WO2017140852A1 - Diffuser of a radial-flow compressor - Google Patents

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WO2017140852A1
WO2017140852A1 PCT/EP2017/053629 EP2017053629W WO2017140852A1 WO 2017140852 A1 WO2017140852 A1 WO 2017140852A1 EP 2017053629 W EP2017053629 W EP 2017053629W WO 2017140852 A1 WO2017140852 A1 WO 2017140852A1
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diffuser
radial
wall sections
recess
compressor according
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Gerd Mundinger
Rene Hunziker
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Abb Turbo Systems Ag
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    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
    • F04D29/40—Casings; Connections of working fluid
    • F04D29/42—Casings; Connections of working fluid for radial or helico-centrifugal pumps
    • F04D29/44—Fluid-guiding means, e.g. diffusers
    • F04D29/441—Fluid-guiding means, e.g. diffusers especially adapted for elastic fluid pumps
    • F04D29/444—Bladed diffusers
    • 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
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    • 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
    • F05D2250/52—Outlet

Definitions

  • the invention relates to the field of turbomachines, it relates to a diffuser of a centrifugal compressor, a centrifugal compressor with such a diffuser and an exhaust gas turbocharger with a centrifugal compressor with such a diffuser.
  • Radial compressors are used inter alia in exhaust gas turbochargers for charging internal combustion engines.
  • the compressor wheel of the centrifugal compressor gives the incoming air flow a rotational movement, as a result of which a pressure field builds up due to the centrifugal forces with radially outwardly increasing pressure.
  • the always relatively high exit velocity of the air flow from the compressor wheel requires a delay in the diffuser to keep the flow velocities in the spiral plenum (spiral) low, thereby reducing the wall friction losses and improving the efficiency of the compressor stage as a whole.
  • the diffuser of the centrifugal compressor also called radial diffuser, is generally designed as a parallel-walled annular space. This annular space closes radially to the compressor wheel outlet.
  • the annular space is usually limited by two annular plates which are perpendicular or approximately perpendicular to the axis of rotation of the shaft of the compressor.
  • a stator with circumferentially arranged vanes profiled vanes, wedge vanes or circular vanes for flow guidance
  • the efficiency of the diffuser can be increased.
  • An example of a bladed diffuser is shown in DE102008044505.
  • Important parameters of the radial diffuser are the narrowest cross-sectional area (throat) between two adjacent vanes, the area ratio of the channel exit / channel entry (AR) and the ratio of the channel length to the entrance width (LWR).
  • the object of the present invention is to optimize the diffuser of a centrifugal compressor in such a way that, despite a great deal of delay, the flow instabilities do not occur.
  • this is achieved by a strong enlargement of the area through which flows through in the inlet region of the diffuser section.
  • the flow is granted more space even before the actual diffuser channel, resulting in an early delay and corresponding pressure build-up.
  • This reduces the speed of the flow in the subsequent subcomponents of the compressor with correspondingly reduced flow losses.
  • the strong deceleration with the associated strong build-up of pressure in the space in front of the bladed diffuser part and in the half-bladed diffuser area has a positive effect on the map width.
  • the strong enlargement of the flow cross-section in front of the bladed diffuser / in the inlet region of the bladed diffuser takes place by a circumferential recess in the lateral diffuser wall (parallel-walled or with divergence).
  • This circumferential recess is preferably produced by turning off the lateral diffuser wall.
  • the return can be on both side walls or only on one of the side walls. It can be done in one or more stages.
  • the return can also be designed as a ramp.
  • the return lies in an area between the impeller outlet and the narrowest cross section (throat) between two adjacent blades.
  • the area thus obtained in the throat allows, in particular for shallow diffuser blade angles, an increased flow delay in the region of the diffuser inlet in combination with reduced false flow losses.
  • the diffuser angle and area of the throat can be adjusted independently of each other.
  • a certain throat area can be achieved at very shallow diffuser vane angles, resulting in favorable, loss-reduced inflow conditions near the surge line.
  • FIG. 1 is a schematic representation of a conventional exhaust gas turbocharger, wherein the compressor side is shown with a bladed radial diffuser in more detail than the turbine side,
  • Fig. 3 shows a detail of the compressor side of an inventive design
  • Fig. 5 shows a detail of the compressor side of an inventively designed
  • FIG. 7 shows a detail of the compressor side of a diffuser formed according to the invention with shroud side ramped and hub-side multi-step recess in the housing wall.
  • Fig. 1 shows an exhaust gas turbocharger with a schematically illustrated exhaust gas turbine 50, which is acted upon by a gas inlet 51 with exhaust gases of the supercharged by the exhaust gas turbocharger internal combustion engine.
  • the energy contained in the exhaust stream is converted in the turbine rotational energy for driving the connected via the shaft 30 to the impeller of the turbine compressor wheel.
  • the compressor wheel comprises a hub 10 and a plurality of blades 1 1 arranged on the hub.
  • the shaft 30 is rotatably mounted in a bearing housing 40.
  • the compressor wheel in turn is arranged in the adjacent to the bearing housing 40 compressor housing 2.
  • the compressor housing comprises in the illustrated embodiment an outer part, the outer compressor housing 22 and an inserted inner part, the inner compressor housing 20.
  • the different parts of the compressor housing limit the flow channel for the air masses to be compressed .
  • the air to be compressed is fed in the axial direction of the compressor wheel.
  • Area of the blades of the compressor wheel, the flow channel through the hub 10 and the inner compressor housing 20 is limited.
