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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Kreiselverdichter und insbesondere,
aber nicht ausschließlich,
einen Turboladerkreiselverdichter.
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Turbolader
sind gut bekannte Vorrichtungen für das Zuführen von Luft zum Eintritt
eines Verbrennungsmotors mit Drücken über dem
atmosphärischen
Luftdruck (Ladedrücke)
und werden in breitem Umfang in Automobilen, Motorbooten und dergleichen
verwendet. Ein konventioneller Turbolader weist im Wesentlichen
ein abgasgetriebenes Terbinenrad auf, das auf einer drehbaren Welle
innerhalb eines Turbinengehäuses
montiert ist. Beispielsweise definiert in einer Zentripetalturbine
das Turbinengehäuse
einen ringförmigen
Eintrittsdurchgang um das Turbinenrad herum und im Allgemeinen einen
zylindrischen axialen Austrittsdurchgang, der sich vom Turbinenrad
erstreckt. Die Drehung des Turbinenrades dreht ein Verdichterrad,
das am anderen Ende der Welle innerhalb eines Verdichtergehäuses montiert ist.
Das Verdichterrad liefert Druckluft zum Einlasskrümmer des
Motors, wodurch die Motorleistung erhöht wird. Siehe beispielsweise
den Turbolader, der im GB-A-1574942 offenbart wird.
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Alle
Kreiselverdichter unterliegen einem Pumpen unter schwachen Durchflussverhältnissen, d.h.,
einem Zustand des instabilen Betriebes, bei dem starke Schwankungen
beim Druck und der Durchflussstärke
auftreten. In vielen Fällen,
wie beispielsweise, wenn der Verdichter ein Teil eines Turboladers
ist, der Luft einem Hubkolben-Verbrennungsmotor zuführt, sind
die Schwankungen bei der Durchflussstärke nicht akzeptabel. Dementsprechend
wurden starke Bemühungen
unternommen, die Pumpgrenze der Kreiselverdichter zu verbessern, um
den anwendbaren Durchflussbereich des Verdichters zu verbessern.
Ein frühes
Beispiel für
eine Verfahrensweise zur Verringerung des Pumpens wird im
US 2471174 offenbart.
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Verdichter
mit verbesserter Map-Breite sind bekannt, die danach streben, sowohl
die Pump- als auch Drosselgrenze zu verbessern (die „Map" eines Verdichters
ist der Begriff, der einer grafischen Darstellung des gesamten Druckverhältnisses über den Verdichter
gegenüber
dem Durchfluss durch den Verdichter gegeben wird, wobei die Breite
der Map zwischen den Pump- und Drosseldurchflussgrenzen definiert
wird). Bei einem konventionellen Verdichter mit verbesserter Map-Breite
wird eine Kammer benachbart dem Verdichtereintritt vom äußeren Umfang
der Verdichtenadschaufeln durch eine Wand getrennt, die mit einem
ringförmigen
Schlitz oder einer Reihe von radialen Löchern versehen ist, der eine
Verbindung zwischen der Kammer und dem Verdichterrad gestattet.
Diese Verbindung vergrößert die
Menge an Gas, die das Verdichterrad während eines Betriebes mit starkem
Durchfluss und hoher Motordrehzahl erreicht und führt das
Gas zum Verdichtereintritt während
des Betriebes mit geringem Durchfluss zurückführt, wodurch der Verdichter
bei der Drossel- und bzw. Pumpgeschwindigkeit stabilisiert wird.
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Während gezeigt
wurde, dass derartige Maßnahmen
effektiv sind, strebt die vorliegende Erfindung danach, die Pumpgrenze
der Verdichter noch weiter zu verbessern.
