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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Verdichter. Im Besonderen
bezieht sich die Erfindung auf die Einlassanordnung eines Kreiselverdichters
wie beispielsweise den Verdichter eines Turboladers.
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Ein
Verdichter umfasst ein Schaufelrad, das eine Vielzahl von Schaufeln
(oder Blättern)
trägt,
die auf einer Welle für
die Drehung in ein Verdichtergehäuse
montiert sind. Die Drehung des Schaufelrades verursacht, dass Gas
(z.B. Luft) in das Schaufelrad gesaugt und zu einer Auslasskammer
oder einem Auslasskanal gefördert
wird. Im Falle eines Kreiselverdichters weist der Auslasskanal die
Form einer Spirale auf, die durch das Verdichtergehäuse um das Schaufelrad
herum definiert ist und im Falle eines Axialverdichters wird das
Gas axial ausgespeist.
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Bei
einem konventionellen Turbolader ist das Schaufelrad auf einem Ende
einer Turboladerwelle montiert und wird von einem Abgasturbinenrad
in Drehung versetzt, das in einem Turbinengehäuse am anderen Ende der Turboladerwelle
montiert ist. Die Welle ist für
die Drehung auf Lagerbaugruppen montiert, die in einem Lagergehäuse untergebracht
sind, das zwischen dem Verdichter und den Turbinengehäusen angeordnet
ist.
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Bei
einigen Turboladern weist der Verdichtereinlass einen Aufbau auf,
der als „kennfeldbreitenverbesserter" Aufbau („map width
enhanced" structure)
bzw. MWE-Aufbau bekannt wurde. Ein MWE-Aufbau ist zum Beispiel im
US-Patent mit der Nummer 4,743,161 beschrieben. Der Einlass eines
solchen MWE-Verdichters umfasst zwei koaxiale rohrförmige Einlassabschnitte,
einen äußeren Einlassabschnitt bzw.
eine äußere Einlasswand,
die die Verdichtereintrittsöffnung
bildet, und einen inneren Einlassabschnitt bzw. eine innere Wand,
die die Verdichter-Haupteintrittsöffnung bzw. den Haupteinlass
definiert. Der innere Einlassabschnitt ist kürzer als der äußere Einlassabschnitt
und weist eine Innenfläche auf,
die eine Verlängerung
einer Fläche
einer inneren Wand des Verdichtergehäuses ist, der von den Kanten
der Schaufelradschaufeln überstrichen
wird. Die Anordnung ist so, dass ein ringförmiger Strömungsweg zwischen den zwei
rohrförmigen
Einlassabschnitten definiert wird, der an seinem stromaufwärts gelegenen
Ende geöffnet
ist und an seinem stromabwärts
gelegenen Ende mit Durchbrüchen
bereitgestellt wird, die die Verbindung mit der Innenfläche des Verdichtergehäuses, die
zum Schaufelrad zeigt, herstellen.
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Im
Betrieb ist der Druck im ringförmigen
Strömungskanal,
der die Verdichter-Haupteintrittsöffnung umgibt, normalerweise
niedriger als der atmosphärische
Druck und während
des hohen Gasstromes und des Betriebs mit hoher Drehzahl des Schaufelrades ist
der Druck im Bereich, der vom Schaufelrad überstrichen wird, kleiner als
im ringförmigen
Kanal. Unter solchen Bedingungen strömt somit Luft vom ringförmigen Kanal
aus nach innen zum Schaufelrad, wodurch die Menge der Luft, die
das Schaufelrad erreicht, erhöht
und die maximale Durchflusskapazität des Verdichters gesteigert
wird. In dem Maße,
wie der Strom durch das Schaufelrad sinkt, oder in dem Maße, wie
die Drehzahl des Schaufelrades sinkt, verringert sich jedoch die
Menge der durch den ringförmigen
Kanal hindurch in das Schaufelrad gesaugten Luft so lange, bis ein
Gleichgewicht erreicht ist. Eine weitere Absenkung des Schaufelradstromes
oder der Drehzahl führt
dazu, dass der Druck in dem Bereich, der vom Schaufelrad überstrichen
wird, auf einen Wert ansteigt, der oberhalb dem im ringförmigen Kanal
liegt und es somit zu einer Umkehrung der Richtung des Luftstromes
durch den ringförmigen
Kanal kommt. Das heißt,
unter solchen Bedingungen strömt Luft
vom Schaufelrad aus nach außen
zum stromaufwärts gelegenen
Ende des ringförmigen
Kanals und wird zur Umwälzung
zu der Verdichtereintrittsöffnung zurückgeführt. Eine
Erhöhung
des Verdichtergasstromes oder der Drehzahl des Schaufelrades bewirkt, dass
die Umkehrung, also eine Verringerung der Menge der Luft erfolgt,
die durch den ringförmigen Kanal
zur Eintrittsöffnung
zurückgeführt wird,
gefolgt von dem Gleichgewicht, das wiederum von der Umkehrung des
Luftstromes durch den ringförmigen
Kanal gefolgt wird, so dass Luft über die Durchbrüche, die
die Verbindung zwischen dem ringförmigen Kanal und dem Schaufelrad
herstellen, zum Schaufelrad eingesaugt wird.
