TECHNISCHES GEBIET
[0001] Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Abgasturbolader für aufgeladene Brennkraftmaschinen.
Insbesondere betrifft die Erfindung eine beschaufelte Diffusoranordnung für einen
Radialverdichters eines derartigen Abgasturboladers. Ferner betrifft die Erfindung
einen Abgasturbolader mit einer beschaufelten Diffusoranordnung im Abströmbereich
des Radialverdichters. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Herstellungsverfahren
für eine beschaufelte Diffusoranordnung für einen Radialverdichter.
TECHNISCHER HINTERGRUND
[0002] In modernen Abgasturboladern werden zur Erhöhung des Ansaugdrucks des Motors in der
Regel einstufige Radialverdichter mit beschaufelten Diffusoren stromabwärts des Verdichterrades
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 tief zu halten, wodurch
die Wandreibungsverluste abnehmen und der Wirkungsgrad der Verdichterstufe insgesamt
verbessert wird. 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.
[0003] 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.
[0004] Es hat sich herausgestellt, dass die aus dem Stand der Technik bekannten Radialdiffusoren
noch hinsichtlich deren Wirkungsgrad, fluiddynamischer Ausgestaltung und Herstellungskosten
verbesserungs-würdig sind.
KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
[0005] Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Radialdiffusor bereitzustellen,
der gegenüber dem Stand der Technik verbessert ist. Insbesondere besteht die Aufgabe
der vorliegenden Erfindung darin, einen Radialdiffusor, einen Radialverdichter, und
einen Abgasturbolader bereitzustellen, die hinsichtlich Wirkungsgrad, fluiddynamischer
Ausgestaltung und Herstellungskosten gegenüber dem Stand der Technik verbessert sind.
[0006] Zur Lösung der obengenannten Aufgabe wird eine beschaufelte Diffusoranordnung gemäß
dem unabhängigen Anspruch 1, ein Verfahren zum Herstellen einer beschaufelte Diffusoranordnung
gemäß dem unabhängigen Anspruch 10, sowie ein Radialverdichter gemäß Anspruch 14 und
ein Turbolader gemäß Anspruch 15 bereitgestellt. Weitere Aspekte, Vorteile und Merkmale
der vorliegenden Erfindung sind den abhängigen Patentansprüchen, der Beschreibung
und den beiliegenden Figuren zu entnehmen.
[0007] Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird eine beschaufelte Diffusoranordnung für einen
Radialverdichter bereitgestellt. Die beschaufelte Diffusoranordnung umfasst einen
Diffusorkanal mit mehreren, in Umfangsrichtung verteilt im Diffusorkanal angeordnete
Leitschaufeln. Der Diffusorkanal wird von einem ersten Seitenwandelement mit einer
ersten Rotationsfläche und einem zweiten Seitenwandelement mit einer zweiten Rotationsfläche
gebildet. In mindestens einer der ersten Rotationsfläche und der zweiten Rotationsfläche
sind mehrere Vertiefungen ausgebildet, die jeweils zumindest teilweise zwischen benachbarten
Leitschaufeln angeordnet sind.
[0008] Somit wird vorteilhafterweise eine beschaufelte Diffusoranordnung für einen Radialverdichter
bereitgestellt, die gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Radialdiffusoren
verbessert ist. Insbesondere wird durch die erfindungsgemäße Diffusoranordnung ein
Radialdiffusor mit verbessertem fluiddynamischen Diffusordesign bereitgestellt, welcher
vorteilhafterweise einen verbesserten Wirkungsgrad aufweist und zu geringeren Kosten
hergestellt werden kann.
[0009] Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen einer
beschaufelte Diffusoranordnung für einen Radialverdichter bereitgestellt. Das Verfahren
umfasst ein Herstellen von mehreren in Umfangsrichtung verteilten Vertiefungen in
einer ersten Rotationsfläche eines ersten Seitenwandelements eines Diffusorkanals
und/oder in einer zweiten Rotationsfläche eines zweiten Seitenwandelements des Diffusorkanals.
Zusätzlich umfasst das Verfahren ein Anordnen von mehreren Leitschaufeln jeweils zwischen
den in Umfangsrichtung verteilten Vertiefungen in der ersten Rotationsfläche des ersten
Seitenwandelements und/oder jeweils zwischen den in Umfangsrichtung verteilten Vertiefungen
in der zweiten Rotationsfläche des zweiten Seitenwandelements. Ferner umfasst das
Verfahren ein Verbinden der mehreren Leitschaufeln mit dem ersten Seitenwandelement
über eine erste Verbindungsfläche der mehreren Leitschaufeln und mit dem zweiten Seitenwandelement
über eine zweite Verbindungsfläche der mehreren Leitschaufeln, die der ersten Verbindungsfläche
der mehreren Leitschaufeln gegenüberliegt.
[0010] Somit wird vorteilhafterweise ein vereinfachtes und damit kostengünstigeres Herstellungsverfahren
für einen beschaufelte Diffusoranordnung für einen Radialverdichter bereitgestellt.
[0011] Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Radialverdichter bereitgestellt,
der eine beschaufelte Diffusoranordnung gemäß einer der hierin beschriebenen Ausführungsformen
im Abströmbereich des Radialverdichters umfasst. Somit kann vorteilhafterweise ein
verbesserter Radialverdichter bereitgestellt werden.
[0012] Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird Abgasturbolader mit einem Radialverdichter
gemäß einer der hierin beschriebenen Ausführungsformen bereitgestellt, so dass vorteilhafterweise
ein verbesserter Abgasturbolader bereitgestellt werden kann.
KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
[0013] Im Weiteren soll die Erfindung anhand von in Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen
erläutert werden, aus denen sich weitere Vorteile und Abwandlungen ergeben. Hierbei
zeigt:
- Figur 1
- eine schematische Schnittansicht entlang der Verdichterachse durch einen Radialverdichter
mit einer beschaufelten Diffusoranordnung gemäß einer hierin beschriebenen Ausführungsform;
- Figur 2
- eine schematische Schnittansicht entlang der Verdichterachse durch einen Radialverdichter
mit einer beschaufelten Diffusoranordnung gemäß einer weiteren hierin beschriebenen
Ausführungsform;
- Figur 3
- eine schematische perspektivische Ansicht eines Ausschnitts einer beschaufelten Diffusoranordnung
gemäß einer weiteren hierin beschriebenen Ausführungsform;
- Figur 4A
- eine schematische Schnittansicht entlang der in Figur 3 dargestellten Linie A-A eines
Ausschnitts einer beschaufelten Diffusoranordnung gemäß einer weiteren hierin beschriebenen
Ausführungsform;
- Figur 4B
- eine schematische Schnittansicht einer alternativen Ausführungsform des in Figur 4A
in dargestellten Ausschnitts einer beschaufelten Diffusoranordnung gemäß einer hierin
beschriebenen Ausführungsform;
- Figur 4C
- eine schematische Schnittansicht senkrecht zur Verdichterachse eines Ausschnitts einer
beschaufelten Diffusoranordnung zur Veranschaulichung von verschiedenen möglichen
Ausgestaltungsformen der herein beschriebenen Vertiefungen;
- Figur 5
- eine schematische Schnittansicht senkrecht zur Verdichterachse eines Ausschnitts einer
beschaufelten Diffusoranordnung gemäß einer weiteren hierin beschriebenen Ausführungsform
mit unregelmäßig angeordneten Leitschaufeln;
- Figur 6
- eine schematische Schnittansicht senkrecht zur Verdichterachse eines einer beschaufelten
Diffusoranordnung gemäß einer weiteren hierin beschriebenen Ausführungsform mit zwei
ungleich großen Gruppen von Leitschaufeln welche in Umfangsrichtung verteilt angeordnet
sind; und
- Figur 7
- ein Blockdiagramm zur Veranschaulichung eines Verfahrens zum Herstellen einer beschaufelte
Diffusoranordnung für einen Radialverdichter gemäß hierin beschriebenen Ausführungsformen.
[0014] Im Allgemeinen werden gleiche Teile in den Figuren mit der gleichen Referenznummer
bezeichnet.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
[0015] Figur 1 zeigt eine schematische Schnittansicht entlang der Verdichterachse 13 durch
einen Radialverdichter 35 mit einer beschaufelten Diffusoranordnung 20 gemäß einer
hierin beschriebenen Ausführungsform. Der Radialverdichter 35 umfasst ein auf einer
Welle 12 angeordnetes Verdichterrad, welches eine Nabe 10 und darauf angeordneten
Laufschaufeln 11 umfasst. Die Laufschaufeln können in Haupt- und Zwischenschaufeln
unterteilt sein, wobei sich die Hauptschaufeln über die gesamte Länge des von der
Nabe und dem angrenzenden Gehäuseteils begrenzten Strömungskanals erstrecken, während
die Zwischenschaufeln in der Regel verkürzt ausgebildet sind und eine zurückversetzte
Eintrittskante aufweisen. Dabei können eine oder mehrere Zwischenschaufeln pro Hauptschaufel
angeordnet sein.
[0016] Wie beispielhaft in Figur 1 gezeigt ist, ist das Verdichterrad typischerweise im
Verdichtergehäuse angeordnet, welches in der Regel mehrere Teile umfasst, etwa das
Spiralgehäuse 31 und das Eintrittsgehäuse 32. Zwischen dem Verdichter und der nicht
dargestellten Turbine befindet sich das Lagergehäuse 30, welches die Lagerung der
Welle 12 beinhaltet. Der bereits erwähnte Strömungskanal im Bereich des Verdichters
wird durch das Verdichtergehäuse begrenzt. Im Bereich des Verdichterrades übernimmt
die Nabe des Verdichterrades die radial innere Begrenzung, wobei die Laufschaufeln
des Verdichterrades im Strömungskanal angeordnet sind. In Strömungsrichtung des zu
verdichtenden Mediums stromab des Verdichterrades ist die beschaufelte Diffusoranordnung
20 angeordnet. Der Diffusoranordnung dient, wie eingangs erwähnt, der Verlangsamung
der durch das Verdichterrad beschleunigten Strömung. Dies erfolgt einerseits durch
die Leitschaufeln 21 der Diffusoranordnung, andererseits durch das Spiralgehäuse,
von wo aus das verdichtete Medium den Brennkammern einer Brennkraftmaschine zugeführt
wird.
[0017] Wie in Figur 1 beispielhaft dargestellt ist, umfasst die beschaufelte Diffusoranordnung
20 für den Radialverdichter einen Diffusorkanal 25 mit mehreren, in Umfangsrichtung
verteilt, im Diffusorkanal 25 angeordnete Leitschaufeln 21. Wie aus den Figuren 1,
5 und 6 ersichtlich ist, bezieht sich der Ausdruck "in Umfangsrichtung verteilt" auf
eine Umfangsverteilung um eine zentrale Achse, beispielweise um die Verdichterachse
13. Der Diffusorkanal 25 wird von einem ersten Seitenwandelement mit einer ersten
Rotationsfläche 23 und einem zweiten Seitenwandelement mit einer zweiten Rotationsfläche
24 gebildet. In diesem Zusammenhang sei angemerkt, dass in der vorliegenden Offenbarung
unter einer "Rotationsfläche eines Seitenwandelements" eine diffusorkanalseitige Fläche
eines Seitenwandelements zu verstehen ist, welche mindestens zu 80%, insbesondere
mindestens zu 90% flach ist. Mit anderen Worten, eine Rotationsfläche eines hierein
beschriebenen Seitenwandelements ist typischerweise flach und weist keine Erhebungen,
insbesondere keine makroskopischen Erhebungen, auf.
