EP1433958A2 - Vorleitstator für Strömungsmaschinen - Google Patents

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EP1433958A2
EP1433958A2 EP03016559A EP03016559A EP1433958A2 EP 1433958 A2 EP1433958 A2 EP 1433958A2 EP 03016559 A EP03016559 A EP 03016559A EP 03016559 A EP03016559 A EP 03016559A EP 1433958 A2 EP1433958 A2 EP 1433958A2
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EP
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vorleitstator
inlet guide
guide vanes
flow
compressor
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Robert Bosch GmbH
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    • F04D29/462—Fluid-guiding means, e.g. diffusers adjustable especially adapted for elastic fluid pumps
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
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    • F04D27/0246—Surge control by varying geometry within the pumps, e.g. by adjusting vanes
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    • 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
    • F05D2250/00—Geometry
    • F05D2250/50—Inlet or outlet
    • F05D2250/51—Inlet

Definitions

  • the invention relates to a Vorleitstator for Turbomachines with those in the preamble of the claim 1 mentioned features.
  • turbochargers To increase the air flow in internal combustion engines are suitable among other things exhaust gas turbochargers, the energy from the flow energy of the exhaust gas win for driving a compressor wheel that the combustion air supplied to the combustion chambers puts an increased pressure.
  • the energy content of a the air-fuel mixture supplied to the internal combustion engine can be increased.
  • turbocharger are both with internal combustion engines Auto ignition as well as those with spark ignition used. Point in particular for vehicle drives Exhaust gas turbochargers often have the disadvantage of being delayed or insufficient response behavior lower engine speeds.
  • the compressor on a torque request to react quickly are additional electric drives for the compressor wheel known.
  • US-A-6 029 452 describes one such improvement in responsiveness of a Exhaust gas turbocharger with the support of an additional electric drive.
  • Such an additional electrical drive can drive the drive shaft of an existing compressor support.
  • Another type of electrical Support is a separate, purely electrical operated auxiliary loader, in the fresh air duct in series with a conventional turbine Exhaust gas turbocharger is operated and as a so-called called electric auxiliary compressor becomes.
  • a known method for expanding the map or Map stabilization of turbo machines are et al adjustable or fixed stator elements, which as control elements before entry or after the exit of the bladed compressors or turbo wheels are arranged.
  • adjustable or fixed stator elements which as control elements before entry or after the exit of the bladed compressors or turbo wheels are arranged.
  • adjustable idlers allow one higher effectiveness and better broadening a map.
  • the adjustable elements are actively operated here.
  • An inventive stator for turbomachines especially for turbocompressors several arranged in the inflow area of a compressor wheel Inlet guide vanes on, their swirl-generating Bucket angle depending on one Fluid volume flow through the turbomachine or the turbocompressor is adjustable.
  • the invention sees a variable deformation of the inlet guide vanes with changing flow conditions in front.
  • the preliminary stator optimally adapted to different fluid volume flows be without a relatively complex Adjustability of guide vanes is necessary.
  • the Guide vanes of the guide vane can affect this Way with increased mass throughput without external Demold control elements increasingly. This will a self-adjusting link for effective map expansion of turbomachinery and in particular Turbocompressors provided.
  • axial flow guide stator in one embodiment of the invention, a radial compressor with axially flowed impeller.
  • increasing volume flow decreases the deformation of the inlet guide vanes, from what a variable blade angle between approx. 0 and 20 Degrees can result.
  • the blade angle is approximately 0 degrees while he with a low volume flow in one area up to about 85 degrees.
  • the shovels are preferred in the relaxed state evenly arched to ideal flow conditions to enable.
  • With a suitable geometry and Material choice can be an individually customizable Leading stator for the most different types of Flow machines are made available.
  • the elastic nature of the lead stator enables an automatic adaptation of the impeller flow through the acting volume flow itself. If the volume flow is low, the axial stator gives way little of its unstressed Position.
  • the lead body creates a well-defined one Counter-whirl leading to a degradation the surge limit of the downstream flow compressor leads.
  • Corresponds to the volume flow the design point of the radial machine with swirl-free Incoming flow, the guide body so the flow is almost parallel in that downstream impeller can get.
