EP2054595B1 - Verdichtergehäuse - Google Patents

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EP2054595B1
EP2054595B1 EP07802892.5A EP07802892A EP2054595B1 EP 2054595 B1 EP2054595 B1 EP 2054595B1 EP 07802892 A EP07802892 A EP 07802892A EP 2054595 B1 EP2054595 B1 EP 2054595B1
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EP
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compressor
housing
stabilizer chamber
radial
stabilizer
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Fabian SCHÖNBÄCHLER
Matthias Schleer
Marc Andrea Camastral
Markus Städeli
Peter Neuenschwander
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Accelleron Industries AG
Original Assignee
ABB Turbo Systems AG
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    • F04D29/681—Combating cavitation, whirls, noise, vibration or the like; Balancing by influencing boundary layers especially adapted for elastic fluid pumps
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    • F02B33/32—Engines with pumps other than of reciprocating-piston type
    • F02B33/34—Engines with pumps other than of reciprocating-piston type with rotary pumps
    • F02B33/40—Engines with pumps other than of reciprocating-piston type with rotary pumps of non-positive-displacement type

Definitions

  • the invention relates to the field of exhaust gas turbochargers for supercharged internal combustion engines. It relates to a compressor of such an exhaust gas turbocharger.
  • Exhaust gas turbochargers are used to increase the performance of internal combustion engines, in particular reciprocating engines.
  • an exhaust gas turbocharger usually has a centrifugal compressor and a radial or axial turbine.
  • bypass mass flows that allow in the region of the surge limit, ie in the range of minimum volume flow and in the region of the intake limit, ie in the range of maximum volume flow promotion a shift toward smaller or larger volume flows compared with identical machines without bypass.
  • the stabilizer space is formed as an elongate, narrow channel.
  • the object of the invention is to improve a compressor by a new structural design of the stabilizer space.
  • the inner compressor housing that is, the part inside the outer spiral housing is formed in one piece.
  • the housing part delimiting the flow channel from the axial inlet in the region of the axial intake channel to the diffuser downstream of the compressor wheel is designed as one component.
  • the deflected from the axial to the radial direction flow channel is limited on the opposite side of this housing part by the hub of the compressor wheel and further downstream through a diffuser rear wall.
  • the stabilizer space In the interior of the one-piece housing of the stabilizer space is arranged, which expands according to the invention via a variable in the axial direction, large radial height. This results in an optimal turbulence of the recirculation flow through the stabilizer space.
  • the stabilizer space is opened via two openings to the flow channel. Upstream of the compressor wheel is arranged a radial inlet opening and downstream of the leading edge of the compressor wheel and in the overlap area to the inlet of a radial contour groove.
  • the arranged between the circumferential openings ring land forms a part of the Strömungsungsanalwand and is connected via a plurality of retaining ribs with the inner compressor housing.
  • the retaining ribs can be provided with vibration-reducing measures.
  • the holding ribs can be arranged obliquely with respect to the radial direction. Or they can be profiled and / or arranged twisted around their own axis. Several holding ribs can be arranged obliquely opposite one another in order to increase the rigidity and thus to achieve a high natural frequency of the intake geometry.
  • this variant allows for different compressor stages implement a variable spiral cross-section.
  • thermal insulation may be applied to the housing wall which separates the stabilizer space from the flow channel. Thereby, the heat input can be reduced to the air circulating in the stabilizer room.
  • Optionally sound-absorbing means can be arranged in the stabilizer room without additional structural measures.
  • Fig. 1 shows a section of an inventively designed radial compressor, as used for example in exhaust gas turbochargers.
  • the outer compressor housing 20 and the inner compressor housing 10 are divided in the region of the spiral housing.
  • the outer compressor housing 20 is fixed to the right of the bearing housing, not shown, on the back of the compressor wheel 40.
  • the inner compressor housing 10 comprises a part of the spiral and the housing parts forming the flow channel upstream of the spiral, the insert wall 12 and, upstream of the compressor wheel 40, the compressor inlet.
  • a radial inlet groove 14 is arranged, which is bounded by a housing part in the intake, for example, a housing part of a muffler or intake, and the compressor inlet. Downstream of the leading edge of the compressor wheel 40 and in the overlap region to the inlet of a radial contour groove 13 is arranged.
  • the arranged between the circumferential grooves ring land 11 forms the flow channel wall in the region of the compressor inlet and is connected via a plurality of retaining ribs 16 with the inner compressor housing.
  • the cross section of the stabilizer space 60 is due the spiral is not constant along the circumference. According to the invention, however, the average radial height of the stabilizer space is at least approximately two thirds of the axial distance between inlet groove 14 and contour groove 13.
