DE19920524C2 - Radialverdichter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Radialverdichter nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Radialverdichter werden in vielen Bereichen der Technik zur Er­ zeugung eines verdichteten Gasstroms eingesetzt. So verdichtet man beispielsweise bei vielen Verbrennungskraftmaschinen, insbe­ sondere bei größeren Dieselmotoren, die zugeführte Ladeluft mit Hilfe eines Radialverdichters, um die Leistung zu erhöhen. Diese Ladeluftverdichtung wird häufig als "Aufladung" bezeichnet. Oft­ mals wird der Radialverdichter durch eine Abgasturbine angetrie­ ben und bildet mit dieser einen sogenannten Abgasturbolader.

Bei Radialverdichtern besteht das Problem, daß sie bei Unter­ schreiten eines bestimmten Volumenstroms in einen instabilen Be­ triebszustand übergehen. Man spricht in diesem Zusammenhang auch vom "Pumpen" des Radialverdichters. In diesem Zustand baut der Radialverdichter nur einen ungenügenden Druck auf, was sich bei­ spielsweise bei aufgeladenen Verbrennungskraftmaschinen als so­ genanntes "Turboloch" bei niedrigen Drehzahlen bemerkbar macht. Außerdem treten starke instationäre Strömungen auf, die die Bau­ teile des Radialverdichters mechanisch erheblich belasten und die Lebensdauer des Radialverdichters verringern können.

Es sind daher verschiedene Maßnahmen entwickelt worden, die darauf abzielen, die Pumpgrenze, d. h. die Grenze zwischen dem stabilen und dem instabilen Bereich, zu niedrigeren Volumenströ­ men hin zu senken. Dies erhöht bei aufgeladenen Verbrennungsmo­ toren deren Leistung im unteren Drehzahlbereich und führt zu verminderten Schadstoffemissionen.

Eine dieser Maßnahmen ist als sogenannte Wandbehandlung bekannt und beinhaltet das Einbringen von Wandschlitzen in die den Strömungskanal begrenzende Gehäusewandung, wie dies in der gat­ tungsbildenden US 4.212.585 beschrieben ist. Der dort offen­ barte Radialverdichter hat ein Gehäuse, in dem eine mit Lauf­ schaufeln versehene Nabe angeordnet ist. Eine Innenfläche des Gehäuses und die Oberfläche der Nabe bilden die Grenzflächen eines Strömungskanals. Darin ist konzentrisch zur Nabe ein Ring angeordnet, der in einer Aussparung in der Innenfläche des Ge­ häuses aufgenommen ist. Die stromabwärts weisende Stirnfläche des Rings stößt so bündig an eine korrespondierende Stirnfläche der Aussparung, dass der Strömungskanal gehäuseseitig keine Stufe aufweist. Auf der Höhe der stromaufwärts gerichteten En­ den der Laufschaufeln sind in der inneren Wandung des Rings Wandschlitze angeordnet, die die gewünschte Verschiebung der Pumpgrenze bewirken. Es wird vermutet, dass die Wandschlitze der Bildung von sich im vorderen Laufradbereich bildenden Re­ zirkulationswirbeln entgegenwirken, die als maßgebend für das Einsetzen des "Pumpens" angesehen werden.

In der Offenlegungsschrift EP 0 348 674 A1 ist eine Einrichtung zur Kennfelderweiterung eines Radialverdichters zu kleinen Durchsätzen im Eintrittsbereich des Laufrades des Verdichters offenbart, die eine Ausnehmung beinhaltet, welche in Umfangs­ richtung eines Verdichtereintrittskanals verläuft und sich stromaufwärts von der Eintrittsöffnung des Laufrades aus er­ streckt und in die ein Stabilisierungsring integriert ist, der vor dem Laufrad und außerhalb des Hauptströmungskanals angeord­ net ist und auf seinem Außenumfang eine Anzahl Schaufeln trägt, die ihrerseits an der Innenkontur der Ausnehmung verankert sind.

In der Offenlegungsschrift DE 40 27 174 A1 ist ein Radialver­ dichter mit einer Einrichtung zur Kennlinienstabilisierung be­ schrieben, die einen Zirkulationsraum zwecks Druckausgleich zwischen Verdichterlaufrad und einem Einlassbereich stromauf­ wärts des Laufrades aufweist. Im Einlassbereich ist ein Ein­ laufring vorgesehen, mit dem dort die Strömung kennlinienstabi­ lisierend und verlustarm beeinflusst werden soll und der kun­ denspezifisch abgeändert werden kann. Radial nach innen wird der Zirkulationsraum von einem Konturring begrenzt, der sich axial zwischen einer stromaufwärtigen, mit dem Eintrittsbereich in Verbindung stehenden Einlaufnut und einer Konturnut er­ streckt, die im Bereich der Laufradkontur in die Hauptströmung mündet.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Radialverdichter der ein­ gangs genannten Art bereitzustellen, bei dem durch geeignete Maßnahmen ein Absenken der Pumpgrenze erzielt wird.