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Es
ist allgemein bekannt, dass diese Anordnung die Leistung des Verdichters
stabilisiert, was die maximale Durchflusskapazität erhöht und die Pumpgrenze verbessert;
also den Strom, ab dem der Verdichter pumpt. Dieser Sachverhalt
ist als die Erhöhung
der Breite bzw. die Erweiterung des Verdichter-„Kennfeldes", das eine Zeichnung
der Verdichtercharakteristik ist, bekannt. All diese Zusammenhänge sind
dem Fachmann allgemein bekannt.
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Der
Verdichterbetrieb ist unter den Pumpbedingungen, die auf die großen Schwankungen
des Druckes und des Massendurchsatzes durch den Verdichter zurückführen sind, äußerst instabil.
Bei vielen Anwendungen, wie z.B. bei einem Turbolader, wo der Verdichter
einem Hubkolbenmotor Luft zuführt,
sind diese Schwankungen des Massendurchsatzes nicht annehmbar. Als
Folge davon besteht eine ständige Erfordernis,
den nutzbaren Strombereich von Verdichtern durch Verbessern der
Pumpgrenze zu erweitern.
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Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Verdichtereinlassaufbau
bereitzustellen, der die Pumpgrenze eines konventionellen MWE-Verdichters
verbessert.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird ein Verdichter zum Verdichten eines Gases bereitgestellt,
wobei der Verdichter Folgendes umfasst:
ein Gehäuse, das
einen Einlass und einen Auslass definiert;
ein Schaufelrad,
das eine Vielzahl von im Gehäuse drehbar
montierten Schaufeln umfasst;
wobei das Gehäuse eine innere Wand aufweist,
die eine Fläche
definiert, die dicht neben den in Radialrichtung verlaufenden Außenkanten
von Laufschaufeln angeordnet ist, die in dem Maße über die Fläche streichen, wie sich das
Schaufelrad um seine Achse dreht;
wobei der Einlass Folgendes
umfasst:
eine äußere rohrförmige Wand,
die sich vom Schaufelrad aus in einer Richtung entgegen der Strömungsrichtung
weg erstreckt und einen Gaseintrittsöffnungsteil des Einlasses bildet;
eine
innere rohrförmige
Wand, die sich vom Schaufelrad aus in einer Richtung entgegen der
Strömungsrichtung
innerhalb der äußeren rohrförmigen Wand
weg erstreckt und einen Haupteintrittsöffnungsteil des Einlasses definiert;
einen
ringförmigen
Gasströmungskanal,
der zwischen der inneren und der äußeren rohrförmigen Wand definiert ist;
mindestens
einen stromabwärts
gelegenen Durchbruch, der die Verbindung zwischen einem stromabwärts gelegenen
Teil des ringförmigen
Strömungskanals
und der Fläche
des Gehäuses
herstellt, die von den Laufschaufeln überstrichen wird;
mindestens
einen stromaufwärts
gelegenen Durchbruch, der die Verbindung zwischen einem stromaufwärts gelegenen
Teil des ringförmigen
Strömungskanals
und dem Haupteintrittsöffnungsteil
oder Eintrittsöffnungsteil
des Einlasses herstellt; und
eine Vielzahl von Eintrittsleitschaufeln,
die im Haupteintrittsöffnungsteil
des Einlasses stromabwärts
von dem mindestens einen stromaufwärts gelegenen Durchbruch montiert
sind, um in dem Gas, das durch den Haupteintrittsöffnungsteil
des Einlasses strömt, einen
Vordrall zu erzeugen.
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Der
Verdichter gemäß der vorliegenden
Erfindung weist im Vergleich zu einem konventionellen MWE-Verdichter
eine verbesserte Pumpgrenze auf, unterliegt aber keiner wesentlichen
Verringerung des Drosselstromes, die normalerweise mit einem Verdichter,
der mit einem Eintrittsleitschaufelsystem versehen ist, verbunden
ist.
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Der
Winkel der Eintrittsleitschaufeln liegt vorzugsweise zwischen 0° und ca.
45° und
kann fest vorgegeben oder veränderbar
sein.
