WO2019063384A1

WO2019063384A1 - Diffusor für einen verdichter

Info

Publication number: WO2019063384A1
Application number: PCT/EP2018/075355
Authority: WO
Inventors: Christian Kreienkamp; Daniel Bernhard RUSCH; Joel Müller; Joshua Frei
Original assignee: Abb Turbo Systems Ag
Priority date: 2017-09-28
Filing date: 2018-09-19
Publication date: 2019-04-04
Also published as: DE102017122524A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Diffusor für einen Verdichter, mit - einem Strömungskanal, welcher in Strömungsrichtung von einer ersten Seitenwand und einer zweiten Seitenwand begrenzt wird, wobei diese Seitenwände zumindest teilweise zueinander divergent verlaufen und wobei eine der Seitenwände eine Diffusorgrundplatte (23a) aufweist, deren dem Strömungskanal (23) zugewandte Außenfläche nicht in Radialrichtung verläuft, - einem Diffusorschaufelkranz mit einer Anzahl von voneinander beabstandeten Diffusorschaufeln, welche zumindest teilweise im Strömungskanal angeordnet sind, wobei jede der Diffusorschaufeln eine Druckseite und eine Saugseite aufweist, und - einer Anzahl von Diffusorpassagen, wobei jede Diffusorpassagen zwischen zwei einander benachbarten Diffusorschaufeln angeordnet ist und zwischen den beiden benachbarten Diffusorschaufeln eine Grundfläche aufweist, und - wobei zwischen einer durch die Grundfläche einer ersten Diffusorpassage gebildeten ersten Ebene und einer durch die Grundfläche einer zweiten, benachbarten Diffusorpassage gebildeten zweiten Ebene ein nicht tangentenstetiger Übergang vorgesehen ist oder in der zwischen den beiden benachbarten Diffusorschaufeln vorgesehenen Grundfläche der Diffusorpassage ein nicht tangentenstetiger Übergang vorgesehen.

Description

Diffusor für einen Verdichter

TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Diffusor für einen Verdichter, insbesondere für einen Radialverdichter. Die Bezeichnung Radialverdichter umfasst im Folgenden auch sogenannte Mixed-Flow-Verdichter mit einer axialen Zuströmung und einer radialen Abströmung des Verdichterlaufrades. Der Anwendungsbereich der vorliegenden Erfindung erstreckt sich zudem auch auf Verdichter mit einer rein radialen oder diagonalen Zu- oder Abströmung des Verdichterlauf rades. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung einen Diffusor für einen Radialverdichter, wobei der Radialverdichter in einem Turbolader einsetzbar ist, und wobei der Turbolader eine Axialturbine oder eine Radial- oder eine sogenannte Mixed Flow-Turbine aufweisen kann.

STAND DER TECHNIK

Aus dem Stand der Technik sind Diffusoren für den Einsatz in Radialverdichtern für Turboladeranwendungen bekannt. In einem Radialverdichter wird zunächst über ein dem Diffusor vorgeschaltetes Verdichterrad ein Fluid, beispielsweise Luft, axial angesaugt und im Verdichterrad beschleunigt und vorverdichtet. Dem Fluid wird dabei Energie zugeführt, die in Form von Druck, Temperatur und kinetischer Energie vorliegt. Am Austritt des Verdichterrades herrschen hohe Strömungsgeschwindigkeiten. Die beschleunigte und verdichtete Luft verlässt das Verdichterrad tangential in Richtung des Diffusors. Im Diffusor wird die kinetische Energie der beschleunigten Luft in Druck umgesetzt. Dies geschieht durch eine Verzögerung der Strömung im Diffusor. Durch radiale Aufweitung wird der Strömungsquerschnitt des Diffusors vergrössert. Das Fluid wird damit verzögert und Druck wird aufgebaut.

Um in einem Turbolader mit Radialverdichter möglichst hohe Druckverhältnisse zu erreichen, können die darin verwendeten Diffusoren mit einer Beschaufelung versehen werden. Ein Beispiel für einen beschaufelten Diffusor zeigt die DE 10 2008 044 505. Die aus dem Stand der Technik bekannten Diffusoren mit Beschaufelung sind im Allgemeinen als radiale parallelwandige Diffusoren mit Beschaufelung ausgebildet, wie zum Beispiel in der US 4,131 ,389 gezeigt. Um bei gegebenem Gesamtdruckverhältnis einen höheren Verdichterwirkungsgrad zu erreichen, kann die Strömung im Diffusor stärker verzögert werden. Die Strömungsgeschwindigkeiten in der Spirale werden dadurch reduziert, wodurch die Wandreibungsverluste abnehmen und der Wirkungsgrad der Verdichterstufe verbessert wird.

