Verdichterlaufrad compressor impeller
Die Erfindung betrifft allgemein ein Verdichterlaufrad, und insbesondere ein Verdichterlaufrad für einen Radialverdichter, einen mit einem solchen Verdichterlaufrad ausgerüsteten Radialverdichter und einen mit einem solchen Radialverdichter ausgerüsteten Abgasturbolader einer Brennkraftmaschine.The invention relates generally to a compressor impeller, and more particularly to a compressor impeller for a centrifugal compressor, a centrifugal compressor equipped with such a compressor impeller, and an exhaust gas turbocharger of an internal combustion engine equipped with such a centrifugal compressor.
Das Vorlesungsskript "Kraft- und Arbeitsmaschinen" (FachhochschuleThe lecture script "Kraft- und Arbeitsmaschinen" (University of Applied Sciences)
Schmalkalden, Fachbereich Maschinenbau, Version 08/2007) von Prof. Dr.-Ing. Robert Pietzsch befasst sich auf den Seiten 46 bis 57 mit herkömmlichen Turboverdichtern. Auf Seite 47 dieses Skriptes ist ein Verdichterlaufrad mit einer Mehrzahl von Laufradpassagen zum Hindurchleiten eines zu verdichtenden Fluids beschrieben, wobei die Laufradpassagen jeweils ein Fluideintrittsende und ein Fluidaustrittsende aufweisen, und wobei die jeweiligen Laufradpassagen am Fluideintrittsende eine erste Querschnittsfläche und am Fluidaustrittsende eine zweite Querschnittsfläche aufweisen.Schmalkalden, Department of Mechanical Engineering, Version 08/2007) by Prof. Dr.-Ing. Robert Pietzsch deals on pages 46 to 57 with conventional turbocompressors. On page 47 of this script there is described a compressor impeller having a plurality of impeller passages for passing a fluid to be compressed, the impeller passages each having a fluid inlet end and a fluid outlet end, and wherein the respective impeller passages have a first cross-sectional area at the fluid inlet end and a second cross-sectional area at the fluid outlet end.
Der Energiewandlungsprozess in einem Radialverdichter vollzieht sich mittels einer rotierenden Beschaufelung eines Verdichterlaufrades, die dem Fördermedium bzw. zu verdichtenden Fluid, wie beispielsweise atmosphärischer Frischluft, einen Drall aufprägt. Die Leistung des drallbehaftet strömenden Fluids verhält sich dabei einerseits proportional zur Umfangsgeschwindigkeit der als Festkörper rotierenden Beschaufelung und andererseits proportional zur konzentrisch rotierenden Komponente seiner Geschwindigkeit, die ihrerseits Proportionalität zur Rotationsgeschwindigkeit des Festkörpers und damit zur Drehzahl des Verdichterlaufrades aufweist.
Der mit dem Radialverdichter geförderte Durchsatz verhält sich für Strömungsgeschwindigkeiten, die im Vergleich zur Schallgeschwindigkeit des Fluids als gering angesehen werden können, ebenfalls proportional zur Drehzahl der rotierenden Beschaufelung. Mit zunehmender Drehzahl des Verdichterlaufrades hat die Kompressibilität des Fluids jedoch zur Folge, dass sich für den Durchsatz ein Grenzwert einstellt, der in erster Linie von den Strömungsquerschnitten innerhalb der Beschaufelung abhängt. Demgemäß verhält sich bei herkömmlichen Radialverdichtern der als volumenspezifische Energie gekennzeichnete Druck in Abhängigkeit vom Durchsatz deutlich überproportional.The energy conversion process in a centrifugal compressor takes place by means of a rotating blading of a compressor impeller, which impels a spin to the pumped medium or fluid to be compressed, such as, for example, atmospheric fresh air. The power of the swirling flowing fluid behaves on the one hand proportional to the peripheral speed of rotating as a solid blading and on the other hand proportional to the concentric rotating component of its speed, which in turn has proportional to the rotational speed of the solid and thus to the speed of the compressor impeller. The throughput promoted with the centrifugal compressor also behaves proportionally to the rotational speed of the rotating blading for flow velocities that can be considered low compared to the speed of sound of the fluid. As the rotational speed of the compressor impeller increases, however, the compressibility of the fluid results in a flow rate limit that depends primarily on the flow areas within the blading. Accordingly, in conventional centrifugal compressors, the pressure, which is characterized as volume-specific energy, behaves disproportionately in relation to the throughput.
Fig. 1 veranschaulicht unter Darstellung eines Totaldruckverhältnisses π tot überFig. 1 illustrates, showing a total pressure ratio π to t via
dem Durchsatz bzw. Volumenstrom V den typischen Arbeitsbereich eines herkömmlichen Radialverdichters.the throughput or volume flow V the typical working range of a conventional centrifugal compressor.
Beim Einsatz des Radialverdichters in einem Abgasturbolader für Brennkraftmaschinen wird der Radialverdichter wie in Fig.1 gezeigt einer Charakteristik (gemäß der Linie BC in Fig.1 ) der Brennkraftmaschine folgen, wobei jedoch über den gesamten Lastbereich hinweg ein Mindestabstand zu einer Pumpgrenze PG des Radialverdichters zu gewährleisten ist. Andererseits ist der Durchsatz des Radialverdichters durch dessen Sperrgrenze bzw. Schluckgrenze bzw. Stopfgrenze SG begrenzt. Linien konstanter Drehzahl der rotierenden Beschaufelung bzw. des Verdichterlaufrades sind in Fig.1 mit nkonst bezeichnet.When using the radial compressor in an exhaust gas turbocharger for internal combustion engines, the radial compressor as shown in Figure 1 follows a characteristic (according to the line BC in Figure 1) of the internal combustion engine, but over the entire load range away a minimum distance to a pumping limit PG of the centrifugal compressor ensure. On the other hand, the throughput of the centrifugal compressor is limited by its blocking limit or swallow limit SG. Lines of constant speed of the rotating blading or of the compressor impeller are designated in FIG. 1 with n k onst.
In Zusammenschau mit der einen besten Wirkungsgrad bzw. optimalenIn conjunction with the one best efficiency or optimal
Wirkungsgrad kennzeichnenden Linie WGopt zeigt sich, dass die überproportionale Abhängigkeit des Verdichtungsdruckverhältnisses bzw. TotaldruckverhältnissesEfficiency characterizing line WG op t shows that the disproportionate dependence of the compression ratio or total pressure ratio
Il tot vom Durchsatz V bei herkömmlichen Radialverdichtern zu einem ZielkonfliktIl dead from throughput V in conventional centrifugal compressors to a conflict of goals
mit der Charakteristik BC der Brennkraftmaschine führt.
Der mit Rücksicht auf einen stabilen Betheb des Radialverdichters einzuhaltende Abstand von der Pumpgrenze PG hat insbesondere unter hoher Last zur Folge, dass sowohl der an der Brennkraftmaschine erzielbare Ladedruck als auch der thermodynamische Wirkungsgrad im Arbeitspunkt deutliche Einbußen im Vergleich mit den optimalen Auslegungswerten des Radialverdichters in Erscheinung treten lassen.with the characteristic BC of the internal combustion engine leads. The to be observed with regard to a stable Betheb of the centrifugal compressor distance from the pumping limit PG has the consequence that both the achievable on the internal combustion engine boost pressure and the thermodynamic efficiency at the operating point significant loss in comparison with the optimal design values of the centrifugal compressor in appearance let go.