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Vorzugsweise
erstreckt sich die innere rohrförmige
Wand stromaufwärts
von dem mindestens einen stromabwärts gelegenen Durchbruch über eine Länge L2,
die längs
ihrer Achse gemessen wird, wobei L2/D > 0,6 und D der Durchmesser der inneren rohrförmigen Wand
ist.
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Außerdem ist
es vorzuziehen, dass der ringförmige
Gasströmungskanal
eine Länge
L1 aufweist, die zwischen seinem stromaufwärts gelegenen Ende und seinem
stromabwärts
gelegenen Ende gemessen wird und die so bemessen ist, dass L1/D > 0,65 ist.
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Der
Verdichter gemäß der vorliegenden
Erfindung ist für
den Einschluss in einen Turbolader geeignet.
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Sonstige
bevorzugte und vorteilhafte Merkmale der Erfindung werden anhand
der folgenden Beschreibung offensichtlich.
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Es
wird jetzt eine spezifische Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, unter Bezugnahme auf die beiliegenden
Zeichnungen, beschrieben, wobei:
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1 eine
Schnittdarstellung eines Teils eines konventionellen MWE-Verdichters
ist;
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2 eine
Schnittdarstellung durch einen Teil eines MWE-Verdichters ist, der
ein festes Eintrittsleitschaufelsystem gemäß einer ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung umfasst;
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3 eine
Vorderansicht des Einlasses des Verdichters von 2 ist;
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4 eine
Zeichnungsüberlagerung
des Verdichterkennfeldes eines Nicht-MWE-Verdichters ist, der mit
einem variablen Eintrittsleitschaufelsystem (VIGV-System) mit Leitschaufeln,
die auf den Winkel von 0° bzw.
20° eingestellt
sind, versehen ist;
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5a eine
Zeichnungsüberlagerung
ist, bei der das Kennfeld eines Verdichters gemäß der Ausführungsform von 2 mit
dem Kennfeld eines Nicht-MWE-Verdichters verglichen wird, der mit
einem Eintrittsleitschaufelsystem versehen ist;
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5b eine
Zeichnungsüberlagerung
ist, bei der der Wirkungsgrad eines Verdichters gemäß der Ausführungsform
von 2 mit dem Wirkungsgrad eines Nicht-MWE-Verdichters,
der mit einem vergleichbaren Leitschaufelsystem versehen ist, verglichen
wird;
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6a eine
Zeichnungsüberlagerung
ist, bei der das Kennfeld eines Verdichters gemäß der Ausführungsform von 2 mit
dem Kennfeld eines Standard-MWE-Verdichters ohne Eintrittsleitschaufeln
verglichen wird;
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6b eine
Zeichnungsüberlagerung
ist, bei der der Wirkungsgrad eines Turboladers gemäß der Ausführungsform
von 2 mit dem Wirkungsgrad eines konventionellen MWE-Verdichters
verglichen wird;
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7a eine
Zeichnungsüberlagerung
ist, bei der das Kennfeld eines Verdichters gemäß der vorliegenden Erfindung,
wobei die Eintrittsleitschaufeln um 45° nach vom gepfeilt sind, mit
dem Kennfeld eines vergleichbaren MWE-Verdichters verglichen wird, der
mit auf 0° eingestellten
Leitschaufeln versehen ist;
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7b eine
Zeichnungsüberlagerung
des Wirkungsgrades der Verdichter ist, die die in 7a abgebildeten
Kennfelder aufweisen;
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8 eine
Schnittdarstellung durch einen Teil eines MWE-Verdichters ist, der
ein variables Eintrittsleitschaufelsystem (VIGV-System) gemäß einer zweiten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung umfasst;
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9a eine
Zeichnungsüberlagerung
ist, bei der das Kennfeld eines Verdichters gemäß der vorliegenden Erfindung
zum Vergleich herangezogen wird, wobei die Leitschaufeln im Vergleich
zu einem Standard-MWE-Verdichter auf einen Winkel von 0° eingestellt
sind; und
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9b eine
Zeichnungsüberlagerung
des Wirkungsgrades der Verdichter ist, die die in 9a abgebildeten
Kennfelder aufweisen.
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In 1 umfasst
der abgebildete MWE-Verdichter ein Schaufelrad 1, das in
einem Verdichtergehäuse 2 auf
ein Ende einer sich drehenden Welle 3 montiert ist. Das
Schaufelrad 1 weist eine Vielzahl von Schlaufeln 4 auf,
von denen jede eine zwischen einer Vorderkante 4b und einer
Hinterkante 4c liegende Außenkante 4a aufweist.
Die Außenkanten 4a der
Schaufeln 4 streichen über
eine innere Gehäusefläche 5,
wenn sich das Schaufelrad 1 mit der Welle 3 dreht.