  • the housing wall extends at radial heights, which are greater than the radial height of the trailing edge of the compressor wheel 40, as shown in FIG Fig. 1 is apparent.
  • the stabilizer space 60 extends in the radial direction at least partially beyond the inner minimum radius of the spiral. Thanks to the uneven and large radial height of the stabilizer space, there is an optimum turbulence of the recirculation flow through the stabilizer space, which has a positive effect on the noise generated. In addition, the not constant along the circumference cross-sectional profile provides additional acoustic improvement.
  • the inner compressor housing 10 can be selectively reinforced with axially extending stiffening ribs 15.
  • any loads can be counteracted, which can arise due to the division of the spiral geometry on two housing parts in the inner compressor housing.
  • the number of stiffening ribs can be selected according to the expected load.
  • the stiffening ribs may optionally be formed twisted around the loader axis.
  • the stiffening ribs may optionally be arranged obliquely to the radial direction.
  • the edge of the stiffening ribs can optionally be rotationally symmetrical.
  • the stiffening ribs may optionally have a conical shape.
  • the retaining ribs can optionally be formed rotated about its axis.
  • the holding ribs can optionally be inclined against the radial direction.
  • the retaining ribs may have different deviations from the radial direction.
  • the holding ribs can also be arranged skewed in opposite directions.
  • the holding ribs can optionally be equipped with a round, conical or elliptical profile or with a flow profile.
  • the design of the retaining ribs allows the installation of optional sound-absorbing measures in the stabilizer space with little additional constructive auxiliary measures.
  • the overall very soft structure of the integrated inner compressor housing has a positive effect on the behavior in the event of bursting of the compressor wheel.
  • the long housing parts can be easily deformed and absorb a large part of the energy stored in the compressor wheel.
  • guide vanes 25 of the diffuser are optionally arranged on the integrated housing wall 10.
  • the profiles are provided as a ring during casting of the integrated inner compressor housing and milled to the required mass during finishing. In this way, high storage costs, which are incurred by the management of the diffusers as separate parts can be saved because not for each possible compressor specifications, ie different blade heights or profiles, a non-replaceable part must be kept. Also, the integration of the diffuser profiles 25 in the inner compressor housing, an additional press fit can be avoided, which may be due to strict shape and position tolerances for the diffuser height and the thickness of the diffuser plate in the production of high production costs. Last but not least, the number of components of the compressor can be reduced.

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Description

    Technisches Gebiet
  • Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Abgasturbolader für aufgeladene Brennkraftmaschinen. Sie betrifft einen Verdichter eines solchen Abgasturboladers.
    • Stand der Technik
  • Abgasturbolader werden zur Leistungssteigerung von Brennkraftmaschinen, insbesondere Hubkolbenmotoren, eingesetzt. Dabei besitzt ein Abgasturbolader üblicherweise einen Radialverdichter und eine Radial- oder Axialturbine.
  • Als Kennlinien-Stabilisierungs-Massnahme wird dabei über der Radkontur des Verdichterrades etwa im ersten Viertel der Radlänge, parallel zum Ansaugkanal, ein Bypass in Form eines Ringspaltes innerhalb des Verdichtergehäuses vorgesehen, wobei dieser Bypass aus einer stromauf zum Verdichterrad liegenden radialen Eintrittsnut, einer stromab zur Eintrittskante des Verdichterrades liegenden radialen Konturnut und einem diese beiden Nuten verbindenden Stabilisatorraum gebildet ist.
  • Durch den parallel zum Ansaugkanal und damit zum eigentlichen Radeintritt liegenden Stabilisatorraum ergeben sich Bypassmassenströme, die im Bereich der Pumpgrenze, also im Bereich minimaler Volumenstromförderung und im Bereich der Schluckgrenze, also im Bereich maximaler Volumenstromförderung eine Verschiebung in Richtung kleinerer bzw. grösserer Volumenströme ermöglichen, verglichen mit bauartgleichen Maschinen ohne Bypass.
  • Bei herkömmlichen Verdichtern ist der Stabilisatorraum als ein länglicher, schmaler Kanal ausgebildet. Die dadurch insbesondere bei grossen Verdichtern benötigten zusätzlichen Gehäusewandteile führen zu sehr grossen komplexen Gussformen mit vielen Kernen.
  • Die Druckschrift DE 4 213 047 offenbart die Merkmale des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
    • Kurze Darstellung der Erfindung
  • Aufgabe der Erfindung ist, einen Verdichter durch eine neue konstruktive Ausgestaltung des Stabilisatorraums zu verbessern.