Unter Berücksichtigung der materialtechnisch begrenzten Festkörperrotationsgeschwindigkeit des Verdichterlaufrades am Außenschnitt bzw. Außenumfang dessen limitieren herkömmliche Auslegungen daher die einstufige Turboaufladung auf ungefähr 5,5 bar.Taking into account the material technology limited solid-state rotational speed of the compressor impeller on the outer section or outer periphery of which limit conventional designs therefore the single-stage turbocharging to about 5.5 bar.
Bei einer einstufigen Aufladung einer Brennkraftmaschine, wie z.B. eines Dieselmotors, mit Druckverhältnissen, die einen Wert von ungefähr 5,5 bar überschreiten, arbeitet ein üblicher Radialverdichter mit Wirkungsgraden, die deutlich unterhalb seines Optimums liegen.In a one-stage charging of an internal combustion engine, such as e.g. a diesel engine, with pressure ratios exceeding a value of about 5.5 bar, operates a conventional centrifugal compressor with efficiencies well below its optimum.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verdichterlaufrad für einen Radialverdichter bereitzustellen, mit dem bei deutlich verbessertem Wirkungsgrad Ladedrücke bzw. verdichterauslassseitige Drücke von über 5,5 bar erzielbar sind. Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, einen mit einem solchen Verdichterlaufrad ausgerüsteten Radialverdichter sowie einen mit einem solchen Radialverdichter ausgerüsteten Abgasturbolader einer Brennkraftmaschine bereitzustellen.The invention has for its object to provide a compressor impeller for a centrifugal compressor, with the boost pressure or compressor outlet side pressures of over 5.5 bar can be achieved with significantly improved efficiency. The invention is further based on the object to provide a equipped with such a compressor wheel radial compressor and equipped with such a centrifugal compressor exhaust gas turbocharger an internal combustion engine.
Die oben genannten Aufgaben werden mit einem Verdichterlaufrad gemäß Patentanspruch 1 , einem Radialverdichter gemäß Patentanspruch 8 bzw. einem Abgasturbolader einer Brennkraftmaschine gemäß Patentanspruch 11 gelöst.
Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweils abhängigen Ansprüchen definiert.The above objects are achieved with a compressor impeller according to claim 1, a centrifugal compressor according to claim 8 and an exhaust gas turbocharger of an internal combustion engine according to claim 11. Further developments of the invention are defined in the respective dependent claims.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung weist ein Verdichterlaufrad für einen Radialverdichter eine Mehrzahl von Laufradpassagen zum Hindurchleiten eines zu verdichtenden Fluids auf, wobei die Laufradpassagen jeweils ein Fluideinthttsende und ein Fluidaustrittsende haben und wobei die jeweiligen Laufradpassagen am Fluideinthttsende eine erste Querschnittsfläche und am Fluidaustrittsende eine zweite Querschnittsfläche haben. Das erfindungsgemäße Verdichterlaufrad zeichnet sich dadurch aus, dass ein Größenverhältnis von zweiter Querschnittsfläche zu erster Querschnittsfläche kleiner als 0,7 ist.According to a first aspect of the invention, a compressor impeller for a radial compressor comprises a plurality of impeller passages for passing a fluid to be compressed, the impeller passages each having a fluid inlet end and a fluid outlet end and wherein the respective impeller passages at the fluid inlet end have a first cross sectional area and at the fluid exit end a second cross sectional area to have. The compressor impeller according to the invention is characterized in that a size ratio of the second cross-sectional area to the first cross-sectional area is smaller than 0.7.
Erfindungsgemäß wurde erkannt, das bei herkömmlichen Verdichterlaufrädern das Größenverhältnis von zweiter Querschnittsfläche zu erster Querschnittsfläche ungefähr 0,75 beträgt, also jedenfalls größer als 0,7 ist.According to the invention, it has been recognized that in conventional compressor impellers the size ratio of the second cross-sectional area to the first cross-sectional area is approximately 0.75, ie in any case greater than 0.7.
Durch die erfindungsgemäße Gestaltung von Fluideinthttsende und Fluidaustrittsende mit einem Flächenverhältnis bzw. Größenverhältnis von kleiner 0,7 werden die Betriebseigenschaften eines mit dem erfindungsgemäßen Verdichterlaufrad ausgerüsteten Radialverdichters derart verbessert, dass eine den besten Wirkungsgrad eines solchen Radialverdichters kennzeichnende Linie im Kennfeld nahezu koinzident mit bzw. nahezu parallel zu und sehr nahe an einer die Charakteristik einer mit dem Radialverdichter wirkgekoppelten Brennkraftmaschine beschreibenden Linie verläuft.The inventive design of Fluideinthttsende and fluid outlet end with an area ratio or size ratio of less than 0.7, the operating characteristics of a equipped with the compressor impeller radial compressor according to the invention are improved so that the best efficiency of such a centrifugal compressor characteristic line in the map almost coincident with or nearly runs parallel to and very close to a line describing the characteristic of an engine operatively coupled to the centrifugal compressor.
Damit wird der Zielkonflikt zwischen Verdichterauslegung und Turboaufladung der Brennkraftmaschine weitestgehend behoben. Mit anderen Worten tritt die überproportionale Abhängigkeit des Ladedruckes vom Durchsatz in nur noch schwach ausgeprägter Form zutage, so dass der Radialverdichter der Charakteristik der Brennkraftmaschine folgend nahe seiner optimalen Auslegung arbeiten kann.
Die erfindungsgemäße Lösung kann unter Inkaufnahme eines gemäßigten theoretischen Maximaldruckes zu Verdichterkennfeldern führen, die insbesondere im Teillastbereich reduzierte Durchsätze aufweisen, wobei jedoch eine deutliche Steigerung des tatsächlich bereitstellbaren Ladedruckes und desThus, the conflict of objectives between compressor design and turbocharging of the internal combustion engine is largely eliminated. In other words, the disproportionate dependence of the boost pressure on the throughput in only slightly pronounced form is evident, so that the radial compressor can follow the characteristic of the internal combustion engine following its optimal design. The solution according to the invention can lead to compressor maps at the expense of a moderate theoretical maximum pressure, which have reduced throughputs, in particular in the partial load range, but with a significant increase in the charge pressure that can actually be provided and
Verdichterwirkungsgrades erzielt wird. Dies wird insbesondere durch die erfindungsgemäße Auslegung des Verhältnisses der Querschnittsfläche der Laufradpassagen am Fluidausthttsende zur Querschnittsfläche der Laufradpassagen am Fluideinthttsende erreicht.Compressor efficiency is achieved. This is achieved in particular by the inventive design of the ratio of the cross-sectional area of the impeller passages at the fluid end end to the cross-sectional area of the impeller passages at the fluid end end.
Ein mit einem erfindungsgemäßen Verdichterlaufrad ausgerüsteter Radialverdichter verfügt über einen im Kennfeld ersichtlichen breiteren stabilen Arbeitsbereich, was unter Zusammenwirkung mit unter Teillastbedingungen reduzierten Durchsätzen zur Folge hat, dass der Radialverdichter und die Charakteristik einer damit wirkgekoppelten Brennkraftmaschine nahezu bestmöglich aufeinander abgestimmt sind.A centrifugal compressor equipped with a compressor impeller according to the invention has a broader stable working range which can be seen in the characteristic field, resulting in reduced throughputs under partial load conditions, so that the radial compressor and the characteristic of an internal combustion engine operatively coupled thereto are matched to one another in the best possible way.
Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verdichterlaufrades ist das Größenverhältnis von zweiter Querschnittsfläche zu erster Querschnittsfläche kleiner als 0,65.According to one embodiment of the compressor impeller according to the invention, the size ratio of the second cross-sectional area to the first cross-sectional area is smaller than 0.65.
Bei einer solchen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verdichterlaufrades sind im Wesentlichen ohne Einbußen hinsichtlich des Wirkungsgrades im Betriebspunkt Ladedrücke an der Brennkraftmaschine von bis zu 6 bar realisierbar.In such an embodiment of the compressor impeller according to the invention are essentially without loss of efficiency in the operating point boost pressures to the internal combustion engine of up to 6 bar realized.
Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verdichterlaufrades beträgt eine Größe der ersten Querschnittsfläche mindestens das 1 , 54-fache einer Größe der zweiten Querschnittsfläche.
Bei einer solchen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verdichterlaufrades sind im Wesentlichen ohne Einbußen hinsichtlich des Wirkungsgrades im Betriebspunkt Ladedrücke an der Brennkraftmaschine von bis zu 6 bar realisierbar.According to one embodiment of the compressor impeller according to the invention, a size of the first cross-sectional area is at least 1.54 times a size of the second cross-sectional area. In such an embodiment of the compressor impeller according to the invention are essentially without loss of efficiency in the operating point boost pressures to the internal combustion engine of up to 6 bar realized.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verdichterlaufrades ist das Größenverhältnis von zweiter Querschnittsfläche zu erster Querschnittsfläche kleiner als 0,6.According to a further embodiment of the compressor impeller according to the invention, the size ratio of the second cross-sectional area to the first cross-sectional area is smaller than 0.6.
Bei einer solchen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verdichterlaufrades sind im Wesentlichen ohne Einbußen hinsichtlich des Wirkungsgrades im Betriebspunkt Ladedrücke an der Brennkraftmaschine von bis zu 7 bar realisierbar.With such an embodiment of the compressor impeller according to the invention, boost pressures to the internal combustion engine of up to 7 bar can be realized substantially without sacrificing the efficiency at the operating point.
Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verdichterlaufrades beträgt eine Größe der ersten Querschnittsfläche mindestens das 1 , 67-fache einer Größe der zweiten Querschnittsfläche.According to one embodiment of the compressor impeller according to the invention, a size of the first cross-sectional area is at least 1.67 times a size of the second cross-sectional area.
Bei einer solchen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verdichterlaufrades sind im Wesentlichen ohne Einbußen hinsichtlich des Wirkungsgrades im Betriebspunkt Ladedrücke an der Brennkraftmaschine von bis zu 7 bar realisierbar.With such an embodiment of the compressor impeller according to the invention, boost pressures to the internal combustion engine of up to 7 bar can be realized substantially without sacrificing the efficiency at the operating point.
Gemäß noch einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verdichterlaufrades weist das Verdichterlaufrad ferner eine Laufradnabe mit einem Außenumfang und eine Mehrzahl von Laufradschaufeln auf, die entlang des Außenumfangs der Laufradnabe verteilt auf der Laufradnabe angeordnet sind und die jeweils zwei seitliche Schaufelflächen und einen zwischen den Schaufelflächen angeordneten radial äußeren Rand aufweisen.
Gemäß dieser Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verdichterlaufrades definieren die äußeren Ränder der Laufrad seh auf ein gemeinsam einen Außenumfang der Laufradschaufeln, wobei die jeweiligen Laufradpassagen zwischen jeweils benachbarten Laufradschaufeln gebildet sind. Die Laufradpassagen sind dabei jeweils von dem Außenumfang der Laufradnabe, einander gegenüberliegenden Schaufelflächen der jeweils benachbarten Laufrad seh auf ein und dem Außenumfang der Laufrad seh auf ein begrenzt. Gemäß dieser Ausführungsform der Erfindung ist das Fluideinthttsende der jeweiligen Laufradpassagen radial innenliegend angeordnet und ist das Fluidausthttsende der jeweiligen Laufradpassagen radial außenliegend angeordnet.According to yet another embodiment of the compressor impeller according to the invention, the compressor impeller further comprises an impeller hub having an outer circumference and a plurality of impeller blades distributed along the outer circumference of the impeller hub on the impeller hub and each having two lateral blade surfaces and a radially outer one disposed between the blade surfaces Have edge. According to this embodiment of the compressor impeller according to the invention, the outer edges of the impeller together define an outer periphery of the impeller blades, the respective impeller passages being formed between respective adjacent impeller blades. The impeller passages are in each case of the outer circumference of the impeller hub, opposite blade surfaces of the respective adjacent impeller seh on one and the outer periphery of the impeller seh limited to a. According to this embodiment of the invention, the fluid inlet end of the respective impeller passages is arranged radially inwardly and the fluid end of the respective impeller passages is arranged radially outboard.
Gemäß noch einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verdichterlaufrades weisen die Laufradpassagen zwischen dem Fluideinthttsende und dem Fluidaustrittsende jeweils eine Trennwand auf, die die Laufradpassage nach dem Fluideinthttsende in zwei Teilpassagen unterteilt, wobei sich die Trennwand entlang der Laufradpassage von einer Trennstelle, die einen vorbestimmten Abstand zum Fluideinthttsende hat, bis zum Fluidaustrittsende hin erstreckt, so dass die Laufradpassage einen einzigen Fluideingang und zwei in einer Umfangsrichtung des Verdichterlaufrades nebeneinanderliegende Fluidausgänge aufweist.According to another embodiment of the compressor impeller according to the invention, the impeller passages between the fluid inlet end and the fluid outlet end each have a partition dividing the impeller passage after the fluid inlet end into two sub-passages, the partition wall extending along the impeller passage from a separation location a predetermined distance from the fluid inlet end , extends to the fluid exit end so that the impeller passage has a single fluid inlet and two fluid outlets juxtaposed in a circumferential direction of the compressor impeller.
Eine solche Trennwand hat insbesondere die Vorteile, dass sie einerseits die Querschnittsfläche der jeweiligen Laufradpassage am Fluideinthttsende nicht reduziert und andererseits eine bessere Übertragung der von dem Verdichterlaufrad verrichteten mechanischen Arbeit bzw. der Bewegungsenergie auf das zu verdichtende Fluid bewirkt.In particular, such a partition has the advantages that on the one hand it does not reduce the cross-sectional area of the respective impeller passage at the fluid inlet end and on the other hand causes a better transfer of the mechanical work or kinetic energy performed by the compressor impeller to the fluid to be compressed.
Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verdichterlaufrades weisen die beiden Teilpassagen jeder Laufradpassage am Fluidaustrittsende jeweils eine Austrittsquerschnittsfläche auf, wobei eine Summe einer jeweiligen
Größe der jeweiligen Austrittsquerschnittsflächen der beiden Teilpassagen gleich einer Größe der zweiten Querschnittsfläche ist.According to one embodiment of the compressor impeller according to the invention, the two partial passages of each impeller passage at the fluid outlet end each have an outlet cross-sectional area, wherein a sum of a respective Size of the respective outlet cross-sectional areas of the two partial passages is equal to a size of the second cross-sectional area.
