DE102012004388A1

DE102012004388A1 - Verdichterrad für einen Verdichter, insbesondere einen Radialverdichter

Info

Publication number: DE102012004388A1
Application number: DE201210004388
Authority: DE
Inventors: Siegfried Sumser; Elias Chebli; Markus Müller; Gernot Hertweck
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2012-03-03
Filing date: 2012-03-03
Publication date: 2013-09-05

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verdichterrad (10) für einen Verdichter, insbesondere einen Radialverdichter, einer Strömungsmaschine, mit einem Nabenkörper (12) und mit wenigstens einer Laufradschaufel (16), welche auf einer außenumfangsseitigen Mantelfläche (14) des Nabenkörpers (12) angeordnet und welche über wenigstens eine Anströmkante (18, 20) in axialer Richtung des Verdichterrads (10) von einem mittels des Verdichterrads (10) zu verdichtenden Medium anströmbar ist, wobei die Anströmkante (18, 20) einen sich an die Mantelfläche (14) in radialer Richtung nach außen hin anschließenden ersten Längenbereich (22) und einen zweiten Längenbereich (24), der sich an eine eine Außenkontur (28) der Laufradschaufel (18, 20) begrenzende, weitere Laufradschaufelkante (26) in radialer Richtung nach innen hin anschließt, aufweist, wobei der erste Längenbereich (22) mit der Mantelfläche (14) bezogen auf die axiale Richtung einen ersten Winkel (α) von mindestens 30 Grad und höchstens 150 Grad und der zweite Längenbereich (24) mit der weiteren Laufradkante (26) einen zweiten Winkel (β) von mindestens 10 Grad und höchstens 90 Grad einschließt, sowie ein solches Verdichterrad (96), dessen Anströmkante (18) zumindest einen in Umfangsrichtung des Verdichterrads (96) bogenförmig ausgebildeten Kantenbereich (74, 76) aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verdichterrad für einen Verdichter, insbesondere einen Radialverdichter, gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 und gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 8.
Ein solches Verdichterrad ist aus der DE 10 2007 055 616 A1 bekannt. Das Verdichterrad umfasst einen Nabenkörper sowie wenigstens eine Laufradschaufel, welche auf einer außenumfangsseitigen Mantelfläche des Nabenkörpers angeordnet und welche über wenigstens eine Anströmkante in axialer Richtung des Verdichterrads von einem mittels des Verdichterrads zu verdichtenden Medium, insbesondere Luft, anströmbar ist.
Die Anforderungen an Radialverdichter bei turboaufgeladenen Verbrennungskraftmaschinen nehmen insbesondere aufgrund von steigenden Drehzahlen und einer sich somit erhöhenden Schnellläufigkeit stetig zu. Dies ist insbesondere der Fall bei turboaufgeladenen Ottomotoren, bei denen der Bedarf eines besonders breiten Verdichterkennfelds besteht. Ebenso ist dies der Fall bei Nutzfahrzeugmotoren mit relativ großen Abgasrückführmengen bei hohen Lasten in Kombination mit hohen spezifischen Leistungen und Drehmomenten und daher mit einem hohen Ladedruckbedarf.
Dies führ zu großen Umfangsgeschwindigkeiten am Radeintritt der Schaufelspitzen der Verdichterräder, woraus Anströmmachtzahlen im drehenden Relativsystem resultieren, die sich im transsonischen Bereich bis deutlich über den Überschallbereich hinein erstrecken können. Dabei kommt es insbesondre zur Entstehung von Geräuschen während des Betriebs der Radialverdichter. Zur Vermeidung oder zumindest zur Reduzierung dieser Geräusche ist es bekannt, entsprechende Gegenmaßnahmen zu treffen. Bei einer solchen Gegenmaßnahme handelt es sich beispielsweise um einen Geräuschreflektor, der als Einsatzteil in das Verdichtergehäuse eingesetzt wird. Die Verwendung des Geräuschreflektors führt zu einer größeren Teileanzahl des Verdichters, woraus ein erhöhtes Gewicht und erhöhte Kosten resultieren.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verdichterrad für einen Verdichter, insbesondere einen Radialverdichter, der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, dass das Verdichterrad und damit der Verdichter auf einfache und kostengünstige Weise ein verbessertes Geräuschverhalten aufweist.
Diese Aufgabe wird durch ein Verdichterrad für einen Verdichter, insbesondere einen Radialverdichter, mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
Um die Entstehung von Geräuschen während des Betriebs des Verdichters auf einfache und kostengünstige Weise zu reduzieren oder zu vermeiden, ist bei dem erfindungsgemäßen Verdichterrad des ersten Aspekts der Erfindung vorgesehen, dass die Anströmkante einen sich an die Mantelfläche des Nabenkörpers in radialer Richtung nach außen anschließenden ersten Längenbereich und einen zweiten Längenbereich aufweist, der in radialer Richtung weiter außen angeordnet ist als der erste Längenbereich. Der zweite Längenbereich schließt sich an eine weitere Laufradschaufelkante des Laufrads in radialer Richtung nach innen hin an. Die weitere Laufradschaufelkante begrenzt dabei eine Außenkontur der Laufradschaufel.
Der erste Längenbereich schließt mit der Mantelfläche bezogen auf die axiale Richtung einen ersten Winkel ein. Der zweite Längenbereich schließt mit der weiteren Laufradschaufelkante einen zweiten Winkel ein. Der erste Winkel beträgt mindestens 30° und höchstens 150°. Der zweite Winkel beträgt mindestens 10° und höchstens 90°. Mit anderen Worten liegt der erste Winkel in einem Bereich von einschließlich 30° bis einschließlich 150°, während der zweite Winkel in einem Bereich von einschließlich 10° bis einschließlich 90° liegt. Die Laufradschaufel kann dabei eine Nebenschaufel oder eine Hauptschaufel des Verdichterrads sein. Vorzugsweise weisen alle Laufradschaufeln des Verdichterrads jeweils den ersten Längenbereich und den zweiten Längenbereich auf, die mit der Mantelfläche bzw. der weiteren Laufradschaufelkante den entsprechenden ersten Winkel und den zweiten Winkel einschließen. Dies führt zu einem besonders vorteilhaften Geräuschverhalten des Verdichterrads und damit des Verdichters.
