WO2011141425A1

WO2011141425A1 - Einstellbarer radialverdichterdiffusor

Info

Publication number: WO2011141425A1
Application number: PCT/EP2011/057429
Authority: WO
Inventors: Werner Jonen
Original assignee: Siemens Aktiengesellschaft
Priority date: 2010-05-12
Filing date: 2011-05-09
Publication date: 2011-11-17
Also published as: DE102010020379A1

Abstract

Ein Radialverdichterdiffusor für eine Radialverdichterstufe (1) weist einen Strömungskanalabschnitt (5), der radial nach außen verläuft und von mindestens einem axial verschiebbaren Wandabschnitt (12) begrenzt ist, wodurch bei vorherbestimmten Axialpositionen (30 - 32) des Wandabschnitts (12) die Breite (18) des Strömungskanalabschnitts (5) beliebig während des laufenden Betriebs der Radialverdichterstufe (1) einstellbar ist, und einen Leitschaufelkranz (19) mit umlaufend angeordneten Leitschaufeln (20) auf, die in den Strömungskanalabschnitt (5) ein- und ausfahrbar sind, wobei, wenn die Leitschaufeln (20) in den Strömungskanalabschnitt (5) eingefahren sind, die Leitschaufeln (20) im Bereich des Wandabschnitts (12) angeordnet sind und eine den Wandabschnitt (12) passierende drallbehaftete Strömung umlenken und dadurch den Drall der Strömung beeinflussen.

Description

Einstellbarer Radialverdichterdiffusor

Die Erfindung betrifft einen Radialverdichterdiffusor, der hinsichtlich seines Betriebspunkts einstellbar ist.

Eine Radialverdichterstufe weist ein Radiallaufrad auf, des^¬ sen Zuströmrichtung axial und dessen Abströmrichtung radial ist. Stromab des Radialverdichterlaufrads ist ein Radialver^¬ dichterdiffusor angeordnet, der einen Strömungskanal hat, der radial nach außen durchströmt ist. Radial außerhalb des

Radialverdichterdiffusors ist z.B. ein Abströmspiralgehäuse vorgesehen, an dem ein Austrittsstutzen sich befindet. Zur Beeinflussung des Dralls der Strömung in dem Strömungskanal des Radialverdichterdiffusors ist es bekannt einen Austritts- leitapparat vorzusehen, der von einem feststehenden Schaufelgitter gebildet ist, das radial außerhalb in der Nähe des Austritts des Radialverdichterlaufrads angeordnet ist. Der Austrittsleitapparat wird herkömmlich im Auslegungspunkt der Radialverdichterstufe konstruktiv festgelegt und als starrer Strömungskanal ausgeführt. Dadurch ändert sich sowohl der

Strömungswinkel als auch das Geschwindigkeitsniveau der Strö^¬ mung in dem ringraumförmigen Strömungskanal des Radialdiffu- sors vor dem Schaufelgitter mit der Lage des Betriebspunkts im Kennfeld der Radialverdichterstufe. Somit ergibt sich eine Fehlanströmung des Schaufelgitters in allen Betriebspunkten der Radialverdichterstufe, die nicht dem Auslegungspunkt ent^¬ sprechen. Daraus ergibt sich eine Beeinträchtigung des Leistungsverhaltens der Radialverdichterstufe in Bezug auf ihren Wirkungsgrad und ihren Fahrbereich.

Aus den Druckschriften DE 1 034 192 A und DE 464 970 A sind bereits axial verstellbare Strömungskanalbegrenzungswände einer radial durchströmten Turbomaschine bekannt. Aus der DE 695 27 582 T2 ist bereits ein beschaufelter radial durch- strömter Diffusor bekannt, dessen verwundene Leitschaufeln mittels einer Drehung und axialen Verschiebung individuell an ihre Umfangsposition angepasst hinsichtlich ihres Anströmwinkels und Abströmwinkels verstellt werden kön^¬ nen. Aus der JP 2009-270472 A sind bereits axial in einen Strömungskanal eines radialen Turboladers einfahrbare und ausfahrbare Leitschaufeln bekannt.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Radialverdichterdiffusor für eine Radialverdichterstufe zu schaffen, wobei die Radial^¬ verdichterstufe einen hohen Wirkungsgrad bei einem breiten Fahrbereich hat.