  • the flow undergoes a change of direction from the axial to the radial direction.
  • the flow enters the region of the diffuser, which forms the flow section 23 from the outlet compressor wheel up to the collecting space 24 in the outer compressor housing.
  • the collecting space is spirally formed, wherein at the broad end of the spiral, the air flow leaves the compressor in the direction of the intercooler or the air inlet of the internal combustion engine.
  • the diffuser region is essentially an annular cavity, which is bounded on both sides by an annular surface-shaped wall.
  • shroud disorderen (blade tip side) wall portion 21 and the hub-side wall portion 41st The two wall sections 21 and 41, which extend from the Verdicherradaustritt to the mouth in the spiral-shaped collecting space, extend in the illustrated embodiment perpendicular to the marked shaft axis.
  • the shroud-side wall region or the hub-side wall region or both wall regions can deviate from the strictly radial direction, resulting in a slightly diverging wall course.
  • the diffuser area may be bladed with a plurality of circumferentially disposed vanes 25.
  • These vanes are generally formed as profiled vanes, wedge blades or circular arc shaped vanes for flow guidance. They may be regularly or irregularly distributed and arranged at the same or differing radial height and be formed identically or differently shaped. Between two adjacently arranged guide vanes, there is in each case a location with the narrowest cross-section, which is referred to in the jargon as Throat.
  • FIGS. 2 to 7 show various embodiments of diffusers with an enlargement of the flow channel cross-section according to the invention.
  • Fig. 2 and 3 show unilaterally arranged recesses of different configuration
  • Fig. 4 to 7 show two-sided arranged recesses of different design.
  • the hub-side housing wall with the wall portion 41 delimiting the diffuser is in alignment with the outlet of the compressor wheel, so that there is no flow cross-sectional widening on the hub side.
  • the recess 21 1 is formed as a rectangular step which extends at an angle of approximately 90 ° to the housing wall.
  • the angle can also be sharper, so that the return fails in the form of an oblique ramp.
  • Such a ramp-shaped return has the embodiment of FIG.
  • the one-sided cross-sectional widening is arranged on the hub side, that is to say in the wall section 41 associated with the bearing housing.
  • the flow channel 231 at the exit of the compressor wheel expands due to the hub-side recess 402 in the flow direction on the cross-sectional widened flow channel section 232 before and in the region of the vanes 25 of the diffuser.
  • the angle may also be less acute up to 90 °, so that the return in the form of a steeper ramp or even a right-angled step fails.
  • 4 and 5 show the two-sided execution of the above-described one-sided cross-sectional widening. First with two-sided, right-angled recess 21 1 and 401, then with double-sided ramped jump 212 and 402.
  • the described one-sided or two-sided recesses may each also be composed of a plurality of radially spaced sub-steps, wherein the sub-stages may each have the same or different angles to the housing wall.
  • a correspondingly formed, double-sided cross-sectional widening with multi-level recesses 213 and 403 is shown in FIG.
  • the differently formed, two-sided recesses can also be combined with each other, as indicated in Fig. 7.
  • the illustrated combination of hub-side, multi-level recess 403 and shroud wornem, ramped return 212 is to be understood only as a possible combination. All possible combinations are conceivable and protected by the following claims.
  • the cross-sectional widening recesses arranged on both sides they can be arranged at the same radial height, so that a single cross-sectional widening results in the flow direction in the sum.
  • the two-sided recesses may be arranged at different radial heights, so that a total of two consecutive cross-sectional enlargements, or in the case of multistage or ramped recesses results in a larger cross-sectional widening continuously over a larger portion.
  • the respective recesses in the flow direction are arranged clearly in front of the entry edges 251 of the guide vanes.
  • the cross-sectional widenings are particularly effective when they are carried out in front of the narrowest points between two adjacently arranged guide vanes.
  • the recesses are arranged at a radial height which is smaller than the radial height of this narrowest point between two adjacently arranged guide vanes (throat). LIST OF REFERENCE NUMBERS
  • Multi-stage recess for expanding the diffuser cross-section (Shroud side) 22 External compressor housing (spiral housing)

Abstract

The duct cross-section in the diffuser of a radial-flow compressor is significantly larger in the inlet region of the diffuser section. This increases the space available to the flow upstream of the actual diffusor duct, resulting in a rapid deceleration and thus a rapid increase in pressure. The flow velocity is thus reduced in the downstream components of the compressor and flow losses are reduced accordingly.

Description

Diffusor eines Rad ialverd ichters  Diffuser of a radial diluter
B E S C H R E I B U N G Technisches Gebiet B E S C H R E I N T S Technical Area
Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Strömungsmaschinen, sie betrifft einen Diffusor eines Radialverdichters, einen Radialverdichter mit einem derartigen Diffusor sowie einen Abgasturbolader mit einem Radialverdichter mit einem derartigen Diffusor.  The invention relates to the field of turbomachines, it relates to a diffuser of a centrifugal compressor, a centrifugal compressor with such a diffuser and an exhaust gas turbocharger with a centrifugal compressor with such a diffuser.