Durch die entsprechenden Winkel weist die Anströmkante, welche auch als Eintrittskante bezeichnet wird, eine Formgebung bzw. Geometrie auf, infolge derer die Geräuschentstehung vermieden oder gering gehalten werden kann. Ein weiterer Vorteil der Formgebung bzw. Geometrie ist, dass das Verdichterrad und damit der Verdichter einen hohen Wirkungsgrad aufweisen und somit das Medium, insbesondere die Luft, effizient verdichten können.
Dies führt zu einem besonders effizienten Betrieb einer Strömungsmaschine mit dem Verdichter. Die Strömungsmaschine kann als Abgasturbolader einer Verbrennungskraftmaschine eines Kraftwagens ausgebildet sein. Das sehr gute Geräuschverhalten und damit der leise Betrieb des Verdichters kommen dem Fahrkomfort für Insassen des Kraftwagens zugute. Der hohe Wirkungsgrad führt zu einem geringen Energiebedarf und somit zu einem geringen Kraftstoffverbrauch sowie zu geringen CO₂-Emissionen der Verbrennungskraftmaschine.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verdichterrads ist, dass zusätzliche, vom Verdichterrad separate Vorkehrungen wie beispielsweise der eingangs genannte Geräuschreflektor nicht vorgesehen und nicht vonnöten sind. Dies führt zu einem geringen Aufwand, zu einem geringen Gewicht sowie zu geringen Kosten des Verdichters.
In vorteilhafter Ausgestaltung verlaufen der erste Längenbereich und/oder der zweite Längenbereich schräg zur axialen Richtung und schräg zur radialen Richtung. Dies führt zu einem besonders vorteilhaften Geräuschverhalten des Verdichterrads und damit des Verdichters.
Zur Darstellung eines besonders vorteilhaften Geräuschverhaltens verlaufen der erste Längenbereich und/oder der zweite Längenbereich in Richtung eines Radrückens des Verdichterrads. Der zweite Längenbereich und die weitere Laufradschaufelkante bilden dabei eine in radialer Richtung äußere Vorpfeilung der Anströmkante. Dadurch kann eine vorteilhafte Verteilung von Machstößen im transsonischen Bereich erreicht werden, was dem leisen Betrieb zuträglich ist. Auch können ein Verdrängungseffekt sowie daraus resultierende Druckstöße gering gehalten werden, so dass verminderte Geräusche entstehen.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind der erste Längenbereich und/oder der zweite Längenbereich zumindest im Wesentlichen bogenförmig ausgebildet. Dadurch kann die Laufradschaufel strömungsgünstig von dem zu verdichtenden Medium angeströmt werden, was mit einem effizienten Betrieb des Verdichters einhergeht.
Besonders vorteilhafte Strömungsbedingungen für das zu verdichtende Medium sind realisiert, wenn wenigstens ein zwischen dem ersten Längenbereich und dem zweiten Längenbereich angeordneter, dritter Längenbereich zumindest im Wesentlichen bogenförmig ausgebildet ist. Der dritte Längenbereich ist dabei vorzugsweise konkav ausgebildet, d. h. bezogen auf die axiale Richtung nach innen hin gewölbt.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Laufradschaufel zumindest im Bereich der Anströmkante als dreidimensionale Beschaufelung ausgebildet. Dadurch sind besonders vorteilhafte Strömungsbedingungen für das Medium geschaffen, infolge derer das Medium effizient und wirkungsgradgünstig zu verdichten ist.
Im Querschnitt des Verdichterrads bzw. bezogen auf die Umfangsrichtung desselbigen kann die Anströmkante vorteilhafterweise zumindest im Wesentlichen S-förmig ausgebildet sein und einen sogenannten S-Schlag aufweisen. Alternativ ist es möglich, dass die Anströmkante bezogen auf den Querschnitt bzw. auf die Umfangsrichtung des Verdichterrads zumindest im Wesentlichen C-förmig ausgebildet ist und einen sogenannten C-Schlag aufweist. So kann das Medium besonders effizient und geräuscharm verdichtet werden.
Der zweite Aspekt der Erfindung betrifft ein Verdichterrad für einen Verdichter, insbesondere eine Radialverdichter, einer Strömungsmaschine. Das Verdichterrad umfasst wenigstens eine Laufradschaufel, welche über wenigstens eine Anströmkante in axialer Richtung des Verdichterrads von einem mittels des Verdichterrads zu verdichtenden Medium, insbesondere Luft, anströmbar ist.
