DE2500496A1

DE2500496A1 - Kompressorvorrichtung

Info

Publication number: DE2500496A1
Application number: DE19752500496
Authority: DE
Inventors: Edward Frank Benisek
Original assignee: Wallace Murray Corp
Current assignee: Wallace Murray Corp
Priority date: 1974-03-18
Filing date: 1975-01-08
Publication date: 1975-09-25
Also published as: US3922108A; JPS50125116A; BR7500109D0; FR2264995A1; ES435685A1; JPS5812479B2; CA1025829A; GB1480871A; IT1033365B; SE7500233L

Description

G 49 728 -su

Firma WALLACE-MURRAY CORPORATION, 299 Park Avenue, New York, N.Y. (USA)

Kompressorvorrichtung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kompressorvorrichtung für einen Turbolader zum Vorverwirbeln von in den Kompressor eintretender Luft. Turbolader bzw. -gebläse werden in großem Umfang bei Verbrennungskraftmaschinen und insbesondere bei großen Dieselmaschinen für Lastwagen benutzt. Im Unterschied zu Vorverdichterantrieben (superchargers), die ihre Leistung direkt von der Kurbelwelle der Maschine ableiten, werden Turbolader von den Maschinenabgasen getrieben. Die Abgase werden an eine Turbine gegeben, die ihrerseits mit einem Kompressor verbunden ist. Von diesem wird Umgebungsluft komprimiert und in den Eingang der Maschine geführt.

Vorverwirbelungs- oder Drallvorrichtungen sind bei Luftkompressoren bekannt. Solche Vorrichtungen enthalten oft eine Vielzahl von sich schräg über die Mündung des Kompressoreingangs erstreckenden Schaufeln, die dadurch der ankommenden Luft eine Wirbelkomponente erteilen, wodurch die Kompressorleistung bei einer gegebenen Kompressordrehzahl reduziert wird. Solche Vorrichtungen sind in den

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US-Patenten 2 637 486 und 2 69o 293 gezeigt, um zwei Beispiele zu nennen.-Eine Luftvorverwirbelung entgegen der Schaufelraddrehung führt zu einer Vergrößerung der Kompressorleistung, während ein Luftwirbel in derselben Richtung die Kompressorleistung vermindert. Die Wirkung einer Vorverwirbelung ist genauer in ASME Paper No. 63-AHGT-55 von Anderson und Shouman, März 1963, beschrieben. Dort ist ausgeführt, daß eine Veränderung des Vorverwirbelungsmaßes bei konstanter Kompressordrehzahl äquivalent zu einer Veränderung der Kompressordrehzahl ohne Vorverwirbelung ist. Auch wird in dieser Schrift darauf hingewiesen, daß die Pump- oder Abrißlinie (surge, stall line) infolge der Vorverwirbelung in Richtung zu einer kleineren Strömung verschoben wird, was zu einer Erweiterung des Betriebsbereiches führt.

Oft ist eine Veränderung des Anteils an vorverwirbelter, in den Kompressor eintretender Luft erwünscht, und zu diesem Zweck wurden die Schaufeln mit Gestängen zum gleichzeitigen Verändern des Schaufelwinkels ausgebildet. Obwohl solche Konstruktionen dem angestrebten Zweck förderlich sind, handelt sich um eine relativ teure Ausbildung, da zahlreiche Bewegungsteile erforderlich sind.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, unter Vermeidung der geschilderten Nachteile eine Kompressorvorrichtung der genannten Art in geeigneter sowie einfacher Weise zu verbessern. Zu diesem Zweck wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß ein Eingangsströmungskanal senkrecht zur Ebene der Schaufelraddrehung mit einem Drehkompressor gekoppelt ist, daß im EingangsStrömungskanal ein Ventil zum Steuern der durchströmenden Luftmenge angeordnet ist, daß sich ferner eine Vielzahl von am Umfang ausgebildeten Öffnungen in dem Strömungskanal zum Herstellen einer Strömungsverbindung zwischen dem Inneren und dem Äußeren des Strömungskanals befindet, wobei die Öffnungen der vom Äußeren zum Inneren des Strömungskanals durchströmenden Luft eine Tangentialgeschwindigkeit erteilen, und daß die Öffnungen am Umfang im Strömungskanal axial zwischen dem Ventil und einer Kompressorabdeckung bzw. einem Kompressorgehäuse ausgebildet sind.