Stand der Technik State of the art
Radialverdichter werden unter anderem in Abgasturboladern zum Aufladen von Brennkraftmaschinen eingesetzt. Das Verdichterrad des Radialverdichters erteilt dem eintretenden Luftstrom eine Drehbewegung, wodurch sich infolge der Fliehkräfte ein Druckfeld mit nach radial aussen hin zunehmendem Druck aufbaut. Die stets verhältnismässig hohe Austrittsgeschwindigkeit des Luftstroms aus dem Verdichterrad verlangt eine Verzögerung im Diffusor um die Strömungsgeschwindigkeiten in dem spiralförmigen Sammelraum (Spirale) tief zu halten, wodurch die Wandreibungsverluste abnehmen und der Wirkungsgrad der Verdichterstufe insgesamt verbessert wird.  Radial compressors are used inter alia in exhaust gas turbochargers for charging internal combustion engines. The compressor wheel of the centrifugal compressor gives the incoming air flow a rotational movement, as a result of which a pressure field builds up due to the centrifugal forces with radially outwardly increasing pressure. The always relatively high exit velocity of the air flow from the compressor wheel requires a delay in the diffuser to keep the flow velocities in the spiral plenum (spiral) low, thereby reducing the wall friction losses and improving the efficiency of the compressor stage as a whole.
Der Diffusor des Radialverdichters, auch Radialdiffusor genannt, wird dabei in der Regel als parallelwandiger Ringraum ausgestaltet. Dieser Ringraum schliesst sich radial an den Verdichterrad-Austritt an. Der Ringraum wird in der Regel von zwei ringförmigen Platten begrenzt, welche senkrecht oder ungefähr senkrecht zur Drehachse der Welle des Verdichters stehen. The diffuser of the centrifugal compressor, also called radial diffuser, is generally designed as a parallel-walled annular space. This annular space closes radially to the compressor wheel outlet. The annular space is usually limited by two annular plates which are perpendicular or approximately perpendicular to the axis of rotation of the shaft of the compressor.
Zusätzlich kann durch Hinzunahme eines Leitrades mit entlang des Umfangs angeordneter Leitschaufeln (profilierte Schaufeln, Keilschaufeln oder kreisbogenförmige Schaufeln zur Strömungsführung) der Wirkungsgrad des Diffusors erhöht werden. Ein Beispiel für einen beschaufelten Diffusor zeigt die DE102008044505. Wichtige Parameter des Radialdiffusors sind die engste Querschnittfläche (Throat) zwischen zwei benachbarten Leitschaufeln, das Flächenverhältnis Kanalaustritt/ Kanaleintritt (AR) und das Verhältnis von Kanallänge und Eintrittsweite (LWR). Im Diffusor nimmt die Fläche A in Strömungsrichtung mit zunehmendem Radius r nach radial aussen hin zu (A=2*pi*r*b, b=Breite). Durch Seitenwanddivergenz (in Abweichung von der Parallelität) kann der Diffusorkanal nicht nur zwischen den Schaufeln erweitert werden, sondern auch in Richtung der Seitenwände und so hauptsächlich die Verzögerung im Kanalteil verstärkt werden. Dies führt zu einer stärkeren Verzögerung bei gleicher Baulänge gegenüber parallelwandigen Diffusoren und trägt somit zu einem zusätzlich verbesserten Verdichterwirkungsgrad bei. Die im Diffusor durch Geometrievariation erreichbare Verzögerung bzw. Druckerhöhung für einen gegebenen Betriebspunkt ist jedoch begrenzt, da es bei zu starker Verzögerung zu Strömungsinstabilitäten aufgrund von Grenzschichtablösungen im Diffusor kommt, was sich negativ auf die Verdichter-Kennfeldbreite, den stabilen Betriebsbereich, auswirken kann. In addition, by adding a stator with circumferentially arranged vanes (profiled vanes, wedge vanes or circular vanes for flow guidance), the efficiency of the diffuser can be increased. An example of a bladed diffuser is shown in DE102008044505. Important parameters of the radial diffuser are the narrowest cross-sectional area (throat) between two adjacent vanes, the area ratio of the channel exit / channel entry (AR) and the ratio of the channel length to the entrance width (LWR). In the diffuser, area A in the direction of flow increases radially outward with increasing radius r (A = 2 * pi * r * b, b = width). By sidewall divergence (as opposed to parallelism), not only can the diffuser channel be widened between the blades, but it can also be strengthened towards the sidewalls, and thus mainly the delay in the channel part. This leads to a greater delay at the same length compared to parallel-walled diffusers and thus contributes to an additionally improved compressor efficiency. However, the delay or pressure increase achievable in the diffuser by geometrical variation for a given operating point is limited, as too much delay causes flow instabilities due to boundary layer separation in the diffuser, which can adversely affect the compressor map width, the stable operating range.
Kurze Darstellung der Erfindung Brief description of the invention
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, den Diffusor eines Radialverdichters dahingehend zu optimieren, dass trotz grosser Verzögerung die Strömungsinstabilitäten ausbleiben.  The object of the present invention is to optimize the diffuser of a centrifugal compressor in such a way that, despite a great deal of delay, the flow instabilities do not occur.
