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Die Erfindung betrifft einen Turboverdichter mit einem Verdichtergehäuse und einem Verdichterrad mit Schaufeln, bei dem das Verdichterrad drehbar gegenüber dem Verdichtergehäuse gelagert und über einen Kopfspalt zwischen abdeckfreien Schaufeloberkanten der Schaufeln und einer den Schaufeloberkanten zuweisenden Verdichterwand des Verdichtergehäuses beabstandet ist.
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Bei Turboverdichtern gemäß dem Stand der Technik rotiert das mit Schaufeln ausgestattete Verdichterrad gegenüber dem feststehenden Verdichtergehäuse und erzeugt eine axial angesaugte und radial ausgeblasene Hauptströmung. Zwischen den Schaufeln des Verdichterrads und der Gehäusewand ist der möglichst klein zu haltende Kopfspalt vorgesehen, der die kontaktfreie Rotation des Verdichterrads ermöglicht. Der Kopfspalt verläuft in der Meridianebene des Verdichterrads gesehen entlang der Schaufeloberkante und der Gehäusewand, wobei sowohl die Gehäusewand als auch die Schaufeloberkante von der axialen Ansaugseite zur radialen Ausblasseite einen stetigen Verlauf aufweisen. Als Meridianebene wird bei Turboverdichtern jede in Umfangsrichtung gesehen durch die Rotationsachse verlaufende Ebene bezeichnet.
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Problematisch ist, dass bei kleinen Massenströmen die Verdichterkennlinie, welche bestimmt ist durch eine Kennlinie konstanter Drehzahl im Diagramm Druckaufbau über Massenstrom, durch die Ablösegrenze der Strömung bzw. die Pumpgrenze aerodynamisch begrenzt ist.
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Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, die Verdichterkennlinie des Turboverdichters bei kleinen Massenströmen so zu verschieben, dass die Ablösegrenze der Strömung bzw. die Pumpgrenze in Richtung kleinerer Massenströme verschoben und dadurch der Betriebsbereich des Turboverdichters vergrößert wird. Gleichzeitig sollen der Wirkungsgrad und Druckaufbau gesteigert werden.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmalskombination gemäß Schutzanspruch 1 gelöst.
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Erfindungsgemäß wird ein Turboverdichter mit einem Verdichtergehäuse und einem Verdichterrad mit Schaufeln vorgeschlagen, wobei das Verdichterrad drehbar gegenüber dem Verdichtergehäuse gelagert und über einen Kopfspalt zwischen abdeckfreien Schaufeloberkanten der Schaufeln und einer den Schaufeloberkanten zuweisenden Verdichterwand des Verdichtergehäuses beabstandet ist. Sowohl die Schaufeloberkanten der Schaufeln als auch die Gehäusewand weisen jeweils über ihre jeweilige Meridiankontur mindestens einen Rücksprung sowie mindestens eine Erhöhung auf, die lokal zusammenwirken, so dass der Kopfspalt im Bereich des Rücksprungs und der Erhöhung in einer Meridianebene gesehen einen Z-förmigen Verlauf bestimmt.
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Über die besondere Gestaltung der zueinander weisenden Schaufeloberkanten und Gehäusewand wird innerhalb des Kopfspalts eine Rückströmung entgegen der axial angesaugten und radial ausgeblasenen Hauptströmung erzeugt. Die Schaufeloberkanten und die Gehäusewand weisen über den stetigen Meridianverlauf gesehen eine unstetige Kontur auf, die jeweils gebildet wird durch zusammenwirkende Rücksprünge und sich unmittelbar anschließende Erhöhungen an den Schaufeloberkanten und der Gehäusewand gegenüber dem stetigen Meridianverlauf. Der Z-förmige Verlauf des Kopfspalts wird bestimmt durch zwei Querschenkel und einen die Querschenkel verbindenden Verbindungsschenkel. Die Rücksprünge dienen dabei zur Formung der beiden Querschenkel, die Erhöhungen zur Bildung des einen Verbindungsschenkels.
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Vorzugsweise sind die Rücksprünge der Schaufeloberkanten komplementär geformt zu der Erhöhung der Gehäusewand und die Rücksprünge der Gehäusewand komplementär geformt zu der Erhöhung der Schaufeloberkanten, um den Z-förmigen Verlauf des Kopfspaltes auszugestalten.
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Die Rückströmung durch den Kopfspalt entgegen der durch das Verdichterrad erzeugten Hauptströmung trifft auf die Rücksprünge bzw. Erhöhungen der Schaufeloberkanten bzw. der Gehäusewand, erfährt dadurch eine Behinderung und strömt in die Hauptströmung zurück. Hierdurch werden die vorteilhaften und zur Lösung der Aufgaben dienenden Strömungseffekte erzielt.