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Entsprechend
der vorliegenden Erfindung wird ein Verdichter bereitgestellt, der
aufweist: ein Gehäuse,
das einen Eintritt und einen Austritt definiert; und ein Verdichterrad,
das für
eine Drehung um eine Achse innerhalb einer Kammer montiert ist,
die durch das Gehäuse
zwischen dem Eintritt und dem Austritt definiert wird, wobei die
Vorderseite des Verdichterrades zum Eintritt hin liegt und ein Abschnitt der
Rückseite
des Verdichterrades in eine Aussparung eingesetzt wird, die durch
eine Wand des Gehäuses
definiert wird, wobei der Außendurchmesser der
Aussparung größer ist
als der Außendurchmesser
des ausgesparten Abschnittes des Verdichterrades, was einen ringförmigen Spalt
um den ausgesparten Abschnitt des Verdichterrades definiert, dadurch
gekennzeichnet, dass der Außendurchmesser der
Aussparung mindestens das 1,05-fache des Außendurchmessers des ausgesparten
Abschnittes des Verdichterrades ist und/oder die Tiefe der Aussparung
im Bereich des Spaltes größer ist
als das 1,5-fache der axialen Breite des ausgesparten Abschnittes
des Verdichterrades.
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Versuche
haben gezeigt, dass das Vorhandensein einer vergrößerten Verdichterradaussparung,
die mit dem Rad in Verbindung steht, eine Stelle für die Bildung
eines Wirbels im Verdichterradaustritt (Diffusor) nahe der Pumpverhältnisse
liefert, sehr wirksam eine aerodynamische Beschränkung im Austritt bildet, die
die Pumpgrenze des Verdichters verbessert. Der Wirbel verschwindet
jedoch bei höheren
Durchflussgeschwindigkeiten, und es ist daher kein Leistungsverlust über den
Betriebsbereich des Verdichters zu verzeichnen, der erwartet würde, wenn
eine stationäre
physikalische Beschränkung bereitgestellt
wird.
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Versuche
haben ebenfalls gezeigt, dass die Verbesserung bei der Pumpgrenze
bei relativ hohen Druckverhältnissen
besonders wichtig ist. Das ist insbesondere ein Vorteil, wo der
Verdichter in Turboladern eingebaut ist, da zunehmend strenge Emissionsvorschriften
die Motorenhersteller dazu bringen, Turbolader zu fordern (und daher
Verdichter), die mit höheren
Ladedrücken
arbeiten.
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In Übereinstimmung
mit der Erfindung kann die Aussparung entweder radial oder axial
(im Bereich der Verdichterradschaufelspitzen) oder beides vergrößert werden.
Die Vergrößerung bei
der Aussparung liefert die Stelle für die Bildung des vorangehend
erwähnten
Wirbels. Die typische Vergrößerung des
Durchmessers der Aussparung wird zwischen dem 1,05- und 1,15-fachen
des Außendurchmessers des
ausgesparten Abschnittes des Verdichterrades liegen. Versuche haben
gezeigt, dass Verbesserungen bei der Pumpgrenze bei einer Aussparung
von mindestens dem 1,05-fachen des Durchmessers des ausgesparten
Abschnittes des Verdichterrades (typischerweise der Radrückseitenscheibe)
offensichtlich sind und größer werden,
während
die Vergrößerung der
Aussparung größer wird.
Der Verlust an Leistung gleicht jedoch den Vorteil bei der Pumpgrenze
für Aussparungen
aus, die viel größer als
etwa das 1,15-fache des Durchmessers des Rades ausgeführt wurden.
Der bevorzugte Bereich einer Vergrößerung beträgt das 1,10- bis 1,12-fache
des Durchmessers des Rades.
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Bei
Ausführungen,
bei denen die Tiefe der Aussparung verstärkt wird, kann das durch Fertigen einer
Nut innerhalb der Aussparung benachbart dem Umfang des ausgesparten
Abschnittes des Rades bewirkt werden.
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Weitere
bevorzugte charakteristische Merkmale der Erfindung werden aus der
folgenden Beschreibung der verschiedenen unterschiedlichen Ausführungen
der Erfindung ersichtlich werden.