Aus dem Stand der Technik ist bekannt, dass der Einsatz von Diffusoren mit radialer Seitenwanddivergenz eine stärkere Verzögerung bei gleicher Baulänge gegenüber parallelwandigen Diffusoren erlaubt.

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. Die Grenzen des stabilen Betriebsbereichs des Diffusors bestimmen damit die Lage der Pumpgrenze des Verdichters im Verdichterkennfeld. Wird anstelle eines parallelwandigen Diffusors ein Diffusor mit Seitenwanddivergenz eingesetzt - ein solcher Diffusor ist zum Beispiel in der WO 2012/116880 A1 beschrieben - so erhöht sich zwar der Wirkungsgrad bei gleichen Verdichterdruckverhältnissen, gleichzeitig verschiebt sich jedoch für ein gegebenes Verdichterdruckverhältnis die Pumpgrenze gegenüber dem Verdichter mit parallelwandigem Diffusor zu grösseren Massenströmen. Dieser Effekt ist unerwünscht. Die Verdichter- Kennfeldbreite wird dadurch reduziert und die Verwendbarkeit der Verdichterstufe für Anwendungen im Turbolader wird dadurch eingeschränkt.

Eine Lösung besteht darin, einen Diffusorkanalabschnitt eines beschaufelten Diffusors über Druckausgleichsöffnungen mit einem als Stabilisatorraum dienenden Ringkanal fluidisch zu verbinden, um einen Druckausgleich zwischen einzelnen Diffusorpassagen des Diffusors, welche von benachbarten Diffusorschaufeln gebildet werden, zu ermöglichen und den Betrieb des Diffusors zu stabilisieren.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die Erfindung bezieht sich auf einen Diffusor, der einen Strömungskanal aufweist, welcher in Strömungsrichtung von einer ersten Seitenwand und einer zweiten Seitenwand gebildet wird, wobei diese Seitenwände zumindest teilweise zueinander divergent verlaufen. Diese Seitenwanddivergenz ist vorzugsweise darauf zurückzuführen, dass eine der Seitenwände eine Diffusorgrundplatte aufweist, deren dem Strömungskanal zugewandte Außenfläche zumindest teilweise nicht in Radialrichtung verläuft. Diese Diffusorgrundplatte kann auf der Lufteintrittsseite des Verdichters oder auf der Lagergehäuseseite des Verdichters angeordnet sein.

Aktuell ist die Herstellung einer aerodynamisch verlustarmen Divergenzausbildung zeitaufwändig und damit teuer. Die Tatsache, dass die dem Strömungskanal zugewandte Seite der Diffusorgrundplatte nicht rein radial verläuft, bedingt einen hohen Fertigungsaufwand, da man in diesem Falle den Diffusor beispielsweise mit dem Punktfräsverfahen herstellen muss, um beispielsweise eine Kegelfläche auf der dem Strömungskanal zugewandten Diffusorgrundplattenseite zu realisieren.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für den Fall, dass die Divergenz auf der Schnittstelle zwischen Diffusorgrundplatte und Diffusor-Schaufelfuss ausgebildet werden muss, einen beschaufelten Diffusor mit Seitenwanddivergenz derart weiterzubilden, dass dessen Herstellungsaufwand reduziert ist.

Diese Aufgabe wird durch einen Diffusor mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Ein Diffusor gemäß der Erfindung weist auf:

- einen Strömungskanal, welcher in Strömungsrichtung von einer ersten Seitenwand und einer zweiten Seitenwand begrenzt wird, wobei diese Seitenwände zumindest teilweise zueinander divergent verlaufen und wobei eine der Seitenwände eine Diffusorgrundplatte aufweist, deren dem Strömungskanal zugewandte Außenfläche zumindest teilweise nicht in Radialrichtung verläuft,

- einen Diffusorschaufelkranz mit einer Anzahl von voneinander beabstandeten Diffusorschaufeln, welche zumindest teilweise im Strömungskanal angeordnet sind, wobei jede der Diffusorschaufeln eine Druckseite und eine Saugseite aufweist,

- eine Anzahl von Diffusorpassagen, wobei jede Diffusorpassage zwischen zwei einander benachbarten Diffusorschaufeln angeordnet ist und zwischen den beiden benachbarten Diffusorschaufeln eine Grundfläche aufweist, und wobei

- zwischen einer durch die Grundfläche einer ersten Diffusorpassage gebildeten ersten Ebene und einer durch die Grundfläche einer zweiten, benachbarten Diffusorpassage gebildeten zweiten Ebene ein nicht tangentenstetiger Übergang vorgesehen ist oder in der zwischen den beiden benachbarten Diffusorschaufeln vorgesehenen Grundfläche der Diffusorpassage ein nicht tangentenstetiger Übergang vorgesehen ist..