  • FIG 1 illustrates a Vorleitstator 12 a Turbo compressor 10 having a compressor wheel 14 is connected upstream.
  • the compressor 10 is from above flows downwards, whereby the compressor wheel 14 rotates counterclockwise (cf. also Figure 2).
  • the pre-stator 12 has a plurality of inlet guide blades 16 on the lower leaf edges 26 a blade angle at a low volume flow with respect to a longitudinal axis 20 of up to approx. Can have 85 degrees. The angle shown is however, significantly smaller than this maximum value and is about 20 to 30 degrees.
  • the Inlet guide vanes 16 each on transverse webs 18 arranged and are in the flow direction and in Suspended in the direction of its lower sheet edge 26.
  • the suspension 24 on the crossbars 18 is here rigidly executed, while the inlet guide vanes 16 itself made of a flexible material exist and with increasing volume flow wrest.
  • the blade angle approaches here a value of 0 degrees.
  • Vorleitstator 12 of the turbocompressor according to the invention 10 thus enables a map expansion of the compressor and a shift of it Pumping limit down, so even at low Volume flow through the compressor an effective Flow against the compressor wheel 14 is made possible.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Vorleitstator (10) für Strömungsmaschinen, insbesondere für Turboverdichter (12), mit mehreren im Anströmbereich eines Verdichterrads (14) angeordneten Eintrittsleitschaufeln (16), deren drallerzeugender Schaufelwinkel in Abhängigkeit eines Fluidvolumenstroms durch die Strömungsmaschine bzw. durch den Turboverdichter (10) verstellbar ist. Es ist vorgesehen, dass die Eintrittsleitschaufeln (16) sich bei verändernden Strömungsverhältnissen verformen. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft einen Vorleitstator für Strömungsmaschinen mit den im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Merkmalen.
Stand der Technik
Zur Erhöhung des Luftdurchsatzes bei Verbrennungsmotoren eignen sich unter anderem Abgasturbolader, die aus der Strömungsenergie des Abgases Energie zum Antrieb eines Verdichterrades gewinnen, das die den Brennräumen zugeführte Verbrennungsluft unter einen erhöhten Druck setzt. Der Energieinhalt eines der Brennkraftmaschine zugeführten Luft-Kraftstoff-Gemisches kann dadurch erhöht werden. Abgasturbolader werden sowohl bei Brennkraftmaschinen mit Selbstzündung wie auch bei solchen mit Fremdzündung verwendet. Insbesondere bei Fahrzeugantrieben weisen Abgasturbolader oftmals den Nachteil eines verzögerten bzw. unzureichenden Ansprechverhaltens bei kleineren Motordrehzahlen auf. Hierbei ist die Strömungsenergie des Abgases so gering, dass auch der Verdichter nur eine geringe Energie aufbringen kann. Diese wird erst dann größer, wenn der Abgasdruck ausreichend groß ist. Diese Verzögerung ist auch als sogenanntes Turboloch bekannt. Um auch bei geringem Abgasdruck den Verdichter auf eine Drehmomentanforderung schnell reagieren zu lassen, sind elektrische Zusatzantriebe für das Verdichterrad bekannt. Die US-A-6 029 452 beschreibt bspw. eine derartige Verbesserung des Ansprechverhaltens eines Abgasturboladers mittels einer Unterstützung durch einen elektrischen Zusatzantrieb.
Ein solcher elektrischer Zusatzantrieb kann die Antriebswelle eines bereits vorhandenen Verdichters unterstützen. Eine weitere Art einer elektrischen Unterstützung ist ein separater, rein elektrisch betriebener Hilfslader, der in der Frischluftführung in Reihe zur Verdichterturbine eines'konventionellen Abgasturboladers betrieben wird und als sogenannter elektrischer Zusatzverdichter bezeichnet wird.
