WO2015082624A1 - Verdichterrad - Google Patents

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WO2015082624A1
WO2015082624A1 PCT/EP2014/076589 EP2014076589W WO2015082624A1 WO 2015082624 A1 WO2015082624 A1 WO 2015082624A1 EP 2014076589 W EP2014076589 W EP 2014076589W WO 2015082624 A1 WO2015082624 A1 WO 2015082624A1
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compressor
compressor wheel
hub
wheel
radial
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PCT/EP2014/076589
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Inventor
Daniel Rusch
Original Assignee
Abb Turbo Systems Ag
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Publication date
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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D11/00—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages
    • F01D11/02—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages by non-contact sealings, e.g. of labyrinth type
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C6/00—Plural gas-turbine plants; Combinations of gas-turbine plants with other apparatus; Adaptations of gas-turbine plants for special use
    • F02C6/04—Gas-turbine plants providing heated or pressurised working fluid for other apparatus, e.g. without mechanical power output
    • F02C6/10—Gas-turbine plants providing heated or pressurised working fluid for other apparatus, e.g. without mechanical power output supplying working fluid to a user, e.g. a chemical process, which returns working fluid to a turbine of the plant
    • F02C6/12—Turbochargers, i.e. plants for augmenting mechanical power output of internal-combustion piston engines by increase of charge pressure

Definitions

  • the invention relates to the field of exhaust gas turbochargers of supercharged internal combustion engines.
  • Exhaust gas turbochargers are used to increase the performance of internal combustion engines.
  • the exhaust gas turbine of the exhaust gas turbocharger is charged with the exhaust gases of the internal combustion engine and their kinetic energy used for sucking and compressing air for the internal combustion engine.
  • the impellers of the turbine and the compressor are connected to each other via a shaft mounted in a bearing housing shaft.
  • EP 0924386A1 describes a method and a device for non-contact sealing of a separating gap formed between a rotor and a stator, with which the service life of the components involved can be increased.
  • Turbine wheels of radial and mixed-flow turbines are often provided with a scalloping.
  • the scalloping refers to a recess in the hub rear wall of the turbine wheel between the individual blades.
  • the main purpose of scalloping is to reduce the mass moment of inertia by cutting out material in the radially outermost region of the turbine wheel.
  • Scalloping is also used on compressor wheels. Charles Jackson's “Resonance-Theory & Practice” paper, Vibration Institute's 2003 Annual Meeting Proceedings, describes a method for scalloping a compressor impeller of a centrifugal compressor to prevent unwanted resonance.
  • the object of the invention is to provide a compressor wheel of a centrifugal compressor, which reduces the critical sizes of a centrifugal compressor such as axial thrust, temperature of the material of the compressor wheel and the blow-by.
  • the compressor wheel of a centrifugal compressor has a hub which is reduced in radial extent with respect to the hub of a conventional compressor wheel.
  • the blades protrude beyond the outer hub contour.
  • the hub rear wall of the compressor wheel between the individual blades may have recesses.
  • the hub diameter which is smaller than a conventional compressor wheel, leads to a lower maximum relative speed between the hub rear wall and the adjacent housing wall, which further leads to reduced friction. This reduces the heat input into the hub.
  • the cooling of the compressor impeller vanes may optionally be reduced or eliminated, thereby improving the overall performance of the compressor.
  • the reduced hub diameter further leads to a reduced pressure at the entrance of the gap between hub rear wall and adjacent housing wall, whereby the leakage flow through this gap is reduced to the storage area (blow-by).
  • this allows for a labyrinth seal in the gap between hub rear wall and adjacent housing wall and dispensed with the costs incurred.
  • the impeller formed according to the invention thanks to the reduced hub mass compared to a conventional impeller on an improved containment behavior, whereby the wall thickness of the surrounding the compressor impeller housing can be reduced.
  • the compressor wheel may optionally be made of a high strength material such as titanium or a fiber composite.
  • FIG. 3 is an isometric view of the compressor wheel according to Fig.2.
  • Fig. 1 shows an exhaust gas turbocharger according to the prior art with a radially impinged exhaust gas turbine and a centrifugal compressor.
  • the exhaust gas turbocharger has a rotor consisting of turbine wheel 2, compressor wheel 1 and intervening shaft 3.
  • the rotor is rotatably mounted in the bearing housing 30.
  • the exhaust gas originating from the combustion chambers of an internal combustion engine is guided by the gas inlet of the turbine housing 20 onto the rotor blades of the turbine wheel 2. Subsequently, the exhaust gas via the gas outlet of the turbine wheel of the Exhaust system supplied.
  • the compressor wheel driven by the turbine via the shaft draws in fresh air in order to compress it and supply it under higher pressure to the combustion chambers of the internal combustion engine.
  • FIG. 2 shows a section along the shaft axis through the inventive compressor wheel 1 of a radial compressor with axial flow.
  • the hub 1 1 of the compressor wheel 1 has towards the rear an increasing radial extent.
  • Around the hub 1 1 a plurality of blades 12 are arranged.
  • the hub 1 1 is reduced in the radial extent relative to the hub 1 1 of a conventional compressor wheel 1 and the blades 12 protrude in the radial direction beyond the outer hub contour 1 1 1 addition.
  • the radius R 1 of the outer hub contour 1 1 1 is thus smaller than the radius R 2 of the trailing edge of the rotor blade of the compressor wheel 122.
  • FIG. 3 shows an isometric view of the compressor wheel 1 according to FIG. 2.
  • the hub 11 is reduced in radial extent, so that the outlet edges of the rotor blades of the compressor wheel 122 project beyond the outer hub contour 11.
  • the hub rear wall 1 12 of the compressor wheel may additionally have recesses between the individual blades 12.
  • stiffening measures for example, curvature of the blade in the end region transverse to the flow direction, or stiffening ribs may be provided on the rear blade end.
  • the compressor wheel 1 of a centrifugal compressor is usually made of aluminum, steel or a corresponding alloy.
  • the compressor wheel 1 formed according to the invention may also be made partially or entirely of a material having a high strength, such as titanium, or a fiber composite material.
  • a material having a high strength such as titanium, or a fiber composite material.