Die Erfindung ermöglicht eine Fertigung von seitenwanddivergenten Diffusoren aufgrund einer gezielten aerodynamischen Auslegung der Diffusorgeometrie auf eine konventionell fräsbare Geometrie. Damit können die gleichen thermodynamischen Eigenschaften erzielt werden wie mit einem seitenwanddivergenten Diffusor mit idealer Geometrie, ohne die Fertigungskosten und Durchlaufzeiten des Diffusors negativ zu beeinflussen. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist die Diffusorgrundplatte auf der Lufteintrittsseite vorgesehen.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist die Diffusorgrundplatte auf der Lagergehäuseseite vorgesehen.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung sind Diffusorpassagen Druckausgangsöffnungen zugeordnet, die mit einer Diffusorkavität verbunden sind.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist der nicht tangentenstetige Übergang eine Stufe oder ein Knick oder abgerundet ausgeführt.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist der nicht tangentenstetige Übergang in einem Verlängerungsbereich einer die Diffusorpassage begrenzenden Diffusorschaufel vorgesehen.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist der nicht tangentenstetige Übergang innerhalb einer die Diffusorpassage begrenzenden Diffusorschaufel vorgesehen.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist zwischen den Grundflächen aller Diffusorpassagen jeweils ein nicht tangentenstetiger Übergang vorgesehen.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung verlaufen die Grundflächen der Diffusorpassagen in Strömungsrichtung geneigt.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung fallen die Grundflächen der Diffusorpassagen in Strömungsrichtung linear, in einem Kurvenradius oder in einer Freiformfläche ab.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung verlaufen die Grundflächen der Diffusorpassagen zwischen der Saugseite einer die jeweilige Diffusorpassage begrenzenden Diffusorschaufel und der Druckseite der die jeweilige Diffusorpassage begrenzenden benachbarten Diffusorschaufel jeweils geneigt.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung verlaufen die Grundflächen der Diffusorpassagen zwischen der Saugseite einer die jeweilige Diffusorpassage begrenzenden Diffusorschaufel und der Druckseite der die jeweilige Diffusorpassage begrenzenden benachbarten Diffusorschaufel jeweils abfallend.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung stimmen die Höhen der Übergänge zwischen einander benachbarten Grundflächen einander benachbarter Diffusorpassagen überein.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist ein Verdichter einen erfindungsgemäßen Diffusor auf.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist ein Turbolader einen erfindungsgemäßen Verdichter auf.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben, die anhand von Zeichnungen näher erläutert werden. Hierbei zeigt:

Fig. 1 Schnittdarstellungen eines Radialverdichters, der einen beschaufelten Diffusor aufweist,

Fig. 2 eine Skizze zur Veranschaulichung eines seitenwanddivergenten Diffusors,

Fig.3 eine Skizze zur Veranschaulichung eines Diffusorschaufeln aufweisenden Diffusorschaufelkranzes,

Fig.4 Diagramme zur Veranschaulichung von Ausführungsbeispielen für nicht tangentenstetige Übergänge zwischen den durch die Grundfläche einer Diffusorpassage gebildeten Ebene und einer durch die Grundfläche einer jeweils benachbarten Diffusorpassage gebildeten zweiten Ebene,

Fig. 5 eine Skizze zur Veranschaulichung einer ersten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 6 eine vergrößerte Darstellung eines Teilbereichs von Figur 5,

Fig. 7 eine Schnittdarstellung zur Veranschaulichung des Aufbaus eines erfindungsgemäßen Diffusors, Fig. 8 eine Skizze zur Veranschaulichung einer zweiten Ausführungsform der Erfindung und

Fig. 9 eine Skizze zur Veranschaulichung einer alternativen Ausführungsform.

In der nachfolgenden Beschreibung werden für gleiche und gleich wirkende Teile identische Bezugszeichen verwendet.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die Figur 1 zeigt Schnittdarstellungen eines einen beschaufelten Diffusor aufweisenden Radialverdichters eines Abgasturboladers, zu welchem des Weiteren eine Abgasturbine und ein Lagergehäuse gehören.

