vorderkante und der Hinterkante ist.
Zentrifugalverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei in einem Querschnitt entlang der Rotationsachse des Laufrads eine gerade Linie, die die Vorderkante und die Hinterkante des ringförmigen Bereichs verbindet, in einer radialen Richtung des Laufrads nach außen geneigt ist, während sie in axialer Richtung stromaufwärts verläuft.
Zentrifugalverdichter nach Anspruch 8, wobei eine innere Umfangsfläche des Ansaugrohrabschnitts eine geneigte Fläche enthält, die so geneigt ist, dass ein Innendurchmesser des Ansaugrohrabschnitts stromaufwärts in der axialen Richtung zunimmt, und wobei in einem Querschnitt entlang der Rotationsachse des Laufrads ein Winkel zwischen der geraden Linie und der axialen Richtung kleiner ist als ein Winkel zwischen der geneigten Fläche und der axialen Richtung.
Zentrifugalverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei in einem Querschnitt entlang der Rotationsachse des Laufrads, wenn CL eine Mittellinie ist, die die Vorderkante und die Hinterkante des ringförmigen Bereichs verbindet und durch eine Mittelposition in einer Dickenrichtung des ringförmigen Bereichs verläuft, ein Winkel zwischen der Mittellinie CL und der axialen Richtung an einer Position der Hinterkante größer ist als ein Winkel zwischen der Mittellinie CL und der axialen Richtung an einer Position der Vorderkante.
Zentrifugalverdichter nach Anspruch 10, wobei eine innere Umfangsfläche des Ansaugrohrabschnitts eine geneigte Fläche enthält, die so geneigt ist, dass ein Innendurchmesser des Ansaugrohrabschnitts stromaufwärts in der axialen Richtung zunimmt, und wobei in einem Querschnitt entlang der Rotationsachse des Laufrads der Winkel zwischen der Mittellinie CL und der axialen Richtung an der Position der Hinterkante kleiner ist als ein Winkel zwischen der geneigten Fläche und der axialen Richtung.
Zentrifugalverdichter nach Anspruch 10 oder 11, wobei die Mittellinie CL die Vorderkante und die Hinterkante gleichmäßig miteinander verbindet.
Zentrifugalverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei eine innere Umfangsfläche des Ansaugrohrabschnitts eine konkav gekrümmte Oberfläche enthält, die so ausgebildet ist, dass sie der äußeren Umfangsfläche des ringförmigen Bereichs zugewandt ist, wenn sich der ringförmige Bereich in der zweiten Position befindet.
Zentrifugalverdichter nach Anspruch 13, wobei die konkav gekrümmte Oberfläche so ausgebildet ist, dass eine Strömungsdurchgangsfläche des Eintrittsbereichs keinen Mindestwert in einem Existenzbereich des ringförmigen Abschnitts in der axialen Richtung aufweist, wenn sich der ringförmige Abschnitt in der zweiten Position befindet.
Turbolader, umfassend den Zentrifugalverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 14.