[0018] Erfindungsgemäß sind in mindestens einer der ersten Rotationsfläche 23 des ersten
Seitenwandelements und der zweiten Rotationsfläche 24 des gegenüberliegenden zweiten
Seitenwandelement mehrere Vertiefungen 26 ausgebildet, die jeweils zumindest teilweise
oder vollständig zwischen benachbarten Leitschaufeln 21, insbesondere in Umfangsrichtung,
angeordnet sind. Figur 1 zeigt eine Ausführungsform in welcher die Vertiefungen 26
in der zweiten Rotationsfläche 24 des zweiten Seitenwandelements ausgeführt sind.
Wie aus Figur 1 ersichtlich, ist das zweite Seitenwandelement mit der zweiten Rotationsfläche
24 nabenseitig (auch "hub"-seitig genannt") angeordnet. In diesem Zusammenhang sei
angemerkt, dass man üblicherweise aus Sicht der Laufschaufeln des Verdichterrades
das erste Seitenwandelement mit der ersten Rotationsfläche 23 als shroudseitiges (Schaufelspitzenseitiges)
Seitenwandelement und das zweite Seitenwandelement als nabenseitiges Seitenwandelement
bezeichnet. Wie beispielhaft in Figur 1 dargestellt ist, kann das zweite Seitenwandelement
ein Einsatzelement 22 sein, insbesondere ein ringförmiges Einsatzelement, welches
mit dem Lagergehäuse 30 verbunden ist. Alternative kann das zweite Seitenwandelement
integraler Bestandteil des Lagergehäuses 30 sein. Ebenso kann das erste Seitenwandelement
kann als separates Element ausgeführt sein, welches mit dem Eintrittsgehäuse 32 verbunden
ist, oder wir in Figur 1 beispielhaft dargestellt integraler Bestandteil des Eintrittsgehäuses
32 sein.
[0019] In diesem Zusammenhang sei angemerkt, dass in der vorliegenden Offenbarung unter
den hierein beschriebenen "Vertiefungen 26", Vertiefungen verstanden werden können,
welche den lichten Querschnitt im Diffusorkanal 25 lokal vergrößern, insbesondere
so dass eine Geschwindigkeit des zu fördernden Gases im Betrieb der Diffusoranordnung
20 im Diffusorkanal 25 beim Passieren der Vertiefungen 26 verringert wird, und insbesondere
der Diffusorwirkungsgrad erhöht wird.
[0020] Figur 2 zeigt eine Ausführungsform in welcher die Vertiefungen 26 in der ersten Rotationsfläche
23 des ersten Seitenwandelements ausgeführt sind. Obwohl nicht explizit dargestellt,
können die Vertiefungen sowohl in der ersten Rotationsfläche 23 des ersten Seitenwandelements
als auch in der gegenüberliegenden zweiten Rotationsfläche 24 des zweiten Seitenwandelements
angeordnet sein. Mit anderen Worten, die dargestellte Ausführungsform aus Figur 1
kann mit der in Figur 2 dargestellten
Ausführungsform kombiniert werden.
[0021] Wie beispielhaft in den Figuren 1 und 2 dargestellt, sind die Leitschaufeln 21 der
Diffusoranordnung 20 mit der ersten Rotationsfläche 23 des ersten Seitenwandelements
und mit der zweiten Rotationsfläche 24 des zweiten Seitenwandelements in Kontakt.
Insbesondere, können die Leitschaufeln 21 ein- oder beidseitig des Strömungskanals
25 mit dem ersten Seitenwandelement und/oder dem zweiten Seitenwandelement verbunden
sein.
[0022] Figur 3 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht eines Ausschnitts einer beschaufelten
Diffusoranordnung gemäß einer weiteren hierin beschriebenen Ausführungsform. Insbesondere
zeigt Figur 3 eine beispielhafte Anordnung der Leitschaufeln 21 und der Vertiefungen
26. Die Leitschaufeln 21 weisen typischerweise eine Eintrittskante 27, eine Austrittskante
28, sowie eine Saugseite 21S und eine Druckseite 21D auf.
[0023] Gemäß einer Ausführungsform, die mit anderen hierin beschriebenen Ausführungsformen
kombiniert werden kann, sind die Vertiefungen 26 jeweils auf einer Saugseite 21S der
Leitschaufeln 21 angeordnet, wie es beispielhaft in Figur 3 dargestellt ist. Alternativ
oder zusätzlich, können die Vertiefungen 26 jeweils auf einer Verlängerung der Saugseite
21S der Leitschaufeln 21 angeordnet sein, wie es beispielhaft aus Figur 4B und der
in Figur 4C dargestellten äußeren Kontourlinie 26K
3 einer beispielhaften Ausgestaltung der Vertiefungen 26 hervorgeht. Insbesondere können
die Vertiefungen 26 in der ersten Rotationsfläche 23 und/oder in der zweiten Rotationsfläche
24 im Bereich der Eintrittskante 27 der Leitschaufeln 21 angeordnet sein, wie es beispielhaft
in Figur 3 gezeigt ist. Beispielsweise können die Vertiefungen 26 konkav ausgebildet
sein, wie es in Figur 3 durch die gestrichelten Linien angedeutet ist. Die äußere
Kontourlinie 26K der Vertiefungen 26 ist typischerweise abgerundet, d.h. es besteht
kein scharkantiger Übergang von der ersten/zweiten Rotationsfläche zur Vertiefung.