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Die Positionierung der Rücksprunge bzw. der komplementären Erhöhungen an den Schaufeloberkanten bzw. der Gehäusewand beeinflusst die Wirkung ebenfalls vorteilhaft. Dabei wird eine Meridianlänge L des Verdichterrads von dessen ansaugseitiger axialer Vorderkante zu dessen ausblasseitiger radialer Hinterkante zwischen den Werten 0<L<1 bestimmt. Bevorzugt und strömungstechnisch optimal ist eine Ausführung, bei welcher der mindestens eine Rücksprung sowie die mindestens eine Erhöhung der Gehäusewand und der Schaufeloberkanten in einem Bereich 0,3<L<0,7, weiter bevorzugt 0,4<L<0,5 ausgebildet sind.
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In der Bildung des, in der Meridianebene gesehen, Z-förmigen Verlaufs des Kopfspalts ist eine Ausführung vorteilhaft, bei der die Gehäusewand und die Schaufeln jeweils aufeinander zugerichtete Anschlagflächen für einen Strömung durch den Kopfspalt aufweisen. Die Anschlagflächen erstrecken sich somit senkrecht oder gewinkelt gegenüber dem im Meridianverlauf gesehen vorherigen oder nachfolgenden Strömungsabschnitt des Kopfspalts, so dass die Rückströmung durch den Kopfspalt gegen die Anschlagfläche prallt und in die entgegengesetzt verlaufende Hauptströmung zurückgeführt wird. Dadurch, dass Rücksprünge und Erhöhungen sowohl an den Schaufeloberkanten als auch an der Gehäusewand vorgesehen sind, erstrecken sich die Anschlagflächen zwar senkrecht oder im Wesentlichen senkrecht zur Rückströmung, gleichwohl bleibt der Kopfspalt im gesamten Bereich zwischen Verdichterrad und Verdichtergehäuse erhalten, d.h. auch im Bereich Z-förmigen Abschnitt der Rücksprünge und Erhöhungen.
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In einer vorteilhaften Ausführungsvariante verlaufen die Anschlagflächen an der Gehäusewand und den Schaufeloberkanten gegenüber einer zur Rotationsachse des Verdichterrads senkrechten Axialebene parallel in einem Winkel a, der zur Ansaugseite des Verdichterrads weisend größer ist als 0°, vorzugsweise 15-45°. Dadurch wird ermöglicht, dass die Anschlagfläche an der Gehäusewand zur Hauptströmung geneigt ausgerichtet ist und die Rückströmung im Kopfspalt bereits über die Anschlagfläche zurück in Richtung der Hauptströmung umgelenkt wird.
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In einem Ausführungsbeispiel des Turboverdichters ist vorgesehen, dass der Kopfspalt eine konstante Kopfspaltbreite aufweist. Die „Kopfspaltbreite“ wird dabei durch den Abstand zwischen der Schaufeloberkante und der Gehäusewand bestimmt. Dies wird durch eine exakt komplementäre Form der Erhöhungen und Rücksprünge an den Schaufeloberkanten und der Gehäusewand über den gesamten Verlauf der Meridiankontur erreicht.
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Hierzu alternative Ausführungsbeispiele des Turboverdichters sind dadurch gekennzeichnet, dass der Kopfspalt in einem an die ansaugseitige Schaufelkante angrenzenden Abschnitt eine erste Kopfspaltbreite a, in einem an die ausblasseitige Schaufelkante angrenzenden Abschnitt eine zweite Kopfspaltbreite b und in einem im Bereich des Rücksprungs und der Erhöhung eine sich zwischen den Anschlagflächen erstreckende radiale Kopfspaltlänge c aufweist, wobei vorgesehen wird, dass die Kopfspaltbreiten bzw. Kopfspaltlänge a<c<b (erste Variante) oder a>c>b (zweite Variante) ist. Bei der ersten Variante verkleinert sich der Durchströmungsquerschnitt des Kopfspalts von axial ansaugseitig zu radial ausblasseitigen Abschnitten, bei der zweiten Variante vergrößert er sich. Dies wird als Ausführungsvariante umgesetzt durch einseitig, d.h. nur bei den Schaufeloberkanten oder nur an der Gehäusewand vorgesehene vergrößerte Rücksprünge oder alternativ vergrößerte Erhöhungen.
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Als weitere Ausführung sind auch Turboverdichter umfasst, bei denen sowohl die Schaufeloberkanten der Schaufeln als auch die Gehäusewand jeweils über ihre jeweilige Meridiankontur mehrere Rücksprunge sowie mehrere Erhöhungen aufweisen, die jeweils lokal zusammenwirken, so dass der Kopfspalt im Bereich der Rücksprünge und der Erhöhungen in der Meridianebene gesehen einen sich wiederholenden Z-förmigen Verlauf bestimmen. In anderen Worten kann sich die besondere unstetige Kontur über die meridionale Länge der Schaufeln wiederholen.