In der oberen Darstellung in der Figur 1 ist ein Radialverdichter dargestellt, dessen Diffusor eine auf der Lagergehäuseseite angeordnete Diffusorgrundplatte 23a aufweist. In der unteren Darstellung von Figur 1 ist die Diffusorgrundplatte 23a des Diffusors auf der Lufteintrittsseite des Radialverdichters angeordnet.

In der oberen Darstellung von Figur 1 ist die Abgasturbine 50 lediglich schematisch dargestellt. Sie weist einen Gaseintritt 51 , über welchen sie mit Abgasen einer mittels des Abgasturboladers aufzuladenden Brennkraftmaschine beaufschlagt wird, und einen Gasaustritt 52 auf. Die im Abgasstrom enthaltene Energie wird in der Turbine in Rotationsenergie zum Antreiben eines über eine Welle 30 mit einem Laufrad der Turbine verbundenen Verdichterrades 9 gewandelt. Das Verdichterrad 9 umfasst eine Nabe 10 und eine Vielzahl von auf der Nabe angeordneten Verdichterradschaufeln 11. Die Welle 30 ist im Lagergehäuse 40 drehbar gelagert. Das Verdichterrad ist in dem an das Lagergehäuse 40 angrenzenden Verdichtergehäuse 2 angeordnet. Das Verdichtergehäuse 2 umfasst in der dargestellten Ausführungsform ein äußeres Verdichtergehäuse 22, bei dem es sich um ein Spiralgehäuse handelt, und ein in das äußere Verdichtergehäuse eingesetztes inneres Verdichtergehäuse 20. Zusammen mit der Nabe 10 des Verdichterrades 9 und den Wandteilen des Lagergehäuses 40 begrenzen die verschiedenen Teile des Verdichtergehäuses 2 den Strömungskanal für die zu verdichtende Luft.

Diese zu verdichtende Luft wird, wie es in der Figur 1 durch einen axial gerichteten Pfeil angedeutet ist, in axialer Richtung dem Verdichterrad 9 zugeleitet. Im Bereich der

Verdichterradschaufeln 11 wird der Strömungskanal durch die Nabe 10 und das innere

Verdichtergehäuse 20 begrenzt. Indiesem Bereich erfährt die Strömung eine Richtungsänderung von der axialen in die radiale Richtung. Anschließend tritt die Strömung in den Bereich des Diffusors ein, welcher den Strömungskanal bildet, der sich vom Verdichterradaustritt bis hin zum Sammelraum 24 erstreckt, welcher im äußeren Verdichtergehäuse 22 vorgesehen ist. Dieser Sammelraum 24 ist spiralförmig ausgebildet, wobei am breiten Ende der Spirale der Luftstrom den Verdichter in Richtung hin zu einem Ladeluftkühler oder zu einem Lufteintritt der Brennkraftmaschine verlässt.

Der Diffusorbereich ist im Wesentlichen ein ringförmiger Hohlraum, welcher vor einer ersten Seitenwand 21 und einer zweiten Seitenwand 41 begrenzt ist. Aus Sicht der Verdichterradschaufeln 11 spricht man von einer lufteintrittseitigen Seitenwand 21 und einer lagergehäuseseitigen Seitenwand 41. Diese beiden Seitenwände erstrecken sich vom Verdichterradaustritt bis hin zur Mündung in den spiralförmigen Sammelraum 24. Sie verlaufen in der dargestellten Ausführungsform beide im rechten Winkel zur Wellenanachse 30 und somit parallel zueinander.

Zwischen diesen beiden Seitenwänden sind entlang des Umfangs des Diffusors Diffusorschaufeln 25 eines Diffusorschaufelkranzes positioniert. Dieser Diffusorschaufelkranz weist eine Anzahl von voneinander beabstandeten Diffusorschaufeln auf, welche zumindest teilweise im Strömungskanal 23 angeordnet sind. Jede Diffusorschaufel weist eine Eintrittskante 251 auf.

Die beiden Seitenwände 21 und 41 des Diffusors, zwischen denen sich der Strömungskanal 23 erstreckt, können alternativ zu der in der Figur 1 dargestellten Ausführungsform auch zumindest abschnittsweise divergent zueinander verlaufen. Eine Skizze eines derartigen seitenwanddivergenten Diffusors ist in der Figur 2 gezeigt. In dieser Skizze sind insbesondere der Strömungskanal 23, die erste Seitenwand 21 und die zweite Seitenwand 41 dargestellt, wobei ersichtlich ist, dass diese beiden Seitenwände divergent zueinander verlaufen. Zwischen diesen beiden Seitenwänden verläuft der Diffusorkanal 23. In diesem Diffusorkanal sind Diffusorschaufeln 25 eines Diffusorschaufelkranzes positioniert. Des Weiteren weist der in der Figur 2 skizzierte Diffusor Druckausgleichsöffnungen 26 auf, die den Diffusorkanal 23 mit einer Diffusorkavität 27 verbinden, bei der es sich um einen als Stabilisatorraum dienenden Ringkanal handeln kann.