Die die äußere Kontourlinie 26K der Vertiefungen 26 kann rund, z.B. kreisförmig oder
ellipsenartig ausgebildet sein. Im Falle einer ellipsenartigen Ausgestaltung kann
sich die Ellipsenhauptachse im Wesentlichen entlang der Saugseite 21S der Leitschaufeln
21 oder quer zur Saugseite 21S der Leitschaufeln 21 erstrecken. Ferner kann die äußere
Kontourlinie 26K der Vertiefungen 26 von der Kontur der Leitschaufeln 21 geschnitten
werden, wie es beispielhaft in Figur 4C durch die äußere Kontourlinie 26K
1 gemäß eines ersten Beispiels dargestellt ist. In diesem Zusammenhang sei angemerkt,
dass die hierin beschriebenen Vertiefungen typischerweise in Gebieten mit hohen Machzahlen
am Grenzschichtrand angeordnet sind.
[0024] Figur 4A zeigt eine schematische Schnittansicht eines Ausschnitts einer beschaufelten
Diffusoranordnung gemäß einer weiteren hierin beschriebenen Ausführungsform entlang
der in Figur 3 dargestellten Schnittlinie A-A. Insbesondere zeigt Figur 4A eine beispielhafte
Ausführungsform der Vertiefungen 26. Gemäß einer Ausführungsform, die mit anderen
hierin beschriebenen Ausführungsformen kombiniert werden kann, weisen die Vertiefungen
26 eine Tiefe D von 0,05×H ≤ D ≤ 0,15 H auf, insbesondere 0,07×H ≤ D ≤ 0,10 H, beispielsweise
D = 0,08×H, wobei H die Leitschaufelhöhe der Leitschaufeln 21 ist. Die Leitschaufelhöhe
H kann beispielsweise 5 mm ≤ H ≤ 30 mm, insbesondere 10 mm ≤ H ≤ 25 mm, sein.
[0025] Wie beispielhaft in Figur 4A dargestellt ist, können die Vertiefungen 26 einen eintrittskantenseitigen
Übergang 26A aufweisen, welcher steiler ausgebildet ist als ein austrittskantenseitiger
Übergang 26B der Vertiefungen. Insbesondere, kann der eintrittskantenseitige Übergang
26A und/oder der austrittskantenseitige Übergang 26B als fließender Übergang ausgestaltet
sein, wie es beispielhaft in Figur 4A dargestellt ist. Unter "eintrittskantenseitigem
Übergang" ist typischerweise der Übergang von der ersten Rotationsfläche 23/ zweiten
Rotationsfläche 24 in die Vertiefung 26 zu verstehen, welcher der Eintrittskante 27
der Leitschaufeln 21 zugewandt ist. Unter "austrittskantenseitigem Übergang" ist typischerweise
der Übergang aus der Vertiefung auf das Niveau der ersten Rotationsfläche 23 zweiten
Rotationsfläche 24 zu verstehen, welcher der Austrittskante 28 der Leitschaufeln 21
zugewandt ist.
[0026] Gemäß einer Ausführungsform, die mit anderen hierin beschriebenen Ausführungsformen
kombiniert werden kann, weisen die Vertiefungen 26 eine Ausdehnung L von 0,30×H ≤
L ≤ 3 H auf, wobei H die Leitschaufelhöhe der Leitschaufeln 21 ist.
[0027] Gemäß einer Ausführungsform, die mit anderen hierin beschriebenen Ausführungsformen
kombiniert werden kann, können die Vertiefungen 26 auf einer Verlängerung der Saugseite
21S der Leitschaufeln 21 angeordnet sein, wie es beispielhaft aus Figur 4B. Mit anderen
Worten, alle oder einige Vertiefungen 26 können sich über die Eintrittskante 27 der
Leitschaufeln 21 hinaus erstrecken wie es in Figur 4B schematisch dargestellt ist.
[0028] Allgemein sei angemerkt, dass neben der Lage der hierein beschriebenen Vertiefungen
auch Form, Tiefe und Ausdehnung für jede einzelne Vertiefung angepasst, insbesondere
fluiddynamisch optimiert, sein kann. Verschiedene beispielhafte Ausgestaltungsformen
der herein beschriebenen Vertiefungen sind in Figur 4C dargestellt.
[0029] Gemäß einem ersten Beispiel, das mit anderen hierin beschriebenen Beispielen und
Ausführungsformen kombiniert werden kann, kann die äußere Kontourlinie 26K
1 der Vertiefungen 26 von der Kontur der Leitschaufeln 21 geschnitten werden.
[0030] Gemäß einem zweiten Beispiel, das mit anderen hierin beschriebenen Beispielen und
Ausführungsformen kombiniert werden kann, kann die äußere Kontourlinie 26K
2 der Vertiefungen 26 ellipsenartig ausgebildet sein, wobei sich die Ellipsenhauptachse
im Wesentlichen entlang der Saugseite 21S der Leitschaufeln 21 erstreckt.
[0031] Gemäß einem dritten Beispiel, das mit anderen hierin beschriebenen Beispielen und
Ausführungsformen kombiniert werden kann, kann sich die äußere Kontourlinie 26K
3 der Vertiefungen 26 über die Eintrittskante 27 der Leitschaufeln 21 hinaus erstrecken.
[0032] Gemäß einem vierten Beispiel, das mit anderen hierin beschriebenen Beispielen und
Ausführungsformen kombiniert werden kann, kann die äußere Kontourlinie 26K
4 der Vertiefungen 26 ellipsenartig ausgebildet sein, wobei sich die Ellipsenhauptachse
im Wesentlichen quer zur Saugseite 21S der Leitschaufeln 21 erstreckt. Ferner, kann
die Kontourlinie 26K
4 der Vertiefungen 26 von einer Kante des entsprechenden Seitenwandelements geschnitten
werden.