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In einer Weiterbildung ist der Turboverdichter dadurch gekennzeichnet, dass das Verdichterrad Schaufeln mit jeweils unterschiedlicher Axialerstreckung aufweist, die in Umfangsrichtung abwechselnd zueinander angeordnet und in Umfangsrichtung gekrümmt sind. Die Schaufeln mit kürzerer Axialerstreckung sind vorzugsweise als Zwischenschaufeln (auch Splitterschaufeln benannt) zwischen Schaufeln mit größerer Axialerstreckung angeordnet.
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In einer besonderen Ausgestaltung überdecken die Schaufeln mit größerer Axialerstreckung die Zwischenschaufeln in einer ansaugseitigen axialen Draufsicht bzw. Projektion des Verdichterrads. Dies wird durch die gekrümmte Form der Schaufeln mit größerer Axialerstreckung realisiert, welche in einem Bereich des Umfangs des Verdichterrads weiter läuft, in dem die Zwischenschaufeln nicht verlaufen.
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Eine weitere Ausführungsvariante sieht bei dem Turboverdichter vor, dass zumindest oder ausschließlich die Schaufeln mit größerer Axialerstreckung über ihre jeweilige Meridiankontur den mindestens einen Rücksprung sowie die mindestens eine Erhöhung aufweisen. Das bedeutet, dass auch Verdichterräder mit Zwischenschaufeln umfasst sind, deren Meridiankontur stetig und ohne Rücksprünge und Erhebungen verläuft.
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Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet bzw. werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführung der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigen:
- 1 ein Turboverdichter geschnitten in der Meridianebene gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel;
- 2 der Turboverdichter gemäß 1;
- 3 eine Detailansicht des Kopfspalts des Turboverdichters gemäß 1 und 2;
- 4 das Verdichterrad des Turboverdichters gemäß 1 und 2 in einer perspektivischen Ansicht
- 5 ein alternatives Ausführungsbeispiel eines Verdichterrads in einer perspektivischen Ansicht.
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In den 1 und 2 ist schematisch ein Ausschnitt eines Turboverdichters 1 geschnitten in der Meridianebene dargestellt. Gezeigt sind nur die für die Erfindung relevanten Bereiche des Turboverdichters, im Übrigen greift der Fachmann auf den aus dem Stand der Technik bekannten Aufbau zurück.
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Der Turboverdichter 1 umfasst das Verdichtergehäuse 2 und das Verdichterrad 4 mit den in Umfangsrichtung verteilt angeordneten Schaufeln 5. Das Verdichterrad ist zudem in 4 dargestellt. Angetrieben von einem Motor (nicht gezeigt) rotiert das Verdichterrad 4 um die Rotationsachse RA. Es saugt dabei axial Luft an und bläst diese radial aus. Eine entsprechende Hauptströmung HS ist in 2 gezeigt.
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Zwischen der feststehenden Gehäusewand 3 des Verdichtergehäuses 2 und den Schaufeloberkanten der Schaufeln 5 ist der Kopfspalt 7 vorgesehen, der eine Rotation des Verdichterrads 4 ermöglicht. Die Schaufeloberkanten sind abdeckungsfrei, d.h. nicht von einer Deckscheibe überdeckt.
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Entlang ihrer jeweiligen Meridiankontur sind sowohl die Schaufeloberkanten der Schaufeln 5 als auch die Gehäusewand 3 derart angepasst, dass eine durch den Kopfspalt 7 strömende Rückströmung RS (siehe 2) in die entgegengesetzte Richtung umgelenkt und der Hauptströmung HS wieder zugeführt wird. Hierzu sind auf den Schaufeloberkanten der Schaufeln 5 gegenüber dem Meridianverlauf in Strömungsrichtung der Hauptströmung HS von der ansaugseitigen Vorderkante 12 des Verdichterrads 4 zu dessen ausblasseitiger Hinterkante 6 gesehen ein Rücksprung 11 sowie eine Erhöhung 10 vorgesehen. In komplementärer Form ist die Gehäusewand 3 mit dem Rücksprung 13 gegenüberliegend zur Erhöhung 10 der Schaufel 5 und der Erhöhung 14 gegenüberliegend zu dem Rücksprung 11 der Schaufel 5 gebildet. Die unstetige Meridiankontur führt dazu, dass der Kopfspalt 7 in einer Meridianebene gesehen einen Z-förmigen Verlauf bestimmt, wobei dieser in der Ansicht gemäß der 1 und 2 gespiegelt ist.