Das Verdichtergehäuse 2 definiert
eine Auslassspirale 6, die das Schaufelrad umgibt, und
einen MWE-Einlassaufbau, der eine äußere rohrförmige Wand 7, die
sich stromaufwärts
vom Schaufelrad 1 erstreckt und eine Eintrittsöffnung 8 für Gas wie
z.B. Luft definiert, und eine innere rohrförmige Wand 9 umfasst,
die sich bis zur Hälfte
zur Eintrittsöffnung 8 hin
erstreckt und die Verdichter-Haupteintrittsöffnung 10 definiert.
Die Innenfläche
der inneren Wand 9 ist eine stromaufwärts gelegene Verlängerung
der Gehäusewandfläche 5,
die von den Außenkanten 4a der Schaufelradschaufeln 4 überstrichen
wird.
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Ein
ringförmiger
Strömungskanal 11 umgibt die
Haupteintrittsöffnung 10 jeweils
zwischen der inneren und der äußeren Wand, 9 und 7.
Der Strömungskanal 11 ist
an seinem stromaufwärts
gelegenen Ende zur Eintrittsöffnung 8 hin
geöffnet
und ist an seinem stromabwärts
gelegenen Ende durch eine ringförmige
Wand 12 des Gehäuses 2 geschlossen. Der
ringförmige
Kanal 11 kommuniziert jedoch mit dem Schaufelrad 1 über Durchbrüche 13,
die durch das Gehäuse
hindurch ausgebildet sind und die die Verbindung zwischen einem
stromabwärts
gelegenen Teil des ringförmigen
Strömungskanals 11 und der
Innenfläche 5 des
Gehäuses 2 herstellen,
die von den Außenkanten 4a der
Schaufelradschaufeln 4 überstrichen
wird.
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Der
konventionelle, in 1 abgebildete MWE-Verdichter
wird so betrieben, wie dies oben in der Einleitung zu dieser Patentschrift
beschrieben ist. Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass
wenn der Durchsatz durch den Verdichter hoch ist, die Luft axial
längs des
ringförmigen
Strömungsweges 11 zum
Schaufelrad 1 hin strömt,
wobei dies durch die Durchbrüche 13 hindurch
geschieht. Wenn der Strom durch den Verdichter niedrig ist, wird
die Richtung des Luftstromes durch den ringförmigen Strömungskanal 11 so umgekehrt,
dass Luft vom Schaufelrad aus durch die Durchbrüche 13 hindurch und
durch den ringförmigen
Strömungskanal 11 in
einer Richtung entgegen der Strömungsrichtung
strömt
und zur Umwälzung
durch den Verdichter wieder in die Lufteintrittsöffnung 8 eingeleitet
wird. Dies stabilisiert die Leistung des Verdichters, was sowohl
die Verdichterpumpgrenze als auch den Drosselstrom verbessert.
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In 2 wird
eine Abwandlung des konventionellen MWE-Verdichters von 1 gemäß einer ersten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. Bauteile, die mit jenen
des Verdichters von 1 übereinstimmen, werden durch
die Bezugszeichen ausgewiesen, die auch in 1 verwendet
wurden. Somit umfasst der veranschaulichte Verdichter gemäß der vorliegenden
Erfindung ein Schaufelrad 1, das sich in einem Verdichtergehäuse 2 dreht,
wobei die Außenkanten 4a der
Schaufelradschaufeln 4 über
eine Innenfläche 5 des
Gehäuses 2 streichen.
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Die
Auslassspirale 6 ist mit jener der konventionellen MWE-Bauform
von 1 identisch, aber der Einlassaufbau wurde gemäß der vorliegenden Erfindung
abgewandelt. Speziell erstrecken sich die innere und die äußere rohrförmige Gehäusewand, 9 und 7,
in einer Richtung entgegen der Strömungsrichtung, um ein einzuschließendes Eintrittsleitschaufelsystem
unterzubringen, das eine Vielzahl von Leitschaufeln 14 umfasst,
die sich zwischen einem mittigen Nasenkonus 15 und der
inneren rohrförmigen
Wand 9 erstrecken. Die Leitschaufeln 14 werden
in Bezug auf die Drehrichtung des Schaufelrades 1 nach
vorn bzw. vorwärts
gepfeilt, um einen Vorwirbel im Luftstrom zum Verdichterrad zu erzeugen.