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Abstract

Das Verdichterrad eines Radialverdichters weist eine Nabe auf, welche in der radialen Ausdehnung im Bereich einer Nabenrückwand reduziert ist. Die Laufschaufeln ragen über die äussere Nabenkontur hinaus. Zusätzlich kann die Nabenrückwand des Verdichterrades zwischen den einzelnen Laufschaufeln Aussparungen aufweisen. Erfindungsgemäss lassen sich damit Axialschub, Temperatur des Verdichterrades sowie Verlustströmung reduzieren.

Description

B E S C H R E I B U N G
Verdichterrad
T E C H N I S C H E S G E B I ET
Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Abgasturbolader von aufgeladenen Brennkraftmaschinen.
Sie betrifft ein Verdichterrad gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 , sowie einen Abgasturbolader mit einem Verdichter mit einem derartigen Verdichterrad.
STA N D D E R T E C H N I K
Abgasturbolader werden zur Leistungssteigerung von Brennkraftmaschinen eingesetzt. Dabei wird die Abgasturbine des Abgasturboladers mit den Abgasen der Brennkraftmaschine beaufschlagt und deren kinetische Energie zum Ansaugen und Verdichten von Luft für die Brennkraftmaschine verwendet. Die Laufräder der Turbine und des Verdichters sind über eine in einem Lagergehäuse gelagerte Welle miteinander verbunden.
Im Strömungsmaschinenbau werden zur Abdichtung mit hoher Drehzahl rotierender Bauteile häufig Labyrinthe, d.h. berührungsfreie Bewegungsdichtungen eingesetzt.
Bei den bekannten Labyrinthdichtungen tritt infolge der sich ausbildenden Strömungsgrenzschichten im fluiddurchströmten Trennspalt zwischen dem rotierenden und dem stehenden Bauteil eine hohe Reibleistung auf. Dies führt zu einer Erwärmung des Arbeitsfluids im Trennspalt und damit gleichfalls zur Erwärmung der den Trennspalt umgebenden Bauteile. Auf diese Weise können die Materialtemperaturen relativ stark ansteigen, was eine verringerte Standzeit der betroffenen Bauteile zur Folge hat. Zudem führen die Umlenkung und die Verwirbelung des durch den Trennspalt strömenden Arbeitsfluids an den Drosselstellen zu einer immer wieder neuen Durchmischung des Arbeitsfluids, verbunden mit einem hohen Impuls-und Wärmeaustausch.
EP 0924386A1 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum berührungsfreien Abdichten eines zwischen einem Rotor und einem Stator ausgebildeten Trennspalts, mit dem die Standzeit der beteiligten Bauteile erhöht werden kann. Turbinenräder von Radial- und Mixed-Flow-Turbinen werden oft mit einem Scalloping versehen. Das Scalloping bezeichnet eine Aussparung in der Nabenrückwand des Turbinenrades zwischen den einzelnen Laufschaufeln. Das Scalloping dient hauptsächlich dazu, das Massenträgheitsmoment zu reduzieren, indem im radial äussersten Bereich des Turbinenrades Material ausgespart wird.
Scalloping wird auch bei Verdichterlaufrädern angewendet. Im Paper von Charles Jackson, "Resonance-Theory & Practice", Vibration Institute 2003 Annual Meeting Proceedings, wird eine Methode für ein Scalloping eines Verdichterlaufrädern eines Kreiselkompressors beschrieben, um eine unerwünschte Resonanz zu verhindern.
D A R S T E L L U N G D E R E R F I N D U N G
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verdichterrad eines Radialverdichters zu schaffen, welches die kritischen Grössen eines Radialverdichters wie Axialschub, Temperatur des Materials des Verdichterrades sowie den Blow-by reduziert.
Erfindungsgemäss weist das Verdichterrad eines Radialverdichters eine Nabe auf, welche in der radialen Ausdehnung gegenüber der Nabe eines herkömmlichen Verdichterrades reduziert ist. Erfindungsgemäss ragen die Laufschaufeln über die äussere Nabenkontur hinaus. Zusätzlich kann die Nabenrückwand des Verdichterrades zwischen den einzelnen Laufschaufeln Aussparungen aufweisen.
Durch die Reduktion der radialen Ausdehnung der Nabe des Verdichterrades verkleinert sich die Fläche der Verdichterradrückwand, wodurch der Axialschub reduziert werden kann.
Der gegenüber einem herkömmlichen Verdichterrad verkleinerte Nabendurchmesser führt zu einer tieferen maximalen Relativgeschwindigkeit zwischen Nabenrückwand und angrenzender Gehäusewand, was weiter zu verminderter Reibung führt. Dadurch wird der Wärmeeintrag in die Nabe kleiner. Die Kühlung der Verdichterradschaufeln kann optional reduziert oder ganz weggelassen werden, wodurch sich die Gesamtleistung des Verdichters verbessert.
Der verkleinerte Nabendurchmesser führt weiter zu einem verringerten Druck am Eintritt des Spalts zwischen Nabenrückwand und angrenzender Gehäusewand, wodurch die Verlustströmung durch diesen Spalt hin zum Lagerbereich (Blow-by) reduziert wird. Optional kann dadurch auf eine Labyrinthdichtung im Spalt zwischen Nabenrückwand und angrenzender Gehäusewand verzichtet und die dafür anfallenden Kosten eingespart werden.