  • Erfindungsgemäss wird das innere Verdichtergehäuse, also der Teil innerhalb des äusseren Spiralgehäuses einteilig ausgebildet. Das den Strömungskanal vom axialen Einlauf im Bereich des axialen Ansaugkanals bis in den Diffusor stromabwärts des Verdichterrades begrenzende Gehäuseteil ist als ein Bauteil ausgebildet. Der von der axialen in die radiale Richtung umgelenkte Strömungskanal ist auf der diesem Gehäuseteil gegenüberliegenden Seite durch die Nabe des Verdichterrades sowie weiter stromab durch eine Diffusorrückwand begrenzt.
  • Im Innern des einteilig ausgebildeten Gehäuses ist der Stabilisatorraum angeordnet, welcher sich erfindungsgemäss über eine in axialer Richtung variable, grosse radiale Höhe ausdehnt. Dadurch ergibt sich eine optimale Verwirbelung der Rezirkulationsströmung durch den Stabilisatorraum. Der Stabilisatorraum ist über zwei Öffnungen zum Strömungskanal hin geöffnet. Stromauf zum Verdichterrad ist einer radiale Eintrittsöffnung angeordnet und stromab zur Eintrittskante des Verdichterrades und im Überdeckungsbereich zu dessen Einlauf eine radiale Konturnut. Der zwischen den umlaufenden Öffnungen angeordnete Ringsteg bildet einen Teil der Strömungsanalwand und ist über mehrere Halterippen mit dem inneren Verdichtergehäuse verbunden.
  • Optional können die Halterippen mit schwingungsreduzierenden Massnahmen versehen sein. Beispielsweise können die Halterippen bezüglich der radialen Richtung schräg angeordnet sein. Oder sie können profiliert und/ oder um die eigene Achse verdreht angeordnet sein. Mehrere Halterippen können gegenläufige schief angeordnet sein, um die Steifigkeit zu erhöhen und somit eine hohe Eigenfrequenz der Einlaufgeometrie zu erzielen.
  • Mit dieser Variante wird eine markante Kostensenkung für das fertige Bauteil erwartet. Weiterhin erlaubt diese Variante für verschiedene Verdichterstufen einen variablen Spiralquerschnitt umzusetzen.
  • Optional können auf der Gehäusewand, welche den Stabilisatorraum vom Strömungskanal trennt, thermische Isolationen aufgebracht sein. Dadurch kann der Wärmeeintrag auf die im Stabilisatorraum zirkulierende Luft verringert werden.
  • Optional können im Stabilisatorraum ohne zusätzliche konstruktive Massnahmen schalldämmende Mittel angeordnet sein.
    • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Im folgenden ist anhand der Figuren die erfindungsgemässe Vorrichtung schematisch dargestellt und näher erläutert.
  • In allen Figuren sind gleichwirkende Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen:
    • Fig. 1
    zeigt ein Verdichtergehäuse mit einer integrierten Einsatzwand, und
    Fig. 2
    zeigt die gegenläufige Schiefstellung der Halterippen gegen das Zentrum ohne Schiefstellung der Versteifungsrippen.
    Weg zur Ausführung der Erfindung
  • Fig. 1 zeigt einen Ausschnitt eines erfindungsgemäss ausgebildeten Radialverdichters, wie er etwa in Abgasturboladern eingesetzt wird. Das äussere Verdichtergehäuse 20 und das innere Verdichtergehäuse 10 sind im Bereich des Spiralgehäuses geteilt. Das äussere Verdichtergehäuse 20 wird rechts am nicht dargestellten Lagergehäuse, auf der Rückseite des Verdichterrades 40, befestigt. Das innere Verdichtergehäuse 10 umfasst einen Teil der Spirale sowie die den Strömungskanal stromauf der Spirale bildenden Gehäuseteile, die Einsatzwand 12 sowie stromauf des Verdichterrades 40 den Verdichtereinlauf.