Beim veranschaulichten Beispiel ist jede Leitschaufel 14 im
Wesentlichen planar, wobei sie eine radiale Vorderkante 14a und
eine abgewinkelte Hinterkante 14b aufweist und sich in
einer Strömungsrichtung
in einer Ebene erstreckt, die in einem spitzen Winkel zu einer Ebene
parallel zur Achse des Schaufelrades 1 liegt und durch
die jeweilige Schaufelvorderkante 14a hindurch verläuft. Diese
Vorwärtspfeilung
der Eintrittsleitschaufeln 14 lässt sich am deutlichsten anhand 3 erkennen,
die eine Vorderansicht des Einlasses des Verdichters von 2 ist.
Bei der speziellen, veranschaulichten Ausführungsform werden die Eintrittsleitschaufeln 14 um
einen Winkel von 20° nach
vorn gepfeilt.
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Die
Bereitstellung von axialen Eintrittsleitschaufeln (AIGV) ist als
ein Hilfsmittel bekannt, um den Betriebsbereich eines Nicht-MWE-Verdichters zu
erweitern. Die bekannten Leitschaufelsysteme umfassen feste Leitschaufelsysteme
und variable Leitschaufelsysteme, bei denen sich der Winkel einstellen
lässt,
um den bzw. auf den die Leitschaufeln nach vorn gepfeilt werden.
Der von den Leitschaufeln am Verdichtereinlass erzeugte Vorwirbel
verbessert die Pumpgrenze des Verdichters, d.h. er verringert den
Strom, ab dem der Verdichter pumpt. Dies lässt sich anhand von 4 erkennen,
die eine Zeichnungsüberlagerung
des Kennfeldes eines Nicht-MWE-Verdichters ist, der mit einem variablen Eintrittsleitschaufelsystem
(nicht abgebildet) versehen ist, wobei die Schaufeln jeweils auf
0° (keine
Erzeugung eines Dralls) bzw. 20° eingestellt
sind.
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Wie
dies allgemein bekannt ist, wird beim Verdichterkennfeld der Luftdurchsatz
durch den Verdichter über
das Druckverhältnis
vom Einlass zum Auslass des Verdichters für eine Vielzahl von Schaufelraddrehzahlen
aufgetragen. Die linke Linie des Kennfeldes repräsentiert die Durchsätze, bei
denen der Verdichter für
verschiedene Turboladerdrehzahlen pumpt und ist als Kennlinie für Verdichterstöße bekannt.
In 4 ist das Kennfeld des Verdichters, der zur Erzeugung
eines Vordralls mit auf 20° eingestellten
Leitschaufeln versehen ist, in Form von punktierten Linien dargestellt.
Es lässt
sich deutlich erkennen, dass der Strom, ab dem der Verdichter im
Vergleich zu einer 0°-Einstellung
der Schaufeln (kein Vordrall) pumpt, für alle Betriebsdrehzahlen verringert
ist. Außerdem
veranschaulicht 4 die allgemein bekannten, unerwünschten
Wirkungen der Erzeugung eines Vorwirbels im Verdichtereinlass, nämlich eine
Verringerung der Fähigkeit
des Verdichterdruckverhältnisses
(dem höchsten
Punkt des Kennfeldes) und ferner eine Verringerung des maximalen Luftstromes,
der als Drosselstrom bezeichnet wird und durch die rechte Linie
des Kennfeldes repräsentiert
ist. Die Verringerung des Drosselstromes im Allgemeinen überschreitet
in der Tat die Verbesserung der Pumpgrenze so, dass es zu einer
Gesamtschmälerung
der Breite des Verdichterkennfeldes kommt.
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Die
Erfinder dieser Erfindung haben jedoch herausgefunden, dass der
Einbau eines Einlassleitschaufelsystems in einen MWE-Verdichter
gegenüber
einem konventionellen MWE-Verdichter eine weitere Verbesserung der
Pumpgrenze zusammen mit einer Verbesserung der Verdichterdruckverhältnis-Fähigkeit
oder des Drosselstromes gegenüber
einem Nicht-MWE-Verdichter, der mit vergleichbaren Leitschaufeln
versehen ist, unter der Voraussetzung bereitstellen kann, dass die
Leitschaufeln in der Verdichter-Haupteintrittsöffnung stromabwärts von
der Stelle, an der die Wiedereinleitung der vom Verdichterrad in
den Verdichtereintritt zugeführten
Luft erfolgt, eingebaut werden. Dies wird durch die 5 und 6 veranschaulicht.