Erfindungsgemäss wird dies durch eine starke Vergrösserung der durchströmten Fläche im Eintrittsbereich des Diffusorabschnitts erreicht. Dadurch wird der Strömung bereits vor dem eigentlichen Diffusorkanal mehr Platz gewährt, was zu einer frühzeitigen Verzögerung und entsprechendem Druckaufbau führt. Dadurch reduziert sich somit die Geschwindigkeit der Strömung in den nachfolgenden Teilkomponenten des Verdichters mit entsprechend reduzierten Strömungsverlusten. Zudem wirkt sich die starke Verzögerung mit dem zugehörigen starken Druckaufbau im Raum vor dem beschaufelten Diffusorteil und im halb beschaufelten Diffusorbereich positiv auf die Kennfeldbreite aus. Die starke Vergrösserung des Strömungsquerschnitts vor dem beschaufelten Diffusor / im Eintrittsbereich des beschaufelten Diffusors erfolgt durch einen umlaufenden Rücksprung in der seitlichen Diffusorwand (parallelwandig oder mit Divergenz). Dieser umlaufende Rücksprung wird bevorzugt durch ein abdrehen der seitlichen Diffusorwand hergestellt. Mit grösserem fertigungstechnischem Aufwand ist aber auch Herstellung des umlaufenden Rücksprungs mittels Fräsen oder direktem Urformen der Diffusorwand inklusive Rücksprung möglich. Der Rücksprung kann auf beiden Seitenwänden liegen oder nur auf einer der Seitenwände. Er kann in einer oder mehreren Stufen erfolgen. Der Rücksprung kann auch als Rampe ausgeführt sein. According to the invention, this is achieved by a strong enlargement of the area through which flows through in the inlet region of the diffuser section. As a result, the flow is granted more space even before the actual diffuser channel, resulting in an early delay and corresponding pressure build-up. This reduces the speed of the flow in the subsequent subcomponents of the compressor with correspondingly reduced flow losses. In addition, the strong deceleration with the associated strong build-up of pressure in the space in front of the bladed diffuser part and in the half-bladed diffuser area has a positive effect on the map width. The strong enlargement of the flow cross-section in front of the bladed diffuser / in the inlet region of the bladed diffuser takes place by a circumferential recess in the lateral diffuser wall (parallel-walled or with divergence). This circumferential recess is preferably produced by turning off the lateral diffuser wall. With greater production engineering effort but also production of the circumferential recess by means of milling or direct prototyping of the diffuser wall including return is possible. The return can be on both side walls or only on one of the side walls. It can be done in one or more stages. The return can also be designed as a ramp.
Der Rücksprung liegt dabei in einem Bereich zwischen dem Laufradaustritt und der engsten Querschnitt (Throat) zwischen zwei benachbarten Schaufeln. Die so gewonnene Fläche in der Throat lässt insbesondere bei flachen Diffusorschaufelwinkeln eine gesteigerte Strömungsverzögerung im Bereich des Diffusoreintritts in Kombination mit reduzierten Fehlanströmverlusten zu. Mit dem Rücksprung können Diffusorwinkel und Fläche der Throat unabhängig voneinander eingestellt werden. Somit kann eine bestimmte Throatfläche bei sehr flachen Diffusorschaufelwinkeln erreicht werden, was zu günstigen, verlustreduzierten Zuströmverhältnissen nahe der Pumpgrenze führt. The return lies in an area between the impeller outlet and the narrowest cross section (throat) between two adjacent blades. The area thus obtained in the throat allows, in particular for shallow diffuser blade angles, an increased flow delay in the region of the diffuser inlet in combination with reduced false flow losses. With the return, the diffuser angle and area of the throat can be adjusted independently of each other. Thus, a certain throat area can be achieved at very shallow diffuser vane angles, resulting in favorable, loss-reduced inflow conditions near the surge line.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen Brief description of the drawings
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Hierbei zeigt  The invention will be explained in more detail with reference to the drawings. This shows
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines herkömmlichen Abgasturboladers, wobei die Verdichterseite mit einem beschaufelten Radialdiffusor detaillierter gezeigt ist als die Turbinenseite, 1 is a schematic representation of a conventional exhaust gas turbocharger, wherein the compressor side is shown with a bladed radial diffuser in more detail than the turbine side,
Fig. 2 einen Ausschnitt der Verdichterseite eines erfindungsgemäss ausgebildeten 2 shows a section of the compressor side of an inventive design
Diffusors mit einem shroudseitigen Rücksprung in der Gehäusewand,  Diffuser with a shroud-side recess in the housing wall,
Fig. 3 einen Ausschnitt der Verdichterseite eines erfindungsgemäss ausgebildeten Fig. 3 shows a detail of the compressor side of an inventive design
Diffusors mit einem nabenseitigen, rampenhaften Rücksprung in der Gehäusewand,  Diffuser with a hub-side, ramped recess in the housing wall,
Fig. 4 einen Ausschnitt der Verdichterseite eines erfindungsgemäss ausgebildeten 4 shows a section of the compressor side of an inventive design
Diffusors mit beidseitigem Rücksprung in der Gehäusewand,  Diffuser with double-sided recess in the housing wall,
Fig. 5 einen Ausschnitt der Verdichterseite eines erfindungsgemäss ausgebildeten Fig. 5 shows a detail of the compressor side of an inventively designed
Diffusors mit beidseitigem, rampenhaftem Rücksprung in der Gehäusewand,  Diffuser with double-sided, ramp-like recess in the housing wall,
Fig. 6 einen Ausschnitt der Verdichterseite eines erfindungsgemäss ausgebildeten 6 shows a detail of the compressor side of an inventive design
Diffusors mit beidseitigem, mehrstufigem Rücksprung in der Gehäusewand, und Fig. 7 einen Ausschnitt der Verdichterseite eines erfindungsgemäss ausgebildeten Diffusors mit shroudseitig rampenhaftem und nabenseitig mehrstufigem Rücksprung in der Gehäusewand. Diffuser with double-sided, multi-level recess in the housing wall, and Fig. 7 shows a detail of the compressor side of a diffuser formed according to the invention with shroud side ramped and hub-side multi-step recess in the housing wall.
