EP0961033B1 - Radialverdichter - Google Patents

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EP0961033B1
EP0961033B1 EP98810486A EP98810486A EP0961033B1 EP 0961033 B1 EP0961033 B1 EP 0961033B1 EP 98810486 A EP98810486 A EP 98810486A EP 98810486 A EP98810486 A EP 98810486A EP 0961033 B1 EP0961033 B1 EP 0961033B1
Authority
EP
European Patent Office
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compressor
separating gap
rear wall
impeller
cooling medium
Prior art date
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Expired - Lifetime
Application number
EP98810486A
Other languages
English (en)
French (fr)
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EP0961033A1 (de
Inventor
Dirk Dr. Wunderwald
Martin Dr. Thiele
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Accelleron Industries AG
Original Assignee
ABB Turbo Systems AG
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Filing date
Publication date
Application filed by ABB Turbo Systems AG filed Critical ABB Turbo Systems AG
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Priority to EP98810486A priority patent/EP0961033B1/de
Priority to TW088107620A priority patent/TW517138B/zh
Priority to CZ19991779A priority patent/CZ290965B6/cs
Priority to US09/316,066 priority patent/US6190123B1/en
Priority to KR1019990018501A priority patent/KR100551523B1/ko
Priority to JP11145285A priority patent/JP2000054996A/ja
Priority to CN99212100U priority patent/CN2378560Y/zh
Priority to CN99107040A priority patent/CN1118637C/zh
Publication of EP0961033A1 publication Critical patent/EP0961033A1/de
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04C—ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04C18/00—Rotary-piston pumps specially adapted for elastic fluids
    • F04C18/02—Rotary-piston pumps specially adapted for elastic fluids of arcuate-engagement type, i.e. with circular translatory movement of co-operating members, each member having the same number of teeth or tooth-equivalents
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
    • F04D29/58—Cooling; Heating; Diminishing heat transfer
    • F04D29/582—Cooling; Heating; Diminishing heat transfer specially adapted for elastic fluid pumps
    • F04D29/584—Cooling; Heating; Diminishing heat transfer specially adapted for elastic fluid pumps cooling or heating the machine
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M39/00—Arrangements of fuel-injection apparatus with respect to engines; Pump drives adapted to such arrangements
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M55/00—Fuel-injection apparatus characterised by their fuel conduits or their venting means; Arrangements of conduits between fuel tank and pump F02M37/00
    • F02M55/02—Conduits between injection pumps and injectors, e.g. conduits between pump and common-rail or conduits between common-rail and injectors
    • F02M55/025—Common rails
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
    • F04D29/26—Rotors specially for elastic fluids
    • F04D29/28—Rotors specially for elastic fluids for centrifugal or helico-centrifugal pumps for radial-flow or helico-centrifugal pumps
    • F04D29/284—Rotors specially for elastic fluids for centrifugal or helico-centrifugal pumps for radial-flow or helico-centrifugal pumps for compressors
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2220/00—Application
    • F05D2220/40—Application in turbochargers

Definitions

  • the invention relates to a method for operating a radial compressor, according to the preamble of claim 1 and a corresponding radial compressor, according to the preamble of claim 6.
  • turbomachinery Seals especially labyrinth seals, are widely used.
  • fluid flow Separation gap between rotating and standing parts occurs as a result of forming flow boundary layers on a high friction. Thereby there is a heating of the fluid in the separation gap and thus also a heating the components surrounding the separation gap.
  • the high material temperatures have a reduction in the lifespan of the corresponding components Episode.
  • Exhaust gas turbochargers have an axial thrust of the exhaust gas turbine, depending on their design which counteracts or rectifies that of the radial compressor like this one.
  • the resulting pressure in the separation gap must be between the rotating rear wall of the compressor wheel and the neighboring one, stationary compressor housing can be dismantled. That is why there are such gaps tolerated very closely.
  • they usually have a non-contact Poetry.
  • the redirection and swirling of the working fluid flowing through the separation gap at the throttle points of the seal to a constantly new mixing of the working fluid with a high momentum and heat exchange.
  • Must be downstream of the throttle the working fluid on the rotating component is again accelerated in the circumferential direction be, whereby the friction and thus the heat development in this area continues to rise.
  • EP 0 518 027 B1 describes a cooling device for radial compressors on the Rear wall of the compressor wheel, between this and the compressor housing, sealing elements arranged in the separating gap are known. It will be a cold one Gas with a higher than that prevailing at the outlet of the compressor wheel Pressure is passed through the seal. This gas bounces the rear wall of the compressor wheel and at the same time acts as sealing air a flow of hot compressor air from the outlet through the labyrinth gap of the compressor wheel. This can reduce the service life of such, with a sealing geometry provided compressor wheel can be increased significantly. It proves to be disadvantageous It is with this solution that the specially trained seal entire construction and assembly of the compressor complicated and expensive. Because the clear width of the separation gap is also in the tenths of a millimeter range there is always a latent risk of rubbing against the rotating compressor wheel on the compressor housing.