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Zuerst
wird auf 5 Bezug genommen. Diese ist
eine Zeichnungsüberlagerung
des Kennfeldes des Verdichters von 2 (dargestellt
in Form von punktierten Linien) im Vergleich zum Kennfeld eines
mit einem Leitschaufelsystem versehenen Nicht-MWE-Verdichters, das
mit dem Leitschaufelsystem von 2 übereinstimmt,
bei dem sich die Leitschaufeln unter 20° erstrecken, um einen Vorwirbel
(d.h. das in Form von punktierten Linien in 4 dargestellte
Kennfeld) zu erzeugen. Daran wird deutlich, dass die vorliegende
Erfindung verglichen mit einem Nicht-MWE-Verdichter, der mit Leitschaufeln versehen
ist, eine wesentliche Erhöhung
der Pumpgrenze bereitstellt, und zwar zusammen mit einer Erhöhung sowohl
der Verdichterdruckverhältnis-Fähigkeit
als auch des Drosselstromes.
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5b ist
eine Zeichnungsüberlagerung
der Wirkungsgrade der Verdichter, die die in 5a eingezeichneten
Kennfelder aufweisen. Diese zeigt deutlich, dass es verbunden mit
der Hinzufügung
des Eintrittsleitschaufelsystems zum MWE-Verdichter keinen wesentlichen
Wirkungsgradverlust und sogar in einigen Fällen eine Wirkungsgraderhöhung gibt.
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Jetzt
wird auf 6a Bezug genommen, die eine
Zeichnungsüberlagerung
des Kennfeldes des Verdichters von 2 (in diesem
Fall in Form von Volllinien dargestellt) im Vergleich zum Kennfeld
eines Standard-MWE-Verdichters ohne Eintrittsleitschaufeln ist (in
Form von punktierten Linien dargestellt). Dies verdeutlicht, dass
obwohl eine Hinzufügung
eines festen Leitschaufelsystems zu einem MWE-Verdichter die Pumpgrenze
auf Kosten des Drosselstromes verbessert, die Gesamtbreite des Kennfeldes
im Wesentlichen nicht beeinflusst wird. Mit anderen Worten: Die
Verringerung des Drosselstromes und die Verringerung der Druckverhältnisfähigkeit
sind nicht so deutlich ausgeprägt
wie im Falle eines Nicht-MWE-Verdichters.
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6b ist
eine Zeichnungsüberlagerung
der Wirkungsgrade der Verdichter, die die in 6a eingezeichneten
Kennfelder aufweisen, woran wieder gezeigt wird, dass es verbunden
mit der Realisierung der vorliegenden Erfindung keinen wesentlichen
Wirkungsgradverlust gibt.
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Wenn
der Winkel der Eintrittsleitschaufeln erhöht wird, erhöht sich
auch die negative Auswirkung auf den Drosselstrom. Dies wird durch 7a veranschaulicht,
die eine Zeichnungsüberlagerung
von Kennfeldern ist, und zwar dem Kennfeld eines Verdichters gemäß der vorliegenden
Erfindung, der mit Leiteintrittsschaufeln versehen ist, die um einen
Winkel von 45° nach
vorn gepfeilt sind (in Form von punktierten Linien dargestellt)
und im Vergleich dazu dem Kennfeld eines vergleichbaren MWE-Verdichtersystems,
das mit auf einen Winkel von 0° eingestellten Eintrittsleitschaufeln
versehen ist (in Form von Volllinien dargestellt). Anhand dieses
Vergleiches ist der wesentliche Drosselstromverlust ersichtlich,
und zwar in dem Maße,
wie die Größe des Vordralls
erhöht
wird. Zusätzlich
zeigt 7b, in der die Wirkungsgrade
der zwei Verdichter aufgetragen sind, eine vergleichbare Wirkungsgradverringerung.
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Die
Ausführungsform
der in 2 beschriebenen Erfindung ist ein relativ einfaches
festes Eintrittsleitschaufelsystem, das dazu dient, zu zeigen, wie
sich die Vorteile der vorliegenden Erfindung durch eine minimale
Abwandlung eines konventionellen MWE-Verdichters, wie er z.B. in 1 dargestellt
ist, erreichen lassen. Es wird jedoch bevorzugt, dass die Eintrittsleitschaufeln
zum Variieren des Grades des Vordralls für die Anpassung an verschiedene Betriebsbedingungen
verstellbar sind, um die Vorteile der erhöhten Pumpgrenze zu maximieren
und jeglichen Drosselstromverlust zu minimieren. Eine Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, die ein verstellbares oder variables
Eintrittsschaufelleitsystem umfasst, ist in einer Teilschnittdarstellung
in 8 veranschaulicht.