Da für das Laufrad weniger Material gebraucht wird, nimmt das Gewicht des Laufrades ab und das Massenträgheitsmoment kann herabgesetzt werden. Dadurch wird das Beschleunigungsvermögen verbessert und die Kosten werden optimiert. Zudem weist das erfindungsgemäss ausgebildete Laufrad dank der reduzierten Nabenmasse gegenüber einem herkömmlichen Laufrad ein verbessertes Containmentverhalten auf, wodurch die Wandstärke des das Verdichterrad umgebenden Gehäuses reduziert werden kann.
Zur Kompensation der reduzierten Festigkeit des Verdichterrades aufgrund der reduzierten Nabenrückwand, kann das Verdichterrad optional aus einem Material mit einer hohen Festigkeit, wie etwa Titan, oder einem Faserverbundwerkstoff gefertigt sein.
Weitere Vorteile ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Hierbei zeigt: Fig.1 Abgasturbolader gemäss dem Stand der Technik,
Fig.2 einen Schnitt entlang der Wellenachse durch das erfindungsgemässe
Verdichterrad
Fig.3 eine isometrische Darstellung des Verdichterrades nach Fig.2.
Fig.4 eine Ansicht entlang IV-IV auf die rückwärtige Seite des erfindungsgemässen Verdichterrades
WEG ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
Fig. 1 zeigt einen Abgasturbolader gemäss dem Stand der Technik mit einer radial angeströmten Abgasturbine sowie einem Radialverdichter. Der Abgasturbolader weist einen Rotor bestehend aus Turbinenrad 2, Verdichterrad 1 und dazwischenliegender Welle 3 auf. Der Rotor ist drehbar im Lagergehäuse 30 gelagert. Das aus den Brennkammern eines Verbrennungsmotors stammende Abgas wird durch den Gaseintritt des Turbinengehäuses 20 auf die Laufschaufeln des Turbinenrades 2 geführt. Anschliessend wird das Abgas über den Gasaustritt des Turbinenrades der Auspuffanlage zugeführt. Das durch die Turbine über die Welle angetriebene Verdichterrad saugt Frischluft an um diese zu verdichten und unter höherem Druck den Brennkammern des Verbrennungsmotors zuzuführen.
Fig. 2 zeigt einen Schnitt entlang der Wellenachse durch das erfindungsgemässe Verdichterrad 1 eines Radialverdichters mit axialer Anströmung. Die Nabe 1 1 des Verdichterrades 1 weist zur Rückseite hin eine zunehmende radialer Ausdehnung auf. Rund um die Nabe 1 1 sind eine Vielzahl Laufschaufeln 12 angeordnet. Die Nabe 1 1 ist in der radialen Ausdehnung gegenüber der Nabe 1 1 eines herkömmlichen Verdichterrades 1 reduziert und die Laufschaufeln 12 ragen in radialer Richtung über die äussere Nabenkontur 1 1 1 hinaus. Der Radius R1 der äusseren Nabenkontur 1 1 1 ist somit kleiner als der Radius R2 der Austrittskante der Laufschaufel des Verdichterrades 122.
Fig. 3 zeigt eine isometrische Darstellung des Verdichterrades 1 nach Fig. 2. Die Nabe 1 1 ist in der radialen Ausdehnung reduziert, so dass die Austrittskanten der Laufschaufeln des Verdichterrades 122 die äussere Nabenkontur 1 1 1 überragen.
Die Nabenrückwand 1 12 des Verdichterrades kann zusätzlich Aussparungen zwischen den einzelnen Laufschaufeln 12 aufweisen.
Im Übergangsbereich zwischen Nabe und Laufschaufel kann bei der Herstellung des Verdichterrades optional eine über den Nabenkörper hinausragende rückwärtige Seite 123' (in der Fig. 3 mit gepunkteter Linie dargestellt) derart abgefräst werden, dass die rückwärtige Seite der Nabe ohne eine spannungsverursachende Kante in die rückwärtige Seite der Laufschaufel 123 übergeht. In der Ansicht gemäss Fig. 4 auf die rückwärtige Seite der Laufschaufel und des äusseren Nabenbereichs ist der optional mit einem Radius R3 gefräste Schaufelfuss dargestellt.
Optional können weitere Versteifungsmassnahmen, bspw. Krümmung der Schaufel im Endbereich quer zur Strömungsrichtung, oder Versteifungsrippen am hinteren Schaufelende vorgesehen sein.
Das Verdichterrad 1 eines Radialverdichters ist in der Regel aus Aluminium, Stahl oder einer entsprechenden Legierung hergestellt. Optional kann das erfindungsgemäss ausgebildete Verdichterrad 1 auch teilweise oder vollständig aus einem Material mit einer hohen Festigkeit, wie etwa Titan, oder einem Faserverbundwerkstoff gefertigt sein. Obschon die Erfindung vorgehend anhand eines Radialverdichters erläutert worden ist, kann sie auch sinngemäss auf andere Verdichterbauarten angewendet werden, insbesondere Axial- oder Diagonalverdichter. In diesem Sinne soll der Begriff Radialverdichter nicht einschränkend sein.
BEZEICHNUNGSLISTE
1 Verdichterrad
10 Verdichtergehäuse
11 Nabe des Verdichterrades
111 Äussere Nabenkontur
112 Nabenrückwand
12 Laufschaufel des Verdichterrades
121 Eintrittskante der Laufschaufel des Verdichterrades
122 Austrittskante der Laufschaufel des Verdichterrades
123 Rückwärtige Seite der Laufschaufel
2 Turbinenrad
20 Turbinengehäuse
3 Welle
30 Lagergehäuse
4 (Labyrinth-) Dichtung im Rückraum des Verdichterrades
R1 Radius der äusseren Nabenkontur
R2 Radius der Austrittskante der Laufschaufel des Verdichterrades