Die Erfindung löst diese Aufgabe durch die Bereitstellung eines Radialverdichters mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Bei diesem Radialverdichter ist zwischen der stromabwärts gerichteten Stirnfläche des Rings und einer dazu korrespondierenden strom­ aufwärts gerichteten Stirnfläche der Aussparung ein ringförmi­ ger Spalt vorgesehen, der sich axial ganz innerhalb des von den Laufschaufeln eingenommenen Axialbereichs befindet, d. h. die ihn stromaufwärts begrenzende Ringstirnfläche liegt in Strö­ mungsrichtung hinter dem stromaufwärtigen Ende der Lauf­ schaufeln. Die stromaufwärtigen Laufschaufelenden liegen axial mit gegenüber der Wandschlitzbreite größerem Abstand zu den beiden axialen Wandschlitzenden zwischen denselben. Es hat sich herausgestellt, dass sich bei so ausgelegten Radialverdichtern mit Spalt die Pumpgrenze noch einmal deutlich zu niedrigeren Volumenströmen hin verschiebt. Besonders gute Ergebnisse lassen sich erzielen, wenn zur Schaffung eines Druckausgleichs der Spalt über vom Strömungskanal unabhängige Kanäle mit dem strom­ aufwärts gelegenen Raum vor dem Ring verbunden ist.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung nach Anspruch 2 beträgt die Ausdehnung des ringförmigen Spalts in axialer Richtung 1 bis 5 Prozent des Durchmessers des Laufrades. Bei einer weite­ ren Ausgestaltung nach Anspruch 3 erstrecken sich die Wand­ schlitze von der Innenfläche des Ringes schräg unter einem Win­ kel von 30° bis 90° zur Innentangente des Ringes in dessen Querebene hinein bis zu einer Tiefe, die etwa gleich ist der Schallgeschwindigkeit des Gases dividiert durch das Produkt aus der vierfachen Drehfrequenz und der Anzahl der Laufschaufeln. Die Ausdehnung der Wandschlitze in axialer Richtung ist dabei nicht größer als diese Tiefe. Es hat sich gezeigt, dass jede der Ausgestaltungen nach den Ansprüchen 2 und 3 zusätzlich zu einer niedrigen Pumpgrenze beiträgt.

Bei einer Ausgestaltung nach Anspruch 4 ist der Ring in der Aussparung in radialer Richtung durch auf der Innenseite des Gehäuses angeordnete Längsrippen geführt. Die Längsrippen bil­ den zusammen mit der Gehäuseinnenfläche und der Ringaußenfläche die oben bereits erwähnten Kanäle zur Schaffung eines Druckaus­ gleichs zwischen dem Spalt und dem stromaufwärts gelegenen Raum vor dem Ring. Damit sind keine zusätzlichen Bohrungen im Gehäu­ se erforderlich.

Bei einer Ausgestaltung nach Anspruch 5 ist der Ring in axialer Richtung durch eine oder mehrere durch die Gehäusewandung hin­ durchgeführte Schrauben fixiert. Diese Befestigung ist kon­ struktiv einfach und jederzeit problemlos lösbar.

Bei einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 6 ist der Ring in der Aussparung in axialer Rich­ tung verschiebbar angeordnet. Mit Hilfe von geeigneten Fixier­ mitteln ist eine Fixierung des Ringes in mehreren unterschied­ lichen axialen Positionen möglich. Auf diese Weise kann die Ausdehnung des Spaltes in axialer Richtung, d. h. die Spaltbrei­ te, verändert werden, ohne dass hierfür neue Bauteile oder umfangreiche Umbauten erforderlich sind. Eine Verstellung der Spaltbreite kann beispielsweise sinnvoll sein, um den Radialver­ dichter an veränderte Betriebsparameter, etwa Temperatur und Dichte der Ansaugluft, anzupassen.

Vorteilhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden nachfolgend beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 einen hälftigen Längsschnitt durch einen Radialverdich­ ter mit einem Ring mit Wandschlitzen in einer verein­ fachten Darstellung und

Fig. 2 zwei Schnitte durch den Ring aus Fig. 1 zur Erläuterung der Geometrie der Wandschlitze.

