DE69305082T2 - Verdichter mit gestufter deckelkontur - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft einen Kreiselkompressor.
• Bei Kreiselverdichtern ist ein drehbares Schaufelrad an einer Welle befestigt. Das Schaufelrad besitzt mehrere Schaufeln, die auf einer Nabe des Rades sitzen und innerhalb eines Gehäuses rotieren. Beim Rotieren des Schaufelrades wird Gas, normalerweise atmosphärische Luft, durch einen Gehäuseeinlaß angesaugt und über einen Diffusor in einen Spiralkanal gedrückt, welcher das Schaufelrad umschließt. Das Schaufelrad kann im Falle eines Turboladers von einem Turbinenrad angetrieben sein oder auch bei einem Gebläse oder einem Auflader unmittelbar mechanisch. Die aus der Spirale austretende Luft wird als Ladeluft den Einlaßkanälen einer Brennkraftmaschine zugeführt. Solche Schaufelräder sind aber nur in einem relativ schmalen Betriebsbereich stabil. Der Betrieb eines Kompressor-Schaufelrades außerhalb dieses Bereiches, also in einem Bereich, in dem üblicherweise die Strömung abreißt, führt zu gefährlichen Instabilitäten.
• Es ist somit wünschenswert, den Betriebsbereich von Kompressorrädern zu vergrößern, aber gleichzeitig eine maximale aerodynamische Leistung beizubehalten. U.S. Patent 4,743,161 schildert einen bekannten Weg, um den Betriebsbereich des Schaufelrades zu vergrößern. Das dort erläuterte Kompressorrad ist mit Kanälen oder Öffnungen versehen, die am Umfang des Gehäuses beabstandet sind, um eine bidirektionale Gasströmung im Bereich des Kompressorrades zwischen den Anström- und Abströmkanten der Kompressorschaufeln zu ermöglichen.
• Die Erfindung sieht einen am Umfang verlaufenden Ring vor, der die führende Kante der Kompressorschaufeln umschreibt.
• Der Ring versteift die Schaufeln und macht es dadurch möglich, daß der Nabenbereich kleiner gehalten wird und damit der Bereich für den kritischen Strömungszustand verbessert wird. Ein Schlitz im Gehäuse umschreibt den Ring und definiert ein Spiel zwischen dem Boden der Nut bzw. dem Schlitz und dem Ring, das größer ist als das Spiel zwischen dem verbindenden Randabschnitt der Schaufeln und dem Gehäuse. Das vergrößerte Spiel ermöglicht eine bidirektionale Gasströmung über den Ring und ist somit eine den Betriebsbereich verbessernde Maßnahme, ohne daß Ausnehmungen oder Öffnungen in der Gehäusewandung vorgesehen sind, welche die Strömung stören.
• Diese und andere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und der Zeichnung. Es zeigen:
• Fig. 1 einen Schnitt durch einen Kompressor, der erfindungsgemäß ausgeführt ist und
• Fig. 2 eine vergrößerte Darstellung des in Fig. 1 eingetragenen Rechtecks.
• Ein Kompressor 10 besitzt ein Gehäuse 12 mit einem Gaseinlaß 14, einen entsprechend gestalteten Wandabschnitt 16, einen Diffusorbereich 18 und eine Auslaßspirale 20, die das Kompressorrad bzw. das Schaufelrad 22 umschließt. Wenn der Kompressor 10 zum Verdichten von atmosphärischer Luft als Ladeluft für einen Motor benutzt wird, so ist der Einlaß 14 an Atmosphäre über ein bekanntes Luftfilter (nicht dargestellt) angeschlossen. Die verdichtete Luft wird durch das Schaufelrad 22 in die Spirale 20 gedrückt, die an Einlaßverteilerrohre der Brennkraftmaschine (nicht dargestellt) angeschlossen ist, die von dem Kompressor 10 mit Luft versorgt wird.
• Das Schaufelrad 22 hat eine profilierte Nabe 24 mit einer gekrümmten, am Umfang verlaufenden Außenfläche 26. Das Schaufelrad 22 sitzt auf einer Welle 28. Ist der Kompressor 10 Teil eines mit Abgas arbeitenden Turboladers, so ist ein nicht dargestelltes Turbinenrad am anderen Ende der Welle 28 befestigt und treibt die Welle 28 in bekannter Weise an. Ebenfalls ist bekannt, daß die Welle 28 mechanisch, beispielsweise durch einen Riemen, angetrieben werden kann.
• Mehrere am Umfang beabstandete Schaufeln 30 sitzen auf der Außenfläche 26 der Nabe 24. Die Schaufeln 30 erstrecken sich in der Darstellung am Umfang in einer axial verlaufenden Ebene und sind in Wirklichkeit in drei Dimensionen komplex gekrümmt, um eine maximale aerodynamische Leistung zu erzielen. Jede Schaufel 30 besitzt einen freistehenden Rand, allgemein mit 32 bezeichnet. Der freistehende Rand 32 schließt einen Einlaßrandabschnitt 34 ein, an dem das in den Einlaß 14 eintretende Gas anströmt, einen Auslaßrandabschnitt 36, der dem Diffusor 18 zugekehrt ist und der allgemein mit der Wandung 16 des Gehäuses 12 übereinstimmend verläuft, so daß sich ein Spiel dazwischen ergibt.
• Ein am Umfang verlaufender Ring 40 ist am freistehenden Rand 32 der Schaufeln 30 befestigt und geht in axialer Richtung (bezüglich der Drehachse der Welle 28) von dem Führungsrandabschnitt 34 aus. Um maximale aerodynamische Leistung zu erzielen, sollten die Dicke des Ringes 40 und die axiale Länge des Ringes 40 basierend auf dem Schaufelprofil bestimmt sein, der Ring 40 soll aber auch ausreichend steif sein, um die Schaufeln 30 auch versteifen zu können. Wird das Rad 22 gegossen, so kann auch der Ring 40 als Teil des gegossenen Rades gegossen und dann bearbeitet werden. Eine ringförmige Nut 42 ist in einem Abschnitt der Wandung 16 des Gehäuses 12 vorgesehen und verläuft im wesentlichen koaxial zur Rotationsachse der Welle 28. Die Tiefe der Nut 42 ist so gewählt, daß das Spiel zwischen einer Umfangswand 44 der Nut 42 und der äußeren Umfangsfläche 46 größer ist als das Spiel zwischen dem Rand der Schaufel und der Wandung. Dies macht es möglich, daß eine Gasströmung vom Einlaß 14 über die Umfangsfläche 46 des Ringes 40 und in den Spielraum zwischen dem verbindenden Randabschnitt 38 der Schaufeln 30 und dem Abschnitt 16 des Gehäuses bei starker Strömung einströmt, und aus dem Spielraum zwischen den Schaufeln und der Wandung in den Einlaß bei geringer Strömung. Diese bidirektionale Strömung führt zu den Vorteilen des größeren Betriebsbereiches gegenüber dem Stand der Technik, bei dem am Umfang beabstandete Kanäle in dem Wandabschnitt 16 vorgesehen sind. Infolge der versteifenden Wirkung des Ringes kann die Dicke der Nabe 24 gegenüber vergleichbaren Schaufelrädern verringert werden, wodurch sich der Betriebsbereich des Kompressors vergrößert.