Diese Ausgestaltung der Erfindung bietet zusätzliche Flexibilität bzw. Gestaltungsfreiheit für eine optimale Auslegung des Verdichterlaufrades, da die beiden Austrittsquerschnittsflächen der beiden Teilpassagen jeder Laufradpassage je nach Bedarf gleich groß oder auch unterschiedlich groß ausgebildet sein können.This embodiment of the invention provides additional flexibility or design freedom for an optimal design of the compressor impeller, since the two outlet cross-sectional areas of the two partial passages of each impeller passage can be made the same size or different sizes as needed.
Bevorzugt sind die Trennwände von jeweiligen Zusatzschaufeln gebildet, welche in ihrer Form und ihrer radialen Erstreckung zu den Laufradschaufeln korrespondieren und welche fluideinthttsendenseitig um ein dem vorbestimmten Abstand entsprechendes Maß kürzer als die Laufradschaufeln ausgebildet sind.Preferably, the partitions are formed by respective auxiliary blades, which correspond in their shape and their radial extent to the impeller blades and which are formed fluideinthendseitig by a predetermined distance corresponding dimension shorter than the impeller blades.
Diese Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verdichterlaufrades unterstützt in besonders vorteilhafter Weise die Übertragung der von dem Verdichterlaufrad verrichteten mechanischen Arbeit bzw. der Bewegungsenergie auf das zu verdichtende Fluid.This embodiment of the compressor impeller according to the invention supports in a particularly advantageous manner, the transmission of the mechanical work done by the compressor impeller or the kinetic energy to the fluid to be compressed.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung ist ein Radialverdichter für einen Turbolader bereitgestellt, wobei der Radialverdichter ein Verdichtergehäuse, das einen Fluideinlass zum Aufnehmen eines Hauptstroms von in dem Radialverdichter zu verdichtendem Fluid und eine Rückkopplungspassage hat, und ein Verdichterlaufrad gemäß einer, mehreren oder allen zuvor beschriebenen Ausführungsform(en) der Erfindung aufweist, wobei das Verdichterlaufrad in einer Strömungsrichtung des Hauptstroms nach dem Fluideinlass angeordnet drehbar in dem Verdichtergehäuse gelagert ist, und wobei sich die Rückkopplungspassage von einem am Fluideinlass befindlichen ersten Innenumfangsabschnitt des Verdichtergehäuses bis zu einem das Verdichterlaufrad radial umschließenden zweiten Innenumfangsabschnitt des Verdichtergehäuses erstreckt, so dass sich
entlang der Rückkopplungspassage ein Nebenstrom von zu verdichtendem Fluid ausbilden kann.According to a second aspect of the invention, there is provided a radial compressor for a turbocharger, the radial compressor comprising a compressor housing having a fluid inlet for receiving a main flow of fluid to be compressed in the centrifugal compressor and a feedback passage, and a compressor wheel according to one or more or all of those previously described Embodiment (s) of the invention, wherein the compressor impeller is rotatably mounted in the compressor housing disposed in a flow direction of the main flow after the fluid inlet, and wherein the feedback passage from a fluid inlet located at the first inner peripheral portion of the compressor housing to a radially surrounding the compressor impeller second inner peripheral portion the compressor housing extends so that along the feedback passage can form a side stream of fluid to be compressed.
Durch die erfindungsgemäße Gestaltung von Fluideintrittsende und Fluidaustrittsende des Verdichterlaufrades des erfindungsgemäßenDue to the inventive design of fluid inlet end and fluid outlet end of the compressor impeller of the invention
Radialverdichters werden die Betriebseigenschaften des Radialverdichters derart verbessert, dass eine den besten Wirkungsgrad des Radialverdichters kennzeichnende Linie im Kennfeld nahezu koinzident mit bzw. nahezu parallel zu und sehr nahe an einer die Charakteristik einer mit dem Radialverdichter wirkgekoppelten Brennkraftmaschine beschreibenden Linie verläuft.Radial compressor, the operating characteristics of the centrifugal compressor are improved so that the best efficiency of the centrifugal compressor characteristic line in the map almost coincident with or nearly parallel to and very close to a characteristic of an operatively coupled to the centrifugal internal combustion engine line runs.
Damit wird der Ziel konflikt zwischen Radialverdichterauslegung und Turboaufladung der Brennkraftmaschine weitestgehend behoben. Mit anderen Worten tritt die überproportionale Abhängigkeit des Ladedruckes vom Durchsatz in nur noch schwach ausgeprägter Form zutage, so dass der Radialverdichter der Charakteristik der Brennkraftmaschine folgend nahe seiner optimalen Auslegung arbeiten kann. Weiterhin kann durch die erfindungsgemäß bereitgestellte Lösung ggf. auf Abblaseklappen im Radialverdichter verzichtet werden.Thus, the target conflict between radial compressor design and turbocharging the engine is largely eliminated. In other words, the disproportionate dependence of the boost pressure on the throughput in only slightly pronounced form is evident, so that the radial compressor can follow the characteristic of the internal combustion engine following its optimal design. Furthermore, can be dispensed with by the inventively provided solution if necessary on Abblaseklappen in the centrifugal compressor.
Die erfindungsgemäße Lösung kann unter Inkaufnahme eines gemäßigten theoretischen Maximaldruckes zu Radialverdichterkennfeldern führen, die insbesondere im Teillastbereich reduzierte Durchsätze aufweisen, wobei jedoch eine deutliche Steigerung des tatsächlich bereitstellbaren Ladedruckes und des Wirkungsgrades des Radialverdichters erzielt wird. Dies wird insbesondere durch die erfindungsgemäße Auslegung des Verhältnisses der Querschnittsfläche der Laufradpassagen am Fluidaustrittsende zur Querschnittsfläche der Laufradpassagen am Fluideintrittsende des Verdichterlaufrades erreicht.The solution according to the invention can lead to radial compressor characteristic diagrams, which have reduced throughputs, in particular in the partial load range, at the expense of a moderate theoretical maximum pressure, whereby, however, a significant increase in the actual charge pressure and the efficiency of the radial compressor is achieved. This is achieved in particular by the inventive design of the ratio of the cross-sectional area of the impeller passages at the fluid outlet end to the cross-sectional area of the impeller passages at the fluid inlet end of the compressor impeller.
Der erfindungsgemäße Radialverdichter verfügt über einen im Kennfeld ersichtlichen breiteren stabilen Arbeitsbereich, was unter Zusammenwirkung mit unter Teillastbedingungen reduzierten Durchsätzen zur Folge hat, dass der
Radialverdichter und die Charakteristik einer damit wirkgekoppelten Brennkraftmaschine nahezu bestmöglich aufeinander abgestimmt sind.The radial compressor according to the invention has a broader stable working range which can be seen in the characteristic diagram, which has the result, together with reduced throughputs under partial load conditions, that the Radial compressor and the characteristics of a so operatively coupled internal combustion engine are almost perfectly matched.
Dadurch, dass das Verdichtergehäuse des erfindungsgemäßen Radialverdichters die Rückkopplungspassage aufweist, welche eine verdichterinterne Rezirkulation ermöglicht, wird eine weitestgehende Proportionalität zwischen dem erzielten Druckverhältnis bzw. Totaldruckverhältniss und dem Durchsatz bzw. Volumenstrom entlang der Pumpgrenze unterstützt.Due to the fact that the compressor housing of the radial compressor according to the invention has the feedback passage which permits a compressor-internal recirculation, the greatest possible proportionality between the obtained pressure ratio or total pressure ratio and the throughput or volume flow along the surge line is supported.