Zur Realisierung eines besonders vorteilhaften Geräuschverhaltens des Verdichters ist bei dem zweiten Aspekt erfindungsgemäß vorgesehen, das die Anströmkante zumindest einen in Umfangsrichtung des Verdichterrads bogenförmig ausgebildeten Kantenbereich aufweist. Durch diese bezogen auf die Umfangsrichtung bogenförmige Ausgestaltung der Anströmkante wird das Verdichterrad an seinem Radeintritt gegenüber einem radialen, insbesondere streng radialen, Verlauf der Anströmkante aerodynamisch entlastet, so dass Geräusche während des Betriebs des Verdichters zumindest gering gehalten werden können. Die aerodynamische Entlastung wirkt sich auch positiv auf den Wirkungsgrad des Verdichters sowie auf seine Kennfeldbreite aus. Dies bedeutet, dass das erfindungsgemäße Verdichterrad einen effizienten und wirkungsgradgünstigen Betrieb des Verdichters sowie die Darstellung eines sehr breiten Verdichterkennfelds ermöglicht. Ferner weist das erfindungsgemäße Verdichterrad auch bei sehr hohen Drehzahlen und somit bei hohen Umfangsgeschwindigkeiten eine hohe Robustheit gegenüber Fliehkraftbeanspruchungen auf, was mit einer hohen Lebensdauer des Verdichterrads einhergeht.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des ersten Aspekts der Erfindung sind als vorteilhafte Ausgestaltungen des zweiten Aspekts der Erfindung anzusehen und umgekehrt.
Der in Umfangsrichtung im Wesentlichen bogenförmig ausgebildete Kantenbereich kann sich über die Erstreckung der Laufradschaufel in axialer Richtung des Verdichterrads bezögen auf die Anströmung der Laufradschaufel von dem zu verdichtenden Medium zumindest über einen Teilbereich der Laufradschaufel erstrecken, wobei die bogenförmige Ausgestaltung von außen nach innen sukzessive abklingt. Mit anderen Worten ist vorzugsweise vorgesehen, dass die Bogenform beziehungsweise die Amplitude der Bogenform in Richtung eines Radrückens des Verdichterrads sukzessive weniger wird, d. h. abklingt. Dadurch sind besonders vorteilhafte Strömungsbedingungen für das zu verdichtende Medium geschaffen, was einem sehr guten Wirkungsgrad des Verdichters zuträglich ist.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Anströmkante in radialer Richtung eine variable Dicke aufweist. Das bedeutet, dass die Anströmkante einen ersten Radialbereich und wenigstens einen, sich in radialer Richtung daran anschließenden zweiten Radialbereich aufweist, wobei die Radialbereiche voneinander unterschiedliche Wanddicken aufweisen. Vorzugsweise ist der äußere Radialbereich, das heißt der sich an den ersten Radialbereich in radialer Richtung nach außen anschließende, zweite Radialbereich dünner als der erste beziehungsweise innere Radialbereich. Dadurch ist eine so genannte Anschärfung der Anströmkante geschaffen, welche sich vorteilhaft auf die Anströmung der Laufradschaufel im transsonischen und Überschallbereich auswirkt. Vorzugweise nimmt die Dicke der Anströmkante in radialer Richtung von innen nach außen zumindest im Wesentlichen sukzessive, d. h. kontinuierlich ab.
Vorteilhafter Weise beginnt der sich in radialer Richtung nach außen an den ersten Radialbereich anschließende, zweite Radialbereich mit der gegenüber der Dicke der Anströmkante im ersten Radialbereich geringeren Dicke – bezogen auf die radiale Richtung – bei einem ersten Durchmesser D1s und erstreckt sich bis zu einem zweiten Durchmesser D1t der Anströmkante, wobei der zweite Durchmesser D1t sich auf den in radialer Richtung äußersten Punkt der Anströmkante bezieht und wobei ein Verhältnis D1s/D1t vorzugsweise größer als 0,5 ist. Daraus ergeben sich besonders vorteilhafte Strömungsbedingungen.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist der in Umfangsrichtung bogenförmig ausgestaltete Kantenbereich der in radialer Richtung äußerste Randbereich der Anströmkante, wobei vorzugsweise vorgesehen ist, dass eine Tangente an den bogenförmigen Kantenbereich mit der radialen Richtung einen Winkel von zumindest im Wesentlichen 55 Grad hat einschließt. Die Anströmkante und damit die Laufradschaufel beziehungsweise das Verdichterrad kann dabei vorwärts gekrümmt, das heißt bezogen auf die Drehrichtung des Verdichterrads während des Betriebs des Verdichters in die Drehrichtung, oder rückwärts gekrümmt, das heißt entgegen der Drehrichtung gekrümmt sein. Dies führt zu einem besonders vorteilhaften Betrieb des Verdichters mit dem erfindungsgemäßen Verdichterrad.
Zur Realisierung eines besonders vorteilhaften Geräuschverhaltens sowie eines besonders wirkungsgradgünstigen Betriebs ist bei einer weiteren Ausführungsform vorgesehen, das sich in radialer Richtung an den Kantenbereich wenigstens einen in Umfangsrichtung des Verdichterrads bogenförmig ausgebildeter, weiterer Kantenbereich anschließt, wobei die Kantenbereiche im Wesentlichen eine Wellenform der Anströmkante ausbilden. Die Wellenform kann dabei zumindest im Wesentlichen einer Sinuskurve entsprechen oder lediglich an die Sinuskurve angelehnt sein und sich von dieser deutlich unterscheiden.
Zur Darstellung der Wellenform ist einer der Kantenbereiche, beispielsweise bezogen auf die Drehrichtung des Verdichterrads, konvex ausgebildet, während der andere Der Kantenbereiche ebenso bezogen auf die Drehrichtung konkav ausgebildet ist. Die durch die Kantenbereiche ausgebildete Wellenform weicht somit stark von einer streng geraden, radialen Ausgestaltung der Anströmkante ab, was sich positiv auf das Geräuschverhalten und auf den Wirkungsgrad des Verdichters auswirkt.
Es kann vorgesehen sein, das sich die bogenförmig ausgebildeten Kantenbereiche in ihren jeweiligen Maxima beziehungsweise Amplituden voneinander unterscheiden. Dies bedeutet, dass einer der Kantenbereiche bezogen auf die radiale Richtung höher ist als der andere Kantenbereich.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Dabei dienen die 8 und 9 zur Erläuterung des Hintergrunds der Erfindung.