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Spezifische
Ausführungen
der vorliegenden Erfindung werden jetzt nur als Beispiel mit Bezugnahme
auf die beigefügten
Zeichnungen beschrieben, die zeigen:
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1 eine
Außenansicht,
die die Hauptteile eines konventionellen Turboladers veranschaulicht;
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2a eine
Schnittdarstellung durch einen Teil des Turboladers aus 1,
die Einzelheiten des Verdichters zeigt;
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2b eine
vergrößerte Darstellung
eines Details aus 2a, die die Aussparung veranschaulicht,
innerhalb der sich das Verdichterrad dreht;
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3 eine
Abwandlung des Turboladers aus 1 und 2, um die Verdichteraussparung in Übereinstimmung
mit einer ersten Ausführung
der vorliegenden Erfindung zu vergrößern;
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4a und 4b CFD
(rechnerische Strömungsdynamik)-Probeergebnisse,
die den konventionellen Verdichter aus 1 und 2 mit dem abgewandelten Verdichter aus 3 bei
Pumpverhältnissen
gegenüberstellen;
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5 eine
grafische Darstellung des gesamten Druckverhältnisses über dem Luftstrom (d.h., Verdichter-Map),
die die Verbesserung bei der Pumpgrenze veranschaulicht, die durch
die in 3 veranschaulichte Abwandlung bewirkt wird; und
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6 und 7 weitere
Ausführungen
der vorliegenden Erfindung.
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Mit
Bezugnahme auf die Zeichnungen veranschaulichen 1 und 2 einen konventionellen Kreiselturbolader,
der aufweist: eine Turbine, die im Allgemeinen mit der Bezugszahl 1 gekennzeichnet wird;
einen Verdichter, der im Allgemeien mit der Bezugszahl 2 gekennzeichnet
wird; und ein zentrales Lagergehäuse,
das mit der Bezugszahl 3 gekennzeichnet wird.
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2a zeigt
eine Schnittdarstellung durch einen Teil des Verdichterabschnittes
des Turboladers aus 1, aus der gesehen werden kann,
dass der Verdichter ein Gehäuse
aufweist, das teilweise durch einen Diffusorabschnitt 4,
der Teil des Lagergehäusegussteils 3 ist,
und einen Verdichterdeckel 5 definiert wird, der einen
Eintritt 6 und eine Austrittsspirale 7 definiert.
Ein Verdichterrad 8 ist für eine Drehung um eine Welle 9 montiert,
die sich durch das Lagergehäuse 3 zur
Turbine 1 erstreckt. Das Verdichterrad 8 weist
eine Anordnung von Schaufeln 9 auf, die durch eine Rückseitenscheibe 10 getragen
werden, die in den Diffusorabschnitt 4 ausgespart ist.
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Der
veranschaulichte Verdichter ist ein Typ mit verbesserter Map-Breite,
bei dem der Eintritt 6 einen rohrförmigen Eintrittsabschnitt 11 aufweist,
um den sich ein rohrförmiger
Aufnahmeabschnitt 12 erstreckt, der eine ringförmige Kammer 13 dazwischen definiert.
Ein ringförmiger
Schlitz 14 wird durch den rohrförmigen Eintrittsabschnitt 11 gebildet,
so dass die Kammer 13 mit einem Einlaufteilabschnitt des Verdichtergehäuses in
Verbindung steht, der durch die Verdichterschaufeln 9 durchlaufen
wird. Der Austritt der Verdichterspirale 7 erfolgt über einen
Diffusordurchgang 15, der zwischen dem Verdichterdeckel 14 und
dem Diffusorabschnitt 4 des Lagergehäuses 3 definiert wird,
der ein ringförmiger
Durchgang ist, der die Spitzen der Verdichterschaufeln 9 umgibt.
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2b ist
eine Vergrößerung des
Teils aus 2a, der deutlicher die Aussparung 16 im
Gehäuse
zeigt, innerhalb der die Rückseitenscheibe 10 des Verdichterrades
ausgespart ist. Bei einem konventionellen Turbolader, wie beispielsweise
dem veranschaulichten, wird die Aussparung im Gehäuse gefertigt,
um einen minimalen erforderlichen ringförmigen Spalt um den Außendurchmesser
des Rades 8 zu belassen (in diesem Fall der Durchmesser
der Rückseitenscheibe 10),
um einen Zwischenraum für die
Drehung des Verdichterrades 8 bereitzustellen. Als solcher
liegt der Durchmesser der Aussparung 16 typischerweise
irgendwo zwischen dem 1,01- und 1,04-fachen des Außendurchmessers
des ausgesparten Abschnittes des Verdichterrades, der beim veranschaulichten
Beispiel der Durchmesser der Rückseitenscheibe 10 ist.