Mit anderen Worten gestattet die Ausgestaltung des Rezirkulationsraumes bzw. der Rückkopplungspassage an der Pumpgrenze eine Rückkopplung und Wiedervereinigung einer vom Außenumfang der Laufradschaufeln abgerissenen Fluidströmung (bzw. Rückführung dieser als Nebenstrom entgegen der Strömungsrichtung des Hauptstroms) an die bzw. mit der Hauptströmung vor dem Verdichterlaufrad, was gewährleistet, dass sich eine Stabilisierung der Strömungsverhältnisse im Verdichterlaufrad einstellen kann.In other words, the configuration of the recirculation space or the feedback passage at the surge line permits a feedback and reunification of a fluid flow torn off from the outer circumference of the impeller blades (or recycling these as a secondary flow against the flow direction of the main flow) to the main flow upstream of the compressor impeller, which ensures that a stabilization of the flow conditions in the compressor impeller can be established.
Andererseits kann die Rückkopplungspassage so ausgelegt werden, dass sich ein insbesondere bei hohen Verdichterdrehzahlen in Strömungsrichtung des Hauptstroms über die Rückkopplungspassage strömender sekundärer Anteil bzw. Nebenstrom des Fördermediums bzw. zu verdichtenden Fluids stromabwärts der für den Durchsatz maßgeblichen ersten Querschnittsfläche mit dem Hauptstrom des Fluids wiedervereinigt.On the other hand, the feedback passage can be designed such that a secondary portion or secondary flow of the conveying medium or fluid to be compressed downstream of the first cross-sectional area relevant for the throughput, in particular at high compressor speeds in the flow direction of the main flow via the feedback passage, reunites with the main flow of the fluid.
D.h., mit der Bemessung und Anordnung der Rückkopplungspassage kann die Unterstützung eines stabilen Verdichterbetriebs auf die Pumpgrenze oder auf die Sperrgrenze konzentriert werden, wobei zwischen diesen beiden extremen Ausführungen jedoch beliebige Variationen bzw. Abstufungen möglich sind.
Bevorzugt sind dazu gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Radialverdichters in der Rückkopplungspassage Leitschaufeln angeordnet zum Beeinflussen einer Strömungsrichtung und/oder einer Strömungsmenge des Nebenstroms.That is, with the design and arrangement of the feedback passage, the support of a stable compressor operation can be concentrated on the surge limit or on the stop limit, but any variations or gradations are possible between these two extreme embodiments. According to an embodiment of the radial compressor according to the invention, in the feedback passage, guide vanes are preferably arranged for influencing a flow direction and / or a flow rate of the secondary flow.
Bevorzugt weist die Rückkopplungspassage ein erstes Ende, das sich am Fluideinlass befindet, und ein zweites Ende auf, das sich in der Nähe des Fluideinthttsendes der Laufradpassagen befindet.Preferably, the feedback passage has a first end located at the fluid inlet and a second end located near the fluid inlet end of the impeller passages.
Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Radialverdichters ist dieser als einstufiger Radialverdichter ausgebildet.According to one embodiment of the radial compressor according to the invention this is designed as a single-stage centrifugal compressor.
Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung ist ein Abgasturbolader einer Brennkraftmaschine, mit einer Abgasturbine und einem Radialverdichter gemäß einer, mehreren oder allen zuvor beschriebenen Ausführungsform(en) der Erfindung bereitgestellt.According to a third aspect of the invention, there is provided an exhaust gas turbocharger of an internal combustion engine having an exhaust gas turbine and a centrifugal compressor according to one or more or all of the above-described embodiment (s) of the invention.
Ein mit einem solchen Abgasturbolader ausgerüsteter Verbrennungsmotor (Brennkraftmaschine) eines Fahrzeugs hat insbesondere eine höhere Leistungsausbeute und einen geringeren Kraftstoffverbrauch.A vehicle equipped with such an exhaust gas turbocharger internal combustion engine (internal combustion engine) of a vehicle has in particular a higher power output and lower fuel consumption.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsformen und unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren detaillierter beschrieben.In the following the invention will be described in more detail by means of preferred embodiments and with reference to the attached figures.
Fig.1 zeigt ein Kennfeld des Arbeitsbereichs eines üblichen Radialverdichters.1 shows a characteristic diagram of the working range of a conventional radial compressor.
Fig.2 zeigt eine schematische Ansicht eines Radialverdichters gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.2 shows a schematic view of a radial compressor according to an embodiment of the invention.
Fig.3 zeigt eine schematische Ansicht eines Verdichterlaufrades des Radialverdichters von Fig.2.
Fig.4 zeigt ein Kennfeld des Arbeitsbereichs des Radialverdichters von Fig.2.3 shows a schematic view of a compressor impeller of the radial compressor of Figure 2. 4 shows a characteristic diagram of the working range of the radial compressor of FIG.
Fig.5 zeigt eine Ansicht, bei der zu Vergleichszwecken die Kennfelder von Fig.1 und Fig.4 übereinandergelegt dargestellt sind.FIG. 5 shows a view in which the characteristic diagrams of FIGS. 1 and 4 are shown superimposed for comparison purposes.
Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren 2 bis 5 ein Abgasturbolader einer Brennkraftmaschine (nicht vollständig gezeigt) gemäß Ausführungsformen der Erfindung beschrieben.In the following, an exhaust gas turbocharger of an internal combustion engine (not completely shown) according to embodiments of the invention will be described with reference to the accompanying figures 2-5.
Der erfindungsgemäße Abgasturbolader weist eine Abgasturbine (nicht gezeigt), die eingangsseitig an ein Abgassystem einer als Dieselmotor ausgebildeten Brennkraftmaschine (nicht gezeigt) eines Kraftfahrzeugs (nicht gezeigt) angeschlossen ist, und einen einstufigen Radialverdichter 1 (in Fig.2 und Fig.3 gezeigt) auf, der über eine nicht dargestellte Triebwelle mit der Abgasturbine drehanthebsverbunden ist.The exhaust gas turbocharger according to the invention has an exhaust gas turbine (not shown), which is connected on the input side to an exhaust system of a motor vehicle (not shown) of a motor vehicle (not shown) and a single-stage radial compressor 1 (shown in FIG. 2 and FIG. 3). on, which is drehanthebsverbunden connected via a drive shaft, not shown, with the exhaust turbine.
Der Radialverdichter 1 weist ein Verdichtergehäuse 10, das einen Fluideinlass 11 zum Aufnehmen eines Hauptstroms H von in dem Radialverdichter 1 zu verdichtender ggf. gefilterter atmosphärischer Frischluft, einen Fluidauslass (nicht dargestellt) zum Auslassen der verdichteten Frischluft, wobei der Fluidauslass mit einem Lufteinlass der Brennkraftmaschine fluidverbunden ist, und eine Rückkopplungspassage 12 aufweist.The centrifugal compressor 1 comprises a compressor housing 10 having a fluid inlet 11 for receiving a main flow H of optionally filtered atmospheric fresh air to be compressed in the centrifugal compressor 1, a fluid outlet (not shown) for discharging the compressed fresh air, the fluid outlet having an air inlet of the internal combustion engine fluidly connected, and having a feedback passage 12.
