DE19502808A1 - Radialströmungsmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Radialströmungsmaschine, insbesondere einen Radialverdichter, mit einem im Bereich eines antreibbaren, mit von einer zentralen Nabe abstehenden Schaufeln versehenen Laufrads umgelenkten Strömungskanal, in welchem radial außerhalb des Laufrads ein stationäres Leitrad angeordnet ist, dessen in Umfangsrichtung gegeneinander versetzte Schaufeln die Kanalbreite überbrücken.

Bei den bekannten Anordnungen dieser Art sind die Leitschaufeln über der ganzen Kanalbreite senkrecht zu den seitlichen Kanalwänden angeordnet. Bei Verdichtern sind die Leitschaufeln über ihrer Länge gekrümmt. An der Eintrittskante ergibt sich dabei über der ganzen Kanalbreite dieselbe Neigung des Schaufelprofils gegenüber einer Tangente an den Eintrittskreis des Leitrads. Über der Kanalbreite ergeben sich jedoch unterschiedliche Anströmrichtungen. Dies ist eine Folge der im Umlenkbereich des Strömungskanals wirksamen Zentrifugalkräfte, die dazu führen, daß die Strömung an der nabenseitigen Kanalwand stärker anliegt, als an der gegenüberliegenden Gehäusewand, was eine unterschiedliche räumliche Strömungsverteilung und dementsprechend auf der Nabenseite einen steileren Anströmwinkel ergibt als auf der gegenüberliegenden Seite. Bei den bekannten Radialverdichtern mit senkrecht zu den Kanalseitenwänden angeordneten Leitschaufeln ergibt sich somit zwangsläufig eine weitgehende Richtungsabweichung zwischen der Anströmrichtung und der Neigung der Leitschaufelebene. Es besteht daher die Gefahr, daß sich die Strömung ablöst. Die Folge davon sind Strömungsverluste und eine hohe Lärmentwicklung.

Hiervon ausgehend ist es daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Möglichkeit aufzuzeigen, mit welcher die Strömungsverluste und die Lärmentwicklung gegenüber den bisherigen Anordnungen zumindest stark reduzierbar sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß sich die Neigung der Leitschaufeln im Bereich ihrer von der Strömung angeströmten Eintrittskante über der Kanalbreite gegenüber einer zugeordneten Tangente an den Eintrittskreis des Leitrads ändert, wobei die Neigungsänderung der Tendenz der Änderung der Anströmrichtung folgt.

Diese Maßnahmen bieten in vorteilhafter Weise die Möglichkeit, hinsichtlich der Neigung des anströmseitigen Bereichs der Leitschaufeln der örtlichen Strömungsverteilung dadurch Rechnung zu tragen, daß die Neigung der Leitschaufeln der Anströmrichtung angenähert oder ganz angeglichen wird. Hierdurch läßt sich daher über der ganzen Kanalbreite eine zumindest weitgehend tangentiale Anströmung erreichen. Damit lassen sich die Stoßverluste und eine Ablösung der Strömung jedenfalls weitestgehend vermeiden, was geringe Strömungsverluste sowie eine geringe Schwingungsanregung der Laufschaufeln des Laufrads und damit einen geringen Strömungslärm gewährleistet.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und zweckmäßige Fortbildungen der übergeordneten Maßnahmen sind in den Unteransprüchen angegeben. So können die Leitschaufeln im Bereich ihrer Eintrittskante zweckmäßig einen dem über der Kanalbreite sich ändernden Anströmwinkel genau entsprechenden Neigungswinkel aufweisen. Hiermit lassen sich die vorstehend geschilderten Vorteile optimieren.

Eine weitere zweckmäßige Maßnahme kann darin bestehen, daß die Leitschaufeln über ihrer Länge eine einer logarithmischen Spirale zumindest angenäherte Verwindung aufweisen. Dies ergibt in vorteilhafter Weise Leitschaufeln mit gegeneinander verwundenen Ein- und Austrittskanten und damit trotz der zur Bildung einer Diffusorwirkung des Leitrads vorhandenen Öffnung der zwischen den Leitschaufeln gebildeten Diffusorkanäle eine ideale Potentialströmung.

In weiterer Fortbildung der übergeordneten Maßnahmen können die Leitschaufeln die Konfiguration eines Schrägausschnitts aus einem Zylindermantel aufweisen. Dies ergibt in vorteilhafter Weise eine abwickelbare Schaufelkonfiguration, so daß die Schaufeln in vorteilhafter Weise als Blechformlinge hergestellt werden können. Dennoch ergibt sich in vorteilhafter Weise eine sehr gute Annäherung an die ideale Schaufelform.

Eine weitere vorteilhafte Maßnahme kann darin bestehen, daß die Leitschaufeln im Bereich ihrer Ein- und Austrittskanten phasenförmig angeschärft sind. Hierdurch lassen sich in vorteilhafter Weise sprunghafte Querschnittsveränderungen und die hiermit verbundenen Nachteile vermeiden.

Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen und vorteilhafte Weiterbildungen der übergeordneten Maßnahmen sind in den restlichen Unteransprüchen angegeben und aus der nachstehenden Beispielsbeschreibung anhand der Zeichnung entnehmbar.