  • the invention tries to avoid all these disadvantages. It is based on the task a method for operating a simply constructed, in the field of Rear wall of the compressor wheel without sealing elements in the separating gap of the compressor wheel as well as creating a compressor housing equipped with a radial compressor, which increases the service life of the radial compressor.
  • a device be provided to carry out the method.
  • this is achieved in that in a method according to the preamble of claim 1, downstream of the leakage flow of the working medium a cooling medium is introduced into the separation gap and the cooling medium after heat exchange is finally discharged again.
  • a cooling medium is introduced into the separation gap and the cooling medium after heat exchange is finally discharged again.
  • the cooling medium can be advantageous both with a higher than also with a lower pressure than the pressure of the main flow of the working medium be introduced into the separation gap.
  • This is upstream of the back wall a sealing element of the compressor wheel is arranged in the separating gap.
  • the exhaustion of the used cooling medium takes place through the compressor housing, either outwards or into the main flow of the working medium of the radial compressor, why the discharge channel for the cooling medium either into the ambient air or opens into the flow channel of the radial compressor.
  • the supply channel of the cooling medium is approximately parallel or approximately diagonal to the shaft of the compressor wheel or approximately tangential to the rear wall of the compressor wheel arranged in the separating gap.
  • the cooling medium is supplied Impact cooling implemented. This can be particularly vulnerable areas of the rear wall of the compressor wheel can be cooled directly and effectively.
  • a radial Feeding the cooling medium realizes film cooling, with the help of which larger areas of the rear wall of the compressor wheel can also be cooled.
  • the diagonal feed of the cooling medium combines the advantages of the previous ones described solutions with lower cooling effectiveness.
  • at least one of the feed channels takes up into the separation gap protruding and aligned to the rear wall of the compressor wheel Tubes on.
  • Each of the tubes opens particularly advantageously in the region of the radially outer wall part of the rear wall of the compressor wheel into the separation gap. Because the greatest temperature load can be recorded in this area thus an effective use of the cooling medium can be achieved.
  • a plurality of feed channels are arranged in the compressor housing are opposite the rear wall of the compressor wheel to the separation gap open annular space or at least a partial annular space formed in the compressor housing is and the feed channels with the annular space or at least two of each Feed channels are connected to a partial annulus. This allows a more even The supply of the cooling medium is reached over the circumference of the compressor wheel regardless of the number, design and arrangement of the feed channels.
  • the exhaust gas turbocharger shown only partially in FIG. 1 consists of a radial compressor 1 and an exhaust gas turbine, not shown, which in a Bearing housing 2 supported shaft 3 are interconnected.
  • the radial compressor 1 has a machine axis 4 lying in the shaft 3. He is with equipped with a compressor housing 5 in which a compressor wheel 6 rotates with the shaft 3 is connected.
  • the compressor wheel 6 has one with a variety of Blades 7 occupied hub 8. Between the hub 8 and the compressor housing 5, a flow channel 9 is formed. Downstream of the blades 7 connects to the flow channel 9 a radially arranged, bladed diffuser 10 on, which in turn opens into a spiral 11 of the radial compressor 1.
  • the Compressor housing 5 mainly consists of an air inlet housing 12, one Air outlet housing 13, a diffuser plate 14 and an intermediate wall 15 to the bearing housing 2.
  • the hub 8 has a rear wall 16 on the turbine side and a fastening sleeve 17 for the shaft 3, the latter and the fastening sleeve 17 together are connected.
  • the fastening sleeve 17 is of the intermediate wall 15 of the Compressor housing 5 added.
  • another suitable one Compressor wheel-shaft connection can be selected.
  • the use is also the same of a non-bladed diffuser possible.
  • a first gap area 19 runs parallel to the machine axis 4 and is with both the outlet of the compressor wheel 6 and one predominantly radial in the area of the rear wall 16 of the compressor wheel 6 extending, second gap region 20 connected.
  • the second gap area 20 goes into a formed between the fastening sleeve 17 and the intermediate wall 15 and also third, parallel to the machine axis 4 Gap area 21 over. The latter in turn communicates with one that is not shown Discharge.
  • the rear wall 16 of the compressor wheel 6 has a radially inner one Wall part 22 and a radially outer wall part 23.
  • the second gap area 20 of the separation gap 18 opens parallel to the shaft 3 of the compressor wheel 6 a plurality of the intermediate wall 15 of the compressor housing 5 penetrating supply channels 24 for a gaseous cooling medium 25.
  • the mouths lie in the region of the radially outer wall part 23 of the rear wall 16 of the compressor wheel 6, while also the intermediate wall 15 of the compressor housing 5 penetrating discharge channel 26 for the cooling medium 25 in the area of the radially inner wall part 22 is arranged.