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Nach der Erfindung wird somit im Unterschied zum Stand der Technik eine Vielzahl von stationären Drallschaufeln benutzt, die am Umfang des Kompressoreinlasses angeordnet sind. Der in den Kompressor führende Kanal ist mit einem Drosselklappenventil versehen. Durch Einstellen der Winkellage des Drosselklappenventils wird die über die Drallschaufeln in den Kompressor eintretende Luftmenge verändert, was zu einer Veränderung des Vorverwirbelungsmaßes führt. Im Unterschied zu einem Aufbau, bei dem"zahlreiche Schaufeln gleichzeitig eingestellt werden müssen, um das Drall- bzw. Wirbelmaß der in den Kompressor eintretenden Luft zu verändern, wird erfindungsgemäß nur ein einziges Ventil angewendet. Dieser Aufbau führt ferner zu dem Vorteil, daß die Pump- oder Abrißlinie verschoben und der Betriebsbereich erweitert werden. Die über die Drallschaufeln strömende Luft wird hinsichtlich ihrer Menge dur.ch ' das Drosselklappenventil eingestellt, und sie erhält von den Drall oder Wirbelschaufeln eine tangentiale Geschwindigkeitskomponente.

Die Erfindung wird nachstehend unter Hinweis auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 - einen Querschnitt einer erfindungsgemäßen Vorverwirbelungsanordnung,

Figur 2 - einen Querschnitt eines schräge Schaufeln tragenden Ringelements,

Figur 3 - eine Draufsicht des Rings aus Figur 2,

Figur 4 - eine Kurve zur Betriebsdarstellung der Vorrichtung mit einem o,4lo Austritts- bzw. Düsenspalt, wobei ein Drosselklappenventil um 49° geöffnet ist, und

Figur 5 - eine Kurve ähnlich derjenigen aus Figur 4, jedoch bei vollständig geöffnetem Drosselklappenventil.

In den Darstellungen bezeichnet die Hinweiszahl Io eine Kompressorabdeckung bzw. -verkleidung eines herkömmlichen Turboladers. Das gestrichelte und mit der Hinweiszahl 11 bezeichnete Element ist ein übliches Flügel- oder Schaufelrad. Die Kompressorabdeckung Io enthält eine ringförmige Kammer 12, die komprimierte Luft aufnimmt und von einem hohlen Torus begrenzt wird. Dieser weist einen

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einstückigen Einlaßteil oder eine Mündung 18 auf, die an ihrem Umfang mit einem Ringflansch 2o versehen ist. Die Hinweiszahl 22 bezeichnet einen Ring, der eine Vielzahl schräg verlaufender Flügel oder Schaufeln 24 aufweist. An der linken Seite des Rings 22 ist ein Kanal 28, beispielsweise durch eine Schweißung, befestigt. Die Schaufeln sind an der rechten Seite des Rings angeschweißt oder -gegossen, wobei die rechten Kanten der Schaufeln 24, beispielsweise durch Schweißung, am Flansch 2o festgelegt sind. Das Innere 3o des Kanals 28 ist mit einem üblichen Drosselklappenventil versehen, dessen Flügel 34 an einem drehbaren Zapfen 36 befestigt ist, wobei der letztere mittels einer Hebelanordnung 38, 4o auf jede gewünschte Winkelposition einstellbar ist. Das Einlaßende des Kanals 28 ist an ein Luftfilter 42 angekoppelt, das sich radial über den Eingang eines zweiten Kanals 44 erstreckt, dessen Inneres eine über die Drallschaufeln 24 mit der Kompressormündung 18 in Verbindung stehende Verdichtervorkammer begrenzt. Der Axialabstand zwischen den radial äußeren Teilen der Schaufeln 24 und den ringförmigen Elementen 2o sowie 22 begrenzt am Umfang angeordnete Lufteingangskanäle 25 (siehe Figur 3), durch die Luft strömen kann. Die Kanäle laufen als Düsen bis zu einem Austrittsbereich zusammen.

Die Betriebsweise der Vorrichtung ist wie folgt. Wenn der Flügel des Drosselklappenventils 34 winkelmäßig so positioniert ist, daß die gewünschte Luftströmung im Inneren 3o des Kanals 28 gebildet wird, bewirkt der Saugdruck in der Mündung 18 aufgrund der Pumpwirkung der Schaufelraddrehung ein Strömen der Umgebungsluft durch das Filter 42, ein Eintreten in den Kanal 28 und ein Pumpen durch den Kompressor. Eine gesteuerte oder geregelte Luftmenge tritt über die Kanäle 25 in den Kompressor ein. Wenn die Arbeitsbedingungen dergestalt sind, daß zum Ändern der Pumpbedingung eine Vorverwirbelung erwünscht ist, sollte die Klappe 34 des Drosselklappenventils etwas geschlossen werden, um die Luftströmung durch den Kanal 28 zu hemmen. Es wird nun einige Luft durch das Filter 42, durch die Vorverdichterkammer 46 und in die Kanäle 25 eingesaugt. Aus Figur 3 ist es ohne weiteres ersichtlich, daß der Luft dadurch eine tangentiale Geschwindigkeitskomponente erteilt wird, und zwar

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in derselben Drehrichtung des Schaufelrades 11. Eine andere Luftmenge strömt wie zuvor durch den Kanal 3o in die Kompressormündung 18.

