Verdichtergehäuse

Abstract

 Zur Reduktion der Umfangsasymmetrie in Verdichteraustrittsgehäusen wird ein Sammelraum mit zwei Abschnitten unterschiedlicher Querschnittsflächengestaltung (21, 22) vorgestellt.
Hierdurch wird eine verbesserte Durchströmung der vorgeschalteten Komponenten Radialdiffusor und Laufrad sowie ein homogeneres Aufsammeln des Volumenstroms über den Umfang erreicht, wodurch sich eine Wirkungsgradsteigerung ergibt.

Beschreibung

Technisches Gebiet

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Radialverdichter, wie sie etwa in Abgasturboladern zum Aufladen von Brennkraftmaschinen eingesetzt werden.
Die Erfindung betrifft ein Austrittsgehäuse eines solchen Radialverdichters.

Stand der Technik

[0002] Radialverdichter werden etwa im Abgasturbolader oder als Industrieverdichter in der Prozessindustrie eingesetzt. Abgasturbolader werden zur Leistungssteigerung von Brennkraftmaschinen (Hubkolbenmotoren) eingesetzt. Ein Abgasturbolader besteht aus einer Abgasturbine im Abgasstrom der Brennkraftmaschine und dem Verdichter im Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine. Das Turbinenrad der Abgasturbine wird vom Abgasstrom des Motors in Rotation versetzt und treibt über eine Welle das Laufrad des Verdichters an. Der Verdichter erhöht den Druck im Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine, so dass beim Ansaugen eine größere Menge Luft in die Brennkammern gelangt. Bei Radialverdichtern strömt die Luft axial in das Laufrad der Verdichterstufe und wird dann nach außen, in die radiale Richtung abgelenkt.
In Radialverdichterstufen muss der aus dem Verdichterrad austretende Volumenstrom, damit er der Brennkraftmaschine zugeführt werden kann, nach dem Radialdiffusor über dem Umfang gesammelt werden. Hierzu werden als Sammelraum Spiralen oder Kollektoren eingesetzt. Spiralen weisen eine anwachsende Querschnittsfläche über den Umfang auf, wohingegen Kollektoren eine konstante Querschnittsfläche über den Umfang haben. In modernen Radialverdichterstufen mit hohen Anforderungen an Wirkungsgrad und Druckverhältnis werden in der Regel Spiralen eingesetzt, da diese gegenüber Kollektoren einen geringeren Verlustbeiwert aufweisen. Der Querschnittsflächenzuwachs ist dabei generell so ausgelegt, dass der Volumenstrom kontinuierlich aufgesammelt wird und sich ein möglichst homogenes Strömungsfeld über den Umfang ausbildet.
Am Übergang zwischen Anfang und Ende der Spirale, im Folgenden als Zunge bezeichnet, wird der aus dem Radialdiffusor strömende Volumenstrom geteilt, in einen ersten Teilstrom, welcher über dem Umfang aufgesammelt wird und einen zweiten Teilstrom, welcher direkt in den nachgeschalteten Diffusor strömt. Im zweiten Teilstrom wird die Strömung stärker aufgerichtet, im ersten Teilstrom weniger stark. Dadurch kann sich über der Zunge ein Drucksprung und damit eine Umfangsasymmetrie ergeben, die sich negativ auf die Thermodynamik und die mechanische Belastung der vorgeschalteten Komponenten auswirken kann. In modernen, kompakten Radialverdichterstufen findet eine starke Interaktion zwischen den einzelnen Komponenten statt. Insbesondere bei beschaufelten Radialdiffusoren kommt es im ersten Umfangsdrittel der Spirale zu einer ausgeprägten Wechselwirkung zwischen Radialdiffusor und Spirale, die zu einer starken Umfangsasymmetrie führen kann.
Ein Mass für die Beurteilung der Umfangsasymmetrie ist der normierte Druck bzw. die normierte Druckdifferenz, auch Distortion genannt. Die Ausprägung der Umfangsasymmetrie hängt von der Spiralgeometrie sowie der Diffusorschaufelzahl, dem Abstand der Diffusorschaufelhinterkante zum Spiraleintritt, dem Diffusortyp, dem Laufrad bzw. dem Volumenstrom, etc. ab.
Durch die Umfangsasymmetrie kann es direkt und indirekt zu negativen Auswirkungen auf den Wirkungsgrad der Verdichterstufe kommen. Direkt ergeben sich Ablösungen an einzelnen Schaufeln des Radialdiffusors, und der Betriebspunkt des Laufrads variiert mit der Umfangsposition, was in der Summe eine Wirkungsgradreduktion bedeutet. Aufgrund der damit verbundenen höheren Schwingungsanregung der Laufradschaufeln müssen diese in der Regel dicker ausgeführt werden, woraus sich indirekt eine weitere Wirkungsgradreduktion ergibt.
Ferner kommt es durch den starken Druckgradienten im Bereich der Zunge zu einer Rückströmung von wandnaher Luft, welche bereits in der Spirale gesammelt wurde, aus dem Diffusor in die Spirale. Hierdurch ergeben sich zusätzliche Verluste und der Volumenstrom kann nicht kontinuierlich über den Umfang gesammelt werden. Bei der klassischen Gestaltung ist die Spiralfläche entlang des gesamten Spiralumfangs bis wieder zum Spiralanfang ausgebildet. Um die Umfangsasymmetrie zu reduzieren, kann die Zunge modifiziert werden. Dabei ist die Spiralfläche im Bereich der Durchdringung nicht ausgebildet, so dass die Spirale nach der Durchdringung beginnt (man spricht dabei von einer "ausgeschnittenen Zunge").
Um die Umfangsasymmetrie zu reduzieren, können auch asymmetrisch ausgebildete Radialdiffusoren eingesetzt werden. Deren Fertigung ist aber aufwändig und teurer.