  • the compressor wheel 6 When the exhaust gas turbocharger is operating, the compressor wheel 6 sucks as the working medium 27 ambient air, which acts as a main flow 28 via the flow channel 9 and the diffuser 10 arrives in the spiral 11, further compressed there and finally for charging a not shown, connected to the exhaust gas turbocharger Internal combustion engine is used. On their way from the flow channel 9 to the diffuser 10 acts on the main flow heated in the radial compressor 1 28 of the working medium 27 as the leakage flow 29 also the first gap area 19 and thus the separation gap 18. At the same time, however, via the feed channels 24 the gaseous cooling medium 25 with a higher pressure than that Pressure of the main flow 28 of the working medium 27 in the second gap area 20 of the separation gap 18 introduced. For example, air from not shown outlet of the charge air cooler of the internal combustion engine used become. Of course, the use of other cooling media is also one external supply of these cooling media possible.
  • the cooling medium 25 hits the rear wall 16 of the compressor wheel 6 and causes it an impact cooling in its particularly stressed, radially outer wall part 23.
  • the cooling medium 25 is then distributed in the separation gap 18 and diluted the hot leakage flow 29. Most of the cooling medium 25 and Leakage flow 29 is then via the discharge channel 26 from the Separation gap 18 passed.
  • the supply channels 24 for the cooling medium open out 25 also parallel to the shaft 3 of the compressor wheel 6 in the radial outer wall part 23 of the rear wall 16 of the compressor wheel 6 in the separation gap 18.
  • the feed channels 24 interconnecting and open to the separation gap 18 Annulus 30 formed (Fig. 2). This can result in a relatively even application the rear wall 16 can be reached with the cooling medium 25.
  • the annular space 30 also several partial annular spaces in the intermediate wall 15 of the compressor housing 5, which are each at least Connect two adjacent feed channels 24 to one another (not shown).
  • the Discharge channel 26 is arranged in the diffuser plate 14 of the compressor housing 5, so that the cooling medium 25 almost completely via the flow channel 9 of the Radial compressor 1 is discharged. In operation, the leakage flow is 29 the cooling medium 25 is almost completely shut off. Because of the repatriation of the cooling medium 25 in the flow channel 9 also the volumetric efficiency improved.
  • the feed channels 24 open diagonally to the shaft 3 of the compressor wheel 6 in the separation gap 18.
  • the feed channels take 24 each projecting into the separation gap 18 and onto the radial one outer wall part 23 of the rear wall 16 of the compressor wheel 6 aligned Tube 31 on (Fig. 3).
  • the cooling medium 25 hits targeted to the areas of the rear wall 16 which have the greatest temperature load exhibit.
  • the cooling medium 25 acts due to its diagonal introduction initially as impingement cooling. It can also move towards the first Apply a cooling film to the rear wall 16 of the gap area 19.
  • the derivation of the Cooling medium 25 in turn takes place via the discharge channel 26.
  • analog the second embodiment also a feedback of the cooling medium 25 in the flow channel 9 of the radial compressor 1 (not shown).
  • the feed channels 24 are the diffuser plate 14 arranged penetrating and open into the compressor wheel 6th facing area tangential to the rear wall 16 of the compressor wheel 6 in the Separation gap 18 (Fig. 4).
  • the discharge channel 26 for the cooling medium 25 is in the Intermediate wall 15 of the compressor housing 5 is arranged.
  • the cooling medium 25 is discharged only through the discharge channel 26.
  • the diffuser plate 14 can its radially inner end can also be slotted. In this case, flow out the feed channels 24 into the slot of the diffuser plate 14, not shown.
  • the rear wall 16 of the compressor wheel is upstream 6 a sealing element 32 in the separation gap 18, i.e. in its first gap area 19, arranged (Fig. 5).

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Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Radialverdichters, gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie einen entsprechenden Radialverdichter, gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 6.
Stand der Technik
Zur Abdichtung rotierender Systeme sind im Turbomaschinenbau berührungsfreie Dichtungen, insbesondere Labyrinthdichtungen weit verbreitet. Im fluiddurchströmten Trennspalt zwischen rotierenden und stehenden Teilen tritt infolge der sich ausbildenden Strömungsgrenzschichten eine hohe Reibleistung auf. Dadurch kommt es zu einer Erwärmung des Fluids im Trennspalt und damit auch zur Erwärmung der den Trennspalt umgebenden Bauteile. Die hohen Materialtemperaturen haben eine Reduktion der Lebensdauer der entsprechenden Bauteile zur Folge.
Abgasturbolader weisen je nach ihrer Auslegung einen Axialschub der Abgasturbine auf, welcher dem des Radialverdichters entgegenwirkt oder gleichgerichtet wie dieser ist. Im letzteren Fall muss der resultierende Druck im Trennspalt zwischen der rotierenden Rückwand des Verdichterrades und dem benachbarten, stillstehenden Verdichtergehäuse abgebaut werden. Deshalb sind solche Trennspalte sehr eng toleriert. Ausserdem verfügen sie zumeist über eine berührungsfreie Dichtung. In solchen engen Trennspalten ist eine besonders hohe Reibleistung zu verzeichnen. Zudem führen die Umlenkung und die Verwirbelung des durch den Trennspalt strömenden Arbeitsfluids an den Drosselstellen der Dichtung zu einer immer wieder neuen Durchmischung des Arbeitsfluids, verbunden mit einem hohen Impuls- und Wärmeaustausch. Stromab der Drosselstelle muss das Arbeitsfluid am rotierenden Bauteil jeweils von neuem in Umfangsrichtung beschleunigt werden, wodurch die Reibleistung und damit die Wärmeentwicklung in diesem Bereich weiter steigt.