Weg zur Ausführung der Erfindung Way to carry out the invention
Fig. 1 zeigt einen Abgasturbolader mit einer schematisch dargestellten Abgasturbine 50, welche über einen Gaseintritt 51 mit Abgasen der mittels des Abgasturboladers aufzuladenden Brennkraftmaschine beaufschlagt ist. Die im Abgasstrom enthaltene Energie wird in der Turbine Rotationsenergie zum Antreiben des über die Welle 30 mit dem Laufrad der Turbine verbundenen Verdichterrad gewandelt. Das Verdichterrad umfasst eine Nabe 10 und eine Vielzahl auf der Nabe angeordneter Laufschaufeln 1 1 . Die Welle 30 ist in einem Lagergehäuse 40 drehbar gelagert. Das Verdichterrad seinerseits ist in dem an das Lagergehäuse 40 angrenzende Verdichtergehäuse 2 angeordnet. Das Verdichtergehäuse umfasst in der dargestellten Ausführungsform einen äusseren Teil, das äussere Verdichtergehäuse 22 und einen eingesetzten inneren Teil, das innere Verdichtergehäuse 20. Zusammen mit der Nabe des Verdichterrades und den Wandteilen des Lagergehäuses begrenzen die verschiedenen Teile des Verdichtergehäuses den Strömungskanal für die zu verdichtenden Luftmassen. In der Fig. mit Pfeilen angedeutet wird die zu verdichtende Luft in axialer Richtung auf das Verdichterrad zugeführt. Bereich der Laufschaufeln des Verdichterrades wird der Strömungskanal durch die Nabe 10 und das innere Verdichtergehäuse 20 begrenzt. In diesem Abschnitt erfährt die Strömung eine Richtungsänderung von der axialen in die Radiale Richtung. Anschliessend tritt die Strömung in den Bereich des Diffusors ein, welcher den Strömungsabschnitt 23 ab Austritt Verdichterrad bis hin zum Sammelraum 24 im äusseren Verdichtergehäuse bildet. Der Sammelraum ist spiralförmig ausgebildet, wobei am breiten Ende der Spirale der Luftstrom den Verdichter in Richtung hin zum Ladeluftkühler oder dem Lufteintritt der Brennkraftmaschine verlässt. Fig. 1 shows an exhaust gas turbocharger with a schematically illustrated exhaust gas turbine 50, which is acted upon by a gas inlet 51 with exhaust gases of the supercharged by the exhaust gas turbocharger internal combustion engine. The energy contained in the exhaust stream is converted in the turbine rotational energy for driving the connected via the shaft 30 to the impeller of the turbine compressor wheel. The compressor wheel comprises a hub 10 and a plurality of blades 1 1 arranged on the hub. The shaft 30 is rotatably mounted in a bearing housing 40. The compressor wheel in turn is arranged in the adjacent to the bearing housing 40 compressor housing 2. The compressor housing comprises in the illustrated embodiment an outer part, the outer compressor housing 22 and an inserted inner part, the inner compressor housing 20. Together with the hub of the compressor wheel and the wall parts of the bearing housing, the different parts of the compressor housing limit the flow channel for the air masses to be compressed , In the figure, indicated by arrows, the air to be compressed is fed in the axial direction of the compressor wheel. Area of the blades of the compressor wheel, the flow channel through the hub 10 and the inner compressor housing 20 is limited. In this section, the flow undergoes a change of direction from the axial to the radial direction. Subsequently, the flow enters the region of the diffuser, which forms the flow section 23 from the outlet compressor wheel up to the collecting space 24 in the outer compressor housing. The collecting space is spirally formed, wherein at the broad end of the spiral, the air flow leaves the compressor in the direction of the intercooler or the air inlet of the internal combustion engine.
Der Diffusorbereich ist im Wesentlichen ein ringförmiger Hohlraum, welcher beidseitig von einer ringflächenförmigen Wand begrenzt ist. Aus Sicht der Laufschaufeln des Verdichterrades spricht man vom shroudseitigen (Schaufelspitzenseitigen) Wandabschnitt 21 und dem nabenseitigen Wandabschnitt 41 . Die beiden Wandabschnitte 21 und 41 , welche sich vom Verdicherradaustritt bis zur Mündung in den spiralförmigen Sammelraum erstrecken, verlaufen in der dargestellten Ausführungsform senkrecht zur eingezeichneten Wellenachse. Optional können, wie eingangs bechrieben, entweder der shroudseitige Wandbereich oder der nabenseitige Wandbereich oder beide Wandbereiche von der streng radialen Richtung abweichen, so dass sich ein geringfügig divergierender Wandverlauf ergibt. Wie eingangs beschrieben kann der Diffusorbereich beschaufelt sein, mit einer Vielzahl entlang des Umfangs angeordneter Leitschaufeln 25. Diese Leitschaufeln sind in der Regel als profilierte Schaufeln, Keilschaufeln oder kreisbogenförmige Schaufeln zur Ström ungsführung ausgebildet. Sie können regelmässig oder unregelmässig verteilt und auf gleicher oder abweichender radialer Höhe angeordnet sein und gleich oder unterschiedlich geformt ausgebildet sein. Zwischen zwei benachbart angeordneten Leitschaufeln ist jeweils eine Stelle mit engstem Querschnitt vorhanden, welche in der Fachsprache als Throat bezeichnet wird. The diffuser region is essentially an annular cavity, which is bounded on both sides by an annular surface-shaped wall. From the perspective of the blades of the compressor wheel is called the shroudseitigen (blade tip side) wall portion 21 and the hub-side wall portion 41st The two wall sections 21 and 41, which extend from the Verdicherradaustritt to the mouth in the spiral-shaped collecting space, extend in the illustrated embodiment perpendicular to the marked shaft axis. Optionally, as described at the beginning, either the shroud-side wall region or the hub-side wall region or both wall regions can deviate from the strictly radial direction, resulting in a slightly diverging wall course. As described above, the diffuser area may be bladed with a plurality of circumferentially disposed vanes 25. These vanes are generally formed as profiled vanes, wedge blades or circular arc shaped vanes for flow guidance. They may be regularly or irregularly distributed and arranged at the same or differing radial height and be formed identically or differently shaped. Between two adjacently arranged guide vanes, there is in each case a location with the narrowest cross-section, which is referred to in the jargon as Throat.