Der in Fig. 1 gezeigte Radialverdichter RV weist ein Gehäuse G auf, in dem ein Laufrad mit Laufachse LA angeordnet ist, das ei­ ne Nabe N und daran befestigte Laufschaufeln LS umfaßt. Die Strömungsrichtung des durch einen Strömungskanal SK des Verdich­ ters RV strömenden Gases ist durch Pfeile P angegeben. Das Ge­ häuse G hat auf seiner zum Strömungskanal SK weisenden Innenflä­ che eine Aussparung A, in die ein Ring R konzentrisch zur Lauf­ achse LA eingesetzt ist. Aus fertigungstechnischen Gründen ist der Ring R aus zwei Teilringen R1 und R2 zusammengesetzt. Die Innenfläche des Ringes R ist mit einer Vielzahl von Wandschlit­ zen WS versehen, deren Gestalt weiter unten näher erläutert wird.

Zwischen der stromabwärts gerichteten Stirnfläche SFR des Rings R und der dazu korrespondierenden stromaufwärts gerichteten Stirnfläche SFA der Aussparung A ist ein ringförmiger Spalt S belassen. Die Breite dieses Spaltes S, d. h. dessen Ausdehnung in axialer Richtung, hat einen wesentlichen Einfluß auf die Pump­ grenze. Es hat sich herausgestellt, daß bei einer Spaltbreite von 1 Prozent bis 5 Prozent des Durchmessers des Laufrades eine besonders niedrige Pumpgrenze erzielbar ist.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die axiale Lage des Rings R in der Aussparung A durch eine Schraube FS fixierbar. Zur Aufnahme der Schraube FS ist eine Bohrung B mit Innengewinde in der Wandung des Gehäuses G vorgesehen. Das, Ende des Schraubenbolzens greift in eine Nut N ein, die auf der Außenfläche des Rings R umläuft. Im dargestellten Ausführungs­ beispiel ist nur eine Nut N vorgesehen, so daß der Ring R in der Aussparung A nur in einer einzigen axialen Position fixierbar ist. Es können jedoch auch mehrere parallele Nuten vorgesehen sein, so daß eine Fixierung des Rings in mehreren axialen Posi­ tionen möglich ist. Es kann auch ganz auf Nuten verzichtet wer­ den, wenn das Bolzenende der Schraube FS härter als die Außen­ fläche des Rings R ist und sich somit in diese hineindrücken läßt. Im letztgenannten Fall ist die Breite des Spalts S stufen­ los festlegbar. Ein Verändern der Spaltbreite ist folglich mit sehr geringem Aufwand möglich, da lediglich die Schraube FS ge­ löst und der Ring R in axialer Richtung in die gewünschte Posi­ tion verschoben zu werden braucht. Anschließend wird die Schrau­ be FS wieder angezogen. Die Fixierbarkeit des Rings in mehreren axialen Positionen erlaubt es, den Radialverdichter durch Verän­ dern der Spaltbreite an veränderte Betriebsbedingungen (Tempe­ ratur und Dichte der Ansaugluft etc.) anzupassen. Gegebenenfalls ist es sinnvoll, anstatt nur einer Schraube FS mehrere Schrauben zur Fixierung vorzusehen, die radialsymmetrisch auf dem Gehäuse­ umfang angeordnet sind.

Die Aussparung A kann als Bohrung ausgeführt sein, so daß die gesamte Außenfläche des Rings R bündig an der Innenfläche der Aussparung A anliegt. Alternativ hierzu ist es möglich, auf der Innenfläche der Aussparung mehrere Längsrippen LR vorzusehen, die sich in axialer Richtung erstrecken. Nur die radial nach in­ nen weisenden Enden der Längsrippen LR berühren dann die Außen­ fläche des Rings R, während der übrige Teil der Innenfläche der Aussparung von der Außenfläche des Rings R durch einen radialen Spalt getrennt ist, der an den axialen Spalt S angrenzt. Dieser radiale Spalt dient zugleich als Verbindungskanal zwischen dem axialen Spalt und dem stromaufwärts gelegenen Raum vor dem Ring. Eine solche radiale Führung des Rings R durch Längsrippen LR hat ferner den Vorteil, daß Fertigungstoleranzen sich weniger be­ merkbar machen.

Wie Versuche gezeigt haben, ist die Pumpgrenze besonders nied­ rig, wenn der Ring R so im Strömungskanal SK angeordnet ist, daß die stromaufwärts gerichteten Enden E der Laufschaufeln LS auf einer Höhe, vorzugsweise annähernd mittig, zwischen den axialen Enden der Wandschlitze WS liegen. Bei einer Drehung des Laufra­ des überstreichen somit die stromabwärts gerichteten Enden E der Laufschaufeln die Wandschlitze WS nur teilweise.