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In 8 weist
der veranschaulichte Verdichter ein modulares Gehäuse auf,
das einen Austrittsöffnungsteil 16,
der das Schaufelrad 17 aufnimmt und die Auslassspirale 18 definiert,
und einen Einlassteil umfasst, der eine äußere rohrförmige Wand 19, die den
Eintrittsöffnungsteil 20 des
Verdichters definiert, und eine innere rohrförmige Wand 21 umfasst,
die den Haupteintrittsöffnungsteil 22 des
Verdichters definiert. Die innere rohrförmige Wand 21 ist
selbst wiederum ein zweiteiliges Bauteil, das einen nach außen erweiterten
Einlasskonus 21a umfasst, der mittels der Schrauben 22 mit
dem Hauptteil des rohrförmigen
Teils 21 verschraubt ist. Der äußere rohrförmige Eintrittsteil 19 ist
mit dem Austrittsöffnungsteil 16 des Verdichtergehäuses verschraubt
und im Bereich 19a nach außen erweitert, um einen variablen,
noch zu beschreibenden Eintrittsleitschaufel-Betätigungsmechanismus aufzunehmen.
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Das
innere rohrförmige
Wandelement 21 ist im äußeren rohrförmigen Wandelement 19 mittels
eines Schraubengewindeeingriffes, der mithilfe des Bezugszeichens 23 gezeigt
ist, angebracht. Ein ringförmiger
Strömungskanal
ist um das innere Wandelement 21 herum ausgebildet, der
drei axiale Abschnitte aufweist, nämlich einen stromaufwärts gelegenen, axialen
Abschnitt 24a, einen dazwischen liegenden, axialen Abschnitt 24b,
der durch das Verdichtergehäuse
hindurch definiert ist, und einen stromabwärts gelegenen, axialen Abschnitt 24c,
der im Austrittsöffnungsteil 16 des
Verdichtergehäuses
ausgebildet ist. Die Durchbrüche 25 stellen
die Verbindung zwischen dem ringförmigen Kanal 24 und
einer Innenfläche 26 des
Austrittsöffnungsteils 16 des
Verdichtergehäuses bereit,
die von den Kanten der Laufschaufeln 17a überstrichen
wird.
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Das
Eintrittsleitschaufelsystem ist mit dem vergleichbar, das in 2 veranschaulicht
ist und umfasst eine Vielzahl von Leitschaufeln 27, die
sich zwischen einem mittigen Nasenkonus 28 und dem inneren
rohrförmigen
Wandabschnitt 21 stromabwärts von der Stelle erstrecken,
an der der ringförmige Gasströmungskanal 24 in
die Eintrittsöffnung 20 des Einlasses
einmündet.
In diesem Fall ist jedoch jede Eintrittsschaufel 27 um
einen Schaft 28, der sich radial durch das innere Wandelement 21 so
erstreck, drehbar, dass jede Schaufel um eine radiale Achse, die
neben der Schaufelvorderkante liegt, drehbar ist. Das Ende eines
jeden Schaufelschaftes, der sich vom inneren Wandelement 21 aus
radial erstreckt, ist über
einen jeweiligen Verbindungsarm 30 mit einem gemeinsamen
Betätigungsring 29 verbunden.
Die Anordnung ist so, dass durch die Drehung des Betätigungsringes
um die innere Wand 21 gleichzeitig alle Leitschaufeln 27 auf
ihren jeweiligen Schäften 28 gedreht
werden, um den Winkel zu variieren, um den die Leitschaufeln 27 in
Bezug auf die Drehrichtung des Schaufelrades 17 nach vorn
gepfeilt werden. Dieser Grundtyp des variablen oder verstellbaren Eintrittsleitschaufelsystems
ist bekannt und gestattet die geeignete Einstellung des Grades des
Vordralls, der im Gas, das in das Schaufelrad strömt, erzeugt wird.
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Außer der
Bauform und der Arbeitsweise des variablen Leitschaufelsystems ist
die Arbeitsweise der Ausführungsform
von 8, was die Verbesserungen bezüglich der Leistung des Verdichters
betrifft, im Wesentlichen mit der von 2 identisch. Die
Erfinder haben herausgefunden, dass bei den Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung, die mit variablen Eintrittsleitschaufel-(VIGV) Systemen bereitgestellt
werden, sich durch das Einstellen des Leitschaufelwinkels auf 0° ein gewisses
Maß an
Verbesserung der Pumpgrenze gegenüber einem Standard-MWE-Verdichter
bereitstellen lässt,
und zwar ohne jegliche wesentliche Verringerung des Drosselstromes.
Dies wird durch 9 veranschaulicht,
die eine Zeichnungsüberlagerung
von Kennfeldern ist, wobei ein Verdichter gemäß der vorliegenden Erfindung
mit einem Schaufelwinkel von 0° (Kennfeld durch
punktierte Linien dargestellt) mit einem konventionellen MWE-Verdichter,
wie er in 1 veranschaulicht ist, verglichen
wird (Kennfeld durch Volllinien dargestellt). In diesem Fall wird
die Auffassung vertreten, dass die Verbesserung der Pumpgrenze mindestens
zum Teil auf die, gegenüber
der konventionellen MWE-Einlassanordnung vergrößerte Länge der inneren rohrförmigen Wand
(Element 21 von 8) zurückzuführen ist.