Der erfindungsgemäße Radialverdichterdiffusor für eine Radialverdichterstufe weist einen Strömungskanalabschnitt, der radial nach außen verläuft und von mindestens einem axial verschiebbaren Wandabschnitt begrenzt ist, wodurch die Breite des Strömungskanalabschnitts einstellbar ist, und einen Leit^¬ schaufelkranz mit umlaufend angeordneten Leitschaufeln auf, die in den Strömungskanalabschnitt ein und ausfahrbar sind. Die die Leitschaufeln sind bevorzugt im Bereich des Wandab- Schnitts angeordnet, wenn sie in den Strömungskanalabschnitt eingefahren sind, und lenken eine den Wandabschnitt passie^¬ rende drallbehaftete Strömung um, wodurch der Drall der Strö^¬ mung beeinflusst ist. Die Breite des Strömungskanalabschnitts ist bevorzugt beliebig während des laufenden Betriebs der Radialverdichterstufe einstellbar, wobei der Wandabschnitt in beliebig vorher bestimmbare Axialpositionen bringbar ist. Durch das an die spezifischen Betriebsbedingungen angepasste Positionieren des Wandabschnitts kann der Strömungswinkel der Strömung in dem Strömungskanalabschnitt während des Betriebs der Radialverdichterstufe optimal an den Vorderkantenwinkel der Leitschaufeln angepasst werden. Somit ist bei entspre^¬ chend vorteilhafter Betätigung des Wandabschnitts und/oder des Leitschaufelkranzes das Leistungsverhalten der Radialverdichterstufe im Kennfeld verbessert. Je nach Lage des Be- triebspunkts der Radialverdichterstufe im Kennfeld (in Abhän^¬ gigkeit von der Drallstellung bzw. der Drehzahl) kann mit der Kombination aus der angepassten Ringraumbreite des Strömungs^¬ kanalabschnitts und der ein- bzw. ausgefahrenen Leitschaufeln der Wirkungsgrad und die Pumpgrenzlage bzw. die Kennlinien^¬ überhöhung der Radialverdichterstufe verbessert werden.

Der erfindungsgemäße Radialverdichterdiffusor ist anwendbar für einen Einwellenverdichter und einen Getriebeverdichter, wobei entweder einzelne oder alle Radialverdichterstufen mit dem erfindungsgemäßen Radialverdichterdiffusor ausgestattet werden können. Der erfindungsgemäße Radialverdichterdiffusor kann vorteilhaft in Kombination mit einer Vordrallregelung betrieben werden, d.h. einem verstellbaren Leitapparat vor der Verdichterstufe. Durch den Einsatz des für den Gegendrall ausgelegten Leitschaufelkranzes im Radialverdichterdiffusor kann ein Wirkungsgrad- und ein Fahrbereichsgewinn bei unveränderter Breite des Strömungskanalabschnitts in kleinem Mit- drall- bzw. kleinem Gegendrallbereich erzielt werden, da damit der Fahrbereich im Vergleich zum unbeschaufelten Radialverdichterdiffusor in Richtung höherer Enddrücke und größerer Volumenströme erweitert wird. In Kombination mit der ange- passten Breite des Strömungskanalabschnitts lassen sich die Vorteile des Leitschaufelkranzes im gesamten Drallkennfeld nutzen, da die Fehlanströmung des Leitschaufelkranzes im mittleren bis großen Mitdrallbereich sowie im großen Gegendrallbereich durch eine entsprechende Anpassung der Breite des Strömungskanalabschnitts kompensiert werden kann. Im sehr großen Mitdrallbereich des Verdichterkennfelds kann es vorteilhaft sein, den Leitschaufelkranz aus dem Strömungskanalabschnitt herauszuziehen.

