DE10250302B4 - Drallerzeugungseinrichtung für einen Verdichter - Google Patents

Abstract

Drallerzeugungseinrichtung zur drallbeaufschlagten Anströmung eines Verdichterlaufrades eines Verdichters mit einem Verdichtergehäuse und einer Ladeluftsaugleitung, wobei ein in das Verdichtergehäuse und/oder in die Ladeluftsaugleitung einschiebbarer, dem Verdichterlaufrad vorgeordneter Drallerzeuger vorgesehen ist, das Verdichtergehäuse ladeluftsaugseitig zur Verbindung mit der Ladeluftsaugleitung stutzenartig ausgebildet ist und der Drallerzeuger im Verbindungsbereich zwischen Ladeluftsaugleitung und Verdichtergehäuse angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Drallerzeuger (7) einen Befestigungsflansch (12) sowohl zur radialen Festlegung innerhalb der Ladeluftsaugleitung (6) oder des Verdichtergehäuses (3), wobei ein radial äußerer Rand des Flansches (12) innenseitig an der Ladeluftsaugleitung (6) oder dem Verdichtergehäuse (3) anliegt, als auch zur axialen Festlegung zwischen Ladeluftsaugleitung (6) und Verdichtergehäuse (3) umfasst.

Description

• Die Erfindung betrifft gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 eine Drallerzeugungseinrichtung zur drallbeaufschlagten Anströmung eines Verdichterlaufrades eines Verdichters mit einem Verdichtergehäuse und einer Ladeluftsaugleitung, wobei ein in das Verdichtergehäuse und/oder in die Ladeluftsaugleitung einschiebbarer, dem Verdichterlaufrad vorgeordneter Drallerzeuger vorgesehen ist, das Verdichtergehäuse ladeluftsaugseitig zur Verbindung mit der Ladeluftsaugleitung stutzenartig ausgebildet ist und der Drallerzeuger im Verbindungsbereich zwischen Ladeluftsaugleitung und Verdichtergehäuse angeordnet ist.
• In Hinblick auf eine Leistungssteigerung und/oder zur Verbesserung des Wirkungsgrades sowie auch der Abgasqualität ist es bekannt, Brennkraftmaschinen mit verdichteter Luft zu beaufschlagen; in diesem Zusammenhang haben sich beispielsweise abgasgetriebene Turbolader bewährt.
• Der Betrieb derartiger Verdichter erfolgt aufgrund der besseren Dynamikeigenschaften häufig nahe der Pumpgrenze im Verdichterkennfeld, was allerdings akustische Nachteile in Form sehr störender Zischgeräusche bedingt, gegebenenfalls führt die Instabilität bei länger andauerndem Betrieb in diesem Bereich sogar zu Schäden am Verdichterlaufrad. Ferner ist der Betrieb im Bereich der Pumpgrenze in besonderem Maße verlustbehaftet, so dass sich ein sehr schlechter Wirkungsgrad ergibt.
• Eine Möglichkeit zur Abhilfe besteht im geregelten Betrieb von Abgasturboladern, wobei zwischen turbinen- und verdichterseitiger Regelung unterschieden wird. Im Rahmen einer verdichterseitigen Regelung können dem Verdichterlaufrad vorgeordnete Luftleitgitter zur Anwendung kommen.
• Beispielsweise beeinflusst ein verdichtereingangsseitig angeordneter Drallerzeuger am Verdichtereintritt die Strömungsrichtung der Luft derart, dass es im kritischen Kennfeldbereich zu einer Reduktion der Eintrittsstoßverluste am Schaufelrad kommt. Es wird somit eine vorteilhafte Verschiebung der Pumpgrenze in Richtung kleinerer Massenströme erreicht.
• Zu nennen ist in diesem Zusammenhang die DE 42 12 880 A1 , welche ein verstellbares Leitgitter offenbart, dessen Leitschaufeln einen schwenkbaren Leitschaufelteil umfassen. Gemäß der DE 42 12 880 A1 ist dem Verdichter ein Leitschaufelkranz vorgeordnet, welcher ein Gehäuse sowie geteilte Leitschaufeln umfasst. Dieses relativ aufwändig konstruierte Leitgitter muss in Hinblick auf eine abgestimmte Ausgestaltung auch der angrenzenden Komponenten bei der Konzeption des Gesamtsystems mit einbezogen werden, weshalb es nicht möglich ist, das Leitgitter auf einfache Weise in ein bestehendes Verdichtersystem zu integrieren. Das Leitschaufelkranzgehäuse ist außerdem nur ungenügend vom Verdichtergehäuse entkoppelt, so dass das akustische Verhalten problematisch ist. Darüber hinaus sind Herstellung, Montage und Wartung der Anordnung aufgrund der Vielzahl von Einzelteilen mit einem sehr großen Aufwand verbunden.
• Ferner ist die DE 2 060 271 A zu nennen, welche ein Verfahren zur selbsttätigen Einstellung des Eintrittsdralles bei Verdichtern von Abgasturboladern sowie einen Leitapparat dazu beschreibt. Der axial durchströmte Leitapparat ist im Saugrohr des Verdichters angeordnet und bis zu einem axialen Anschlag in einen Bereich mit erweitertem Innendurchmesser eingeschoben. Leitapparat und Verdichtergehäuse stehen miteinander in formschlüssigem Kontakt. Nachteiligerweise ist einerseits zur Aufnahme des Leitapparates eine besonders angepasste, maßgenaue, konstruktive Ausgestaltung des Verdichtergehäuses notwendig, andererseits können sich strömungsbedingte Schwingungen des Leitapparates ungehindert in das Verdichtergehäuse fortsetzen.
• Aufgabe der Erfindung ist es, eine akustisch optimierte, mit einem guten Wirkungsgrad arbeitende Drallerzeugungseinrichtung bereitzustellen, welche sehr einfach aufgebaut ist und so besonders günstig herzustellen und zu montieren ist und welche auf einfache Weise ohne maßgebliche Änderungen angrenzender Komponenten in ein bestehendes System integrierbar ist.