Kurze Darstellung der Erfindung

[0003] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Austrittsgehäuse für einen Radialverdichter derart zu modifizieren, dass die Umfangsasymmetrie und die daraus resultierende Druckvariation deutlich reduziert werden.
Dies kann erreicht werden, indem die Querschnittsfläche des Sammelraums im Austrittsgehäuse erfindungsgemäss modifiziert wird. Konkret wird bei der Auslegung der Spiralgeometrie eine bestimmte Querschnittsfläche ausgewählt, beispielsweise die Querschnittsfläche bei 120°. Diese Querschnittsfläche ersetzt erfindungsgemäss die ursprünglichen Querschnittsflächen zwischen Spiralanfang und dieser Querschnittsfläche, so dass der Sammelraum auf den ersten 120° eine konstante Querschnittsfläche aufweist. Der Rest des Sammelraums bleibt als Spirale unverändert. Damit weist der Sammelraum einen Bereich mit konstanter und einen Bereich mit anwachsender Querschnittsfläche auf, stellt also eine Kombination eines Kollektors - auf den ersten 120° - und einer Spirale dar.
Je nach Zungengestaltung - ausgeschnitten / nicht ausgeschnitten - ergibt sich optional eine Modifikation im Diffusorbereich, wobei die Diffusorquerschnittsfläche in beiden Fällen unverändert bleibt.
Der erfindungsgemäss ausgestaltete Sammelraum führt zu einer homogeneren Durchströmung der Verdichterstufen. Zudem wird die Laufradanregung reduziert, was bei der Konstruktion zu mehr Freiraum in der Laufradschaufelgestaltung zum Zwecke der Wirkungsgradoptimierung führt.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

[0004] Nachfolgend werden Ausführungsformen der Erfindung anhand von Zeichnungen detailliert erläutert. Hierbei zeigt

Fig. 1

eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäss ausgestalteten Verdichteraustrittsgehäuses mit einem Sammelraumabschnitt mit konstanter Querschnittsfläche,

Fig. 2

den Verlauf der Querschnittsfläche des Sammelraums nach Fig. 1,

Fig. 3

eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäss ausgestalteten Verdichteraustrittsgehäuses mit zwei Sammelraumabschnitten mit jeweils konstanter Querschnittsfläche,

Fig. 4

den Verlauf der Querschnittsfläche des Sammelraums nach Fig. 2,

Fig. 5.

einen entlang V-V geführten Schnitt durch das Verdichteraustrittsgehäuse nach Fig. 1, und

Fig. 6

ein Diagram mit dem Verlauf des normierten Druckes über dem Umfangswinkel für ein herkömmliches Verdichteraustrittsgehäuse und ein erfindungsgemäss ausgestaltetes Verdichteraustrittsgehäuse nach Fig. 1.