Der Radialverdichter 1 weist ferner ein Verdichterlaufrad 20 auf, das in einer durch die Pfeilspitze der den Hauptstrom H symbolisierenden Linie gekennzeichneten Strömungsrichtung des Hauptstroms H nach dem Fluideinlass 11 angeordnet drehbar in dem Verdichtergehäuse 10 gelagert ist.The centrifugal compressor 1 further has a compressor impeller 20, which is rotatably mounted in the compressor housing 10 in a direction of flow of the main stream H after the fluid inlet 11, indicated by the arrowhead of the main stream H symbolizing line.
Die Rückkopplungspassage 12 erstreckt sich von einem am Fluideinlass 11 befindlichen ersten Innenumfangsabschnitt 13 des Verdichtergehäuses 10 bis zu einem das Verdichterlaufrad 20 radial umschließenden zweiten
lnnenumfangsabschnitt 14 des Verdichtergehäuses 10, so dass sich entlang der Rückkopplungspassage 12 ein Nebenstrom N von zu verdichtender Frischluft je nach Betriebsbedingungen entgegen oder korrespondierend zu der Strömungsrichtung des Hauptstroms H einstellen kann.The feedback passage 12 extends from a first inner peripheral portion 13 of the compressor housing 10 located at the fluid inlet 11 to a second radially surrounding the compressor wheel 20 Inner peripheral portion 14 of the compressor housing 10, so that along the feedback passage 12, a side stream N to be compressed fresh air depending on the operating conditions opposite to or corresponding to the flow direction of the main flow H.
Die Rückkopplungspassage 12 ist von einer ringförmigen Aussparung 15 im Innenumfang des Verdichtergehäuses 10 und einem in den Fluideinlass 11 eingesetzten Ringelement 16 gebildet, so dass die Rückkopplungspassage 12 ein erstes Ende 12a, das sich am Fluideinlass 11 befindet, und ein zweites Ende 12b aufweist, das sich in der Nähe jeweiliger Fluideinthttsenden 23a von Laufradpassagen 23 des Verdichterlaufrades 20 befindet.The feedback passage 12 is formed by an annular recess 15 in the inner circumference of the compressor housing 10 and a ring member 16 inserted into the fluid inlet 11 so that the feedback passage 12 has a first end 12a located at the fluid inlet 11 and a second end 12b is near respective fluid inlet ends 23a of impeller passages 23 of the compressor impeller 20.
Zum Beeinflussen der Strömungsrichtung und/oder der Strömungsmenge des Nebenstroms N sind in der Rückkopplungspassage 12 feste oder verstellbare Leitschaufeln 17 angeordnet.For influencing the flow direction and / or the flow rate of the secondary flow N, fixed or adjustable guide vanes 17 are arranged in the feedback passage 12.
Eine hinsichtlich ihrer Wirkungsweise der Rückkopplungspassage 12 entsprechende Rückkopplungspassage ist beispielsweise in DE 33 22 295 C3 beschrieben.A with regard to their operation of the feedback passage 12 corresponding feedback passage is described for example in DE 33 22 295 C3.
Das Verdichterlaufrad 20 weist eine auf der Triebwelle drehfest befestigte Laufradnabe 21 mit einem Außenumfang 21 a und eine Mehrzahl von Laufrad seh auf ein 22 auf, die entlang des Außenumfangs 21 a der Laufradnabe 21 in Umfangsrichtung gleichmäßig verteilt auf der Laufradnabe 21 angeordnet sind und die jeweils zwei seitliche Schaufelflächen 22a und 22b und einen sich zwischen den beiden Schaufelflächen 22a, 22b erstreckenden radial äußeren Rand 22c haben.The compressor impeller 20 has a rotatably mounted on the drive shaft impeller hub 21 with an outer circumference 21 a and a plurality of impeller seh on a 22 along the outer periphery 21 a of the impeller hub 21 in the circumferential direction evenly distributed on the impeller hub 21 are arranged and each two lateral blade surfaces 22a and 22b and a radially outer edge 22c extending between the two blade surfaces 22a, 22b.
Die äußeren Ränder 22c der jeweiligen Laufradschaufeln 22 definieren gemeinsam einen Außenumfang (als Rotationskörper betrachtet) der
Laufrad sch auf ein 22, wobei zwischen jeweils benachbarten Laufrad seh auf ein 22, 22 jeweils eine Laufradpassage 23 zum Hindurchleiten der zu verdichtenden Frischluft (Fluid) gebildet ist.The outer edges 22c of the respective impeller blades 22 together define an outer periphery (considered as a rotational body) of the Impeller sch on a 22, wherein between each adjacent impeller seh on a 22, 22 each have an impeller passage 23 for passing the fresh air to be compressed (fluid) is formed.
Die so ausgebildeten Laufradpassagen 22 weisen jeweils ein radial innenliegendes (nahe an der Triebwelle angeordnetes) Fluideinthttsende 23a und ein radial außenliegendes (radial mehr als das Fluideintrittsende 23a von der Triebwelle beabstandetes) Fluidausthttsende 23b auf. Der Außenumfang der Laufrad sch auf ein 22 wird mit einem geringen Spalt dazwischen von radial außen her von dem zweiten Innenumfangsabschnitt 14 und dem Ringelement 16 des Verdichtergehäuses 10 umschlossen.The thus formed impeller passages 22 each have a radially inner (near the drive shaft disposed) Fluideinthttsende 23a and a radially outboard (radially more than the fluid inlet end 23a of the drive shaft spaced) Fluidausthttsende 23b. The outer periphery of the impeller sch on a 22 is enclosed with a small gap therebetween from the radially outside of the second inner peripheral portion 14 and the ring member 16 of the compressor housing 10.
Die Laufradpassagen 23 sind jeweils von dem Außenumfang 21 a der Laufradnabe 21 , einander gegenüberliegenden Schaufelflächen 22a, 22b der jeweils benachbarten Laufrad sch auf ein 22, 22 und dem Außenumfang derThe impeller passages 23 are each of the outer circumference 21 a of the impeller hub 21, opposite blade surfaces 22 a, 22 b of the respective adjacent impeller sch on a 22, 22 and the outer periphery of
Laufrad sch auf ein 22 bzw. dem zweiten Innenumfangsabschnitt 14 und dem Ringelement 16 des Verdichtergehäuses 10 begrenzt.Impeller sch limited to a 22 and the second inner peripheral portion 14 and the ring member 16 of the compressor housing 10.
Die Laufradpassagen 23 weisen zwischen ihrem jeweiligen Fluideintrittsende 23a und ihrem jeweiligen Fluidausthttsende 23b jeweils eine Trennwand in Form einer Zusatzschaufel 24 auf, welche in ihrer radialen Erstreckung mit den Laufrad sch auf ein 22 übereinstimmt, jedoch fluideinthttsendenseitig um ein bestimmtes Maß kürzer als die Laufradschaufeln 22 ausgebildet ist.The impeller passages 23 have, between their respective fluid inlet end 23a and their respective fluid end 23b, a partition in the form of an additional blade 24, which in its radial extent coincides with the impeller 52, but is formed shorter than the impeller blades 22 by a certain amount is.