In der nachstehend beschriebenen Zeichnung zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch die Ladepumpe eines Abgasturboladers,

Fig. 2 eine schematische Teilseitenansicht des Leitrads der Anordnung gemäß Fig. 1,

Fig. 3 eine perspektivische Teilansicht des erfindungsgemäßen Leitrads,

Fig. 4 eine vergrößerte Ansicht einer verwundenen Leitschaufel und

Fig. 5 eine Ansicht des Leitschaufelprofils.

Der grundsätzliche Aufbau und die Wirkungsweise eines Abgasturboladers sind ans ich bekannt und bedürfen daher im vorliegenden Zusammenhang keiner näheren Erläuterung mehr. Die mit Hilfe der der Fig. 1 zugrundeliegenden Ladepumpe gelieferte Ladeluft wird über einen zentralen Ansaugstutzen 1 angesaugt, durch ein mittels einer hier nicht näher dargestellten Abgasturbine antreibbares Laufrad 2 beschleunigt und über ein mit einem nicht näher dargestellten Abströmstutzen versehenes Spiralgehäuse 3 abgeführt. Das Laufrad 2 besitzt eine auf einer antreibbaren Welle 4 aufgenommene Nabe 5, von der umfangsseitig Schaufeln 6 abstehen. Der Durchmesser der Nabe 5 und der Schaufeln 6 nimmt in Strömungsrichtung zu. Die Außenkontur der Schaufeln 6 ist bogenförmig und entspricht der Kontur der benachbarten, torusförmig nach außen gekrümmten Kanalwand, die mit der Nabe 5 einen nach außen umgelenkten Kanalabschnitt 7 begrenzt, in den die Schaufeln 6 eingreifen.

An den nach radial außen umgelenkten Kanalabschnitt 7 schließt sich ein in den Spiralkanal 3 einmündender, durch zwei parallele, radiale Seitenwände 8, 9 begrenzter, ringförmiger Kanalabschnitt 10 an. Dieser ist mit einem eigen Diffusor bildenden, stationären Leitrad 11 versehen, das durch in Umfangsrichtung gegeneinander versetzte, die Kanalbreite überbrückende Leitschaufeln 12 gebildet wird, die an den Seitenwänden 8, 9 befestigt sind. Die Leitschaufeln 12 sind, wie am besten aus Fig. 2 erkennbar ist, in Strömungsrichtung gekrümmt und so angeordnet, daß sich unter einem Öffnungswinkel von 8°- 10° nach außen sich öffnende Diffusorkanäle 13 ergeben.

Die im Bereich des Laufrads 2 erfolgende Umlenkung der Strömung hat eine ungleiche Strömungsverteilung über der Kanalbreite zur Folge. Die Strömung liegt hier infolge der Zentrifugalkräfte mehr an der Nabe 5 und im Bereich des Ringkanals 10 an der nabenseitigen Seitenwand 8 an, als an der gegenüberliegenden, gehäuseseitigen Seitenwand 9. Dies bewirkt, daß am Eintritt in das Leitrad 11 die Richtung der Strömung mit der tangentialen Richtung im Bereich der nabenseitigen Seitenwand 8 einen größeren Winkel einschließt, als im Bereich der gegenüberliegenden Seitenwand 9. Die Eintrittskanten der Leitschaufeln 12 werden dementsprechend über der Kanalbreite′ unter einem unterschiedlichen Winkel angeströmt, wie in Fig. 2 durch Richtungspfeile angedeutet ist. Im Bereich der nabenseitigen Seitenwand 8 folgt die Strömung dem steileren Pfeil a, im Bereich der gegenüberliegenden, gehäuseseitigen Seitenwand 9 dem flacheren Pfeil b.

Um dennoch bei den bei Abgasturboladern gegebenen, in der Nähe der Schallgeschwindigkeit liegenden, hohen Strömungsgeschwindigkeiten ein Ablösen der Strömung und dementsprechend Strömungsverluste und Strömungslärm zu vermeiden, sind die Leitschaufeln 12, wie in Fig. 3 angedeutet ist, nicht rechtwinklig zu den Seitenwänden ausgerichtet, sondern besitzen gegenüber der in Fig. 3 durch unterbrochene Linien angedeuteten, rechtwinkligen Anordnung eine Neigung, deren Tendenz im Bereich der Anströmkante der Änderung der Anströmrichtung folgt. Im dargestellten Beispiel soll sich die Neigung der Leitschaufeln 12 im Bereich der Anströmkante entsprechend der Änderung der Anströmrichtung über der Kanalbreite ändern. Dies bedeutet, daß der anströmkantenseitige Bereich der Leitschaufeln 12 im Bereich der nabenseitigen Seitenwand 8 gegenüber einer Tangente an den Eintrittskreis des Leitrads 11 einen größeren Neigungswinkel aufweist, als auf der gegenüberliegenden Seite. Hierdurch wird erreicht, daß die Leitschaufeln 12 über der ganzen Kanalbreite in etwa tangential angeströmt werden.