Wenn ein größerer Anteil an vorverwirbelter Luft erwünscht ist, wird das Drosselklappenventil 34 noch weiter gedreht, um einen Lufteintritt durch den Kanal 28 zu unterbinden, wobei entsprechend vergrößerte Luftmengen durch die Kanäle 25 sowie Düsenausgänge 26 strömen und vor dem Eintreten in die Mündung 18 einen Drall oder eine Vorverwirbelung erhalten. Die Kanäle 25 sind durch winklig oder schräg angeordnete Blattschaufeln 24 begrenzt. Statt solcher Schaufeln können auch andere Anordnungen zum Erzielen schräger Düsen angewendet werden, beispielsweise Bohrungs- oder Gußöffnungen in einem verdickten Ring.

In Figur 4 ist der Betrieb der Vorrichtung bei einer Öffnung der Ventilscheibe von 49° in bezug auf die Strömungsachse 3o des Kanals 28 dargestellt. Die verschiedenen Arbeits- bzw. Wirksamkeitskurven für die angegebenen Kompressordrehzahlen sind hinsichtlich ihrer linken Bereiche an der Pump- oder Abrißlinie (surge or stall line) verbunden. Es wird erneut darauf hingewiesen, daß die Arbeitsbedingungen links von der Pumplinie unstabil sind, so daß der gesamte Kompressorbetrieb rechts von dieser Linie stattfinden muß. Figur 5 zeigt eine ähnliche graphische Darstellung mit dem Unterschied, daß das Drosselklappenventil vollständig geöffnet ist, so daß der in die Kompressormündung 18 eintretenden Luft eine entsprechend minimale Vorverwirbelung erteilt wird. Aus einem Vergleich der Figuren 4 und 5 ist die bekannte Tatsache ersichtlich, daß die Pumplinie durch eine positive Vorverwirbelung nach links und der Betriebsbereich der Vorrichtung dadurch ausgedehnt werden.

- Patentansprüche -

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Claims

Patentansprüche

l.JKompressorvorrichtung für einen Turbolader zum Vorverwirbeln von in den Kompressor eintretender Luft, dadurch gekennzeichnet, daß ein Eingangsströmungskanal (3o_f 18) senkrecht zur Ebene der Schaufelraddrehung mit einem Drehkompressor gekoppelt ist, daß im Eingangsströmungskanal ein Ventil (38) zum Steuern der durchströmenden Luftmenge angeordnet ist, daß sich ferner eine Vielzahl von am Umfang ausgebildeten Öffnungen (25, 26) in dem Strömungskanal zum Herstellen einer Strömungsverbindung zwischen dem Inneren und dem Äußeren (46) des Strömungskanals befindet, wobei die Öffnungen der vom Äußeren zum Inneren des Strömungskanals durchströmenden Luft eine Tangentialgeschwindigkeit erteilen, und daß die Öffnungen am Umfang im Strömungskanal axial zwischen dem Ventil und einer Kompressorabdeckung bzw. einem Kompressorgehäuse (lo) ausgebildet sind.
2. Kompressorvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen (25, 26) teilweise von winkligen bzw. schrägen Räumen zwischen Schaufeln (24) begrenzt werden, die sich radial nach innen und zumindest teilweise tangential zum Strömungskanal erstrecken und einen gegenüber dem Austrittsbereich größeren Eintrittsbereich begrenzen.
3. Kompressorvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorverdichterkammer (46) in Strömungsverbindung mit dem Eingang (25) zu den Strömungskanälen steht.
4. Kompressorvorrichtung nach Ansprüchen 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorverdichterkammer (46) von einem Gehäuse (44) begrenzt ist, das den Lufteingangsströmungskanal (3o) unter Radialabstand umgibt.
5. Kompressorvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Luftfilter (42) in·Luftströmungsverbindüng mit dem Eingangs Strömungskanal (3o) und/oder der Vorverdichterkammer (46) steht. 7 _

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6. Kompressorvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil (38) ein Drosselklappenventil ist.

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