Die Zeichnung zeigt in:
1 ausschnittsweise eine schematische Längsschnittansicht eines Verdichterrads für einen Radialverdichter einer Strömungsmaschine, mittels welchem Luft sehr effizient und geräuscharm zu verdichten ist;
2 eine schematische Perspektivansicht des Verdichterrads gemäß 1;
3 eine schematische Seitenansicht des Verdichterrads gemäß den 1 und 2;
4 eine schematische Vorderansicht des Verdichterrads gemäß den 1 bis 3;
5 ein Schaubild zur Veranschaulichung des effizienten Verdichtens der Luft mittels des Verdichterrads gemäß den 1 bis 4 gegenüber einem anderweitigen Verdichterrad;
6 ein weiteres Schaubild zur Veranschaulichung des vorteilhaften Geräuschverhaltens des Verdichterrads gemäß den 1 bis 4 beim Verdichten der Luft gegenüber einem anderweitigen Verdichterrad;
7 ein weiteres Schaubild zur Veranschaulichung des vorteilhaften Geräuschverhaltens des Verdichterrads gemäß den 1 bis 4 beim Verdichten der Luft gegenüber einem anderweitigen Verdichterrad;
8 eine schematische Drahtgitterdarstellung von drei Laufradschaufeln einer weiteren Ausführungsform eines Verdichterrads für einen Radialverdichter, wobei jeweilige Eintrittskanten der Laufradschaufeln streng radial gerade ausgebildet sind,
9 eine schematische Darstellung von Umschlingungswinkelverläufen von Skelettflächenpunkten einer der Laufradschaufeln des Verdichterrads gemäß 8;
10 eine schematische Darstellung einer Laufradschaufel einer weiteren Ausführungsform eines Verdichterrads, wobei eine Anströmkante der Laufradschaufel in Umfangsrichtung des Verdichterrads wellenförmig ausgebildet ist;
11 eine schematische Drahtgitterdarstellung von drei Laufradschaufeln eines Verdichterrads, welche eine jeweilige Anströmkante aufweisen, die in Umfangsrichtung im Wesentlichen wellenförmig ausgebildet ist;
12 eine schematische Darstellung von Umschlingungswinkelverläufen einer der Laufradschaufeln des Verdichterrads gemäß 11;
13 eine schematische Drahtgitterdarstellung einer weiteren Ausführungsform des Verdichterrads gemäß 11;
14 eine schematische Draufsicht einer Ausführungsform des Verdichterrads gemäß 11;
15 eine schematische Perspektivansicht des Verdichterrads gemäß 14;
16 eine schematische Seitenansicht des Verdichterrads gemäß den 14 und 15;
17 eine Darstellung von wirklichen und wirksamen, relativen Machzahlen an Schaufelspitzen einer gepfeilten Eintrittskanten-Beschaufelung eines Verdichterrads für unterschiedliche Drehzahlen.
Die 1 bis 4 zeigen ein Verdichterrad 10 für einen Radialverdichter, insbesondere eines Abgasturboladers einer Verbrennungskraftmaschine. Das Verdichterrad 10 weist einen Nabenkörper 12 mit einer außenumfangsseitigen Mantelfläche 14 auf. An der außenumfangsseitigen Mantelfläche 14 sind Laufradschaufeln 16 des Verdichterrads 10 angeordnet. Stellvertretend ist in der 1 eine der Laufradschaufeln 16 dargestellt. Die Laufradschaufeln 16 sind drehfest mit dem Nabenkörper verbunden und beispielsweise einstückig mit diesem ausgebildet.
Während des Betriebs des Verdichters wird das Verdichterrad 10 zumindest im Wesentlichen in axialer Richtung von der zu verdichtenden Luft an- und zumindest im Wesentlichen in radialer Richtung von der verdichteten Luft abgeströmt.
Ein Teil der Laufradschaufeln 16 weist eine jeweilige, erste Anströmkante 18 auf. Ein weiterer Teil der Laufradschaufeln 16 weist eine jeweilige, zweite Anströmkante 20 auf. Bei den die jeweilige erste Anströmkante 18 aufweisenden Laufradschaufeln 16 handelt es sich um sogenannte Hauptschaufeln des Verdichterrads 10. Bei den die jeweilige, zweite Anströmkante 20 aufweisenden Laufradschaufeln 16 handelt es sich um sogenannte Nebenschaufeln des Verdichterrads 10. Die Laufradschaufeln 16 sind über ihre Anströmkanten 18, 20 zumindest im Wesentlichen in axialer Richtung von der zu verdichtenden Luft anströmbar.
Wie insbesondere der 1 zu entnehmen ist, weisen die Anströmkanten 18, 20 einen jeweiligen, ersten Längenbereich 22 auf, der sich in radialer Richtung nach außen hin an die Mantelfläche 14 anschließt. Ferner weisen die Anströmkanten 18, 20 einen jeweiligen zweiten Längenbereich 24 auf, der in radialer Richtung weiter außen angeordnet ist als der erste Längenbereich 22 und der sich an eine jeweilige, weitere Laufradschaufelkante 26, die eine Außenkontur 28 des Verdichterrads 10 begrenzt, in radialer Richtung nach innen hin anschließt.
Der jeweilige, erste Längenbereich 22 schließt nun mit der Mantelfläche 14 einen jeweiligen ersten Winkel α ein. Der jeweilige, zweite Längenbereich 24 schließt mit der weiteren Laufradschaufelkante 26 einen jeweiligen, zweiten Winkel β ein. Der erste Winkel α liegt dabei in einem Bereich von einschließlich 30° bis einschließlich 150°. Der zweite Winkel β liegt in einem Bereich von einschließlich 10° bis einschließlich 90°.