Aus der EP 0 518 027 B1 ist eine Kühlvorrichtung für Radialverdichter mit auf der Rückwand des Verdichterrades, zwischen diesem und dem Verdichtergehäuse, im Trennspalt angeordneten Dichtungselementen bekannt. Dabei wird ein kaltes Gas, welches mit einem höheren als dem am Auslass des Verdichterrades herrschenden Druck ausgestattet ist, durch die Dichtung geführt. Dieses Gas prallt auf die Rückwand des Verdichterrades und wirkt dort gleichzeitig als Sperrluft gegen eine Durchströmung des Labyrinthspaltes mit heisser Verdichterluft vom Austritt des Verdichterrades. Dadurch kann die Standzeit eines solchen, mit einer Dichtgeometrie versehenen Verdichterrades deutlich erhöht werden. Als nachteilig erweist es sich bei dieser Lösung, dass die besonders ausgebildete Dichtung die gesamte Konstruktion sowie die Montage des Verdichters kompliziert und verteuert. Weil zudem die lichte Weite des Trennspaltes im Zehntelmillimeter-Bereich liegt, besteht stets auch eine latente Streifgefahr des rotierenden Verdichterrades am Verdichtergehäuse.
Im Gegensatz dazu ist bei einem dem Radialverdichter entgegenwirkenden Axialschub der Abgasturbine kein Druckabbau im Trennspalt erforderlich, so dass dessen lichte Weite im Millimeter-Bereich liegt und die Notwendigkeit der Abdichtung des Trennspaltes im Bereich der Rückwand des Verdichterrades entfällt. Ein Radialverdichter ohne solche Dichtungselemente ist aus der DE 195 48 852 bekannt. Er ist einfach aufgebaut und daher kostengünstig zu fertigen. Eine Streifgefahr des rotierenden Verdichterrades am Verdichtergehäuse besteht nicht. Dennoch sorgt auch hier die infolge von Strömungsscherschichten an der Rückwand des Verdichterrades entstehende Reibungswärme für eine Erwärmung des Verdichterrades und damit für eine Reduktion seiner Lebensdauer. Eine Lösung zur Verminderung der Wärmeentwicklung bei Radialverdichtern ohne Dichtungselemente im Bereich der Rückwand des Verdichterrades ist nicht bekannt.
Darstellung der Erfindung
Die Erfindung versucht alle diese Nachteile zu vermeiden. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben eines einfach aufgebauten, im Bereich der Rückwand des Verdichterrades ohne Dichtungselemente im Trennspalt von Verdichterrad sowie Verdichtergehäuse ausgestatteten Radialverdichters zu schaffen, welches die Standzeit des Radialverdichters erhöht. Zudem soll eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens bereitgestellt werden.
Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass bei einem Verfahren gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1, stromab der Leckageströmung des Arbeitsmediums ein Kühlmedium in den Trennspalt eingeleitet und das Kühlmedium nach erfolgtem Wärmetausch schliesslich wieder abgeführt wird. Bei einer Vorrichtung gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 5 sind dazu im Verdichtergehäuse zumindest ein dieses durchdringender, im Bereich der Rückwand des Verdichterrades in den Trennspalt mündender und auf die Rückwand ausgerichteter Zuführkanal für ein gasförmiges Kühlmedium sowie zumindest ein Abführkanal für das Kühlmedium angeordnet.
Aufgrund dieses Verfahrens und der entsprechenden Ausbildung des Radialverdichters kann die Rückwand des Verdichterrades mittels des gasförmigen Kühlmediums effektiv gekühlt und damit die Standzeit des Radialverdichters erhöht werden. Weil dazu bereits ein Abkühlen der heissen Leckageströmung des Arbeitsmediums durch das Kühlmedium ausreicht, muss das Eindringen der Leckageströmung in den Trennspalt nicht verhindert werden. Daher reicht bereits die Zugabe relativ kleiner Mengen des Kühlmediums aus, so dass eine einfache Zuführung verwendet werden kann.