Die Figur 3 zeigt eine Skizze zur Veranschaulichung eines Diffusorschaufeln aufweisenden Diffusorschaufelkranzes und der Verteilung der Diffusorschaufeln entlang des gesamten Umfangsbereiches des Diffusorschaufelkranzes. Es ist ersichtlich, dass beim gezeigten Ausführungsbeispiel entlang des gesamten Umfangsbereiches des Diffusorschaufelkranzes eine Anzahl voneinander beabstandeter Diffusorschaufeln 25 angeordnet ist. Zwischen zwei benachbarten Diffusorschaufeln 25 befindet sich jeweils eine Diffusorpassage 28. Die Strömungsrichtung des Fluids durch diese Diffusorpassagen ist mit der Bezugszahl 29 bezeichnet. Die gezeigten Diffusorschaufeln 25 sind entlang des gesamten

Umfangsbereiches des Diffusorschaufelkranzes gleichmäßig oder nicht gleichmäßig verteilt. Jede der Diffusorschaufeln hat eine Druckseite 25a und eine Saugseite 25b, wie es in der Figur 3 bei einer der Diffusorschaufeln veranschaulicht ist. Jede Diffusorpassage weist -wie es noch unten anhand der weiteren Figuren erläutert wird- eine Grundfläche auf, die eine Ebene bildet. In der Figur 3 sind drei dieser Grundflächen mit den Bezugszeichen 28a, 28b und 28c markiert.

Des Weiteren sind den Diffusorpassagen 28 Druckausgleichsöffnungen 26 zugeordnet, wobei diese Druckausgleichsöffnungen beispielsweise im Bereich der Diffusorpassagen zwischen der Druckseite einer Diffusorschaufel und der Saugseite der jeweils benachbarten Diffusorschaufel angeordnet sind. In der Figur 3 sind einige dieser

Druckausgleichsöffnungen 26 beispielhaft veranschaulicht. Diese Druckausgleichsöffnungen 26 sind mit einer Diffusorkavität 27 verbunden, die beispielsweise als Diffusorring ausgebildet ist und in der Figur 3 unterhalb des Diffusorschaufelkranzes positioniert ist. Ein Teil dieser Diffusorkavität ist in der Figur 3 mit gestrichelten Linien angedeutet. Die Kavität kann entweder ein durchgehender Ringraum sein oder nur einzelne Passagen miteinander verbinden. Die bevorzugte Ausführung ist ein durchgehender Ringraum.

In der Figur 3 haben die dort gezeigten Druckausgleichsöffnungen 26 eine kreisförmige Querschnittsfläche und sind in einer Diffusorpassage 28 zwischen zwei benachbarten Diffusorschaufeln positioniert. Alternativ dazu können die Druckausgleichsöffnungen auch als umlaufender oder durchbrochener Schlitz vor der jeweiligen Schaufeleintrittskante, als Bohrung am engsten Strömungsquerschnitt (Throat) einer Diffusorpassage 28 oder als Schlitz am engsten Strömungsquerschnitt (Throat) einer Diffusorpassage 28 realisiert sein.

Wie ebenfalls noch anhand der weiteren Figuren erläutert wird, ist zwischen einer durch die Grundfläche einer ersten Diffusorpassage gebildeten ersten Ebene und einer durch die Grundfläche einer zweiten, benachbarten Diffusorpassage gebildeten zweiten Ebene jeweils ein nicht tangentenstetiger Übergang vorgesehen. Ferner sind in der Figur 3 Linien A und B gezeigt, unter deren Verwendung in der nachfolgenden Figur 4 die nicht tangentenstetigen Übergänge zwischen einer durch die Grundfläche einer ersten Diffusorpassage gebildeten ersten Ebene und einer durch die Grundfläche einer jeweils benachbarten zweiten Diffusorpassage gebildeten zweiten Ebene erläutert werden.

Die Figur 4 zeigt Diagramme zur Veranschaulichung von Ausführungsbeispielen für nicht tangentenstetige Übergänge zwischen den durch die Grundfläche einer Diffusorpassage gebildeten Ebene und einer durch die Grundfläche einer jeweils benachbarten Diffusorpassage gebildeten zweiten Ebene. In diesen Diagrammen ist jeweils nach oben der Höhenverlauf h der Diffusorkranzoberfläche und nach rechts die Umfangsrichtung 0 des Diffusorschaufelkranzes aufgetragen.