In der 1 sind zum Vergleich auch weitere Anströmkanten 30 gezeigt, welche linear bzw. gerade verlaufen. Im Gegensatz dazu weisen die Anströmkanten 18, 20 eine von dem linearen bzw. geraden Verlauf unterschiedliche Kantengeometrie auf.
Wie der 1 ferner zu entnehmen ist, verlaufen die Längenbereiche 22, 24 jeweils in Richtung eines Radrückens 34 des Verdichterrads 10 und sind über einen dritten Längenbereich 36 miteinander verbunden. Der jeweilige, dritte Längenbereich 36 ist dabei konkav ausgebildet.
Durch diese Geometrie der Anströmkanten 18, 20, welche auch als Eintrittskanten bezeichnet werden, können Geräusche während des Verdichtens der Luft besonders gering gehalten oder vermieden werden, so dass das Verdichterrad 10 und damit der Verdichter ein besonders vorteilhaftes Geräuschverhalten aufweisen.
Dieses vorteilhafte Geräuschverhalten ist insbesondere den 6 und 7 zu entnehmen. Die 6 zeigt einen ersten Verlauf 38, welcher den Luftschall-Gesamtpegel während des Verdichtens der Luft mittels des Verdichterrads 10 gemäß den 1 bis 4 charakterisiert. Zweite Verläufe 40 charakterisieren den Luftschall-Gesamtpegel bei einem Verdichten der Luft mittels eines Verdichterrads, welches lediglich die linearen, weiteren Anströmkanten 30 aufweist.
Entsprechend dazu zeigt die 7 einen dritten Verlauf 42, welcher den Körperschall-Gesamtpegel beim Verdichten der Luft mittels des Verdichterrads 10 gemäß den 1 bis 4 charakterisiert. Vierte Verläufe 44 charakterisieren den Körperschall-Gesamtpegel beim Verdichten der Luft mittels eines Verdichterrads, welches lediglich die linearen, weiteren Anströmkanten 30 aufweist. Wie anhand der 6 und 7 ersichtlich ist, kann die Luft mittels des Verdichterrads 10 gemäß den 1 bis 4 wesentlich leiser verdichtet werden. Dies ist durch die geschilderte Geometrie der Anströmkanten 18, 20 realisiert, wobei die Laufradschaufeln 16 zumindest im Bereich der Anströmkanten 18, 20 als dreidimensionale Beschaufelung bzw. dreidimensionale Eintrittsbeschaufelung ausgebildet sind.
Wie der 4 zu entnehmen ist, können die Anströmkanten 18, 20 im Querschnitt bzw. in der Vorderansicht des Verdichterrads 10 einen S-Schlag oder einen C-Schlag aufweisen. Mit anderen Worten weisen die Laufradschaufeln 16 bezogen auf die Vorderansicht eine S-Schlag- oder C-Schlag-Kontur 45 auf.
Die 5 zeigt ein erstes Verdichterkennfeld des Verdichters mit dem Verdichterrad 10 gemäß den 1 bis 4 sowie ein zweites Verdichterkennfeld eines Verdichters mit einem Verdichterrad mit den linearen, weiteren Anströmkanten 30. Wie der 5 zu entnehmen ist, ist mittels des Verdichters mit dem Verdichterrad 10 auch eine besonders effiziente Verdichtung der Luft möglich. Mit anderen Worten führt die entsprechende Ausgestaltung der Geometrie der Eintrittskanten nicht zu unerwünscht hohen Wirkungsgradverlusten gegenüber dem Verdichterrad mit den linearen, weiteren Anströmkanten 30.
Ein weiterer Vorteil der Geometrie der Anströmkanten 18, 20 ist, dass die Vermeidung oder Reduzierung der Geräusche beim Verdichten der Luft ohne zusätzliche und separate, geräuschreduzierende Maßnahmen möglich sind. Dies führt zu einer geringen Teileanzahl, zu einem geringen Gewicht, zu einem geringen Bauraumbedarf sowie zu geringen Kosten des Verdichters.
Wie der 3 zu entnehmen ist, ist durch die entsprechende Ausgestaltung der Geometrie der Anströmkanten 18, 20 eine Vorpfeilung der Anströmkanten 18, 20 an jeweiligen Schaufelspitzen 46 realisiert. Dadurch ist eine vorteilhafte Verteilung von Machstößen in transsonischen Bereich ermöglicht. Auch können dadurch ein Verdrängungseffekt sowie daraus resultierende Druckstöße gering gehalten werden, was mit einer nur sehr geringen Geräuschentwicklung beim Verdichten der Luft einhergeht.
Die 8 zeigt eine Drahtgitterdarstellung einer ersten Laufradschaufel 48, einer zweiten Laufradschaufel 50 und einer dritten Laufradschaufel 52 einer weiteren Ausführungsform eines Verdichterrads für einen Radialverdichter. Bei der ersten Laufradschaufel 48 und der zweiten Laufradschaufel 50 handelt es sich um so genannte Hauptschaufeln, während die dritte Laufradschaufel 52 eine zwischen den Hauptschaufeln angeordnete Splitterschaufel des Verdichterrads ist. In der 8 ist auch eine Drehachse 54 gezeigt, um welche das Verdichterrad relativ zu einem Verdichtergehäuse des Radialverdichters drehbar ist. Die Laufradschaufeln 48, 50, 52 weisen eine jeweilige, erste Anströmkante 18 auf, über welche die Laufradschaufeln 48, 50, 52 in axialer Richtung des Verdichterrad von zu verdichtender Luft anströmbar sind.