[0033] Gemäß einem fünften Beispiel, das mit anderen hierin beschriebenen Beispielen und
Ausführungsformen kombiniert werden kann, kann die äußere Kontourlinie 26K5 im kreisförmig
ausgebildet sein.
[0034] Ferner ist in Figur 4C ein bevorzugter Anordnungsbereich 15 für die hierin beschriebenen
Vertiefungen 26 eingezeichnet. Typischerweise ist der Anordnungsbereich 15 in einem
radial inneren Bereich der ersten Rotationsfläche 23 und/oder der zweiten Rotationsfläche
24 angeordnet. Insbesondere befindet sich der Anordnungsbereich 15 typischerweise
auf einer eintrittskantenseitigen Hälfte auf der Saugseite 21S der Leitschaufeln 21,
wie es beispielhaft in Fig. 4C dargestellt ist.
[0035] Figur 5 zeigt eine schematische Ausschnittsschnittansicht senkrecht zur Verdichterachse
einer beschaufelten Diffusoranordnung gemäß einer weiteren hierin beschriebenen Ausführungsform
mit unregelmäßig angeordneten Leitschaufeln. Insbesondere zeigt Figur 5 einen Ausschnitt
einer Diffusoranordnung umfassend mehrere Leitschaufeln 21 mit zumindest teilweise
unterschiedlichen Winkelabständen. Wie aus Figur 5 ersichtlich ist, können die Vertiefungen
analog zu den unregelmäßig angeordneten Leitschaufeln ebenfalls unregelmäßig angeordnet
sein, beispielsweise mit zumindest teilweise unterschiedlichen Winkelabständen. Eine
derartige Leitschaufelanordnung des Diffusors hat den Vorteil, dass eine Langzeitermüdung
in den Laufschaufeln des Verdichterrades verhindert werden kann.
[0036] Als Winkelabstand zwischen den Leitschaufeln wird hier der Winkel zwischen den Eintrittskanten
zweier benachbart zueinander angeordneten Leitschaufeln bezeichnet. Optional kann
als Winkelabstand auch der Winkel zwischen zwei anderen, sich entsprechenden Punkten
zweier benachbart zueinander angeordneter Leitschaufeln bezeichnet werden, dann etwa,
wenn die Eintrittskanten sich auf unterschiedlichen Radien befinden. In diesem Fall
kann als Winkelabstand etwa der Winkel zwischen den Austrittskanten oder der Winkel
zwischen den Profilmittelpunkten bezeichnet werden. Die Winkelabstände zwischen benachbart
zueinander angeordneten Leitschaufeln sind also nicht über den gesamten Umfang identisch.
Dabei gibt es mehrere Möglichkeiten, Diffusoren mit variierenden Winkelabstanden zwischen
den Leitschaufeln zu realisieren. Als Winkelabstand zwischen den Vertiefungen kann
der Winkel zwischen zwei sich entsprechenden Punkten zweier benachbarten Vertiefungen
verstanden werden.
[0037] Gemäß einer Aus führungs form, die mit anderen hierin beschriebenen Ausführungsformen
kombiniert werden kann, sind die Winkelabstande αx, für alle Paare von benachbart
zueinander angeordneten Leitschaufeln 21 und/oder benachbarter Vertiefungen 26 des
Diffusors unterschiedlich, das heißt keine zwei der dargestellten Winkelabstanden
zwischen jeweils zwei benachbarten Leitschaufeln 21 und/oder benachbarter Vertiefungen
26 sind identisch, wie es beispielhaft in Figur 5 dargestellt ist. Die unterschiedlichen
Winkelabstande α0, α1, α2, α3 sind im dargestellten Beispiel zudem unregelmäßig verteilt.
Alternativ können die Winkelabstände auch regelmäßig in eine Umfangsrichtung zu- bzw.
abnehmen, oder erst zu- und dann wieder abnehmen. Besonders vorteilhafte Ergebnisse
können erzielt werden, wenn die Winkelabstände einer harmonischen Funktion, beispielsweise
der Sinusfunktion, folgend größer und kleiner werden.
[0038] Figur 6 zeigt eine schematische Schnittansicht senkrecht zur Verdichterachse eines
Ausschnitts einer beschaufelten Diffusoranordnung gemäß einer weiteren hierin beschriebenen
Ausführungsform mit zwei ungleich großen Gruppen von Leitschaufeln welche in Umfangsrichtung
verteilt angeordnet sind.
[0039] Gemäß einer weiteren in Figur 6 beispielhaft dargestellten Ausführungsform, die mit
anderen hierin beschriebenen Ausführungsformen kombiniert werden kann, sind zwei Winkelabstände
α
0 und α
1 auf zwei Gruppen von Leitschaufeln und/oder auf zwei Gruppen von Vertiefungen 26
verteilt. Beispielsweise kann eine rechte Seite, insbesondere eine rechte Hälfte,
der Diffusoranordnung eine erste Gruppe 210 mit einer Vielzahl von Leitschaufeln 21
und einer Vielzahl von Vertiefungen 26, beispielsweise acht Leitschaufeln und acht
Vertiefungen, aufweisen. Eine linke Seite, insbesondere linke Hälfte, der Diffusoranordnung
kann eine zweite Gruppe 211 mit einer Vielzahl von Leitschaufeln 21 und einer Vielzahl
von Vertiefungen 26, beispielsweise neun Leitschaufeln und neun Vertiefungen, aufweisen.
Wie aus Figur 6 hervorgeht entspricht typischerweise die Anzahl von Vertiefungen 26
der Anzahl der Leitschaufeln 21. Alternativ, kann die Anzahl von Vertiefungen 26 auch
kleiner sein als die Anzahl der Leitschaufeln 21. Beispielsweise können zwischen gewissen
benachbarten Leitschaufeln keine Vertiefungen vorgesehen sein während zwischen den
restlichen Leitschaufelzwischenräumen Vertiefungen gemäß hierein beschriebenen Ausführungsformen
vorgesehen sein können.