Im unteren Diagramm der Figur 4 ist mit dem Buchstaben A ein Verlauf gezeigt, welcher nicht tangentenstetige Übergänge U1 , U2 und U3 aufweist. Dabei ist der Übergang U1 in Umfangsrichtung des Diffusorschaufelkranzes vor der die Grundfläche 28a bildenden, geneigt verlaufenden Ebene vorgesehen. Der Übergang U2 ist zwischen der die Grundfläche 28a bildenden, geneigt verlaufenden Ebene und der die Grundfläche 28b bildenden, ebenfalls geneigt verlaufenden Ebene vorgesehen. Der Übergang U3 ist zwischen der die Grundfläche 28b bildenden, geneigt verlaufenden Ebene und der die Grundfläche 28c bildenden, ebenfalls geneigt verlaufenden Ebene vorgesehen. Dabei ist von Bedeutung, dass die Linie A einen Bereich charakterisiert, der einem Verlängerungsbereich der Diffusorschaufeln entspricht, d.h. die Diffusorschaufeln nicht schneidet.

Folglich sind in diesem Falle die nicht tangentenstetigen Übergänge jeweils im Verlängerungsbereich der die jeweilige Diffusorpassage begrenzenden Diffusorschaufel vorgesehen. Der Vorteil dieser Ausführungsform besteht darin, dass innerhalb der die Grundflächen der Diffusorpassagen bildenden Ebenen keine Übergänge notwendig sind.

Im oberen Diagramm der Figur 4 ist mit dem Buchstaben B ein Verlauf gezeigt, welcher nicht tangentenstetige Übergänge U2' und U3' aufweist. Dabei ist der Übergang U2' in Umfangsrichtung des Diffusorschaufelkranzes zwischen der die Grundfläche 28a bildenden, geneigt verlaufenden Ebene und der die Grundfläche 28b bildenden, ebenfalls geneigt verlaufenden Ebene vorgesehen. Der Übergang U3' ist zwischen der die Grundfläche 28b bildenden, geneigt verlaufenden Ebene und der die Grundfläche 28c bildenden, ebenfalls geneigt verlaufenden Ebene vorgesehen. Dabei ist von Bedeutung, dass die Linie B einen Bereich charakterisiert, in welchem zwischen zwei benachbarten Diffusorpassagen jeweils eine Diffusorschaufel 25 positioniert ist, d.h. die Diffusorschaufeln schneidet.

Folglich sind in diesem Falle die nicht tangentenstetigen Übergänge jeweils innerhalb einer die Diffusorpassage begrenzenden Diffusorschaufel vorgesehen. Der Vorteil dieser Ausführungsform besteht ebenfalls darin, dass innerhalb der die Grundflächen der die Diffusorpassagen bildenden Ebenen keine Übergänge notwendig sind.

Die Figur 5 zeigt eine Skizze zur Veranschaulichung einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Diese erste Ausführungsform entspricht im Wesentlichen der unteren Darstellung von Figur 4. Es ist ersichtlich, dass zwischen der die Grundfläche 28a bildenden Ebene und der die Grundfläche 28b bildenden Ebene ein nicht tangentenstetiger Übergang U2 und zwischen der die Grundfläche 28b bildenden Ebene und der die Grundfläche 28c bildenden Ebene ein nicht tangentenstetiger Übergang U3 vorgesehen ist. Es ist des Weiteren ersichtlich, dass diese Übergänge U2 und U3 jeweils im Verlängerungsbereich einer Diffusorschaufel 25 vorgesehen sind und dass folglich innerhalb der die Grundflächen bildenden Ebenen keine Übergänge notwendig sind. Die Strömungsrichtung des Fluids durch die Diffusorpassagen ist wiederum mit der Bezugszahl 29 bezeichnet.

Die Figur 6 zeigt eine vergrößerte Darstellung eines Teilbereichs von Figur 5. In dieser vergrößerten Darstellung ist der Übergang U3 zwischen der die Grundfläche 28b bildenden Ebene und der die Grundfläche 28c bildenden Ebene dargestellt. Es ist ersichtlich, dass dieser Übergang U3 im Verlängerungsbereich einer Diffusorschaufel 25 vorgesehen ist.