In den Fig. 2 bis 7 sind verschiedene Ausführungsformen von Diffusoren mit einer erfindungsgemässen Vergrösserung des Strömungskanalquerschnitts gezeigt. Fig. 2 und 3 zeigen einseitig angeordnete Rücksprünge unterschiedlicher Ausgestaltung, Fig. 4 bis 7 zeigen zweiseitig angeordnete Rücksprünge unterschiedlicher Ausgestaltung. FIGS. 2 to 7 show various embodiments of diffusers with an enlargement of the flow channel cross-section according to the invention. Fig. 2 and 3 show unilaterally arranged recesses of different configuration, Fig. 4 to 7 show two-sided arranged recesses of different design.
In der Ausführungsform nach Fig. 2 ist die nabenseitige Gehäusewand mit dem den Diffusor begrenzenden Wandabschnitt 41 fluchtend mit dem Austritt des Verdichterrades, so dass nabenseitig keine Strömungsquerschnittserweiterung erfolgt. Diese ist dafür auf der gegenüberliegenden Shroudseite zu finden. In dieser ersten Ausführungsform ist der Rücksprung 21 1 als eine rechtwinklige Stufe ausgebildet, welche im Winkel von rund 90° zur Gehäusewand verläuft. Optional kann der Winkel auch spitzer sein, so dass der Rücksprung in Form einer schrägen Rampe ausfällt. In the embodiment according to FIG. 2, the hub-side housing wall with the wall portion 41 delimiting the diffuser is in alignment with the outlet of the compressor wheel, so that there is no flow cross-sectional widening on the hub side. This can be found on the opposite Shroudseite. In this first embodiment, the recess 21 1 is formed as a rectangular step which extends at an angle of approximately 90 ° to the housing wall. Optionally, the angle can also be sharper, so that the return fails in the form of an oblique ramp.
Einen derartigen, rampenförmigen Rücksprung weist die Ausführungsform nach Fig. 3 auf. Allerdings ist in dieser Ausführungsform die einseitige Querschnittserweiterung nabenseitig angeordnet, also in der dem Lagergehäuse zugehörigen Wandabschnitt 41 . Der Strömungskanal 231 am Ausgang des Verdichterrades erweitert sich aufgrund des nabenseitigen Rücksprungs 402 in Strömungsrichtung auf den Querschnittserweiterten Strömungskanalabschnitt 232 vor und im Bereich der Leitschaufeln 25 des Diffusors. Optional kann der Winkel auch weniger spitz bis hin zu 90° sein, so dass der Rücksprung in Form einer steileren Rampe oder gar einer rechtwinkligen Stufe ausfällt. Die Fig. 4 und 5 zeigen die beidseitige Ausführung der eben beschriebenen einseitigen Querschnittserweiterung. Zuerst mit beidseitigem, rechtwinkligem Rücksprung 21 1 und 401 , dann mit beidseitigem rampenförmigem Rücksprung 212 und 402. Such a ramp-shaped return has the embodiment of FIG. However, in this embodiment, the one-sided cross-sectional widening is arranged on the hub side, that is to say in the wall section 41 associated with the bearing housing. The flow channel 231 at the exit of the compressor wheel expands due to the hub-side recess 402 in the flow direction on the cross-sectional widened flow channel section 232 before and in the region of the vanes 25 of the diffuser. Optionally, the angle may also be less acute up to 90 °, so that the return in the form of a steeper ramp or even a right-angled step fails. 4 and 5 show the two-sided execution of the above-described one-sided cross-sectional widening. First with two-sided, right-angled recess 21 1 and 401, then with double-sided ramped jump 212 and 402.
Die beschriebenen einseitigen, oder beidseitigen Rücksprünge können sich jeweils auch aus mehreren, radial beabstandeten Teilstufen zusammensetzen, wobei die Teilstufen für sich jeweils gleiche oder unterschiedliche Winkel zur Gehäusewand aufweisen können. Eine entsprechend ausgebildete, beidseitige Querschnittserweiterung mit mehrstufigen Rücksprüngen 213 und 403 ist in Fig. 6 dargestellt. The described one-sided or two-sided recesses may each also be composed of a plurality of radially spaced sub-steps, wherein the sub-stages may each have the same or different angles to the housing wall. A correspondingly formed, double-sided cross-sectional widening with multi-level recesses 213 and 403 is shown in FIG.