Ferner kann der erfindungsgemäße Radialverdichterdiffusor vorteilhaft in Kombination mit einer Drehzahlregelung betrieben werden. Durch das Einfahren des für den Überdrehzahlbereich ausgelegten Leitschaufelkranzes in den Radialverdich- terdiffusor kann ein Wirkungsgrad- und Fahrbereichsgewinn bei hohen Teil- bzw. Überdrehzahlen erzielt werden, da damit der Fahrbereich im Vergleich zum unbeschaufelten Radialverdich- terdiffusor in Richtung höherer Enddrücke und größerer Volumenströme erweitert wird. In Kombination mit einer angepass- ten Breite des Strömungskanalabschnitts lassen sich die Vor- teile des eingeschobenen Leitschaufelkranzes im gesamten Drehzahlkennfeld nutzen, da die Fehlanströmung der Leitschau^¬ feln im mittleren bis niedrigen Teildrehzahlbereich sowie im hohen Überdrehzahlbereich durch eine entsprechende Anpassung der Breite des Strömungskanalabschnitts kompensiert werden kann. Im Betriebsbereich des Radialverdichterkennfelds, bei dem sehr niedrige Teildrehzahlen herrschen, kann es vorteilhaft sein, den Leitschaufelkranz aus dem Strömungskanalabschnitt herauszuziehen.

Die Erweiterung des Fahrbereichs der Radialverdichterstufe führt ferner zu einer sekundären Wirkungsgradsteigerung, in dem durch eine geänderte thermodynamische Auslegung der Radi^¬ alverdichterstufe, beispielsweise auf kleinerem Enddruck und geändertem Volumenstrom, die Wirkungsgrade in den spezifizierten Betriebspunkten der Radialverdichterstufe näher am Maximum im Auslegungspunkt zum Liegen kommen können. Das heißt, durch eine Verringerung des Abstands der spezifischen Betriebspunkte zu einem neuen internen Auslegungspunkt wird ein geringerer Wirkungsgradabfall in den einzelnen Betriebs^¬ punkten erreicht.

Es ist bevorzugt, dass die Schaufelachse der Leitschaufeln in Axialrichtung verläuft und die Leitschaufeln in jeder Schau- feihöhe dasselbe Schaufelprofil haben und unverwunden sind sowie zum Ein- und Ausfahren entlang ihren Schaufelachsen zu verschieben sind. Bevorzugtermaßen ist der verschiebbare Wandabschnitt von einem Wandeinsatzring gebildet, der in eine umlaufende und parallel zur Axialrichtung sich erstreckende Ringaussparung der Radialverdichterstufe axial verschiebbar eingesetzt ist. Hierbei sind bevorzugt in den Wandeinsatzring axial sich erstreckende Durchgangsöffnungen vorgesehen, die den Schaufelprofilen der Leitschaufeln nachempfunden sind, so dass die Leitschaufeln durch die Durchgangsöffnungen in den Strömungskanalabschnitt von außen her hineinsteckbar sind. Die Leitschaufeln liegen bevorzugt, wenn sie in den Strömungskanalabschnitt hineingesteckt sind, mit ihren in dem Strömungskanalabschnitt angesiedelten Schaufelspitzen an der dem Wandeinsatzring gegenüberliegenden Wand des Strömungskanalabschnitts axial an. Ferner ist der Wandeinsatzring bevorzugt unabhängig von der Axialposition der Leitschaufeln axial positionierbar und die Leitschaufeln sind bevorzugt un- abhängig von der Axialposition des Wandeinsatzrings in den

Strömungskanalabschnitt ein- und ausfahrbar. Bevorzugtermaßen hat der Wandeinsatzring in jeder Ebene, in der die Achse der Radialverdichterstufe liegt, einen C-förmigen Querschnitt, der von einem radial innenliegenden Innenschenkel, einem radial außenliegenden Außenschenkel und einen den Innenschenkel mit dem Außenschenkel verbindenden Mittelsteg aufweist, der den Wandabschnitt bildet. Dabei sind bevorzugt von dem Innenschenkel und dem Außenschenkel der Wandeinsatzring in der Radialverdichterstufe und der Leitschaufelkranz axial ge- führt. Ferner ist es bevorzugt, dass in dem Mittelsteg die

Durchlassöffnungen angeordnet sind und die Leitschaufeln von einem Schaufelfußring zu dem Leitschaufelkranz zusammengehalten sind, wobei die Leitschaufeln an dem Schaufelfußring befestigt sind und der Schaufelfußring mit seinem Innenrand und seinem Außenrand von dem Innenschenkel und dem Außenschenkel axial geführt ist. Außerdem ist bevorzugtermaßen an dem Mittelsteg innenseitig ein Übergangsradius vorgesehen, so dass, wenn der Mittelsteg in den Strömungskanalabschnitt ragt, an der Kanalwand ein Übergang in Strömungsrichtung vom Laufrad- austritt zum Mittelsteg gleichmäßig ist.