Mit Bezug auf Fig. 2 wird im folgenden die Gestalt des Rings R näher erläutert. Der Ring R besteht im wesentlichen aus dem Teilring R1, der zu seiner einen Stirnseite hin auf seiner In­ nenfläche mit Wandschlitzen WS versehen ist. Auf diese Stirnsei­ te ist der Teilring R2 in der Art eines Deckels aufgeschraubt, aufgeschrumpft oder auf andere Weise befestigt. Der zweiteilige Aufbau hat den Vorteil, daß auf diese Weise der Ring R leichter mit Wandschlitzen versehen werden kann. Die Wandschlitze WS er­ strecken sich von der Innenfläche des Teilringes R1 schräg unter einem Winkel W zur Innentangente IT des Teilringes in dessen Wandung hinein, und zwar in der zur Stirnfläche parallelen Querebene des Rings. Die Definition der Breite B, der Tiefe T und der Höhe H der Wandschlitze WS ist der Fig. 2 entnehmbar. Eine besonders niedrige Pumpgrenze läßt sich erzielen, wenn der Winkel W zwischen 30° und 90° liegt, die Tiefe T etwa gleich der Schallgeschwindigkeit des zu verdichtenden Gases dividiert durch das Produkt aus der vierfachen Drehfrequenz und der Anzahl der Laufschaufeln ist und außerdem die Höhe H der Wandschlitze nicht größer ist als die Tiefe T.

Claims (6)

1. Radialverdichter zum Erzeugen eines verdichteten Gasstroms mit
einem Gehäuse (G),
einem darin angeordneten Laufrad, das eine Drehachse (LA) definiert und eine Nabe (N) hat, die Laufschaufeln (LS) trägt und deren Oberfläche zusammen mit einer In­ nenfläche des Gehäuses einen Strömungskanal (SK) be­ grenzt, und
einem im Strömungskanal konzentrisch zur Nabe angeord­ neten Ring (R), der in einer Aussparung (A) in der Innenfläche des Gehäuses aufgenommen ist und auf seiner Innenfläche in einem von der stromabwärts gerichteten Stirnfläche (SFR) axial beabstandeten Bereich mit Wand­ schlitzen (WS) versehen ist,
dadurch gekennzeichnet, daß
die stromaufwärts gerichteten Enden (E) der Laufschau­ feln (LS) axial zwischen den axialen Enden der Wand­ schlitze (WS) liegen und dabei zu beiden Wandschlitzen­ den einen axialen Abstand größer als die Schlitzbreite (B) einhalten und
zwischen der stromabwärts gerichteten Stirnfläche (SFR) des Rings (R) und einer dazu korrespondierenden strom­ aufwärts gerichteten Stirnfläche (SFA) der Aussparung ein ringförmiger Spalt (S) gebildet ist.

2. Radialverdichter nach Anspruch 1, weiter dadurch gekennzeichnet, daß die Ausdehnung des ringförmigen Spalts in axialer Rich­ tung 1 Prozent bis 5 Prozent des Durchmessers des Laufrades beträgt.

3. Radialverdichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter dadurch gekennzeichnet, daß die Wandschlitze (WS) sich von der Innenfläche des Ringes (R) unter einem Winkel (W) von 30° bis 90° zur Innentangen­ te in die Querebene des Ringes hinein bis zu einer Tiefe (T) erstrecken, die etwa gleich der Schallgeschwindigkeit des Gases dividiert durch das Produkt aus der vierfachen Drehfrequenz und der Anzahl der Laufschaufeln ist, und die Ausdehnung (H) der Wandschlitze in axialer Richtung nicht größer ist als diese Tiefe.

4. Radialverdichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter
dadurch gekennzeichnet, daß der Ring (R) in radialer Richtung durch auf der Innenseite des Gehäuses angeordnete Längsrippen (LR) so geführt ist,
dass zwischen dem Spalt und dem stromaufwärts gelegenen Raum vor dem Ring eine vom Strömungskanal unabhängige Ver­ bindung entsteht.

5. Radialverdichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter dadurch gekennzeichnet, daß der Ring in axialer Richtung durch wenigstens eine durch die Gehäusewandung hindurchgeführte Schraube (FS) fixiert ist.

6. Radialverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, weiter dadurch gekennzeichnet, daß der Ring (R) in der Aussparung (A) in axialer Richtung ver­ schiebbar angeordnet ist und Fixiermittel (FS) vorgesehen sind, die eine Fixierung des Ringes in wenigstens zwei un­ terschiedlichen axialen Positionen erlauben.