Schliesslich lassen sich die unterschiedlich ausgebildeten, beidseitigen Rücksprünge auch miteinander kombinieren, wie dies in Fig. 7 angedeutet ist. Die dargestellte Kombination von nabenseitigem, mehrstufigem Rücksprung 403 und shroudseitigem, rampenförmigem Rücksprung 212 ist dabei nur als eine mögliche Kombination zu verstehen. Alle Kombinationsmöglichkeiten sind denkbar und durch die nachfolgenden Ansprüche geschützt. Bei den beidseitig angeordneten, querschnittserweiternden Rücksprüngen können diese auf gleicher radialer Höhe angeordnet sein, so dass sich in Strömungsrichtung in der Summe eine einzige Querschnittserweiterung ergibt. Alternativ können die beidseitigen Rücksprünge auf unterschiedlichen radialen Höhen angeordnet sein, so dass sich in der Summe zwei aufeinanderfolgende Querschnittserweiterungen, oder im Fall von mehrstufigen oder rampenförmigen Rücksprüngen eine grössere Querschnittserweiterung kontinuierlich über einen grösseren Abschnitt ergibt. Finally, the differently formed, two-sided recesses can also be combined with each other, as indicated in Fig. 7. The illustrated combination of hub-side, multi-level recess 403 and shroudseitigem, ramped return 212 is to be understood only as a possible combination. All possible combinations are conceivable and protected by the following claims. In the case of the cross-sectional widening recesses arranged on both sides, they can be arranged at the same radial height, so that a single cross-sectional widening results in the flow direction in the sum. Alternatively, the two-sided recesses may be arranged at different radial heights, so that a total of two consecutive cross-sectional enlargements, or in the case of multistage or ramped recesses results in a larger cross-sectional widening continuously over a larger portion.
In der dargestellten Ausführungsformen sind die jeweiligen Rücksprünge in Strömungsrichtung deutlich vor den Eintrittskanten 251 der Leitschaufeln angeordnet. Erfindungsgemäss sind die Querschnittserweiterungen jedoch insbesondere dann wirksam, wenn diese vor den jeweils engsten Stellen zwischen zwei benachbart angeordneten Leitschaufeln erfolgen. In diesem Fall sind die Rücksprünge auf einer radialen Höhe angeordnet, welche kleiner ist als die radiale Höhe dieser engsten Stelle zwischen zwei benachbart angeordneten Leitschaufeln (Throat). Bezugszeichenliste In the illustrated embodiments, the respective recesses in the flow direction are arranged clearly in front of the entry edges 251 of the guide vanes. According to the invention, however, the cross-sectional widenings are particularly effective when they are carried out in front of the narrowest points between two adjacently arranged guide vanes. In this case, the recesses are arranged at a radial height which is smaller than the radial height of this narrowest point between two adjacently arranged guide vanes (throat). LIST OF REFERENCE NUMBERS
10 Nabe des Verdichterrades  10 Hub of the compressor wheel
1 1 Laufschaufel des Verdichterrades  1 1 Blade of the compressor wheel
2 Verdichtergehäuse (umfassend 20 - 24)  2 compressor housing (comprising 20-24)
20 inneres Verdichtergehäuse 20 inner compressor housing
21 ringflächiger Wandabschnitt (Shroudseitig)  21 ring-shaped wall section (Shroudseitig)
21 1 Rücksprung zur Erweiterung des Diffusorquerschnitts (Shroudseitig)  21 1 return to the extension of the diffuser cross section (Shroudseitig)
212 Schräger Rücksprung zur Erweiterung des Diffusorquerschnitts (Shroudseitig) 212 Oblique return to the extension of the diffuser cross section (Shroudseitig)
213 Mehrstufiger Rücksprung zur Erweiterung des Diffusorquerschnitts (Shroudseitig) 22 Äusseres Verdichtergehäuse (Spiralgehäuse) 213 Multi-stage recess for expanding the diffuser cross-section (Shroud side) 22 External compressor housing (spiral housing)
23 Strömungskanal im Diffusorbereich  23 flow channel in the diffuser area
231 Strömungskanalabschnitt im Diffusorbereich  231 flow channel section in the diffuser area
232 Querschnittserweiterter Strömungskanalabschnitt im Diffusorbereich  232 Cross-section extended flow channel section in the diffuser area
24 Sammelraum im äusseren Verdichtergehäuse (Spirale)  24 collecting space in the outer compressor housing (spiral)
25 Leitschaufeln des Diffusors 25 vanes of the diffuser
251 Eintrittskante der Leitschaufeln  251 leading edge of the vanes
30 Welle des Turboladers  30 shaft of the turbocharger
40 Lagergehäuse  40 bearing housing
41 ringflächiger Wandabschnitt (Nabenseitig)  41 ring-shaped wall section (hub side)
41 1 Rücksprung zur Erweiterung des Diffusorquerschnitts (Nabenseitig) 41 1 return to the extension of the diffuser cross section (hub side)
412 Schräger Rücksprung zur Erweiterung des Diffusorquerschnitts (Nabenseitig) 412 Inclined return for enlarging the diffuser cross section (hub side)
413 Mehrstufiger Rücksprung zur Erweiterung des Diffusorquerschnitts (Nabenseitig)413 Multi-stage return for enlarging the diffuser cross section (hub side)
50 Turbine 50 turbine
51 Gaseintritt (Zuleitung des Abgases von der Brennkraftmaschine)  51 Gas inlet (supply of the exhaust gas from the internal combustion engine)
52 Gasaustritt (Ableitung des Abgases aus der Turbine zum Auspuff) 52 gas outlet (discharge of the exhaust gas from the turbine to the exhaust)

Claims

P AT E N TA N S P R Ü C H E P AT EN TA NSPR O CHE
1 . Diffusor eines Radialverdichters, umfassend einen von zwei ringflächigen Wandabschnitten (21 , 41 ) begrenzten, sich radial nach aussen öffnenden Strömungskanal (23) mit einer radial innenliegenden Eintrittsöffnung, dadurch gekennzeichnet, dass aufgrund eines umlaufenden Rücksprungs in axialer Richtung in mindestens einem der Wandabschnitte der Strömungskanal ausgehend von der radial innenliegenden Eintrittsöffnung in Strömungsrichtung nach radial aussen hin eine Querschnittserweiterung (232) erfährt.  1 . Diffuser of a radial compressor, comprising one of two annular wall sections (21, 41) limited, radially outwardly opening flow channel (23) having a radially inner inlet opening, characterized in that due to a circumferential recess in the axial direction in at least one of the wall sections of the flow channel starting from the radially inner inlet opening in the flow direction radially outward a cross-sectional widening (232) learns.