[0040] In beiden in den Figuren 5 und 6 dargestellten Ausführungsformen sind die Leitschaufeln
derart ausgerichtet, dass die sich jeweils im Strömungskanal zwischen zwei benachbart
angeordneten Leitschaufeln über die Schaufelhohe erstreckende, engste Querschnittsflache
T (Throat Area) konstant ist. Dies wird dadurch erreicht, dass die Leitschaufeln unterschiedlich
ausgerichtet sind, also relativ zur Tangentiallinie an der Eintrittskante unterschiedliche
Winkellagen β1, β0, β2, β3 aufweisen.
[0041] Je nach relativem Steilheitsgrad zweier benachbart angeordneter Schaufeln wandert
die Lage der engsten Querschnittsfläche T entlang der Schaufeloberflache. Auf der
Druckseite schneidet die engste Querschnittsfläche T dabei die entsprechende Leitschaufel
jeweils im Bereich der Schaufeleintrittskante, während auf der Saugseite die Schnittlinie
der engsten Querschnittsflache mit der jeweiligen Leitschaufel mitunter bis ganz ans
Ende der Leitschaufel wandern kann. In der Ausführungsform nach Figur 6 ist der jeweilige
relative Steilheitsgrad zwischen zwei Leitschaufeln einer Gruppe aufgrund des konstanten
Winkelabstands relativ konstant, die jeweilige relative Winkellage also in etwa gleichbleibend.
Abweichende Winkellagen ergeben sich jedoch im Übergangsbereich der beiden Gruppen.
[0042] Weitere, nicht dargestellte Ausführungsformen sind ebenfalls möglich. Dabei können
beispielsweise alle Winkelabstände der Leitschaufeln und/oder der Vertiefungen bis
auf einen oder einige wenige identisch sein. Es können mehr als zwei Gruppen von Leitschaufeln
und/oder Vertiefungen mit jeweils identischen Winkelabständen gebildet werden. Diese
Paarungen von Leitschaufeln und/oder Vertiefungen mit identischen Winkelabständen
können aneinander gereiht oder voneinander getrennt angeordnet sein. Optional können
sich die einzelnen Leitschaufeln des Diffusors in Form, Länge, Eintritts- und Austrittswinkel
sowie Eintritts- und Austrittsradius voneinander unterscheiden, um zusätzliche Ungleichheiten
in den Diffusor einzubringen. Die unterschiedliche Ausbildung kann dabei sowohl in
axialer Richtung (bezüglich der Verdichterachse), also in Richtung der Schaufelhöhe,
wie auch in Umfangsrichtung erfolgen. Dabei können alle oder nur einige wenige Leitschaufeln
unterschiedlich geformt oder angeordnet sein. Solche unregelmäßig ausgebildete Diffusoren
können in ein- oder mehrstufiger Form ausgebildet sein, wobei bei mehreren Stufen
diese in radialer Richtung hintereinander, also konzentrisch bezüglich der Verdichterachse,
angeordnet sind.
[0043] Ferner können die einzelnen Vertiefungen 26 zwei oder mehrere unterschiedliche Vertiefungsgeometrien
umfassen. Beispielsweise können die Vertiefungen 26 hinsichtlich Tiefe D und/oder
Länge L und/oder Steilheitsgrad des eintrittskantenseitigen Übergangs 26A und/oder
Steilheitsgrad des austrittskantenseitigen Übergangs 26B und/oder der Gestalt der
äußere Kontourlinie unterschiedlich ausgestaltet sein.
[0044] Gemäß einer Ausführungsform, die mit anderen hierin beschriebenen Ausführungsformen
kombiniert werden kann, ist die engste Querschnittsfläche im Diffusor-Strömungskanal
zwischen zwei benachbarten Leitschaufeln und über die Diffusor-Strömungskanalhöhe
konstant. Weist der Diffusor über den Umfang verteilt eine variable, also nicht konstante
Diffusor-Strömungskanal auf, sind die Leitschaufeln typicherweise so angeordnet, dass
die jeweils aus dem Abstand der benachbarten Leitschaufeln und der Diffusor-Strömungskanalhöhe
berechnete engste Querschnittsfläche konstant ist. Optional ist der in Umfangsrichtung
unregelmäßig ausgebildete Diffusor bezüglich des in Umfangsrichtung asymmetrisch ausgebildeten
Spiralgehäuses in einer fixen Winkellage positioniert. Dadurch kann die Größe der
unterschiedlichen Winkelabstände sowie deren Verteilung entlang des Umfangs auf das
asymmetrisch ausgebildete Spiralgehäuse stromab der Leitschaufeln ausgerichtet werden.
Die Winkelabstände können beispielsweise entlang des Umfangs analog zum Radius des
Spiralgehäuses zunehmen. Alternativ oder Zusätzlich kann dasjenige Leitschaufelpaar,
welches im Bereich des Spiralzungenanfangs angeordnet ist, einen von den übrigen Leitschaufelpaaren
unterschiedlichen Winkelabstand aufweisen.