Ideale Verhältnisse werden erreicht, wenn die Leitschaufeln 12, wie in Fig. 4 angedeutet ist, über ihrer Länge gemäß einer logarithmischen Spirale verwunden sind. Im Bereich der Anströmkante und der Austrittskante ergeben sich dabei bei entsprechender Schaufellänge gegenläufige Verwindungen. Die Verwindung der Leitschaufeln 12 gemäß einer logarithmischen Spirale gewährleistet trotz des Öffnungswinkels eine Potentialströmung. In einfachen Fällen kann es jedoch genügen, wenn die Leitschaufeln 12 eine an die genannte Spiralform lediglich angenäherte Konfiguration besitzen. Hierzu können die Leitschaufeln 12 die Konfiguration eines Schrägausschnitts aus einem Zylindermantel, d. h. eines schräg zur Zylinderachse angeordneten Mantelausschnitts, aufweisen. Eine derartige Konfiguration ist abwickelbar und kann dementsprechend als Blechformling hergestellt werden.

Es wäre aber auch denkbar, derartige Leitschaufeln 12 erfindungsgemäßer Art aus dem Vollen zu fräsen. Hierbei kann ausgehend von der Herstellung der bisherigen Leitschaufeln, die durch Fräsen mit einem zylindrischen Fräser, dessen Achse senkrecht zu einer Schaufelquerschnittsebene steht und dessen Fräserweg zweidimensional ist, hergestellt werden, so vorgegangen werden, daß ein Fräser mit einem zylindrischen Teil und einer vorderen Halbkugel Verwendung findet, dessen Achse gegenüber dem bisherigen Fräser in zwei Richtungen gekippt ist. Der Fräserweg bleibt zweidimensional, so daß jeder Höhenschnitt des Leitschaufelprofils kongruent ist. Aufgrund der Fräserneigung ergeben sich dabei an- und ausströmseitig nach Art der Seiten eines Parallelogramms ausgebildete Überhänge, die anschließend mittels eines nachfolgenden Fräsvorgangs abgefräst werden müssen.

In jedem Falle ergibt sich dabei ein der Fig. 5 zugrundeliegender, über der ganzen Leitschaufellänge sehr dünner Querschnitt mit annähernd konstanter Dicke, was sich günstig auf die Erzielbarkeit einer homogenen Strömungsgeschwindigkeit über der ganzen Kanalbreite und damit einer laminaren Strömung auch bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten auswirkt. Zur Vermeidung von stufenförmigen Querschnittsänderungen sind die Leitschaufeln 12, wie Fig. 5 weiter erkennen läßt, anströmseitig und austrittsseitig schneidenartig verjüngt. Hierzu ist im dargestellten Beispiel jeweils eine Phase 14 bzw. 15 angeformt. Der Phasenwinkel beträgt 10°-15°.

Claims (10)

1. Radialströmungsmaschine, insbesondere Radialverdichter, mit einem im Bereich eines antreibbaren, mit von einer zentralen Nabe (5) abstehenden Schaufeln (6) versehenen Laufrads (2) umgelenkten Strömungskanal, in welchem radial außerhalb des Laufrads (2) ein stationäres Leitrad (11) angeordnet ist, dessen in Umfangsrichtung gegeneinander versetzte Leitschaufeln (12) die Kanalbreite überbrücken, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Neigung der Leitschaufeln (12) im Bereich ihrer von der Strömung angeströmten Eintrittskante über der Kanalbreite gegenüber einer zugeordneten Tangente an den Eintrittskreis des Leitrads (11) ändert, wobei die Neigungsänderung der Tendenz der Änderung der Anströmrichtung folgt.

2. Radialströmungsmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitschaufeln (12) im Bereich ihrer Eintrittskante einen dem über der Kanalbreite sich ändernden Anströmwinkel entsprechende,n Neigungswinkel gegenüber einer tangentialen Richtung aufweisen.

3. Radialströmungsmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Radialverdichter der Neigungswinkel des eintrittskantenseitigen Bereichs der Leitschaufeln (12) gegenüber einer tangentialen Richtung im Bereich der nabenseitigen Seitenwand (8) des Strömungskanals größer als im Bereich der gegenüberliegenden Seitenwand (9) ist.

4. Radialströmungsmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitschaufeln (12) im Bereich ihrer Eintrittskante verwunden sind.

5. Radialströmungsmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitschaufeln (12) im Bereich ihrer Austrittskante gegenläufig zur Verwindung im Bereich der Eintrittskante verwunden sind.

6. Radialströmungsmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitschaufeln (12) über ihrer Länge eine einer logarithmischen Spirale zumindest angenäherte Verwindung aufweisen.

7. Radialströmungsmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitschaufeln (12) die Konfiguration eines Schrägausschnitts aus einem Zylindermantel aufweisen.

8. Radialströmungsmaschine, nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitschaufeln (12) an der Eintrittskante phasenförmig angeschärft sind.

9. Radialströmungsmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitschaufeln (12) an der Austrittskante phasenförmig angeschärft sind.

10. Radialströmungsmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitschaufeln (12) über ihrer ganzen Länge eine zumindest annähernd konstante, geringe Dicke aufweisen.