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Der Z-förmige bzw. gespiegelt Z-förmige Verlauf, je nachdem von welcher Seite auf die Schaufeln 5 gesehen wird, führt zudem dazu, dass die Gehäusewand 3 und die Schaufeln 5 jeweils zwei gegenüber dem Meridianverlauf eingezogene Querschenkel 8 sowie aufeinander zugerichtete Anschlagflächen 9, 9' für die Strömung durch den Kopfspalt 7 aufweisen. Bei der gezeigten Ausführung stellt die Anschlagfläche 9 der Gehäusewand 3 das wesentliche Hindernis für die Rückströmung RS dar und leitet die Rückströmung RS zurück in die Hauptströmung HS. Die Anschlagflächen 9, 9' sind gegenüber einer Senkrechten zur Tangente T des Meridianverlaufs der Gehäusewand 3 bzw. der Schaufeloberkanten des Verdichterrads 4 in einem Winkel α geneigt (siehe 3). Der Winkel α liegt vorzugsweise in einem Bereich von ±15°, in der gezeigten Ausführung bei -10°. Der Z-förmige Verlauf wird somit hin zu einem blitzförmigen Verlauf mit deutlicher Umkehrrichtung der Anschlagfläche 9 zurück in die Hauptströmung HS und mithin verbesserter Rückführung der Rückströmung RS.
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Die entsprechende Ausbildung der Gehäusewand 3 und der Schaufeloberkanten der Schaufeln 5 ist detaillierter in 3 gezeigt. Dabei ist deutlich die Anpassung der Meridiankontur mit Rücksprung 11 und Erhöhung 10 der Schaufeloberkante gegenüber dem Meridianverlauf M' sowie der Meridiankontur mit Rücksprung 14 und Erhöhung 13 der Gehäusewand 3 gegenüber dem Meridianverlauf M zu erkennen. Die schraffierten Flächen bestimmen die jeweilige Größe der Abweichungen gegenüber den stetigen Meridianverläufen M, M'. Zudem sind in 3 auch die Kopfspaltbreite a, b bestimmt durch den Abstand zwischen der Schaufeloberkante der Schaufel 5 und der Gehäusewand 3 sowie die Kopfspaltlänge c zwischen den Anschlagflächen 9, 9' eingezeichnet, wobei in dem gezeigten Ausführungsbeispiel a>c>b. Die Erhöhung 14 der Gehäusewand 3 und der Rücksprung 11 der Schaufeloberkante sowie die Erhöhung 10 der Schaufeloberkante und der Rücksprung 13 der Gehäusewand 3 sind jeweils gleich, so dass die Kopfspaltbreiten a und b jeweils konstant bleiben.
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In 1 ist ferner die Meridianlänge L des Verdichterrads 4 von dessen ansaugseitiger Vorderkante 12 zu dessen ausblasseitiger Hinterkante 6 eingezeichnet, die zwischen den Werten 0<L<1 festgelegt wird, um zu bestimmen, dass der Z-förmige Verlauf gebildet durch die Rücksprunge 11, 13 und Erhöhungen 10, 14 in dem gezeigten Ausführungsbeispiel bei 0,47 liegt. Gemessen wird bei der mittleren Kopfspaltlänge c.
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Die 4 und 5 zeigen unterschiedliche Ausführungsbeispiele von Verdichterrädern 4, wobei die Verdichterräder 4 jeweils Schaufeln 5 mit jeweils unterschiedlicher Axialerstreckung aufweisen, die in Umfangsrichtung abwechselnd zueinander angeordnet und in Umfangsrichtung gekrümmt sind. Die Schaufeln mit kürzerer Axialerstreckung bzw. Meridionalerstreckung sind als Zwischenschaufeln 5' zwischen den Schaufeln 5 mit größerer Axialerstreckung bzw. Meridionalerstreckung angeordnet. Der gekrümmte Verlauf der längeren Schaufeln 5 führt dazu, dass die Zwischenschaufeln 5' in axialer Projektion überdeckt werden. In den gezeigten Ausführungsbeispielen gemäß der 4 und 5 sind sowohl die Schaufeln 5 als auch die Zwischenschaufeln 5' mit den Erhöhung 10 und Rücksprung 11 ausgebildet, es können jedoch auch nur die Schaufeln 5 entsprechend geformt werden und die Zwischenschaufeln 5' eine stetige Meridiankontur aufweisen. Die Ausführung des Verdichterrads 4 gemäß 5 unterscheidet sich dadurch, dass über den Meridianverlauf die unstetige Meridiankontur der Schaufeloberkanten mehrfach gebildet ist. Die Gehäusewand 3 wird dann entsprechend komplementär geformt.
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Die gesamte Offenbarung gilt sowohl für Radialverdichterräder als auch für Diagonalverdichterräder.