[0045] Da sich das Spiralgehäuse 31 üblicherweise entlang des Umfangs in unterschiedlichen
Winkellagen zum Lagergehäuse positionieren lässt, kann gemäß einer Ausführungsform,
wie es beispielhaft in Figur 5 dargestellt ist, mit Positionierungsmitteln sichergestellt
werden, dass sich der Diffusor jeweils in der vorgesehenen Winkellage zum Spiralgehäuse
befindet. Die vorgesehene Winkellage ist dabei vorteilhafterweise diejenige, bei welcher
im Betrieb eine minimale Resonanzschwingung erzeugt wird. Diese Winkellage von Diffusor
zum Spiralgehäuse mit minimaler Resonanzschwingungserzeugung kann beispielsweise errechnet
oder experimentell bestimmt werden. Ein mögliches Positionierungsmittel ist in Figur
5 angedeutet. Beispielsweise kann das Positionierungsmittel mittels eines Positionierungsnockens
29, der an dem radial äußeren Rand des ersten Seitenwandelements und/oder des zweiten
Seitenwandelements ausgebildet ist, welcher in eine entsprechende Positionierungsnut
33 im Spiralgehäuse eingreift realisiert werden. Alternativ, sind auch andere formschlüssige
Positionierungsmittel denkbar, etwa ein Positionierungsstift, welcher in beidseitig
eingelassenen Bohrungen angeordnet ist, oder eine indirekte Positionierung über ein
drittes Bauteil, etwa das Eintrittsgehäuse 32 oder das Lagergehäuse 30.
[0046] Figur 7 zeigt ein Blockdiagramm zur Veranschaulichung eines Verfahrens 50 zum Herstellen
einer beschaufelte Diffusoranordnung für einen Radialverdichter gemäß hierin beschriebenen
Ausführungsformen. Das Verfahren 50 umfasst ein Herstellen (schematisch dargestellt
durch Block 51 in Figur 7) von mehreren in Umfangsrichtung verteilten Vertiefungen
26 in einer ersten Rotationsfläche 23 eines ersten Seitenwandelements eines Diffusorkanals
25 und/oder in einer zweiten Rotationsfläche 24 eines zweiten Seitenwandelements des
Diffusorkanals 25. Zudem umfasst das Verfahren 50 ein Anordnen (schematisch dargestellt
durch Block 52 in Figur 7) von mehreren Leitschaufeln 21 jeweils zwischen den in Umfangsrichtung
verteilten Vertiefungen 26 in der ersten Rotationsfläche 23 des ersten Seitenwandelements
und/oder jeweils zwischen den in Umfangsrichtung verteilten Vertiefungen 26 in der
zweiten Rotationsfläche 24 des zweiten Seitenwandelements. Ferner umfasst das Verfahren
50 ein Verbinden (schematisch dargestellt durch Block 53 in Figur 7) der mehreren
Leitschaufeln 21 mit dem ersten Seitenwandelement über eine erste Verbindungsfläche
der mehreren Leitschaufeln 21 und mit dem zweiten Seitenwandelement über eine zweite
Verbindungsfläche der mehreren Leitschaufeln 21, die der ersten Verbindungsfläche
der mehreren Leitschaufeln 21 gegenüberliegt.
[0047] Gemäß einer Ausführungsform des Herstellungsverfahrens, die mit anderen hierin beschriebenen
Ausführungsformen kombiniert werden kann, umfasst das Anordnen der mehreren Leitschaufeln
21 eine Anordnung der Leitschaufeln 21, so dass die Vertiefungen 26 jeweils auf einer
Saugseite 21S der Leitschaufeln 21 angeordnet sind.
[0048] Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Herstellungsverfahrens, die mit anderen
hierin beschriebenen Ausführungsformen kombiniert werden kann, umfasst das Herstellen
der mehreren in Umfangsrichtung verteilten Vertiefungen 26 ein Fräsen der Vertiefungen
mit einer Tiefe D von 0,05 ×H ≤ D ≤ 0,15 H umfasst, wobei H die Leitschaufelhöhe der
Leitschaufeln 21 ist. Insbesondere kann das Herstellen der mehreren in Umfangsrichtung
verteilten Vertiefungen 26, eine Herstellung der Vertiefungen umfassen, so dass die
Vertiefungen jeweils einen eintrittskantenseitigen Übergang 26A aufweisen, welcher
steiler ist als ein austrittskantenseitiger Übergang 26B der Vertiefungen.
[0049] Ferner wird darauf hingewiesen, dass das Verfahren 50 zum Herstellen einer beschaufelten
Diffusoranordnung 20 für einen Radialverdichter, ein Herstellen jeder hierein beschriebenen
Ausführungsform der mehreren Leitschaufeln 21 als auch ein Herstellen jeder hierein
beschriebenen Ausführungsform der Vertiefungen 26 umfassen kann.
[0050] Wie aus den hierin beschriebenen Ausführungsformen hervorgeht wird vorteilhafterweise
eine beschaufelte Diffusoranordnung, als auch ein Radialverdichter und ein Turbolader
bereitgestellt, die gegenüber dem Stand der Technik verbessert sind, insbesondere
hinsichtlich des fluiddynamischen Designs, des Wirkungsgrades und der Kosten. Ferner
wird ein vereinfachtes Herstellungsverfahren bereitgestellt, so dass die hierin beschriebene
beschaufelte Diffusoranordnung und damit auch der Radialverdichter und der Turbolader
zu geringeren Kosten hergestellt werden können.