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Jetzt
wird wieder auf die 1, 2 und 6 Bezug genommen. In jedem Fall weist der
ringförmige
Strömungskanal, 11 bzw. 24,
eine axiale Gesamtlänge
L1 auf, die zwischen seinem stromaufwärts gelegenen Ende (definiert
durch die Stelle, an der der Kanal in den Einlass einmündet) und
seinem stromabwärts
gelegenen Ende (der in Axialrichtung innersten Stelle des Kanals)
definiert ist. Der ringförmige Kanal
weist außerdem
eine axiale Länge
L2 auf, die zwischen dem stromaufwärts gelegenen Ende und dem
axialen Ort der Durchbrüche, 13 bzw. 25,
definiert ist, die mit der axialen Länge des Teils der inneren rohrförmigen Wand, 9 bzw. 21, übereinstimmt, der
sich stromaufwärts
von den Durchbrüchen, 13 bzw. 25,
erstreckt. Bei den Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung lässt
sich erkennen, dass die Längen
L1 und L2 im Vergleich zu den entsprechenden Abmessungen des in 1 abgebildeten,
konventionellen MWE-Turboladers vergrößert wurden. Speziell wurde
von den Erfordern dieser Erfindung herausgefunden, dass durch eine
Vergrößerung der Länge des
ringförmigen
Kanals, die so bemessen ist, dass L1/D > 0,65 ist und/oder L2/D > 0,6 ist (wobei D der
Innendurchmesser der inneren rohrförmigen Wand ist), die Pumpgrenze
des Verdichters wesentlich erhöht
wird. Insbesondere wird davon ausgegangen, dass das Maß L2/D die
wesentlichste Größe ist, da
dieses die effektive Länge
des ringförmigen
Kanals, 11 bzw. 24, ist, durch den das Gas beim
Pumpen strömt.
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Es
ist deutlich zu machen, dass der genaue Aufbau des Verdichtergehäuses sowie
der des Leitschaufelsystems von den oben beschriebenen Ausführungsformen
beträchtlich
abweichen können.
Dagegen ist es wichtig, dass die Leitschaufeln zum Erzeugen des
Vordralls im Einlass stromabwärts
von der Stelle bereitgestellt werden, an der der vom Schaufelrad
umgewälzte
Luftstrom wieder in den Einlass eingeleitet wird. Folglich lassen
sich mögliche
Abwandlungen sowie alternative Konfigurationen zu jenen, die oben
beschrieben wurden, vom Fachmann leicht erkennen.
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Es
ist deutlich zu machen, dass der Einlass nicht gerade sein muss,
sondern einen oder mehrere Bögen
aufweisen kann. Mit anderen Worten: Die innere und die äußere rohrförmige Wand
können
Teile mit jeweiligen Achsen aufweisen, die von der Drehachse des
Schaufelrades weg gekrümmt
sind. Beim Ermitteln der optimalen Maße L1/D und L2/D für solche
gekrümmten
Einlässe
werden die jeweiligen Längen
längs der
Achse der rohrförmigen
Teile gemessen (die sowohl gerade als auch gekrümmte Teile umfassen können). Dort,
wo sich der Durchmesser der inneren rohrförmigen Wand ändert, wird
vorzugsweise für
den Durchmesser D der stromabwärts
gelegene Durchmesser der inneren rohrförmigen Wand eingesetzt.
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Es
wird ferner geschätzt
werden, dass der ringförmige
Strömungskanal,
der um den inneren rohrförmigen
Teil des Einlasses herum definiert ist, sich in Radialrichtung erstreckende
Wände oder
Leitwände
und sonstige bekannte Konstruktionshilfsmittel umfassen kann, die
zum Reduzieren der Geräuschentwicklung
dienen.
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Es
wird außerdem
geschätzt
werden, dass die Verdichter gemäß der vorliegenden
Erfindung eine Vielzahl von Anwendungen haben können. Eine solche Anwendung
ist beispielsweise die Verdichterstufe eines Verbrennungsmotor-Turboladers,
wobei in dem Fall das Verdichterrad auf ein Ende einer Turboladerwelle
montiert wird, wie dies im Fachgebiet bekannt ist. Folglich kann
das Verdichtergehäuse
für die
Verbindung mit einem Lagergehäuse
in einer konventionellen Weise ausgelegt werden. Sonstige mögliche Anwendungen
der Erfindung werden für
den Fachmann auf dem entsprechenden Gebiet leicht offensichtlich
sein.