Insbesondere beim Betrieb solcher Strömungsmaschinen besteht das Problem eines eingegrenzten Betriebsbereichs, der durch das sogenannte Verdichterkennfeld beschrieben wird. Soll ein Strömungsverdichter auch bei geringeren Massenströmen noch effektiv arbeiten, muss sein Kennfeld so erweitert werden, dass die Pumpgrenze herabgesetzt wird. Eine bekannte Methode zur Kennfeldverbreiterung bzw. Kennfeldstabilisierung von Strömungsmaschinen sind u.a. verstellbare bzw. feststehende Statorelemente, die als Stellelemente vor dem Eintritt bzw. nach dem Austritt der beschaufelten Verdichter oder Turboräder angeordnet sind. Hierbei ist zwischen nicht verstellbaren bzw. verstellbaren Leiträdern zu unterscheiden. Verstellbare Leiträder ermöglichen eine höhere Effektivität und eine bessere Verbreiterung eines Kennfeldes. Die verstellbaren Elemente werden hierbei aktiv betätigt.
Vorteile der Erfindung
Ein erfindungsgemäßer Vorleitstator für Strömungsmaschinen, insbesondere für Turboverdichter, weist mehrere im Anströmbereich eines Verdichterrads angeordnete Eintrittsleitschaufeln auf, deren drallerzeugender Schaufelwinkel in Abhängigkeit eines Fluidvolumenstroms durch die Strömungsmaschine bzw. den Turboverdichter verstellbar ist. Die Erfindung sieht eine variable Verformung der Eintrittsleitschaufeln bei sich verändernden Strömungsverhältnissen vor. Auf diese Weise kann der Vorleitstator optimal an unterschiedliche Fluidvolumenströme angepasst werden, ohne dass eine relativ aufwändige Verstellbarkeit von Leitschaufeln notwendig ist. Um dies zu erreichen, sind die Eintrittsleitschaufeln in sich flexibel und bestehen aus einem verformbaren Material, insbesondere aus Kunststoff. Die Leitschaufeln des Vorleitrades können sich auf diese Weise mit erhöhtem Massendurchsatz ohne externe Stellelemente zunehmend entformen. Hierdurch wird ein selbststellendes Glied zur effektiven Kennfelderweiterung von Turbomaschinen und insbesondere Turboverdichtern zur Verfügung gestellt.
Ein axial durchströmter Vorleitstator ist hierbei bei einer Ausgestaltung der Erfindung einem Radialverdichter mit axial durchströmtem Impeller vorgesetzt. Mit steigendem Volumenstrom verringert sich die Verformung der Eintrittsleitschaufeln, woraus ein variabler Schaufelwinkel zwischen ca. 0 und 20 Grad resultieren kann. Bei einem hohen Volumenstrom beträgt der Schaufelwinkel annähernd 0 Grad, während er bei geringem Volumenstrom in einem Bereich von bis zu ungefähr 85 Grad liegen kann. Die Schaufeln sind im entspannten Zustand vorzugsweise gleichmäßig gewölbt, um ideale Strömungsverhältnisse zu ermöglichen. Durch eine geeignete Geometrieund Materialwahl kann ein individuell anpassbarer Vorleitstator für die unterschiedlichsten Arten von Strömungsmaschinen zur Verfügung gestellt werden.
Die elastische Beschaffenheit des Vorleitstators ermöglicht eine selbsttätige Adaption der Laufradanströmung durch den beaufschlagenden Volumenstrom selbst. Ist der Volumenstrom gering, weicht der A-xialstator nur wenig von seiner unbeaufschlagten Position ab. Der Vorleitkörper erzeugt einen wohldefinierten Gegendrall, der zu einer Herabsetzung der Pumpgrenze des stromabwärts befindlichen Strömungsverdichters führt. Entspricht der Volumenstrom dem Auslegungspunkt der Radialmaschine mit drallfreier Anströmung, entwindet sich der Vorleitkörper, so dass die Strömung nahezu parallel in das nachgeschaltete Laufrad gelangen kann.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den abhängigen Ansprüchen genannten Merkmalen.