BEZUGZEICHENLISTE
[0051]
- 10
- Verdichterrad (Nabe)
- 11
- Laufschaufeln des Verdichterrades
- 12
- Welle
- 13
- Verdichterachse
- 15
- Anordnungsbereich für Vertiefungen
- 21
- Leitschaufeln des Diffusors
- 21D
- Druckseite der Leitschaufeln
- 21S
- Saugseite der Leitschaufeln
- 210
- erste Gruppe mit
- 22
- Einsatzelement
- 23
- erste Rotationsfläche
- 24
- zweite Rotationsfläche
- 25
- Diffusorkanal
- 26
- Vertiefung
- 26K
- äußere Kontourlinie
- 26K1
- äußere Kontourlinie gemäß einem ersten Beispiel
- 26K2
- äußere Kontourlinie gemäß einem zweiten Beispiel
- 26K3
- äußere Kontourlinie gemäß einem dritten Beispiel
- 26K4
- äußere Kontourlinie gemäß einem vierten Beispiel
- 26K5
- äußere Kontourlinie gemäß einem fünften Beispiel27 Eintrittskante
- 28
- Austrittskante
- 29
- Positionierungsnocken
- 30
- Lagergehäuse
- 31
- Spiralgehäuse
- 32
- Eintrittsgehäuse
- 33
- Positionierungsnut
- H
- Leitschaufelhöhe
- D
- Tiefe der Vertiefung
- L
- Ausdehnung der Vertiefung
- T
- engste Querschnittsflache (Throat Area)
1. Beschaufelte Diffusoranordnung (20) für einen Radialverdichter, umfassend einen Diffusorkanal
(25) mit mehreren, in Umfangsrichtung verteilt, im Diffusorkanal (25) angeordnete
Leitschaufeln (21), wobei der Diffusorkanal (25) von einem ersten Seitenwandelement
mit einer ersten Rotationsfläche (23) und einem zweiten Seitenwandelement mit einer
zweiten Rotationsfläche (24) gebildet wird, und wobei in mindestens einer der ersten
ebenen Rotationsfläche (23) und der zweiten Rotationsfläche (24) mehrere Vertiefungen
(26) ausgebildet sind, die jeweils zumindest teilweise zwischen benachbarten Leitschaufeln
(21) angeordnet sind.
2. Beschaufelte Diffusoranordnung (20) nach Anspruch 1, wobei die Vertiefungen (26) jeweils
auf einer Saugseite (21S) der Leitschaufeln (21) angeordnet sind.
3. Beschaufelte Diffusoranordnung (20) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Vertiefungen
(26) in einem Bereich einer Eintrittskante (27) der Leitschaufeln (21) angeordnet
sind.
4. Beschaufelte Diffusoranordnung (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Vertiefungen
(26) eine Tiefe D von 0,05×H ≤ D ≤ 0,15 H aufweisen, wobei H die Leitschaufelhöhe
der Leitschaufeln (21) ist.
5. Beschaufelte Diffusoranordnung (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Vertiefungen
(26) einen eintrittskantenseitigen Übergang (26A) aufweist, welcher steiler ist als
ein austrittskantenseitiger Übergang (26B) der Vertiefungen.
6. Beschaufelte Diffusoranordnung (20) nach Anspruch 5, wobei der eintrittskantenseitige
Übergang (26A) und/oder der austrittskantenseitige Übergang (26B) als fließender Übergang
ausgestaltet ist.
7. Beschaufelte Diffusoranordnung (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Vertiefungen
(26) eine Ausdehnung L von 0,30×H ≤ L ≤ 3 H aufweisen, wobei H die Leitschaufelhöhe
der Leitschaufeln (21) ist.
8. Beschaufelte Diffusoranordnung (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Anzahl
von Vertiefungen (26) der Anzahl der Leitschaufeln (21) entspricht.
9. Beschaufelte Diffusoranordnung (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Vertiefungen
(26) zwei oder mehrere unterschiedliche Vertiefungsgeometrien umfassen.
10. Verfahren zum Herstellen einer beschaufelte Diffusoranordnung für einen Radialverdichter,
umfassend:
- Herstellen von mehreren in Umfangsrichtung verteilten Vertiefungen (26) in einer
ersten Rotationsfläche (23) eines ersten Seitenwandelements eines Diffusorkanals (25)
und/oder in einer zweiten Rotationsfläche (24) eines zweiten Seitenwandelements des
Diffusorkanals (25);
- Anordnen von mehreren Leitschaufeln (21) jeweils zwischen den in Umfangsrichtung
verteilten Vertiefungen (26) in der ersten Rotationsfläche (23) des ersten Seitenwandelements
und/oder jeweils zwischen den in Umfangsrichtung verteilten Vertiefungen (26) in der
zweiten Rotationsfläche (24) des zweiten Seitenwandelements,
- Verbinden der mehreren Leitschaufeln (21) mit dem ersten Seitenwandelement über
eine erste Verbindungsfläche der mehreren Leitschaufeln (21) und mit dem zweiten Seitenwandelement
über eine zweite Verbindungsfläche der mehreren Leitschaufeln (21), die der ersten
Verbindungsfläche der mehreren Leitschaufeln (21) gegenüberliegt.
11. Verfahren gemäß Anspruch 10; wobei das Anordnen der mehreren Leitschaufeln (21) eine
Anordnung der Leitschaufeln (21) umfasst, so dass die Vertiefungen (26) jeweils auf
einer Saugseite (21S) der Leitschaufeln (21) angeordnet sind.
12. Verfahren gemäß Anspruch 10 oder 11, wobei das Herstellen der mehreren in Umfangsrichtung
verteilten Vertiefungen (26) ein Fräsen der Vertiefungen mit einer Tiefe D von 0,05×H
≤ D ≤ 0,15 H umfasst, wobei H die Leitschaufelhöhe der Leitschaufeln (21) ist
13. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei das Herstellen der mehreren in
Umfangsrichtung verteilten Vertiefungen (26), eine Herstellung der Vertiefungen umfasst,
so dass die Vertiefungen jeweils einen eintrittskantenseitigen Übergang (26A) aufweisen,
welcher steiler ist als ein austrittskantenseitiger Übergang (26B) der Vertiefungen.
14. Radialverdichter, umfassend eine beschaufelte Diffusoranordnung (20) nach einem der
Ansprüche 1 bis 9 im Abströmbereich des Radialverdichters.
15. Abgasturbolader mit einem Radialverdichter gemäß Anspruch 14.