  • Im Innern des einteilig ausgebildeten inneren Verdichtergehäuses 10 ist der Stabilisatorraum 60 angeordnet, welcher sich erfindungsgemäss über eine in axialer Richtung und in Umfangsrichtung unregelmässig verlaufende, grosse radiale Höhe ausdehnt. Der Stabilisatorraum 60 ist über zwei Öffnungen zum Strömungskanal hin geöffnet. Stromauf des Verdichterrades ist eine radiale Eintrittsnut 14 angeordnet, welche durch ein Gehäuseteil im Ansaugbereich, beispielsweise einem Gehäuseteil eines Schalldämpfers oder Ansaugstutzens, sowie den Verdichtereinlauf begrenzt ist. Stromab der Eintrittskante des Verdichterrades 40 und im Überdeckungsbereich zu dessen Einlauf ist eine radiale Konturnut 13 angeordnet. Der zwischen den umlaufenden Nuten angeordnete Ringsteg 11 bildet im Bereich des Verdichtereinlaufs die Strömungskanalwand und ist über mehrere Halterippen 16 mit dem inneren Verdichtergehäuse verbunden. Der Querschnitt des Stabilisatorraums 60 ist aufgrund der Spirale entlang dem Umfang nicht konstant. Die durchschnittliche radiale Höhe des Stabilisatorraums beträgt erfindungsgemäss jedoch mindestens rund zwei Drittel des axialen Abstandes von Eintrittsnut 14 und Konturnut 13. Die Gehäusewand des inneren Verdichtergehäuses 10, welche den Stabilisatorraum nach radial aussen begrenzt, verläuft in axialer Richtung mit ungleichmässigem radialen Abstand (radiale Höhe) von der Wellenachse. Insbesondere im Bereich zwischen der Eintrittsnut 14 und der Konturnut 13, verläuft die Gehäusewand dabei auf radialen Höhen, welche grösser sind als die radiale Höhe der Austrittskante des Verdichterrades 40, wie aus der Fig. 1 ersichtlich ist. Der Stabilisatorraum 60 erstreckt sich dabei in radialer Richtung zumindest teilweise über den inneren Minimalradius der Spirale hinaus. Dank der ungleichmässig verlaufenden und grossen radialen Höhe des Stabilisatorraums ergibt sich eine optimale Verwirbelung der Rezirkulationsströmung durch den Stabilisatorraum, was sich positiv auf den erzeugten Lärm auswirkt. Zudem sorgt der entlang dem Umfang nicht konstante Querschnittsverlauf für eine zusätzliche akustische Verbesserung.
  • Optional kann das innere Verdichtergehäuse 10 mit axial verlaufenden Versteifungsrippen 15 gezielt verstärkt werden. Dadurch kann allfälligen Belastungen entgegengewirkt werden, welche aufgrund der Aufteilung der Spiralgeometrie auf zwei Gehäuseteile im inneren Verdichtergehäuse entstehen können. Die Anzahl der Versteifungsrippen kann der zu erwartenden Belastung entsprechend gewählt werden. Die Versteifungsrippen können optional um die Lader-Achse verdreht ausgebildet sein. Die Versteifungsrippen können optional schräg zur radialen Richtung angeordnet sein. Die Kante der Versteifungsrippen kann optional rotationssymmetrisch ausgebildet sein. Die Versteifungsrippen können optional eine konische Form aufweisen.
  • Die Durchtrennung der Einsatzwandgeometrie im Verdichtereinlauf durch die Konturnut erfordert eine separate Befestigung des Ringstegs 11. Diese Befestigung wird durch radial nach aussen gerichtete Halterippen 16 realisiert.
  • Optional können schwingungsreduzierende Massnahmen verwirklicht sein. So können die Halterippen optional um ihre Achse verdreht ausgebildet sein. Die Halterippen können optional gegen die radiale Richtung schräg gestellt sein. Dabei können die Halterippen unterschiedliche Abweichungen zur radialen Richtung aufweisen. Insbesondere können die Halterippen auch gegenläufig schief gestellt angeordnet sein. Durch die in Fig. 2 dargestellte Schiefstellung der Halterippen 16 gegen die radiale Richtung, insbesondere durch eine ungleiche bzw. eine gegenläufige Schiefstellung kann das Schwingungsverhalten gezielt beeinflusst werden.
  • Die Halterippen können optional mit einem runden, konischen oder elliptischen Profil oder mit einem Strömungsprofil ausgestattet sein.
  • Die Ausgestaltung der Halterippen erlaubt den Einbau optionaler schalldämmender Massnahmen in den Stabilisatorraum mit geringen zusätzlichen konstruktiven Hilfsmassnahmen.
  • Die insgesamt sehr weiche Struktur des integrierten inneren Verdichtergehäuses hat eine positive Auswirkung auf das Verhalten im Berstfall des Verdichterrades. Die langen Gehäuseteile lassen sich gut deformieren und absorbieren einen grossen Teil der im Verdichterrad gespeicherten Energie.