Die Figur 7 zeigt eine Schnittdarstellung zur Veranschaulichung des Aufbaus eines erfindungsgemäßen Diffusors. In dieser Schnittdarstellung sind eine nicht geschnittene Diffusorschaufel 25, ein geschnittener Teil einer die Grundfläche 28b bildenden Ebene, ein geschnittener Teil der in der Figur 7 unterhalb der Grundfläche 28b angeordneten, schräg verlaufenden Grundplatte 23a des Diffusors, ein geschnittener Teil der in dieser Seitenwand vorgesehenen Diffusorkavität 27 und die Strömungsrichtung 29 des Fluids gezeigt. Aus dieser Darstellung ist auch ersichtlich, dass die Grundflächen der Diffusorpassagen in Strömungsrichtung 29 geneigt verlaufen, insbesondere linear abfallen. Alternativ dazu ist es auch möglich, dass die Grundflächen der Diffusorpassagen in einem Kurvenradius oder in einer Freiformfläche abfallen.

Die Figur 8 zeigt eine Skizze zur Veranschaulichung einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. Diese zweite Ausführungsform entspricht im Wesentlichen der oberen Darstellung von Figur 4. Es ist ersichtlich, dass zwischen der die Grundfläche 28a bildenden Ebene und der die Grundfläche 28b bildenden Ebene ein nicht tangentenstetiger Übergang U2' und zwischen der die Grundfläche 28b bildenden Ebene und der die Grundfläche 28c bildenden Ebene ein nicht tangentenstetiger Übergang U3' vorgesehen ist. Es ist des Weiteren ersichtlich, dass diese Übergänge U2' und U3' jeweils innerhalb einer Diffusorschaufel 25 vorgesehen sind und dass folglich innerhalb der die Grundflächen bildenden Ebenen keine Übergänge notwendig sind.

Die vorliegende Erfindung definiert nach alledem den Divergenzwinkel entlang der Stromlinie innerhalb der Diffusorpassagen, welche in etwa der Fräsbahn entspricht und in der Turbolader-Axialebene keine Gerade, sondern eine Kurve mit variabler Krümmung darstellt. Dadurch ergibt sich eine Tangenten-Unstetigkeit zwischen den Grundflächen benachbarter Diffusorpassagen. Diese Unstetigkeit wird gemäß der vorliegenden Erfindung in den Verlängerungsbereich einer die Diffusorpassage begrenzenden Diffusorschaufel oder in eine die Diffusorpassage begrenzende Diffusorschaufel gelegt. Dadurch werden Wirkungsgradverluste minimiert.

Die Figur 9 zeigt eine alternative Ausführungsform, bei welcher nicht tangentenstetige Übergänge U4 und U5 in den zwischen den beiden benachbarten Diffusorschaufeln 25 vorgesehenen Grundflächen der Diffusorschaufeln vorgesehen sind.

Bei dieser alternativen Ausführungsform werden bei der Herstellung des Diffusors die insgesamt n Diffusorschaufeln auf nicht rein radial stehenden Ebenen gefräst, so dass in der Diffusorgrundplatte ein n-Flach erzeugt wird. Dabei sind die Diffusorschaufeln prismatisch flankengefräst und stehen senkrecht zur jeweiligen Ebene. Da die Grundflächen nicht reinradial verlaufen, ergeben sich unstetige Übergänge, welche bei Bedarf mit zusätzlichen Fräsbahnen verrundet werden können. Des Weiteren können die Unstetigkeiten an den Eintritts- und Austrittskanten der Diffusorplatte durch Drehoperationen weiter vergleichmäßigt werden. Dieses Vorgehen erlaubt ein Flankenfräsen von prismatischen Diffusorschaufeln, deren Achse nicht parallel zur Rotorachse des Turboladers verläuft. Durch diese Maßnahmen wird der Fertigungsaufwand im Vergleich zu punktgefrästen Diffusoren reduziert.