Wie der 8 zu entnehmen ist, ist die jeweilige Anströmkante 18 streng radial, das heißt in radialer Richtung gerade ausgebildet. Ferner ist in der 8 ein Umschlingungswinkel φ der ersten Laufradschaufel 48 gezeigt, welcher sich von einschließlich φ_E = 0°C bis einschließlich φ_N 74°C erstreckt. φ_E bezeichnet dabei den Umschlingungswinkel φ am Eintritt des Verdichterrads, während φ_N den Umschlingungswinkel φ am Austritt bezeichnet.
An einer in radialer Richtung äußeren beziehungsweise äußersten Kantenspitze 56 der Anströmkante 18 der ersten Laufradschaufel 48 ist die Relativgeschwindigkeit in Umfangsrichtung W_1u des Verdichterrads als Vektorpfeil gezeigt. Wie der 8 zu entnehmen ist, ist bei der streng radial gerade verlaufenden Anströmkante 18 die wirkliche Relativgeschwindigkeitskomponente gleich der wirksamen Relativgeschwindigkeitskomponente W_1u,eff bzw. identisch mit dieser.
Wie der 8 ferner zu entnehmen ist, verläuft beispielsweise die Anströmkante 18 der ersten Laufradschaufel 48 entlang einer gestrichelt dargestellten, radialen Geraden 58. Mit anderen Worten fallen die radiale Gerade 58 und die Anströmkante 18 zusammen. Vorliegend sind drei Punkte A, B, C hervorgehoben, wobei der erste Punkt A der in radialer Richtung innerstes Punkt der Anströmkante 18 ist. Der dritte Punkt C liegt auf der radial äußeren bzw. äußersten Kantenspitze 56 und der zweite Punkt B liegt in radialer Richtung zwischen den Punkten A und C.
Die 9 zeigt Umschlingungswinkelverläufe von Skelettflächenpunkten der Stützpunktlinien der Drahtgitterdarstellung gemäß 8 beispielsweise der ersten Laufradschaufel 48 von dem streng radialen Eintritt 60 bei φ_E = 0°C bis zum Austritt 62 bei φ_N = 74°C in einem ersten Diagramm 64. Auf der ersten Abszisse 66 des ersten Diagramms 64 ist dabei die axiale Länge der ersten Laufradschaufel 48 aufgetragen, während auf der ersten Ordinate 68 des ersten Diagramms 64 der Umschlingungswinkel φ aufgetragen ist.
Anhand der Umschlingungswinkelverläufe ist auch eine Nabenkontur 70 des Verdichterrads sowie eine Außenkontur 72 erkennbar. Der streng radiale Verlauf der Anströmkante 18 führt dazu, dass die Umschlingungswinkelverläufe der Stützpunktlinien in einem gemeinsamen Punkt bei φ_E = 0°C zusammen laufen.
Die 10 und 11 zeigen eine alternative Ausführungsform des Verdichterrads gemäß den 8 und 9. Wie der 11 zu entnehmen ist, weist die jeweilige Anströmkante 18 nun einen in radialer Richtung inneren, ersten Kantenbereich 74 sowie einen in radialer Richtung äußeren, zweiten Kantenbereich 76 auf. Der zweite Kantenbereich 76 schließt sich dabei in radialer Richtung nach außen hin an den ersten Kantenbereich 74 an. Die Kantenbereiche 74, 76 sind dabei jeweils in Umfangsrichtung bogenförmigen ausgebildet.
Bezogen auf die gestrichelt dargestellte, radiale Gerade 58 und bezogen auf die Drehrichtung des Verdichterrads während des Betriebs des Verdichters ist der erste Kantenbereich 74 konkav ausgebildet, während der zweiten Kantenbereich 76 konvex ausgebildet ist. Die Kantenbereiche 74, 76 bilden somit eine Wellenform der Anströmkante 18, welche somit zumindest im Wesentlichen Sinuskurven bzw. nach Art einer Sinuskurve ausgebildet ist. Die Wellenform kann sich jedoch auch von einer Sinuskurve deutlich unterscheiden. Die Laufradschaufeln 48, 50, 52 sind rückwärtsgekrümmt.
Die 10 zeigt die Skelettfläche bzw. die Drahtgitterdarstellung beispielsweise der ersten Laufradschaufel 48 gemäß 11 mit in die Bildebene der 10 gedrehten Geometriepunkten. Die Wellenform der Anströmkante 18 ist vorliegend nicht erkennbar, da alle ausgelenkten Geometriepunkte entsprechend der Darstellung um die Drehachse 54 in die Bildebene der 10 gedreht sind. Gleiches gilt auch für einen Wellenformbereich 78 der ersten Laufradschaufel 48. Die Wellenform der Anströmkante 18 klingt hinsichtlich ihrer Amplituden, das heißt hinsichtlich ihrer Maxima in Erstreckung der ersten Laufradschaufel 48 bezogen auf die axiale Richtung hin zu einem Radrücken 80 (15 und 16) des Verdichterrads sukzessive ab. Dies bedeutet, dass die erste Laufradschaufel 48 in einem sich an den Wellenformbereich 78 in axialer Richtung anschließenden, weiteren Laufradschaufelbereich 82 zumindest im Wesentlichen gerade ausgebildet ist.
Auf Grund der Wellenform der Anströmkante 18 schneidet nun die radiale Gerade 58 die Anströmkante 18 lediglich in den drei Punkten A, B, C. Mit i ist die innere Amplitude bzw. das innere Maxima der Wellenform bezeichnet. Mit a ist die äußere Amplitude bzw. das äußere Maximum der Wellenform bezeichnet. Auf Grund der Wellenform liegen die Amplituden i, a nicht auf einer gemeinsamen Gerade. Bezogen auf den Umschlingungswinkel φ liegt die innere Amplitude i auf einer Geraden bei Umschlingungswinkel φ_Amp,i = φ_Amp0,i, während die äußere Amplitude a auf einer Geraden bei Umschlingungswinkel φ_Amp,a = φ_Amp0,a liegt.