  • Im Bereich stromabwärts des Verdichterrades sind an der integrierten Gehäusewand 10 optional Leitschaufelprofile 25 des Diffusors angeordnet. Die Profile werden beim Abguss des integrierten, inneren Verdichtergehäuses als Kranz vorgesehen und bei der Fertigbearbeitung auf die benötigten Masse gefräst. Auf diese Weise können hohe Lagerhaltungskosten, welche durch die Bewirtschaftung der Diffusoren als separate Teile anfallen eingespart werden, da nicht für jede mögliche Verdichterspezifikationen, also verschiedene Schaufelhöhen oder Profilen, ein nicht austauschbares Teil vorgehalten werden muss. Auch kann durch die Integration der Diffusorprofile 25 in das innere Verdichtergehäuse ein zusätzlicher Pressverband vermieden werden, welcher aufgrund strenger Form- und Lagetoleranzen für die Diffusorhöhe und die Dicke der Diffusorplatte bei der Fertigung mit hohen Produktionskosten verbunden sein kann. Nicht zuletzt lässt sich auch die Anzahl der Bauteile des Verdichters reduzieren.
    • Bezugszeichenliste
    • 10
    Inneres Verdichtergehäuse mit integrierter Einsatzwand
    11
    Ringsteg als integrales Bestandteil von 10
    12
    Einsatzwand mit Kontur als integrales Bestandteil von 10
    13
    Konturnut
    14
    Eintrittsnut
    15
    Versteifungsrippe
    16
    Halterippe für den Ringsteg
    20
    Äusseres Verdichtergehäuse
    25
    Diffusorprofil
    30
    Axiales Sicherungselement
    40
    Verdichterrad
    50
    Strömungskanal, Spiralraum
    60
    Stabilisatorraum

Claims (10)

  1. Verdichter, mit im Verdichtergehäuse liegendem, beschaufeltem Verdichterrad, welches eine axial angeströmte Eintrittskante und eine radial abgeströmte Austrittskante aufweist und welches mit seinem axialen Einlauf im Bereich eines axialen Ansaugkanals liegt, in dem stromauf zum Verdichterrad eine radiale Eintrittsnut (14), stromab zur Eintrittskante des Verdichterrades und im Überdeckungsbereich zu dessen Einlauf eine radiale Konturnut (13), und die beiden Nuten axial verbindend einen Stabilisatorraum (60) vorgesehen ist, welcher gegen den Ansaugkanal durch einen Ringsteg (11) abgegrenzt ist, wobei der Ringsteg (11) einen Teil der Kanalwand bildet und über mehrere Halterippen (16) mit dem inneren Verdichtergehäuse verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass
    der Stabilisatorraum (60) zwischen der Eintrittsnut (14) und der Konturnut (13) eine variable Mindesthöhe aufweist, wobei die den Stabilisatorraum nach radial aussen begrenzende Gehäusewand des inneren Verdichtergehäuses (10) auf einer radialen Höhe verläuft, welche grösser ist als die radiale Höhe der Austrittskante des Verdichterrades.
  2. Verdichter nach Anspruch 1, wobei der Stabilisatorraum (60) zwischen der Eintrittsnut (14) und der Konturnut (13) eine durchschnittliche radiale Mindesthöhe von zwei Dritteln des axialen Abstandes zwischen der Eintrittsnut (14) und der Konturnut (13) aufweist.
  3. Verdichter nach Anspruch 1 oder 2, wobei das den Stabilisatorraum (60) zum Strömungskanal abgrenzende Verdichtergehäuse (10) einteilig ausgebildet ist.
  4. Verdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das den Stabilisatorraum (60) zum Strömungskanal abgrenzende Verdichtergehäuse mit axial angeordneten Versteifungsrippen (15) ausgestattet ist.
  5. Verdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das den Stabilisatorraum (60) zum Strömungskanal abgrenzende Verdichtergehäuse zumindest teilweise mit einer thermischen Isolation versehen ist.
  6. Verdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei zumindest ein Teil der Halterippen (16) von der radialen Richtung abweichend angeordnet ist.
  7. Verdichter nach Anspruch 6, wobei die Halterippen (16) zumindest teilweise ungleich von der radialen Richtung abweichend angeordnet sind.
  8. Verdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das den Stabilisatorraum (60) zum Strömungskanal abgrenzende Verdichtergehäuse im Bereich des Strömungskanals stromabwärts des Verdichterrades integrierte Leitschaufeln (25) eines Diffusors umfasst.
  9. Verdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Stabilisatorraums (60) entlang dem Unfang einen sich ändernden Querschnitt aufweist.
  10. Verdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei im Bereich des Stabilisatorraums (60) schalldämmender Mittel vorgesehen sind.
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EP (1) EP2054595B1 (de)
JP (1) JP5248501B2 (de)
KR (1) KR20090035601A (de)
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