Indem der Druck der Leckageströmung des Arbeitsmediums bei deren Zuführung in den Trennspalt gegenüber dem Druck der Hauptströmung des Arbeitsmediums reduziert wird, kann das Kühlmedium vorteilhaft sowohl mit einem höheren als auch mit einem geringeren Druck als dem Druck der Hauptströmung des Arbeitsmediums in den Trennspalt eingeleitet werden. Dazu ist stromauf der Rückwand des Verdichterrades ein Dichtelement im Trennspalt angeordnet. Die Abführung des verbrauchten Kühlmediums erfolgt durch das Verdichtergehäuse, entweder nach aussen oder in die Hauptströmung des Arbeitsmediums des Radialverdichters, wozu der Abführkanal für das Kühlmedium entweder in die Umgebungsluft oder in den Strömungskanal des Radialverdichters mündet. Auf diese Weise ergeben sich zahlreiche Variationsmöglichkeiten zur Kühlung des Verdichterrades, welche eine optimale Anpassung des Radialverdichters an die bei dessen Einsatz herrschenden Bedingungen erlauben.
Der Zuführkanal des Kühlmediums ist annähernd parallel oder annähernd diagonal zur Welle des Verdichterrades oder aber annähernd tangential zur Rückwand des Verdichterrades in den Trennspalt einmündend angeordnet. Bei einer parallel zur Ausrichtung der Welle erfolgenden Zuführung des Kühlmediums wird eine Prallkühlung realisiert. Damit können besonders gefährdete Stellen der Rückwand des Verdichterrades direkt und effektiv gekühlt werden. Dagegen wird bei einer radialen Einspeisung des Kühlmediums eine Filmkühlung realisiert, mit deren Hilfe auch grössere Bereiche der Rückwand des Verdichterrades gekühlt werden können. Die diagonale Einspeisung des Kühlmediums kombiniert die Vorteile der zuvor beschriebenen Lösungen bei allerdings geringerer Kühleffektivität. Um diesen Nachteil auszugleichen nimmt zumindest einer der Zuführkanäle ein in den Trennspalt hineinragendes und auf die Rückwand des Verdichterrades ausgerichtetes Röhrchen auf. Besonders vorteilhaft mündet jedes der Röhrchen im Bereich des radial äusseren Wandteils der Rückwand des Verdichterrades in den Trennspalt. Weil in diesem Bereich die grösste Temperaturbelastung zu verzeichnen ist, kann somit ein effektiver Einsatz des Kühlmediums erreicht werden.
Ferner ist es vorteilhaft, wenn im Verdichtergehäuse mehrere Zuführkanäle angeordnet sind, gegenüber der Rückwand des Verdichterrades ein zum Trennspalt offener Ringraum oder zumindest ein Teilringraum im Verdichtergehäuse ausgebildet ist und die Zuführkanäle mit dem Ringraum bzw. zumindest jeweils zwei der Zuführkanäle mit einem Teilringraum verbunden sind. Dadurch kann eine gleichmässige Zufuhr des Kühlmediums über den Umfang des Verdichterrades erreicht werden, unabhängig von der Anzahl, der Ausbildung und der Anordnung der Zuführkanäle.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
In der Zeichnung sind mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand des Radialverdichters eines Abgasturboladers dargestellt.
Es zeigen:
Fig. 1
einen Teillängsschnitt durch den Radialverdichter, mit der erfindungsgemässen Zuführ- und Abführeinrichtung;
Fig. 2
eine Darstellung gemäss Fig. 1, jedoch in einem zweiten Ausführungsbeispiel;
Fig. 3
eine Darstellung gemäss Fig. 1, jedoch in einem dritten Ausführungsbeispiel;
Fig. 4
eine Darstellung gemäss Fig. 1, jedoch in einem nächsten Ausführungsbeispiel
Fig. 5
einen vergrösserten Ausschnitt der Figur 4, welcher insbesondere den ersten Spaltbereich des Trennspaltes in einem weiteren Ausführungsbeispiel darstellt.
Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Elemente gezeigt. Nicht dargestellt sind beispielsweise die Lagerpartie und die Turbinenseite des Abgasturboladers. Die Strömungsrichtung der Arbeitsmittel ist mit Pfeilen bezeichnet.
Weg zur Ausführung der Erfindung
Der in Figur 1 nur teilweise gezeigte Abgasturbolader besteht aus einem Radialverdichter 1 und einer nicht dargestellten Abgasturbine, welche über eine in einem Lagergehäuse 2 abgestützte Welle 3 miteinander verbunden sind. Der Radialverdichter 1 weist eine in der Welle 3 liegende Maschinenachse 4 auf. Er ist mit einem Verdichtergehäuse 5 ausgestattet, in dem ein Verdichterrad 6 drehbar mit der Welle 3 verbunden ist. Das Verdichterrad 6 besitzt eine mit einer Vielzahl von Laufschaufeln 7 besetzte Nabe 8. Zwischen der Nabe 8 und dem Verdichtergehäuse 5 ist ein Strömungskanal 9 ausgebildet. Stromab der Laufschaufeln 7 schliesst an den Strömungskanal 9 ein radial angeordneter, beschaufelter Diffusor 10 an, welcher seinerseits in eine Spirale 11 des Radialverdichters 1 mündet. Das Verdichtergehäuse 5 besteht hauptsächlich aus einem Lufteintrittgehäuse 12, einem Luftaustrittgehäuse 13, einer Diffusorplatte 14 und einer Zwischenwand 15 zum Lagergehäuse 2.