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Mit
Bezugnahme auf 3 veranschaulicht diese eine
erste Abwandlung der Aussparung 16 in Übereinstimmung mit einer Ausführung der
vorliegenden Erfindung. 3 ist eine Darstellung entsprechend 2c, die die Bereitstellung einer vergrößerten Verdichterradaussparung 16 veranschaulicht,
verglichen mit der des konventionellen Turboladers, der in 2c veranschaulicht wird. Bei dieser Ausführung ist
die Aussparung radial vergrößert, obgleich
sie im Wesentlichen die gleiche Tiefe aufweist wie die Aussprung
in 2c. Beim veranschaulichten Beispiel
beträgt
der Durchmesser der Aussparung das 1,05-fache des Durchmessers des
ausgesparten Abschnittes des Rades 8 (d.h., der Rückseitenscheibe 10).
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4a und
bzw. 4b zeigen die CFD-Ergebnisse für die in 2a und 3 veranschaulichten
Verdichtergeometrien beim nahe bevorstehenden Pumpbetrieb. Daraus
kann man sehen, dass bei der Geometrie entsprechend der vorliegenden
Erfindung ein Wirbel 17 in dem Bereich der vergrößerten Aussparung 16 gebildet
wird, der das Verdichterrad 8 umgibt. Dieser Wirbel 17 wirkt
effektiv als ein aerodynamisches „Einschnüren" beim Diffusor, wobei die Größe des Diffusors
beim nahe bevorstehenden Pumpbetrieb verringert wird, was wirksam
den Beginn des Pumpens verzögert.
Die Verbesserung bei der Pumpgrenze ist aus dem Vergleich der Verdichter-Maps
für jede
der zwei Geometrien offensichtlich, die in 5 veranschaulicht
werden. Das zeigt, dass die Pumplinie 18 der abgewandelten
Geometrie nach links im Vergleich zur Pumplinie 19 der
nicht abgewandelten Geometrie in 2c verschoben
wird. Die Wirkung ist bei relativ hohen Druckverhältnissen (über etwa
3:1) besonders deutlich, wo bis zu 15% zusätzliche Pumpgrenze erhalten
werden.
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Versuche
haben gezeigt, dass sich der Wirbel 17, der das aerodynamische
Einschnüren
bewirkt, bei Pumpverhältnissen
bildet, aber bei höheren Durchflussgeschwindigkeiten
verschwindet und daher nicht den Leistungsverlust hervorruft, der
im Allgemeinen mit den mechanischen Beschränkungen in Verbindung steht,
die in den Diffusor eingebaut werden können, um die Pumpgrenze zu
verbessern. Mit anderen Worten, die Abwandlung in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung verbessert die Pumpgrenze, ohne dass
eine Herabsetzung des Wirkungsgrades des Verdichters über seinen
Arbeitsbereich erfolgt.
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Einer
der Gründe,
weshalb konventionelle Verdichterradaussparungen auf eine enge Toleranz bearbeitet
werden, wodurch der ringförmige
Spalt minimiert wird, der durch die Aussparung um das Verdichterrad
gebildet wird, ist das Vermeiden der wahrgenommenen Probleme mit
dem Ölaustritt.
Das heißt,
es wurde im Allgemeinen im Fachgebiet in Betracht gezogen, dass
eine Zunahme der Abmessung der Aussparung den Druck hinter dem Verdichterrad verringern
und die Wahrscheinlichkeit des Ölaustrittes
aus dem Lagergehäuse
erhöhen
würde.
Die gegenwärtigen
Erfinder zeigten, dass das nicht der Fall ist, und tatsächlich wurden
geringe Druckanstiege hinter dem Verdichterrad im Ergebnis der Vergrößerung der
Abmessung der Verdichterradaussparung gemessen, so dass der Ölaustritt
nicht ein Problem aufwirft.