• Die Lösung der Aufgabe erfolgt mit einer Drallerzeugungseinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1, wobei gemäß der zu Grunde liegenden Idee der Drallerzeuger einen Befestigungsflansch sowohl zur radialen Festlegung innerhalb der Ladeluftsaugleitung oder des Verdichtergehäuses, als auch zur axialen Festlegung zwischen Ladeluftsaugleitung und Verdichtergehäuse umfasst.
• Besonders zu bevorzugende Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
• Einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel zufolge sind zur akustischen Entkoppelung der Ladeluftsaugleitung und/oder des Drallerzeugers vom Verdichtergehäuse Mittel – wie eine elastische Dichtung zwischen Ladeluftsaugleitung und/oder Drallerzeuger einerseits und Verdichtergehäuse andererseits – vorgesehen.
• Bevorzugterweise ist der Drallerzeuger rohrabschnittsförmig mit innenliegenden Leitschaufeln ausgebildet, die Leitschaufeln sind starr angeordnet, wobei gemäß eines ebenfalls bevorzugten Ausführungsbeispiels die Leitschaufeln verstell- und/oder verformbar sind, so dass eine Anpassung entsprechend dem Massedurchsatz erfolgen kann.
• Sehr zweckmäßig ist es weiterhin in Hinblick auf eine mögliche Resonanzbildung an den Verdichterradschaufeln, wenn der Drallerzeuger eine ungerade Anzahl Leitschaufeln aufweist, so dass einer unerwünschten Resonanzbildung vorgebeugt ist.
• Nachfolgend ist ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die einzige Figur dargestellt, welche schematisch und beispielhaft einen Meridianschnitt durch einen Verdichter mit Drallerzeugungseinrichtung zeigt.
• In der Figur ist ein Radialverdichter 1 eines hier nicht näher dargestellten Abgasturboladers einer Brennkraftmaschine mit einer saugseitigen Drallerzeugungseinrichtung 2 dargestellt. Der Verdichter umfasst ein in einem Gehäuse 3 angeordnetes Laufrad 5 mit Laufradschaufeln, welches mittels einer Abgasturbine über eine Welle angetrieben ist. Dabei wird entsprechend der Pfeilrichtung A Ladeluft über eine Ladeluftsaugleitung 6 angesaugt und über einen Diffusorkanal 17 sowie einen Spiralkanal 4 in eine Ladeluftdruckleitung gefördert; gegebenenfalls wird der Ladeluft rückgeführtes Abgas zugemischt.
• Um eine drallbeaufschlagte, gerichtete Anströmung der Laufradschaufeln zu erreichen, ist im Anströmbereich ein Drallerzeuger 7 als Einschubteil vorgesehen. Der Drallerzeuger 7 weist einen zylindrischen, rohrabschnittsförmigen Grundkörper 11 mit innenliegenden Leitschaufeln 18 auf und ist in die Ladeluftleitung 6 eingeschoben, so dass die Außenseite des Grundkörpers 11 an der Rohrinnenseite der Ladeluftleitung 6 anliegt. Zur Festlegung des Drallerzeugers 7 insbesondere in axialer Richtung umfasst dieser einen Flansch 12 vorgesehen, dessen ladeluftleitungsseitige Fläche an einem Absatz 13 der Ladeluftleitung 6 anliegt, wohingegen die verdichterseitige Fläche des Flansches 12 mit der Stirnseite einer Dichtung 8 in Verbindung steht. Der Durchmesser des Flansches 12 entspricht in etwa dem Innendurchmesser des aufgeweiteten Endes 15 der Ladeluftleitung 6, so dass auch eine Festlegung in radialer Richtung gegeben ist.
• Das Verdichtergehäuse 3 ist ladelufteinlassseitig rohrstutzenartig ausgebildet, wobei der Endbereich 10 des Stutzens 16 außenseitig einen verringerten Durchmesser aufweist, auf welchen die gummielastische Dichtung 8 aufgeschoben ist. Die Dichtung 8 steht dabei in Richtung des Flansches 12 des Drallerzeugers 7 über das Ende 14 des Stutzens 16 über, so dass der Drallerzeuger 7 vom Verdichtergehäuses 3 entkoppelt ist. Außenseitig weist die Dichtung 8 umlaufende Lamellen 9 auf, welche ein leichtes aufschieben der Ladeluftleitung 6 ermöglichen, jedoch ein unbeabsichtigtes Lösen der Verbindung verhindern; zudem wird auf der Flansch 12 mit einer gewissen Vorspannung in axialer Richtung gehalten.
• Gemäß der vorliegenden Ausführung umfasst der Drallerzeuger 7 vier bis neun Schaufeln 18, deren Austrittswinkel entsprechend dem Ladeluftmassenstrom zwischen 15° und 75° wählbar ist. Bevorzugt wird eine ungerade Anzahl Schaufeln 18, wodurch die Gefahr einer Resonanzbildung an den Verdichterradschaufeln reduziert ist. Da eine wie in der Figur gezeigt starre Auslegung der Drallerzeugungseinrichtung immer einen Kompromiss zwischen akustischem und Volllast-Verhalten des Verdichter darstellt, sind bevorzugterweise die Schaufeln 18 des Drallerzeugers 7 abhängig vom Massendurchsatz verstell- oder verformbar, wobei zweckmäßigerweise eine Verstellung oder Verformung durch die Gaskraft selbst bewirkt wird.
• Der Drallerzeuger 7 besteht aus einem Kunststoff wie beispielsweise glasfaserverstärktem Polyamid, wobei gegebenenfalls – insbesondere wenn ein Zurückströmen heißer Ladeluft aus dem Verdichter nicht wirksam verhindert werden kann – eine Ausführung aus Metall bevorzugt ist. Aufgrund der bei der Ladeluftverdichtung auftretenden hohen Temperaturen ist das Verdichtergehäuse 3 aus Aluminiumguss gefertigt; das Ladeluftsaugrohr besteht aus glasfaserverstärktem Polyamid.
• In der vorliegenden Figur ist der Drallerzeuger 7 mit Schaufeln 18 ohne Mittelsteg dargestellt, gemäß einer anderen Ausführungsform wird jedoch auch eine Ausgestaltung mit zentralen Mittelsteg als zweckmäßig angesehen.