Die Nabe 8 weist turbinenseitig eine Rückwand 16 sowie eine Befestigungsmuffe 17 für die Welle 3 auf, wobei letztere und die Befestigungsmuffe 17 miteinander verbunden sind. Die Befestigungsmuffe 17 wird von der Zwischenwand 15 des Verdichtergehäuses 5 aufgenommen. Natürlich kann auch eine andere geeignete Verdichterrad-Wellen-Verbindung gewählt werden. Ebenso ist auch der Einsatz eines unbeschaufelten Diffusors möglich.
Zwischen dem rotierenden Verdichterrad 6 und der feststehenden Zwischenwand 15 des Verdichtergehäuses 5 ist ein aus verschiedenen Spaltbereichen bestehender Trennspalt 18 ausgebildet. Ein erster Spaltbereich 19 verläuft parallel zur Maschinenachse 4 und ist sowohl mit dem Austritt des Verdichterrades 6 als auch mit einem sich im Bereich der Rückwand 16 des Verdichterrades 6 vorwiegend radial erstreckenden, zweiten Spaltbereich 20 verbunden. Der zweite Spaltbereich 20 geht in einen zwischen der Befestigungsmuffe 17 und der Zwischenwand 15 ausgebildeten und ebenfalls parallel zur Maschinenachse 4 verlaufenden, dritten Spaltbereich 21 über. Letzterer kommuniziert seinerseits mit einer nicht dargestellten Abführleitung. Die Rückwand 16 des Verdichterrades 6 weist ein radial inneres Wandteil 22 sowie ein radial äusseres Wandteil 23 auf.
In den zweiten Spaltbereich 20 des Trennspaltes 18 münden parallel zur Welle 3 des Verdichterrades 6 mehrere die Zwischenwand 15 des Verdichtergehäuses 5 durchdringende Zuführkanäle 24 für ein gasförmiges Kühlmedium 25. Die Einmündungen liegen im Bereich des radial äusseren Wandteils 23 der Rückwand 16 des Verdichterrades 6, während ein ebenfalls die Zwischenwand 15 des Verdichtergehäuses 5 durchdringender Abführkanal 26 für das Kühlmedium 25 im Bereich des radial inneren Wandteils 22 angeordnet ist.
Beim Betrieb des Abgasturboladers saugt das Verdichterrad 6 als Arbeitsmedium 27 Umgebungsluft an, die als eine Hauptströmung 28 über den Strömungskanal 9 sowie den Diffusor 10 in die Spirale 11 gelangt, dort weiter verdichtet und schliesslich zur Aufladung einer nicht dargestellten, mit dem Abgasturbolader verbundenen Brennkraftmaschine eingesetzt wird. Auf ihrem Weg vom Strömungskanal 9 zum Diffusor 10 beaufschlagt die im Radialverdichter 1 erhitzte Hauptströmung 28 des Arbeitsmediums 27 als Leckageströmung 29 auch den ersten Spaltbereich 19 und damit den Trennspalt 18. Gleichzeitig wird jedoch über die Zuführkanäle 24 das gasförmige Kühlmedium 25 mit einem höheren Druck als dem Druck der Hauptströmung 28 des Arbeitsmediums 27 in den zweiten Spaltbereich 20 des Trennspaltes 18 eingeführt. Beispielsweise kann als Kühlmedium Luft vom nicht dargestellten Auslass des Ladeluftkühlers der Brennkraftmaschine verwendet werden. Natürlich ist sowohl der Einsatz anderer Kühlmedien als auch eine externe Zuführung dieser Kühlmedien möglich.
Das Kühlmedium 25 trifft auf die Rückwand 16 des Verdichterrades 6 und bewirkt in dessen besonders beanspruchten, radial äusseren Wandteil 23 eine Prallkühlung. Daraufhin verteilt sich das Kühlmedium 25 im Trennspalt 18 und verdünnt die heisse Leckageströmung 29. Der grösste Teil des Kühlmediums 25 und der Leckageströmung 29 wird anschliessend über den Abführkanal 26 aus dem Trennspalt 18 geleitet. Je nach den herrschenden Druckverhältnissen wird auch ein bestimmter Teil des Kühlmediums 25 und der Leckageströmung 29 über den ersten Spaltbereich 19 in den Strömungskanal 9 des Radialverdichters 1 eingeführt.