Wie in Zusammenschau mit 11 erkennbar ist, liegt der Umschlingungswinkel φ der äußeren Amplitude φ_Amp0,a gegenüber dem Umschlingungswinkel am Eintritt φ_E = 0° bei –6°.
Die jeweiligen Werte der inneren Amplitude i und der äußeren Amplitude a können sich dabei voneinander unterscheiden. Dadurch kann die Anströmkante 18 bedarfsgerecht und strömungsgünstig ausgestaltet werden.
Durch die wellenförmige Ausgestaltung der Anströmkante 18 ergibt sich insbesondere gegenüber der streng radialen Anströmkante 18 ein vorteilhafter physikalischer Verlauf, insbesondere im radial äußeren Schaufelbereich, in welchem die Richtung der Zugströmung der Anströmkante 18 entsprechend dem Winkel der Anströmkante 18 sehr schräg ist.
Verwendet man die Analogie zum Pfeilflügel von A. Bussemann von 1935, der zur Absenkung der wirksamen Machzahl dient, so ergibt sich über dem Cosinus des Verteilungswinkels die Absenkung der wirksamen Machzahl, wie insbesondere in 8 erkennbar ist, zur wirklichen, relativen Machzahl der Kantenspitze 56. Unter der Annahme der Analogie zum Pfeilflügel von A. Bussemann zeigt die 17 ein zweites Diagramm 84, auf dessen zweiter Abszisse 86 der reduzierte Massenstrom [kg/s] aufgetragen ist. Auf der zweiten Ordinate 88 sind relative Machtzahlen M1_rel aufgetragen.
Das zweite Diagramm 84 zeigt dabei die relativen Machtzahlen M1_rel bei unterschiedlichen Drehzahlen des Verdichterrads. Mit M1r_S ist eine Schaufelspitzen-Machzahl gezeigt. Mit M1r_S_eff ist eine Effektivmachzahl bei einer Pfeilung von 55° gezeigt.
Das Diagramm 84 gemäß 17 zeigt ferner die wirklichen und wirksamen, relativen Machzahlen M1_rel an der Kantenspitze 56 einer gepfeilten Anströmkante mit einem Pfeilungswinkel ξ_A von 55°C für unterschiedliche Verdichterdrehzahlen bis beispielsweise die obere Drehzahl von 150.000 Umdrehungen pro Minute. Ab der Drehzahl von 120.000 Umdrehungen pro Minute bewegt man sich in dem transsonisch Geschwindigkeitsbereich der relativen Schaufelzuströmung an der Kantenspitze 56. Die Drehzahllinie 140.000 Umdrehungen pro Minute und 150.000 Umdrehungen pro Minute befinden sich im merklichen Überschallbereich bis an die Relativmachtzahlen von 1,2.
Das zweite Diagramm 84 gibt zumindest tendenziell die Wirksamkeit der Machtzahlabsenkung durch den Pfeilungswinkel als Hauptparameter wieder. Die vorteilhafte Wellenform der Anströmkante 18 führt somit zur Absenkung der aerodynamischen Belastung, insbesondere im äußeren Bereich der Anströmkante 18 bei dazu überproportionaler Reduktion des Wellenwiderstands bei einer Verlustabsenkung des Druckwiderstands in diesem zur Umfangsrichtung schräg liegenden Anströmkantenbereich, der bei hohen Raddrehzahlen transsonische und gegebenenfalls merkliche Überschallbereiche der wirklichen relativen Strömungsgeschwindigkeit vorliegen hat.
Aufgrund der wellenförmigen Ausgestaltung der Anströmkante 18 befinden sich die Punkte A, B, C auf der radialen Geraden 58, wodurch die Momentenbelastung im Eintrittsbereich der ersten Laufradschaufel 48 verringert ist, besonders gegenüber einem C-förmigem Verlauf, der einen gleichen Pfeilungswinkel aufweist. Die 10 zeigt ferner einen Radialbereich 90 der Anströmkante 18, welcher sich von einem radial inneren ersten Durchmesser D1s bis zu einem äußeren, zweiten Durchmesser D2t der Anströmkante 18 bzw. des Verdichterrads erstreckt. Im Radialbereich 90 weist die erste Laufradschaufel 48 eine geringere Wanddicke auf, als in einem weiteren Radialbereich 92, welcher sich in radialer Richtung nach innen hin an den Radialbereich 90 anschließt. Durch diese Dickenverteilung und den geeigneten Werkstoff des Verdichterrads weist das Verdichterrad eine hohe Robustheit auf, was mit einer hohen Lebensdauer einhergeht. Vorzugsweise ist ein Quotient D1s/D1t größer als 0,5.
Analog zum Pfeilflügel ist die Vorpfeilung der Anströmkante 18 der ersten Laufradschaufel 48 in der 11 durch einen Pfeilungswinkel ξ_A realisiert, welcher vorliegend –55°C beträgt. Dies bedeutet, dass die Anströmkante 18 in ihrem radial äußeren bzw. äußersten Bereich rückwärtsgekrümmt, das heißt entgegen der Drehrichtung des Verdichterrads während des Betriebs des Radialverdichters gekrümmt ist. Der Pfeilungswinkel ξ_A wird dabei von einer Tangente 94 an die Anströmkante 18 und von der radialen Geraden 58 eingeschlossen, wobei sowohl die Tangente 94 als auch die radiale Gerade 58 durch die Kantenspitze 56 verlaufen.