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Verdichterrad (1) eines Radialverdichters, welches axial angeströmt wird, mit einer Vielzahl von rund um eine Nabe (11) angeordneten Laufschaufeln (12), wobei die Nabe (11) im Bereich der Laufschaufeln (12) zu einer Nabenrückwand (112) hin eine zunehmende radiale Ausdehnung aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufschaufeln (12) über die äussere Nabenkontur (111) hinausragen.
2. Verdichterrad (1) eines Radialverdichters nach Anspruch 1, wobei die Laufschaufeln (12) radial über die äussere Nabenkontur (111) hinausragen.
3. Verdichterrad (1) eines Radialverdichters nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die Laufschaufeln (12) jeweils mit dem rückwärtigen Ende der äusseren Austrittskante (122) über die äussere Nabenkontur (111) hinausragen.
4. Verdichterrad (1) eines Radialverdichters nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Nabenrückwand (112) des Verdichterrades (1) Aussparungen zwischen den einzelnen Laufschaufeln (12) aufweist.
5. Verdichterrad (1) eines Radialverdichters nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Verdichterrad (1) zumindest teilweise aus Faserverbundwerkstoff gefertigt ist.
6. Verdichterrad (1) eines Radialverdichters nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Verdichterrad (1) zumindest teilweise aus Titan, Aluminium oder Stahl gefertigt ist.
7. Abgasturbolader, umfassend einen Radialverdichter mit einem Verdichterrad (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 6.
8. Abgasturbolader nach Anspruch 7, wobei zwischen der Nabenrückwand (112) des Verdichterrades und einer angrenzenden Gehäusewand eine Labyrinthdichtung angeordnet ist.
9. Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 7 oder 8, aufweisend eine Verdichterradkühlung.
PCT/EP2014/076589 2013-12-06 2014-12-04 Verdichterrad WO2015082624A1 (de)

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