In einem zweiten Ausführungsbeispiel münden die Zuführkanäle 24 für das Kühlmedium 25 ebenfalls parallel zur Welle 3 des Verdichterrades 6 im Bereich des radial äusseren Wandteils 23 der Rückwand 16 des Verdichterrades 6 in den Trennspalt 18. Jedoch ist zwischen den Zuführkanälen 24 und dem Trennspalt 18 ein die Zuführkanäle 24 miteinander verbindender und zum Trennspalt 18 offener Ringraum 30 ausgebildet (Fig. 2). Dadurch kann eine relativ gleichmässige Beaufschlagung der Rückwand 16 mit dem Kühlmedium 25 erreicht werden. Natürlich können alternativ zum Ringraum 30 auch mehrere Teilringräume in der Zwischenwand 15 des Verdichtergehäuses 5 ausgebildet sein, welche jeweils zumindest zwei benachbarte Zuführkanäle 24 miteinander verbinden (nicht dargestellt). Der Abführkanal 26 ist in der Diffusorplatte 14 des Verdichtergehäuses 5 angeordnet, so dass das Kühlmedium 25 nahezu vollständig über den Strömungskanal 9 des Radialverdichters 1 abgeführt wird. Im Betrieb wird die Leckageströmung 29 durch das Kühlmedium 25 praktisch vollständig abgesperrt. Aufgrund der Rückführung des Kühlmediums 25 in den Strömungskanal 9 wird zudem der volumetrische Wirkungsgrad verbessert.
Gemäss einem dritten Ausführungsbeispiel münden die Zuführkanäle 24 diagonal zur Welle 3 des Verdichterrades 6 in den Trennspalt 18. Zudem nehmen die Zuführkanäle 24 jeweils ein in den Trennspalt 18 hineinragendes und auf das radial äussere Wandteil 23 der Rückwand 16 des Verdichterrades 6 ausgerichtetes Röhrchen 31 auf (Fig. 3). Mit Hilfe dieser Röhrchen 31 trifft das Kühlmedium 25 gezielt auf die Bereiche der Rückwand 16, welche die grösste Temperaturbelastung aufweisen. Infolge seiner diagonalen Einleitung wirkt das Kühlmedium 25 dabei zunächst als Prallkühlung. Ausserdem kann sich in Richtung des ersten Spaltbereiches 19 ein Kühlfilm an der Rückwand 16 anlegen. Die Ableitung des Kühlmediums 25 erfolgt wiederum über den Abführkanal 26. Natürlich kann analog dem zweiten Ausführungsbeispiel auch eine Rückspeisung des Kühlmediums 25 in den Strömungskanal 9 des Radialverdichters 1 erfolgen (nicht dargestellt).
Bei einem nächsten Ausführungsbeispiel sind die Zuführkanäle 24 die Diffusorplatte 14 durchdringend angeordnet und münden in deren dem Verdichterrad 6 zugewandten Bereich tangential zur Rückwand 16 des Verdichterrades 6 in den Trennspalt 18 ein (Fig. 4). Der Abführkanal 26 für das Kühlmedium 25 ist in der Zwischenwand 15 des Verdichtergehäuses 5 angeordnet. Durch die tangentiale Einleitung des Kühfmediums 25 wird eine reine Filmkühlung der gesamten Rückwand 16 des Verdichterrades 6 realisiert. Die Ableitung des Kühlmediums 25 erfolgt lediglich über den Abführkanal 26. Sowohl der Verdichterschub als auch die mechanischen Verluste infolge der an der Rückwand 16 des Verdichterrades 6 entstehende Reibung sind bei dieser Anordnung geringer als bei einer achsparallelen Einblasung des Kühlmediums 25. Natürlich kann die Diffusorplatte 14 an ihrem radial inneren Ende auch geschlitzt ausgebildet sein. In diesem Fall münden die Zuführkanäle 24 in den nicht dargestellten Schlitz der Diffusorplatte 14.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist stromauf der Rückwand 16 des Verdichterrades 6 ein Dichtelement 32 im Trennspalt 18, d.h. in dessen erstem Spaltbereich 19, angeordnet (Fig. 5). Mit Hilfe dieser für alle zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele geeigneten Lösung ist es möglich, den Druck der verbleibenden Leckageströmung 29 so weit herabzusetzen, dass der Druck des einströmenden Kühlmediums 25 vorteilhaft sogar unter dem am Austritt des Verdichterrades 6 herrschenden Druck des Arbeitsmediums 27 liegen kann. Auf diese Weise kann auch mit relativ geringen Mengen des Kühlmediums 25 eine effektive Kühlung des Verdichterrades 6 gewährleistet werden.