Im Folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer Radialverdichterstufe mit einem erfindungsgemäßen Radialver- dichterdiffusor anhand der beigefügten schematischen Zeich- nungen erläutert. Es zeigen:

Figur 1 einen Ausschnitt eines Radialschnitts durch die

Radialverdichterstufe und Figur 2 den Schnitt A-A in Figur 1. Wie es aus Figuren 1 und 2 ersichtlich ist, weist eine Radi^¬ alverdichterstufe 1 ein Radialverdichterlaufrad 2 auf, dessen Laufradaustritt 3 mit einer radial nach außen verlaufenden Abströmung angeordnet ist. Stromab des Laufradaustritts 3 ist ein Radialverdichterdiffusor 4 vorgesehen, in dem vom Laufrad

3 abströmende Strömung verzögert wird. Stromab an den Strö^¬ mungskanal 5 sich anschließend ist z.B. ein Abströmspiralge^¬ häuse 6 angeordnet, an das ein Abströmstutzen (nicht gezeigt) montiert ist.

Der Radialverdichterdiffusor 4 ist radial innenseitig von einem Radialdiffusoreintritt 7 und radial außenseitig von einem Radialdiffusoraustritt 8 begrenzt. Zwischen dem Radial^¬ diffusoreintritt 7 und dem Radialdiffusoraustritt 8 sind eine erste Wand 9 und eine zweite Wand 10 des Radialverdichterdif- fusors 4 angeordnet, die im Axialabstand zueinander angeord^¬ net sind und so einen Ringraum des Radialverdichterdiffusors

4 bilden. Zwischen dem Radialdiffusoreintritt 7 und dem Radi^¬ aldiffusoraustritt 8 ist in der ersten Wand 9 eine Ringaus- sparung 11 vorgesehen, in die ein Wandeinsatzring 12 eingesetzt ist. Die Ringaussparung 11 und der Wandeinsatzring 12 sind derart ausgebildet und aufeinander abgestimmt, dass der Wandeinsatzring 12 in der Ringaussparung 11 axial beweglich ist. Der Wandeinsatzring 12 hat in jedem Schnitt durch seine Achse einen C-förmigen Querschnitt, der von einem Innenschenkel 13, einem Außenschenkel 14 und einem Mittelsteg 15 gebil^¬ det ist. Mit dem Mittelsteg 15 sind der Innenschenkel 13 und der Außenschenkel 14 miteinander verbunden, wobei der Mittelsteg 15 mit seiner den Schenkeln 13, 14 abgewandten Seite 17 den Strömungskanalabschnitt 5 begrenzt. Im Bereich des Radi^¬ aldiffusoreintritts 7 ist der Mittelsteg 15 mit einem Über^¬ gangsradius 16 versehen, so dass, wenn der Wandeinsatzring 12 mit seinem Mittelsteg 15 in den Strömungskanalabschnitt 5 über die erste Wand 9 hinausragt, der Übergang in Strömungs- richtung gleichmäßig ist. Der Axialabstand zwischen der