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6 veranschaulicht
eine alternative Ausführung
der vorliegenden Erfindung, bei der eine Ringnut 20 innerhalb
der Verdichteraussparung 16 in dem Bereich des ringförmigen Spaltes
gebildet wird, der zwischen dem Außendurchmesser des ausgesparten
Abschnittes des Verdichterrades und dem Außendurchmesser der Aussparung
definiert wird. Bei einem typischen konventionellen Turbolader liegt die
Tiefe der Aussparung in diesem Bereich in der Größenordnung des 1,2-fachen der
axialen Breite des ausgesparten Abschnittes des Verdichterrades (typischerweise
der Rückseitenscheibe 10).
In Übereinstimmung
mit dieser Ausführung
der vorliegenden Erfindung wird die Tiefe auf mehr als das 1,5-fache der axialen
Breite des ausgesparten Abschnittes des Verdichterrades vergrößert. Versuche
haben gezeigt, dass das eine Verbesserung bei der Pumpgrenze bewirkt,
selbst wenn der Durchmesser der Aussparung nicht vergrößert wird.
Es wird jedoch erkannt werden, dass die vergrößerte Aussparungstiefe mit
einer Zunahme des Aussparungsdurchmessers kombiniert werden kann,
um die Wirkung zu verbessern.
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Wiederum
ist die Verbesserung bei der Pumpgrenze auf die Ausbildung eines
Wirbels innerhalb der Aussparung um das Verdichtrrad bei Pumpströmungsgeschwindigkeiten
zurückzuführen.
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7 zeigt
eine Ausführung
der vorliegenden Erfindung, bei der eine erste Nut 22 innerhalb
der Verdichteraussparung 16 und eine zweite Nut 23 um die
Verdichteraussparung herum vorhanden ist, was effektiv das gleiche
ist wie die Bereitstellung einer ringförmigen Trennwand innerhalb
der Nut der Ausführung
in 6.
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Es
wird erkannt werden, dass viele Abwandlungen bei den detaillierten
Ausführungen
der vorangehend beschriebenen Erfindung vorgenommen werden könnten. Eine
Prüfung
wird offenbaren, wie der durch die vorliegende Erfindung bewirkte
Effekt für
eine spezielle Anwendung optimiert werden kann. Das wichtige charakteristische
Merkmal der Erfindung ist, dass eine Stelle innerhalb des Verdichtergehäuses für die Bildung
des in 4b veranschaulichten Wirbels
vorhanden ist, wobei jene Stelle durch Vergrößern eines Teils der Aussprung
bereitgestellt wird, innerhalb der sich das Verdichterrad dreht.
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Es
wird erkannt werden, dass die Erfindung bei verschiedenen Konstruktionen
des Verdichters und des Verdichterrades zur Anwendung gebracht werden
kann. Beispielsweise kann das Verdichterrad in einem größeren oder
kleinerem Ausmaß als
dem veranschaulichten ausgespart werden und kann Schaufeln aufweisen,
die beträchtlich
abweichend von jenen veranschaulichten ausgebildet sind. Obgleich
beim vorhergehenden Beispiel der Durchmesser der Rückseitenscheibe
größer ist
als der Außendurchmesser
der Schaufelspitzen, muss das beispielsweise nicht notwendigerweise
der Fall sein. Die Schaufeln und die Rückseitenscheibe könnten beispielsweise
den gleichen Außendurchmesser
aufweisen. Gleichermaßen
kann das Verdichterradgehäuse
beträchtlich
von dem veranschaulichten abweichen, und es kann beispielsweise
ein einzelnes Gussteil aufweisen, das eher mit dem Lagergehäuse verschraubt
ist, als dass es gemeinsam aus dem Verdichterdeckel und dem Lagergehäuse gebildet
wird. Außerdem,
wohingegen der spezielle veranschaulichte Verdichter eine Verdichterkonstruktion
mit verbesserter Map-Breite ist, muss das nicht notwendigerweise
der Fall sein. Gleichermaßen
ist der veranschaulichte Verdichter eine schaufellose Konstruktion,
aber die Erfindung könnte
gleichermaßen
bei dem Verdichter angewandt werden, der mit Schaufeln innerhalb
des Diffusors versehen ist.
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Weitere
mögliche
Abwandlungen werden für den
geeigneten Fachmann leicht erkennbar sein.