2. Diffusor eines Radialverdichters nach Anspruch 1 , umfassend mehrere, zwischen den Wandabschnitten (21 , 41 ) angeordnete Leitschaufeln (25). 2. Diffuser of a centrifugal compressor according to claim 1, comprising a plurality of between the wall sections (21, 41) arranged vanes (25).
3. Diffusor eines Radialverdichters nach Anspruch 2, wobei zwischen zwei benachbarten Leitschaufeln jeweils eine engste Stelle ausgebildet ist und wobei der mindestens eine Rücksprung in axialer Richtung auf einer radialen Höhe angeordnet ist, welche kleiner ist als die radiale Höhe der engsten Stelle zwischen zwei benachbarten Leitschaufeln und die Querschnittserweiterung des Strömungskanals somit in Strömungsrichtung vor der engsten Stelle zwischen zwei benachbarten Leitschaufeln erfolgt. 3. A radial compressor according to claim 2, wherein between each two adjacent vanes each have a narrowest point is formed and wherein the at least one recess is disposed in the axial direction at a radial height which is smaller than the radial height of the narrowest point between two adjacent vanes and the cross-sectional widening of the flow channel thus takes place in the flow direction before the narrowest point between two adjacent guide vanes.
4. Diffusor eines Radialverdichters nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Leitschaufeln (25) jeweils eine Eintrittskante (251 ) aufweisen und wobei der mindestens eine Rücksprung in axialer Richtung auf einer radialen Höhe angeordnet ist, welche kleiner ist als die radiale Höhe der Eintrittskanten (251 ) der Leitschaufeln und die Querschnittserweiterung des Strömungskanals somit in Strömungsrichtung vor den Leitschaufeln erfolgt. 4. A centrifugal compressor as claimed in claim 2 or 3, wherein the vanes (25) each have an entry edge (251) and wherein the at least one return is axially disposed at a radial height which is less than the radial height of the entry edges (25). 251) of the guide vanes and the cross-sectional widening of the flow channel thus takes place in the flow direction in front of the guide vanes.
5. Diffusor eines Radialverdichters nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Rücksprung in mindestens einem der beiden Wandabschnitte in einem Winkel zwischen 45° und 90° zu dem jeweiligen Wandabschnitt erfolgt. 5. Diffuser of a radial compressor according to one of claims 1 to 3, wherein the recess in at least one of the two wall sections at an angle between 45 ° and 90 ° to the respective wall section.
6. Diffusor eines Radialverdichters nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Rücksprung in mindestens einem der beiden Wandabschnitte in mehreren, radial beabstandeten Stufen mit jeweils einem axialen Teilrücksprung erfolgt. 6. Diffuser of a radial compressor according to one of claims 1 to 4, wherein the recess in at least one of the two wall sections in a plurality of radially spaced steps, each with an axial partial return.
7. Diffusor eines Radialverdichters nach Anspruch 5, wobei die jeweiligen Teilrücksprünge in mindestens einem der beiden Wandabschnitte in Winkeln zwischen 45° und 90° zu dem jeweiligen Wandabschnitt erfolgen. 7. Diffuser of a centrifugal compressor according to claim 5, wherein the respective partial recesses in at least one of the two wall sections at angles between 45 ° and 90 ° to the respective wall section.
8. Diffusor eines Radialverdichters nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei in beiden Wandabschnitten ein Rücksprung angeordnet ist und wobei die Rücksprünge beider Wandabschnitte auf gleicher radialer Höhe erfolgen. 8. Diffuser of a radial compressor according to one of claims 1 to 6, wherein in both wall sections a recess is arranged and wherein the recesses of both wall sections take place at the same radial height.
9. Diffusor eines Radialverdichters nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei in beiden Wandabschnitten ein Rücksprung angeordnet ist und wobei die Rücksprünge beider9. Diffuser of a centrifugal compressor according to one of claims 1 to 6, wherein in both wall sections, a recess is arranged and wherein the recesses of both
Wandabschnitte auf unterschiedlichen radialen Höhen erfolgen. Wall sections take place at different radial heights.
10. Radialverdichter, umfassend einen Diffusor nach einem der Ansprüche 1 bis 8. 10. A centrifugal compressor comprising a diffuser according to any one of claims 1 to 8.
1 1 .Abgasturbolader, umfassend einen Radialverdichter nach Anspruch 9. 1 1 .Abgasturbolader comprising a radial compressor according to claim 9.
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