Kanalseite 17 des Mittelstegs 15 und der zweiten Wand 10 des Strömungskanals 5 definiert die Breite 18 des Radialverdich^¬ terdiffusors 4 in dem Strömungskanalabschnitt 5. Die Radialverdichterstufe 1 weist ferner einen Leitschaufel^¬ kranz 19 auf, der aus einer Mehrzahl über den Umfang gleichmäßig angeordneten, gleichen Leitschaufeln 20 gebildet ist. Der Leitschaufelkranz 19 ist mit seinen Leitschaufeln 20 in dem Strömungskanalabschnitt 5 angeordnet, wobei die Schaufel^¬ achse 33 der Leitschaufeln 20 parallel zur Axialrichtung der Radialverdichterstufe 1 zeigt. Jede der Leitschaufeln 20 hat eine Vorderkante 21, die dem Laufradaustritt 3 zugewandt an- geordnet ist, und eine Hinterkante 22, die dem Abströmspiral^¬ gehäuse 6 zugewandt angeordnet ist. Die Schaufelspitzen 23 der Leitschaufeln 20 sind in dem Strömungskanalabschnitt 5 angeordnet. In dem Mittelsteg 15 ist für jede Leitschaufel 20 eine Durchgangsöffnung 24 vorgesehen, wobei jede Leitschaufel 20 durch ihre Durchgangsöffnung 24 sich erstreckt. Die Leitschaufeln 20 und die Durchgangsöffnungen 24 sind derart ausgebildet, dass der Leitschaufelkranz 19 mit seinen Leitschau^¬ feln 20 in den Durchgangsöffnungen 24 axial verschiebbar ist. Die Leitschaufeln 20 sind mit ihren der Schaufelspitzen 23 abgewandten Enden an einem Schaufelfußring 25 befestigt, der zwischen dem Innenschenkel 13 und dem Außenschenkel 14 umlau^¬ fend angeordnet ist. Der Schaufelfußring 25 liegt mit seinem innenliegenden Innenrand 26 an der radial außenliegenden Seite des Innenschenkels 13 an, wobei der Schaufelfußring 25 mit seinem Außenrand 27 an der radial innenliegenden Seite des Außenschenkels 14 anliegt. Die Außenseite des Innenschen^¬ kels 13 und die Innenseite des Außenschenkels 14 sind als um die Achse der Radialverdichterstufe 1 konzentrisch angeord^¬ nete Zylinderflächen ausgebildet, so dass von dem Innenschen- kel 13 und dem Außenschenkel 14 der Schaufelfußring 25 axial geführt gehalten ist.

In Fig. 1 ist mit 28 eine Einfahrposition des Leitschaufel^¬ kranzes 19 und mit 29 eine Ausfahrposition des Leitschaufel- kranzes 19 gezeigt. In der Einfahrposition 28 durchdringen die Leitschaufeln 20 vollständig den Strömungskanalabschnitt 5, wobei die Schaufelspitzen 23 der Leitschaufeln 20 an der zweiten Wand 10 des Strömungskanals 5 anliegen. Im Gegenzug sind die Leitschaufeln 20 in der Ausfahrposition 29 des Leitschaufelkranzes 19 vollständig aus dem Strömungskanalab^¬ schnitt 5 herausgezogen, wobei mit den Schaufelspitzen 23 die Durchgangsöffnungen 24 an der Kanalseite 17 des Mittelstegs 15 plan abgedeckt sind. Beim Verschieben des Leitschaufel^¬ kranzes 19 von der Einfahrposition 28 in die Ausfahrposition 29 und/oder umgekehrt kann der Schaufelfußring 25 axial betätigt werden, wobei der Schaufelfußring 25 radial von dem Innenschenkel 13 und dem Außenschenkel 14 festgelegt ist.

Der Wandeinsatzring 12 ist in der Ringaussparung 11 von dem Innenschenkel 13 und dem Außenschenkel 14 axial geführt sowie radial festgelegt, wobei der Wandeinsatzring 12 in eine erste Stellung 30, in eine zweite Stellung 31 und eine dritte Stel- lung 32 verschiebbar ist. Je nachdem, in welcher Stellung 30 bis 32 der Wandeinsatzring 12 angeordnet ist, ist die Breite 18 des Strömungskanalabschnitts definiert. In der ersten Stellung 30 ist gemäß Fig. 1 die Breite 18 des Strömungs^¬ kanalabschnitts 5 am größten, wohingegen in der dritten Stel- lung 32 die Breite 18 des Strömungskanalabschnitts 5 am kleinsten ist.

Der Leitschaufelkranz 19 ist in dem Strömungskanalabschnitt 5 in seine Einfahrposition 28 bzw. seine Ausfahrposition 29 un- abhängig von der Stellung 30 bis 32 des Wandeinsatzrings 12 bringbar, so dass jede beliebige Kombination von der Einfahrposition 28 bzw. der Ausfahrposition 29 des Leitschaufelkranzes mit der ersten, zweiten bzw. dritten Stellung 30 bis 32 des Wandeinsatzrings 12 eingestellt werden kann.