Weg zur Ausführung der Erfindung

[0005] Fig. 1 zeigt eine erste Ausführungsform eines modifizierten Austrittsgehäuses 1 eines Radialverdichters. Das Austrittsgehäuse weist zwei Öffnungen auf. Die erste Öffnung ist kreisringförmig ausgestaltet und radial gegen innen geöffnet. Durch diese Öffnung strömt die aus dem Verdichterrad und dem Radialdiffusor 42 kommende Luft in den Sammelraum, welcher in der Fig. 1 mit grober Schraffur bezeichnet ist. Der Radialdiffusor erstreckt sich zwischen dem Verdichterrad und dem Sammelraum im Austrittsgehäuse. Er kann optional durch separate Bauteile begrenzt und/ oder mit Diffusorschaufeln bestückt sein. Die zweite Öffnung liegt im Austrittsflansch 12, am Ende des Sammelraums und des daran anschliessenden Diffusors 30, welcher in der Fig. 1 mit feiner Schraffur bezeichnet ist. Durch die zweite Öffnung wird die Luft zur Brennkraftmaschine abgeführt. In dem vom Diffusor 30 überlappten Abschnitt des Sammelraums ist die Zunge 15 eingezeichnet. Fig. 5 zeigt einen entlang V-V geführten Schnitt durch diesen Bereich des Austrittsgehäuses. Die Zunge kann optional, wie eingangs beschriebe, weggelassen werden. In diesem Fall sind der Abschnitt 21 des Sammelraums und der Diffusor 30 im Anfangsbereich der Spiralwindung durch kein Gehäuseteil abgegrenzt. Die aus dem Verdichterrad und dem angrenzenden Radialdiffusor 42 mit den Leitschaufeln 41 austretende Luft ist in Fig. 1 mit den gekrümmten Pfeilen angedeutet.
Der Sammelraum ist in zwei Abschnitte unterteilt. Ein erster Abschnitt 21 des Sammelraums weist zwischen dem Anfang der Spirale bei 0° (Umfangswinkel - Phi), gekennzeichnet durch die gepunktete Linie, und 120°, ebenfalls gekennzeichnet durch die gepunktete Linie, einer konstanten Querschnittsfläche A₀ = A₆₀ = A₁₂₀ auf. In diesem Bereich weist das Austrittsgehäuse somit die Eigenschaften eines Kollektors auf. Im anschliessenden zweiten Abschnitt 22 des Sammelraums nimmt die Querschnittsfläche zu, wie dies für eine Spirale üblich ist. Die bezeichnete Querschnittsfläche A₁₈₀ ist bereits grösser als die Querschnittsfläche A₁₂₀ am Ende des ersten Abschnitts 21. Zur Verdeutlichung des Unterschiedes des erfindungsgemäss ausgebildeten Austrittsgehäuses zu herkömmlichen Spiralen, ist der Verlauf einer herkömmlichen Spirale im ersten Abschnitt 21 mit einer dünnen Linie angedeutet.
Die Querschnittsfläche des Sammelraums der ersten Ausführungsform ist schematisch in der Fig. 2 dargestellt. Im Abschnitt 21, zwischen 0° und 120° ist die Querschnittsfläche konstant, und im Abschnitt 22, von 120° bis zu 360° nimmt die Querschnittsfläche kontinuierlich zu.
Fig. 3 zeigt eine zweite Ausführungsform eines modifizierten Austrittsgehäuses 1 eines Radialverdichters. Der Sammelraum ist in vier Abschnitte unterteilt. Ein erster Abschnitt 21 des Sammelraums weist wiederum zwischen dem Anfang bei 0°, gekennzeichnet durch die gepunktete Linie, und 120°, ebenfalls gekennzeichnet durch die gepunktete Linie, eine konstante Querschnittsfläche A₀ = A₆₀ = A₁₂₀ auf. Im anschliessenden zweiten Abschnitt 22 zwischen 120° und 180° nimmt die Querschnittsfläche zu, wie dies für ein Spirale üblich ist. Die bezeichnete Querschnittsfläche A₁₈₀ am Ende des zweiten Abschnitts 22 ist grösser als die Querschnittsfläche A₁₂₀ am Ende des ersten Abschnitts 21. Im anschliessenden dritten Abschnitt 23 weist der Sammelraum zwischen 180° und 240° wiederum eine konstanten Querschnittsfläche A₁₈₀ = A₂₄₀ auf. Im abschliessenden vierten Abschnitt 24 zwischen 240° und 360° nimmt die Querschnittsfläche wieder zu, wie dies für ein Spirale üblich ist. Die nicht bezeichnete Querschnittsfläche am Ende des vierten Abschnitts 24 ist grösser als die Querschnittsfläche A₂₄₀ am Ende des dritten Abschnitts 23. Zur Verdeutlichung des Verlaufs der Querschnittsfläche des Sammelraums ist im ersten Abschnitt 21 und im dritten Abschnitt 23 der normale Verlauf des Sammelraums bei einer herkömmlichen Spirale mit einer dünnen Linie angedeutet.
Die Querschnittsfläche des Sammelraums der zweiten Ausführungsform ist schematisch in der Fig. 4 dargestellt. Im Abschnitt 21, zwischen 0° und 120° und im Abschnitt 23, zwischen 180° und 240°, ist die Querschnittsfläche konstant, im Abschnitt 22, von 120° bis zu 180°, und im Abschnitt 24, von 240° bis 360°, nimmt die Querschnittsfläche kontinuierlich zu.
Die angegebenen Umfangswinkelwerte für die Begrenzung der einzelnen Abschnitte, insbesondere bei der ersten Ausführungsform, sind das Resultat von Simulationsrechnungen. Fig. 6 zeigt im Vergleich zu einer herkömmlichen Spirale (durchgezogene Linie) den Verlauf des normierten Druckes bei einem Austrittsgehäuse gemäss der ersten Ausführungsform. Im Ergebnis resultiert eine um bis zu 30% reduzierte Distortion, wodurch sich eine gleichmässigere Umströmung der Schaufeln des Radialdiffusors einstellt, woraus ein erhöhter Wirkungsgrad resultiert.
Als Folge dieser reduzierten Distortion kann auch die Rückströmung von Luft aus dem Diffusor in den Sammelraum deutlich reduziert werden, wodurch ein kontinuierlicheres Aufsammeln des Volumenstroms erfolgt. Zudem ist im Sammelraum das impulsarme Gebiet direkt nach der Zunge, in dem sich die rückströmende Luft sammelt, stark reduziert. Zusammen mit der grösseren Querschnittsfläche ergibt sich damit eine Entdrosselung und folglich ein höherer Durchsatz der Verdichterstufe.
Die beispielhaft aufgeführten Ausführungsformen sollen nicht einschränkend sein für andere Ausführungsvarianten, welche durch die Patentansprüche abgedeckt sind. Insbesondere kann der Sammelraum des Spiralgehäuses eine Anzahl n=0,1,2,... von Abschnitten mit konstanter und eine Anzahl m=0,1,2,...von Abschnitten mit, gleichmässig oder ungleichmässig, anwachsenden und/ oder abnehmenden Querschnittsflächen aufweisen. Die zweidimensionale Ausgestaltung des Querschnitts kann entlang dem Umfang des Sammelraums variieren.