In der 11 ist auch der Strömungsvektor der Relativgeschwindigkeit in Umfangsrichtung W_1u sowie seine Komponente senkrecht auf der Anströmkante 18, das heißt die wirksame Relativgeschwindigkeitskomponente W_1u,ef gezeigt. Die wirksame, Relativgeschwindigkeitskomponente W_1u,ef ergibt sich dabei aus: W_1u,eff = w_1u·cos(ξ_A)
Die 12 zeigt im ersten Diagramm 64 den bzw. die Umschlingungswinkelverläufe von Skelettflächenpunkten der Stützpunktlinien der ersten Laufradschaufel 48 gemäß 11. Vorliegend sind lediglich die Punkte A, B, C der Skelettfläche der Anströmkante 18 im Nullpunkt, während die Auslegung bzw. die Wellenform gegenüber dem streng radialen Verlauf zur Spreizung der Linienverläufe im Bereich des Eintritts 60 führen. Der Verlauf der Amplituden bzw. der Wellenform über einen Amplitudenumschlingungswinkelbereich φ_Amp ist dabei eine Funktion der Erstreckung bzw. die Länge der ersten Laufradschaufel 48.
Die 13 zeigt eine weitere Ausführungsform der Laufradschaufeln 48, 50, 52, wobei diese – wie insbesondere anhand der ersten Laufradschaufel 48 zu erkennen ist – vorwärts gekrümmt ausgebildet sind. Dies bedeutet, dass der Pfeilungswinkel ξ_A zwischen der radialen Geraden 58 und der Tangente 94 an die Anströmkante 18 durch den dritten Punkt C +55° beträgt. Der Betrag der wirksamen Relativgeschwindigkeitskomponente W_1u,eff entspricht in diesem Fall der wirksamen Relativgeschwindigkeitskomponente W_1u,eff gemäß 11, jedoch von der Richtung her an der Achse der wirklichen Relativgeschwindigkeit in Umfangsrichtung W_1u in Umfangsrichtung gespiegelt.
Zur Darstellung dieser Vorwärtskrümmung, wobei die Anströmkante 18 in ihrem radial äußersten Bereich in Drehrichtung des Verdichterrads gebogen bzw. gekrümmt ist, ist der erste Kantenbereich 74 bezogen auf die radiale Gerade 58 und die Drehrichtung konvex ausgebildet ist, während der zweite Kantenbereich 76 konkav ausgebildet ist.
Die 14 bis 16 zeigen ein mit 96 bezeichnetes Verdichterrad, welches beispielsweise zu den Laufradschaufeln 48, 50, 52 gemäß 11 gehört.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102007055616 A1 [0002]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Analogie zum Pfeilflügel von A. Bussemann von 1935 [0074]

Claims

Verdichterrad (10) für einen Verdichter, insbesondere einen Radialverdichter, einer Strömungsmaschine, mit einem Nabenkörper (12) und mit wenigstens einer Laufradschaufel (16), welche auf einer außenumfangsseitigen Mantelfläche (14) des Nabenkörpers (12) angeordnet und welche über wenigstens eine Anströmkante (18, 20) in axialer Richtung des Verdichterrads (10) von einem mittels des Verdichterrads (10) zu verdichtenden Medium anströmbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Anströmkante (18, 20) einen sich an die Mantelfläche (14) in radialer Richtung nach außen hin anschließenden ersten Längenbereich (22) und einen zweiten Längenbereich (24), der sich an eine eine Außenkontur (28) der Laufradschaufel (18, 20) begrenzende, weitere Laufradschaufelkante (26) in radialer Richtung nach innen hin anschließt, aufweist, wobei der erste Längenbereich (22) mit der Mantelfläche (14) bezogen auf die axiale Richtung einen ersten Winkel (α) von mindestens 30 Grad und höchstens 150 Grad und der zweite Längenbereich (24) mit der weiteren Laufradkante (26) einen zweiten Winkel (13) von mindestens 10 Grad und höchstens 90 Grad einschließt.
Verdichterrad (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Längenbereich (22) und/oder der zweite Längenbereich (24) schräg zur axialen Richtung und schräg zur radialen Richtung verlaufen.
Verdichterrad (10) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Längenbereich (22) und/oder der zweite Längenbereich (24) in Richtung eines Radrückens (34) des Verdichterrads (10) verlaufen.
Verdichterrad (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Längenbereich (22) und/oder der zweite Längenbereich (24) zumindest im Wesentlichen bogenförmig ausgebildet sind.
Verdichterrad (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein zwischen dem ersten Längenbereich (22) und dem zweiten Längenbereich (24) angeordneter, dritter Längenbereich (36) zumindest im Wesentlichen bogenförmig ausgebildet ist.
Verdichterrad (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Längenbereich (36) konkav ausgebildet ist.
Verdichterrad (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufradschaufel (16) zumindest im Bereich der Anströmkante (18, 20) als dreidimensionale Beschaufelung ausgebildet ist.
Verdichterrad (96) für einen Verdichter, insbesondere einen Radialverdichter, einer Strömungsmaschine, mit wenigstens einer Laufradschaufel (48, 50, 52), welche über wenigstens eine Anströmkante (18) in axialer Richtung des Verdichterrads (96) von einem mittels des Verdichterrads (96) zu verdichtenden Medium anströmbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Anströmkante (18) zumindest einen in Umfangsrichtung des Verdichterrads (96) bogenförmig ausgebildeten Kantenbereich (74) aufweist.
Verdichterrad (96) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass sich in radialer Richtung an den Kantenbereich (74) wenigstens ein in Umfangsrichtung des Verdichterrads (96) bogenförmig ausgebildeter, weiterer Kantenbereich (76) anschließt, wobei die Kantenbereiche (74, 76) im Wesentlichen eine Wellenform der Anströmkante (18) ausbilden.
Verdichter für eine Strömungsmaschine, insbesondere einen Abgasturbolader, mit einem Verdichterrad (10, 96) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.