Claims (2)

1. Kompressor mit einem Gehäuse (12), einem im Gehäuse (12) drehbar gelagerten Schaufelrad (22), das eine um eine Rotationsachse drehbare Nabe (24) und sich von der Nabe (24) aus erstreckende Schaufel (30) aufweist, die mit einem freistehenden Rand (32) mit einem Einlaßabschnitt (34), einem Auslaßabschnitt (36) und einem Verbindungsabschnitt zwischen Einlaßabschnitt (34) und Auslaßabschnitt (36) versehen sind, wobei das Gehäuse (12) einen konformen Abschnitt (16) aufweist, der allgemein mit dem Verbindungsabschnitt des freistehenden Randes (32) zusammenpaßt und mit diesem zusammenarbeitet, um dazwischen ein erstes Spiel zu bilden, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ring (40) um den freistehenden Rand (32) der Schaufeln (30) nahe dem Einlaßabschnitt (34) und drehbar mit den Schaufeln (30) gegenüber dem Gehäuse (12) gelegt ist, der konforme Abschnitt (16) über den Ring (40) reicht, um einen Strömungsweg um den Ring (40) zu definieren, der mit dem ersten Spiel in Verbindung steht, wobei das Gehäuse (12) eine sich am Umfang erstreckende Nut (42) um den Ring (40) herum aufweist, die Nut (42) mit dem Ring (40) zusammenarbeitet, um dazwischen ein zweites Spiel zu bilden, das größer ist als das erste Spiel, daß die Nut (42) und der Ring (40) eine Länge besitzen, die parallel zur Rotationsachse zur Nabe (24) verläuft und daß die Länge der Nut (42) ausreichend größer als der Ring (40) ist, um die Strömung von Gas um den Ring (40) durch das zweite Spiel hindurch zu gestatten.

2. Kompressor nach Anspruch 1, bei dem die Nut (42) eine Tiefe besitzt, die radial gegenüber der Rotationsachse vorsteht und die Tiefe der Nut (42) mindestens einen Teil des zweiten Spiels bildet.