Mit anderen Worten ist jede Laufradpassage 23 nach ihrem Fluideintrittsende 23a in zwei Teilpassagen 23c, 23d unterteilt, wobei sich die als Trennwand fungierende Zusatzschaufel 24 entlang der Laufradpassage 23 von einer Trennstelle T (in Fig.3 nur angedeutet), die einen vorbestimmten Abstand zum Fluideintrittsende 23a hat, bis zum Fluidausthttsende 23b hin erstreckt, so dass die Laufradpassage 23 einen einzigen Fluideingang und zwei in einer
Umfangsrichtung des Verdichterlaufrades 20 nebeneinanderliegende Fluidausgänge aufweist.In other words, each impeller passage 23 is subdivided into two subpassages 23c, 23d downstream of its fluid inlet end 23a, whereby the additional vane 24 acting as a partition wall extends along the impeller passage 23 from a separation point T (only indicated in FIG. 3) which is a predetermined distance from the fluid inlet end 23a has extended to the fluid end 23b, so that the impeller passage 23 a single fluid inlet and two in one Circumferential direction of the compressor impeller 20 has adjacent fluid outputs.
Jede Laufradpassage 23 weist an ihrem Fluideinthttsende 23a eine erste Querschnittsfläche bzw. Eintrittsquerschnittsfläche AE auf.Each impeller passage 23 has at its fluid inlet end 23a a first cross-sectional area or inlet cross-sectional area AE.
Die beiden Teilpassagen 23c, 23d jeder Laufradpassage 23 weisen am Fluidaustrittsende 23b der betreffenden Laufradpassage 23 jeweils eine Austrittsquerschnittsfläche AAi bzw. AA2 auf. Die gemäß dieser Ausführungsform gleichgroßen beiden Austrittsquerschnittsflächen AA-i, AA2 der beidenThe two partial passages 23c, 23d of each impeller passage 23 each have an outlet cross-sectional area AAi or AA 2 at the fluid outlet end 23b of the respective impeller passage 23. The according to this embodiment, the same size two outlet cross-sectional areas AA-i, AA 2 of the two
Teilpassagen 23c, 23d bilden in ihrer Summe eine zweite Querschnittsfläche bzw. Gesamt-Austrittsquerschnittsfläche AA der jeweiligen Laufradpassage 23 (AA = AAi + AA2). Gemäß weiteren Ausführungsformen der Erfindung können die beiden Austrittsquerschnittsflächen AA-i, AA2 auch unterschiedlich groß sein.Partial passages 23c, 23d in their sum form a second cross-sectional area or total exit cross-sectional area AA of the respective impeller passage 23 (AA = AAi + AA 2 ). According to further embodiments of the invention, the two outlet cross-sectional areas AA-i, AA 2 can also be of different sizes.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist das Größenverhältnis GV von zweiter Querschnittsfläche AA zu erster Querschnittsfläche AE kleiner als 0,7 , wobei folgende Vorschrift gilt:According to one embodiment of the invention, the size ratio GV of the second cross-sectional area AA to the first cross-sectional area AE is smaller than 0.7, the following rule being true:
GV = AA / AE .GV = AA / AE.
Bei einem Größenverhältnis GV von kleiner 0,7 sind ohne Einbußen hinsichtlich des Wirkungsgrades im Betriebspunkt Ladedrücke an der Brennkraftmaschine von größer 5,5 bar realisierbar.With a size ratio GV of less than 0.7, supercharging pressures on the internal combustion engine of greater than 5.5 bar can be achieved without sacrificing the efficiency at the operating point.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist das Größenverhältnis GV von zweiter Querschnittsfläche AA zu erster Querschnittsfläche AE kleiner als 0,65.
Bei einem Größenverhältnis GV von kleiner 0,65 sind ohne Einbußen hinsichtlich des Wirkungsgrades im Betriebspunkt Ladedrücke an der Brennkraftmaschine von bis zu 6 bar realisierbar.According to a further embodiment of the invention, the size ratio GV of the second cross-sectional area AA to the first cross-sectional area AE is smaller than 0.65. With a size ratio GV of less than 0.65, supercharging pressures on the internal combustion engine of up to 6 bar can be achieved without sacrificing efficiency at the operating point.
Gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist das Größenverhältnis GV von zweiter Querschnittsfläche AA zu erster Querschnittsfläche AE kleiner als 0,6.According to yet another embodiment of the invention, the size ratio GV of the second cross-sectional area AA to the first cross-sectional area AE is less than 0.6.
Bei einem Größenverhältnis GV von kleiner 0,6 sind ohne Einbußen hinsichtlich des Wirkungsgrades im Betriebspunkt Ladedrücke an der Brennkraftmaschine von bis zu 7 bar realisierbar.With a size ratio GV of less than 0.6 bar can be realized without sacrificing efficiency at the operating point boost pressures on the engine of up to 7 bar.
Fig.4 zeigt ein Kennfeld des Arbeitsbereichs des erfindungsgemäßen Radialverdichters 1. Fig.5 zeigt eine Ansicht, bei der zu Vergleichszwecken die Kennfelder von Fig.1 und Fig.4 übereinandergelegt dargestellt sind.4 shows a characteristic diagram of the working range of the radial compressor 1 according to the invention. FIG. 5 shows a view in which the characteristic diagrams of FIGS. 1 and 4 are shown superimposed for comparison purposes.
Wie aus Fig.4 und Fig.5 (in Verbindung mit Fig.1 ) ersichtlich, werden durch die erfindungsgemäße Gestaltung des Größenverhältnisses bzw. Flächenverhältnisses GV von Fluideinthttsende 23a und Fluidausthttsende 23b des Verdichterlaufrades 20 des erfindungsgemäßen Radialverdichters 1 die Betriebseigenschaften des Radialverdichters 1 derart verbessert, dass eine den besten Wirkungsgrad des Radialverdichters 1 kennzeichnende Linie WG'opt im Kennfeld nahezu koinzident mit bzw. nahezu parallel zu und sehr nahe an einer die Charakteristik der mit dem Radialverdichter 1 wirkgekoppelten Brennkraftmaschine beschreibenden Linie BC verläuft.As can be seen from FIG. 4 and FIG. 5 (in conjunction with FIG. 1), the inventive design of the size ratio GV of fluid end 23a and fluid end 23b of the compressor impeller 20 of the radial compressor 1 according to the invention improves the operating characteristics of the radial compressor 1 in this way in that a line WG ' op t characterizing the best efficiency of the centrifugal compressor 1 runs nearly coincident with or nearly parallel to and very close to a line BC describing the characteristic of the internal combustion engine operatively coupled to the centrifugal compressor 1 in the characteristic map.
Damit wird der aus dem Stand der Technik bekannte Zielkonflikt zwischen Radialverdichterauslegung und Turboaufladung der Brennkraftmaschine weitestgehend behoben. Mit anderen Worten tritt die überproportionale Abhängigkeit des Ladedruckes bzw. Totaldruckverhältnisses IT tot vom Durchsatz
bzw. Volumenstrom V in nur noch schwach ausgeprägter Form zutage, so dass der Radialverdichter 1 der Charakteristik BC der Brennkraftmaschine folgend nahe seiner optimalen Auslegung arbeiten kann.Thus, the well-known from the prior art conflict between the radial compressor design and turbocharging the engine is largely eliminated. In other words, the disproportionate dependence of the boost pressure or total pressure ratio IT to t of the throughput occurs or volumetric flow V in only slightly pronounced form so that the radial compressor 1 can follow the characteristic BC of the internal combustion engine following its optimum design.