Zeichnungen
Die Erfindung wird nachfolgend in bevorzugten Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt:
Figur 1
eine schematische Schnittansicht eines Turboverdichters mit einem erfindungsgemäßen Vorleitstator im Anströmbereich eines Verdichterrades,
Figur 2
eine Draufsicht auf den Vorleitstator gemäß Figur 1 im entspannten Zustand,
Figur 3
eine schematische Schnittansicht des Turboverdichters bei hohem Volumenstrom und
Figur 4
eine Draufsicht auf den Vorleitstator mit verformten Schaufeln gemäß Figur 3.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Figur 1 verdeutlicht einen Vorleitstator 12 eines Turboverdichters 10, der einem Verdichterrad 14 vorgeschaltet ist. Der Verdichter 10 wird von oben nach unten durchströmt, wobei sich das Verdichterrad 14 gegen den Uhrzeigersinn dreht (vgl. hierzu auch Figur 2).
Der Vorleitstator 12 weist mehrere Eintrittsleitschaufeln 16 auf, die an ihren unteren Blattkanten 26 bei einem geringen Volumenstrom einen Schaufelwinkel gegenüber einer Längsachse 20 von bis zu ca. 85 Grad aufweisen können. Der gezeigte Winkel ist allerdings deutlich kleiner als dieser Maximalwert und beträgt ca. 20 bis 30 Grad. Wie anhand der Draufsicht der Figur 2 verdeutlicht wird, sind die Eintrittsleitschaufeln 16 jeweils an Querstegen 18 angeordnet und sind in Strömungsrichtung und in Richtung ihrer unteren Blattkante 26 frei aufgehängt. Die Aufhängung 24 an den Querstegen 18 ist hierbei starr ausgeführt, während die Eintrittsleitschaufeln 16 selbst aus einem flexiblen Material bestehen und sich bei zunehmendem Volumenstrom entwinden. Der Schaufelwinkel nähert sich hierbei einem Wert von 0 Grad an.
Wie anhand der Figuren 3 und 4 verdeutlicht wird, können die Anströmverhältnisse bei größerem Volumenstrom dadurch verbessert werden, dass sich der Schaufelwinkel reduziert, was durch eine Streckung der Verdichterschaufeln 22 erreicht wird. Diese Streckung der in sich flexiblen Verdichterschaufeln 22 wird durch den Strömungsdruck selbst erreicht und nicht durch externe Stellelemente.
Bei höherem Massendurchsatz wird nur noch ein geringer Anströmdrall erzeugt, der sich bei entsprechendem Volumendurchsatz einem Wert von Null annähert.
Der erfindungsgemäße Vorleitstator 12 des Turboverdichters 10 ermöglicht somit eine Kennfelderweiterung des Verdichters und eine Verschiebung dessen Pumpgrenze nach unten, so dass auch bei geringem Volumenstrom durch den Verdichter eine effektive Anströmung des Verdichterrads 14 ermöglicht ist.

Claims (9)

  1. Vorleitstator für Strömungsmaschinen, insbesondere für Turboverdichter, mit mehreren im Anströmbereich eines Verdichterrads angeordneten Eintrittsleitschaufeln, deren drallerzeugender Schaufelwinkel in Abhängigkeit eines Fluidvolumenstroms durch die Strömungsmaschine bzw. den Turboverdichter verstellbar ist, gekennzeichnet durch eine variable Verformung der Eintrittsleitschaufeln (16) bei sich verändernden Strömungsverhältnissen.
  2. Vorleitstator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Eintrittsleitschaufeln (16) aus einem verformbaren Material gefertigt und in sich flexibel sind.
  3. Vorleitstator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Eintrittsleitschaufeln (16) aus Kunststoff gefertigt sind.
  4. Vorleitstator nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorleitstator (12) in axialer Richtung durchströmt wird.
  5. Vorleitstator nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsmaschine ein Radialverdichter mit axial durchströmtem Impeller (14) ist.
  6. Vorleitstator nach einem der voranstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine sich mit steigendem Volumenstrom verringernde Verformung der Eintrittsleitschaufeln (16).
  7. Vorleitstator nach einem der voranstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen variablen Schaufelwinkel der Eintrittsleitschaufeln (16) zwischen 0 Grad und ca. 85 Grad.
  8. Vorleitstator nach einem der voranstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Schaufelwinkel von ca. 0 Grad bei hohem Volumenstrom.
  9. Vorleitstator nach einem der voranstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Schaufelwinkel von mehr als 50, vorzugsweise von bis zu ca. 85 Grad bei geringem Volumenstrom.
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