Claims (6)

1. Drallerzeugungseinrichtung zur drallbeaufschlagten Anströmung eines Verdichterlaufrades eines Verdichters mit einem Verdichtergehäuse und einer Ladeluftsaugleitung, wobei ein in das Verdichtergehäuse und/oder in die Ladeluftsaugleitung einschiebbarer, dem Verdichterlaufrad vorgeordneter Drallerzeuger vorgesehen ist, das Verdichtergehäuse ladeluftsaugseitig zur Verbindung mit der Ladeluftsaugleitung stutzenartig ausgebildet ist und der Drallerzeuger im Verbindungsbereich zwischen Ladeluftsaugleitung und Verdichtergehäuse angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Drallerzeuger (7) einen Befestigungsflansch (12) sowohl zur radialen Festlegung innerhalb der Ladeluftsaugleitung (6) oder des Verdichtergehäuses (3), wobei ein radial äußerer Rand des Flansches (12) innenseitig an der Ladeluftsaugleitung (6) oder dem Verdichtergehäuse (3) anliegt, als auch zur axialen Festlegung zwischen Ladeluftsaugleitung (6) und Verdichtergehäuse (3) umfasst.
2. Drallerzeugungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine elastische Dichtung (8) zwischen Ladeluftsaugleitung (6) und/oder Drallerzeuger (7) einerseits und Verdichtergehäuse (3) andererseits vorgesehen ist.
3. Drallerzeugungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Drallerzeuger (7) rohrabschnittsförmig mit innenliegenden Leitschaufeln (18) ausgebildet ist.
4. Drallerzeugungseinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitschaufeln (18) starr angeordnet sind.
5. Drallerzeugungseinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitschaufeln (18) verstell- und/oder verformbar sind.
6. Drallerzeugungseinrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, gekennzeichnet durch eine ungerade Anzahl der Leitschaufeln (18).