Bezugszeichenliste
1
Radialverdichter
2
Lagergehäuse
3
Welle
4
Maschinenachse
5
Verdichtergehäuse
6
Verdichterrad
7
Laufschaufel
8
Nabe
9
Strömungskanal
10
Diffusor
11
Spirale
12
Lufteintrittgehäuse
13
Luftaustrittgehäuse
14
Diffusorplatte
15
Zwischenwand
16
Rückwand
17
Befestigungsmuffe
18
Trennspalt
19
Spaltbereich, erster
20
Spaltbereich, zweiter
21
Spaltbereich, dritter
22
Wandteil, radial inneres
23
Wandteil, radial äusseres
24
Zuführkanal
25
Kühlmedium
26
Abführkanal
27
Arbeitsmedium, Umgebungsluft
28
Hauptströmung, von 27
29
Leckageströmung, von 27
30
Ringraum
31
Röhrchen
32
Dichtelement

Claims (14)

  1. Verfahren zum Betreiben eines Radialverdichters, bei dem
    a) ein Arbeitsmedium (27) von einem in einem Verdichtergehäuse (5) angeordneten und mit einer Anzahl von Laufschaufeln (7) ausgestatteten Verdichterrad (6) angesaugt, verdichtet sowie als eine Hauptströmung (28) zu einem Verbraucher weitergeleitet wird,
    b) nach dem zwischen den Laufschaufeln (7) erfolgenden Verdichtungsvorgang eine Leckageströmung (29) des Arbeitsmediums (27) abzweigt und diese Leckageströmung (29) in einen zwischen dem Verdichterrad (6) und dem Verdichtergehäuse (5) ausgebildeten Trennspalt (18) strömt,
    c) der Trennspalt (18) im Bereich einer Rückwand (16) des Verdichterrades (6) nicht gegen das Eindringen der Leckageströmung (29) des Arbeitsmediums (27) abgedichtet wird,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    d) stromab der Leckageströmung (29) des Arbeitsmediums (27) ein Kühlmedium (25) in den Trennspalt (18) eingeleitet und dieses nach erfolgtem Kühlvorgang schliesslich wieder abgeführt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmedium (25) mit einem höheren Druck als dem Druck der Hauptströmung (28) des Arbeitsmediums (27) in den Trennspalt (18) eingeleitet wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmedium (25) nach erfolgtem Kühlvorgang in die Hauptströmung (28) des Arbeitsmediums (27) eingeleitet wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck der Leckageströmung (29) des Arbeitsmediums (27) bei deren Zuführung in den Trennspalt (18) gegenüber dem Druck der Hauptströmung (28) des Arbeitsmediums (27) reduziert wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmedium (25) mit einem geringeren Druck als dem Druck der Hauptströmung (28) des Arbeitsmediums (27) in den Trennspalt (18) eingeleitet wird.
  6. Radialverdichter mit einem auf einer Welle (3) angeordneten, eine sich vorwiegend radial erstreckende Rückwand (16) aufweisenden Verdichterrad (6), einem das Verdichterrad (6) umschliessenden Verdichtergehäuse (5), einem zwischen dem Verdichterrad (6) und dem Verdichtergehäuse (5) ausgebildeten Strömungskanal (9) für ein Arbeitsmedium (27) des Radialverdichters (1) sowie einem mit dem Strömungskanal (9) verbundenen Trennspalt (18) von Verdichterrad (6) und Verdichtergehäuse (5), wobei der Trennspalt (18) im Bereich der Rückwand (16) des Verdichterrades (6) ohne Dichtungselemente ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass im Verdichtergehäuse (5) zumindest ein dieses durchdringender, im Bereich der Rückwand (16) des Verdichterrades (6) in den Trennspalt (18) mündender und auf die Rückwand (16) ausgerichteter Zuführkanal (24) für ein gasförmiges Kühlmedium (25) sowie zumindest ein Abführkanal (26) für das Kühlmedium (25) angeordnet sind.
  7. Radialverdichter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Zuführkanal (24) zumindest annähernd parallel zur Welle (3) des Verdichterrades (6) in den Trennspalt (18) mündet.
  8. Radialverdichter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Zuführkanal (24) zumindest annähernd diagonal zur Welle (3) des Verdichterrades (6) in den Trennspalt (18) mündet.
  9. Radialverdichter nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass im Verdichtergehäuse (5) mehrere Zuführkanäle (24) angeordnet sind, dass gegenüber der Rückwand (16) des Verdichterrades (6) ein zum Trennspalt (18) offener Ringraum (30) oder zumindest ein Teilringraum im Verdichtergehäuse (5) ausgebildet ist, und dass die Zuführkanäle (24) mit dem Ringraum (30) oder zumindest jeweils zwei der Zuführkanäle (24) mit einem Teilringraum verbunden sind.
  10. Radialverdichter nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einer der Zuführkanäle (24) ein in den Trennspalt (18) hineinragendes und auf die Rückwand (16) des Verdichterrades (6) ausgerichtetes Röhrchen (31) aufnimmt.
  11. Radialverdichter nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückwand (16) des Verdichterrades (6) ein radial inneres Wandteil (22) und ein radial äusseres Wandteil (23) aufweist und jedes Röhrchen (31) im Bereich des radial äusseren Wandteils (23) in den Trennspalt (18) mündet.
  12. Radialverdichter nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Abführkanal (26) in den Strömungskanal (9) des Radialverdichters (1) mündet.
  13. Radialverdichter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Zuführkanal (24) zumindest annähernd tangential zur Rückwand (16) des Verdichterrades (1) in den Trennspalt (18) mündet.
  14. Radialverdichter nach einem der Ansprüche 6 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass stromauf der Rückwand (16) des Verdichterrades (6) ein Dichtelement (32) im Trennspalt (18) angeordnet ist.
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