Bezugszeichenliste

[0006] 

1

Austrittsgehäuse

12

Austrittsflansch des Austrittsgehäuses

15

Zunge

21, 23

Sammelraum-Abschnitt mit konstanter Querschnittsfläche

22, 24

Sammelraum-Abschnitt mit zunehmender Querschnittsfläche

30

Diffusor

41

Leitschaufeln des Radialdiffusors

42

Radialdiffusor

Ansprüche

1. Austrittsgehäuse eines Verdichters, zum Auffangen einer Strömung, welches eine erste kreisringförmige, radial nach innen gerichtete Öffnung zur Aufnahme der Strömung und eine zweite Öffnung zur Abgabe der Strömung umfasst, wobei das Austrittsgehäuse einen entlang der ersten Öffnung geführten und zur ersten Öffnung hin geöffneten Sammelraum begrenzt, dadurch gekennzeichnet, dass der Sammelraum entlang mindestens eines ersten Abschnitts (21, 23) der ersten Öffnung eine konstante Querschnittsfläche aufweist und entlang mindestens eines zweiten Abschnitts (22, 24) der ersten Öffnung eine zunehmende Querschnittsfläche aufweist.

2. Austrittsgehäuse nach Anspruch 1, wobei der Sammelraum entlang einem Abschnitt (21) von 120° des Umfangswinkels der ersten Öffnung eine konstante Querschnittsfläche aufweist.

3. Verdichteraustrittsgehäuse nach Anspruch 1, wobei der Sammelraum mehrere Abschnitte (21, 23) mit jeweils konstanter Querschnittsflächen aufweist.

4. Verdichteraustrittsgehäuse nach einem der Ansprüche 1 oder 3, wobei der Sammelraum mehrere Abschnitte (22, 24) mit jeweils zunehmender Querschnittsfläche aufweist.

5. Verdichteraustrittsgehäuse nach Anspruch 1, wobei der Sammelraum mindestens einen Abschnitt mit zunehmender Querschnittsfläche und mindestens einen Abschnitt mit abnehmender Querschnittsfläche aufweist.

6. Abgasturbolader, umfassend einen Verdichter mit einem Austrittsgehäuse nach einem der Ansprüche 1 bis 5.

7. Industrieverdichter, umfassend ein Austrittsgehäuse nach einem der Ansprüche 1 bis 5.

Zeichnung