Bezugszeichenliste

2 Verdichtergehäuse

9 Verdichterrad

10 Nabe des Verdichterrades

1 1 Verdichterradschaufel

20 inneres Verdichtergehäuse

21 erste Seitenwand des Diffusors

22 äußeres Verdichtergehäuse

23 Strömungskanal des Diffusors

23a Diffusorgrund platte

24 Sammelraum im äußeren Verdichtergehäuse

25 Diffusorschaufel

251 Eintrittskante

25a Druckseite einer Diffusorschaufel

25b Saugseite einer Diffusorschaufel

26 Druckausgleichsöffnung

27 Diffusorkavität

28 Diffusorpassage

28a Grundfläche einer Diffusorpassage

28b Grundfläche einer Diffusorpassage

28c Grundfläche einer Diffusorpassage

29 Strömungsrichtung

30 Welle

40 Lagergehäuse

41 zweite Seitenwand des Diffusors

50 Turbine

51 Gaseintritt

52 Gasaustritt

U1 nicht tangentenstetiger Übergang

U2 nicht tangentenstetiger Übergang

U3 nicht tangentenstetiger Übergang

U4 nicht tangentenstetiger Übergang

U5 nicht tangentenstetiger Übergang

U2' nicht tangentenstetiger Übergang

U3' nicht tangentenstetiger Übergang

Claims

PATENTANSPRÜCHE Patentansprüche

1. Diffusor für einen Verdichter, mit

- einem Strömungskanal (23), welcher in Strömungsrichtung von einer ersten Seitenwand (21) und einer zweiten Seitenwand (41) begrenzt wird, wobei diese Seitenwände zumindest teilweise zueinander divergent verlaufen und wobei eine der Seitenwände eine Diffusorgrundplatte (23a) aufweist, deren dem Strömungskanal (23) zugewandte Außenfläche zumindest teilweise nicht in Radialrichtung verläuft,

- einem Diffusorschaufelkranz mit einer Anzahl von voneinander beabstandeten Diffusorschaufeln (25), welche zumindest teilweise im Strömungskanal angeordnet sind, wobei jede der Diffusorschaufeln eine Druckseite (25a) und eine Saugseite (25b) aufweist, und

- einer Anzahl von Diffusorpassagen (28), wobei jede der Diffusorpassagen zwischen zwei einander benachbarten Diffusorschaufeln angeordnet ist und zwischen den beiden benachbarten Diffusorschaufeln eine Grundfläche (28a, 28b, 28c) aufweist, und

- wobei zwischen einer durch die Grundfläche einer ersten Diffusorpassage gebildeten

ersten Ebene und einer durch die Grundfläche einer zweiten, benachbarten Diffusorpassage gebildeten zweiten Ebene ein nicht tangentenstetiger Übergang (U1 , U2, U3, U2', U3') vorgesehen ist oder in der zwischen den beiden benachbarten

Diffusorschaufeln vorgesehenen Grundfläche der Diffusorpassage ein nicht tangentenstetiger Übergang vorgesehen ist.

2. Diffusor nach Anspruch 1 , bei welchem die Diffusorgrundplatte (23a) auf der Lufteintrittsseite angeordnet ist.

3. Diffusor nach Anspruch 1 , bei welchem die Diffusorgrundplatte (23a) auf der Lagergehäuseseite angeordnet ist.

4. Diffusor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem Diffusorpassagen Druckausgleichsöffnungen (26) zugeordnet sind, die mit einer Diffusorkavität (27) verbunden sind.

5. Diffusor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem der nicht tangentenstetige Übergang eine Stufe oder ein Knick ist oder abgerundet ausgeführt ist.

6. Diffusor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem der nicht tangentenstetige Übergang in einem Verlängerungsbereich einer die Diffusorpassage begrenzenden Diffusorschaufel vorgesehen ist.

7. Diffusor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem der nicht tangentenstetige Übergang innerhalb einer die Diffusorpassage begrenzenden Diffusorschaufel vorgesehen ist.

8. Diffusor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem zwischen den Grundflächen aller Diffusorpassagen jeweils ein nicht tangentenstetiger Übergang vorgesehen ist.

9. Diffusor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Grundflächen der Diffusorpassagen in Strömungsrichtung (29) geneigt verlaufen.

10. Diffusor nach Anspruch 9, bei welchem die Grundflächen der Diffusorpassagen in Strömungsrichtung linear, in einem Kurvenradius oder in einer Freiformfläche abfallen.

11. Diffusor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Grundflächen der Diffusorpassagen zwischen der Saugseite einer die jeweilige Diffusorpassage begrenzenden Diffusorschaufel und der Druckseite der die jeweilige Diffusorpassage begrenzenden benachbarten Diffusorschaufel jeweils geneigt verlaufen.

12. Diffusor nach Anspruch 11 , bei welchem die Grundflächen der Diffusorpassagen zwischen der Saugseite einer die jeweilige Diffusorpassage begrenzenden Diffusorschaufel und der Druckseite der die jeweilige Diffusorpassage begrenzenden benachbarten Diffusorschaufel jeweils abfallend verlaufen.

13. Diffusor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Höhen der Übergänge zwischen einander benachbarten Grundflächen einander benachbarter Diffusorpassagen übereinstimmen.

14. Verdichter, welcher einen Diffusor nach einem der vorhergehenden Ansprüche aufweist.

15. Turbolader, welcher einen Verdichter nach Anspruch 14 aufweist.