Der erfindungsgemäße Radialverdichter 1 weist unter Inkaufnahme eines gemäßigten theoretischen Maximaldruckes (oberstes Ende der Linien WGopt , WG'opt) ein Kennfeld auf, das insbesondere im Teillastbereich reduzierteThe radial compressor 1 according to the invention has, assuming a moderate theoretical maximum pressure (top end of the lines WG op t, WG'o p t) on a map, which reduced especially in the partial load range
Durchsätze bzw. Volumenströme V zeigt, wobei jedoch eine deutliche SteigerungThroughputs or volume flows V shows, but with a significant increase
Δπ tot des tatsächlich bereitstellbaren Ladedruckes und des Wirkungsgrades des Radialverdichters 1 erzielt wird.Δπ dead of the actual supplyable boost pressure and the efficiency of the radial compressor 1 is achieved.
Der erfindungsgemäße Radialverdichter 1 verfügt über einen im Kennfeld ersichtlichen breiteren stabilen Arbeitsbereich, was unter Zusammenwirkung mitThe radial compressor 1 according to the invention has an apparent in the map wider stable working area, resulting in interaction with
unter Teillastbedingungen reduzierten Durchsätzen bzw. Volumenströmen V zur Folge hat, dass der Radialverdichter 1 und die Charakteristik BC der damit wirkgekoppelten Brennkraftmaschine nahezu bestmöglich aufeinander abgestimmt sind.under partial load conditions reduced throughputs or volume flows V has the consequence that the radial compressor 1 and the characteristic BC of the thus operatively coupled internal combustion engine are matched almost optimally to each other.
Dadurch, dass das Verdichtergehäuse 10 des erfindungsgemäßen Radialverdichters 1 die Rückkopplungspassage 12 aufweist, welche eine verdichterinterne Rezirkulation ermöglicht, wird eine weitestgehende Proportionalität zwischen dem erzielten Druckverhältnis bzw.The fact that the compressor housing 10 of the radial compressor 1 according to the invention has the feedback passage 12, which allows a compressor internal recirculation, a maximum proportionality between the achieved pressure ratio or
Totaldruckverhältniss π tot und dem Durchsatz bzw. Volumenstrom V entlang derTotal pressure ratio π to t and the flow rate or volume flow V along the
Pumpgrenze PG' unterstützt.Pump limit PG 'supported.
Die Gestaltung der Leitschaufeln 17 und die Dimensionierung/Anordnung der Rückkopplungspassage 12 gestatten an der Pumpgrenze PG' eine Rückkopplung
und Wiedervereinigung einer vom Außenumfang der Laufrad seh auf ein 22 und der Zusatzschaufeln 24 abgerissenen Frischluftströmung (bzw. Rückführung dieser als Nebenstrom N entgegen der Strömungsrichtung des Hauptstroms H) an den bzw. mit dem Hauptstrom H vor dem Verdichterlaufrad 20, was gewährleistet, dass sich eine Stabilisierung der Strömungsverhältnisse im Verdichterlaufrad 20 einstellen kann.The design of the vanes 17 and the dimensioning / arrangement of the feedback passage 12 allow feedback at the pumping limit PG ' and reunification of a fresh air flow torn off from the outer circumference of the impeller onto a 22 and the additional blades 24 (or return of these as bypass flow N against the flow direction of the main flow H) to or with the main flow H upstream of the compressor impeller 20, which ensures that can set a stabilization of the flow conditions in the compressor impeller 20.
Andererseits kann die Rückkopplungspassage 12 durch die Gestaltung der Leitschaufeln 17 und die Dimensionierung/Anordnung der Rückkopplungspassage 12 so eingerichtet werden, dass sich ein insbesondere bei hohenOn the other hand, the design of the vanes 17 and the dimensioning / arrangement of the feedback passage 12 make it possible for the feedback passage 12 to be arranged so as to be particularly at high
Verdichterdrehzahlen in Strömungsrichtung des Hauptstroms H über die Rückkopplungspassage 12 strömender Nebenstrom N der zu verdichtenden Frischluft stromabwärts der für den Durchsatz bzw. VolumenstromCompressor speeds in the flow direction of the main flow H via the feedback passage 12 flowing side stream N of the fresh air to be compressed downstream of the flow rate or volume flow
V maßgeblichen ersten Querschnittsfläche AE mit dem Hauptstrom H der zu verdichtenden Frischluft wiedervereinigt.V relevant first cross-sectional area AE with the main flow H of the fresh air to be compressed reunited.
D.h., mit der Konfiguration der Rückkopplungspassage 12 kann die Unterstützung eines stabilen Verdichterbetriebs auf die Pumpgrenze PG' oder auf die Sperrgrenze SG' konzentriert werden, wobei zwischen diesen beiden extremen Ausführungen jedoch beliebige Variationen bzw. Abstufungen möglich sind.
That is, with the configuration of the feedback passage 12, the assistance of a stable compressor operation can be concentrated on the surge limit PG 'or on the stop limit SG', however, any variations or gradations are possible between these two extreme embodiments.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
1 Radialverdichter1 radial compressor
10 Verdichtergehäuse 11 Fluideinlass10 compressor housing 11 fluid inlet
12 Rückkopplungspassage 12a erstes Ende12 feedback passage 12a first end
12b zweites Ende12b second end
13 erster Innenumfangsabschnitt 14 zweiter Innenumfangsabschnitt13 first inner peripheral portion 14 second inner peripheral portion
15 Aussparung15 recess
16 Ringelement16 ring element
17 Leitschaufel(n) 20 Verdichterlaufrad 21 Laufradnabe17 vane (s) 20 Compressor impeller 21 impeller hub
21 a Außenumfang21 a outer circumference
22 Laufradschaufel(n) 22a seitliche Schaufelfläche 22b seitliche Schaufelfläche 22c radial äußerer Rand22 impeller blade (s) 22a lateral blade surface 22b lateral blade surface 22c radially outer edge
23 Laufradpassage(n) 23a Fluideinthttsende 23b Fluidaustrittsende 23c Teilpassage(n) 23d Teilpassage(n)23 Impeller passage (s) 23a Fluid inlet end 23b Fluid exit end 23c Partial passage (s) 23d Partial passage (s)
24 Zusatzschaufel(n)24 additional bucket (s)
T TrennstelleT separation point
AE erste Querschnittsfläche (Eintrittsquerschnittsfläche) AA zweite Querschnittsfläche (Gesamt-Austrittsquerschnittsfläche)AE first cross-sectional area (inlet cross-sectional area) AA second cross-sectional area (total outlet cross-sectional area)
AAi AustrittsquerschnittsflächeAAi outlet cross-sectional area
AA2 Austrittsquerschnittsfläche
H HauptstromAA 2 outlet cross-sectional area H mainstream
N NebenstromN sidestream
II tot TotaldruckverhältnisII dead total pressure ratio
Δπ tot SteigerungΔπ dead increase
V VolumenstromV flow rate
PG PumpgrenzePG surge limit
SG SperrgrenzeSG blocking limit
WGopt optimaler WirkungsgradWGopt optimum efficiency
BC Charakteristik der Brennkraftmaschine nkonst konstante DrehzahlBC characteristic of the internal combustion engine n const constant speed
PG1 PumpgrenzePG 1 surge limit
SG1 SperrgrenzeSG 1 blocking limit
WG'opt optimaler WirkungsgradWG'opt optimum efficiency
BC Charakteristik der Brennkraftmaschine n konst konstante Drehzahl
BC characteristic of the internal combustion engine n const constant speed