Claims

Patentansprüche

1. Radialverdichterdiffusor für eine Radialverdichterstufe (1), mit einem Strömungskanalabschnitt (5), der radial nach außen verläuft und von mindestens einem axial verschiebbaren Wandabschnitt (12) begrenzt ist, wodurch die Breite (18) des Strömungskanalabschnitts (5) einstellbar ist, und mit einem Leitschaufelkranz (19) mit umlaufend angeordneten Leitschaufeln (20), die in den Strömungskanalabschnitt (5) ein- und ausfahrbar sind.

2. Radialverdichterdiffusor gemäß Anspruch 1,

wobei die Schaufelachse (33) der Leitschaufeln (20) in Axial^¬ richtung verläuft und die Leitschaufeln (20) in jeder Schau- feihöhe dasselbe Schaufelprofil haben und unverwunden sind sowie zum Ein- und Ausfahren entlang ihren Schaufelachsen (33) zu verschieben sind.

3. Radialverdichterdiffusor gemäß Anspruch 1 oder 2,

wobei der verschiebbare Wandabschnitt von einem Wandeinsatz^¬ ring (12) gebildet ist, der in eine umlaufende und parallel zur Axialrichtung sich erstreckende Ringaussparung (11) der Radialverdichterstufe (1) axial verschiebbar eingesetzt ist.

4. Radialverdichterdiffusor gemäß Anspruch 3,

wobei in den Wandeinsatzring (12) axial sich erstreckende Durchgangsöffnungen (24) vorgesehen sind, die den Schaufelprofilen der Leitschaufeln (20) nachempfunden sind, so dass die Leitschaufeln (20) durch die Durchgangsöffnungen (24) in den Strömungskanalabschnitt (5) von außen her hineinsteckbar sind .

5. Radialverdichterdiffusor gemäß Anspruch 4,

wobei die Leitschaufeln (20), wenn sie in den Strömungskanal^¬ abschnitt (5) hineingesteckt sind, mit ihren in dem Strö^¬ mungskanalabschnitt (5) angesiedelten Schaufelspitzen (23) an der dem Wandeinsatzring (12) gegenüberliegenden Wand (10) des Strömungskanalabschnitts (5) axial anliegen.

6. Radialverdichterdiffusor gemäß Anspruch 4 oder 5,

wobei der Wandeinsatzring (12) unabhängig von der Axialposi- tion der Leitschaufeln (20) axial positionierbar ist und die Leitschaufeln (20) unabhängig von der Axialposition des Wandeinsatzrings (12) in den Strömungskanalabschnitt (5) ein- und ausfahrbar sind.

7. Radialverdichterdiffusor gemäß Anspruch 6,

wobei der Wandeinsatzring (12) in jeder Ebene, in der die Achse der Radialverdichterstufe (1) liegt, einen C-förmigen Querschnitt hat, der von einem radial innen liegenden Innenschenkel (13), einem radial außen liegenden Außenschenkel (14) und einen den Innenschenkel (13) mit dem Außenschenkel (14) verbindenden Mittelsteg (15) aufweist, der den Wandab^¬ schnitt bildet.

8. Radialverdichterdiffusor gemäß Anspruch 7,

wobei von dem Innenschenkel (13) und dem Außenschenkel (14) der Wandeinsatzring (12) in der Radialverdichterstufe (1) und der Leitschaufelkranz (19) axial geführt sind.

9. Radialverdichterdiffusor gemäß Anspruch 8,

wobei in dem Mittelsteg (15) die Durchlassöffnungen (24) angeordnet sind und die Leitschaufeln (20) von einem Schaufel^¬ fußring (25) zu dem Leitschaufelkranz (19) zusammengehalten sind, wobei die Leitschaufeln (20) an dem Schaufelfußring (25) befestigt sind und der Schaufelfußring (25) mit seinem Innenrand (26) und seinem Außenrand (27) von dem Innenschen^¬ kel (13) und dem Außenschenkel (14) axial geführt ist.

10. Radialverdichterdiffusor gemäß einem der Ansprüche 3 bis 9,

wobei an dem Mittelsteg (15) innenseitig ein Übergangsradius (16) vorgesehen ist, so dass, wenn der Mittelsteg (15) in den Strömungskanalabschnitt (5) ragt, an der Kanalwand (9) ein Übergang in Strömungsrichtung vom Laufradaustritt (3) zum Mittelsteg (15) gleichmäßig ist.