TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Diffusor 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 Verdichterlaufrades. 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 Ringkanal fluidisch zu verbinden, um einen Druckausgleich zwischen einzelnen Diffusorpassagen des Diffusors, welche von benachbarten Diffusorschaufeln gebildet werden, zu ermöglichen. Jedoch kann bei dieser Lösung unter Verwendung von Druckausgleichsöffnungen das Problem entstehen, dass der Ringkanal und/oder die einzelnen Druckausgleichsöffnungen verstopfen, beispielsweise aufgrund von Rückständen und Ablagerungen aus einer Verdichterreinigung oder durch Partikel, welche sich in ölhaltiger Ansaugluft befinden. Dies hat einen negativen Einfluss auf die Pumpgrenze des Verdichters und kann im Extremfall dazu führen, dass ein an den Diffusor angeschlossener Motor nicht mehr betrieben werden kann.

Aus der WO 2016/102594 ist ein Diffusor für einen Radialverdichter bekannt, bei dem das vorstehend genannte Problem nicht auftritt. Dieser Diffusor weist einen Diffusorkanalabschnitt auf, welcher von einer ersten Seitenwand und einer zweiten Seitenwand gebildet wird, wobei die erste Seitenwand und die zweite Seitenwand in Strömungsrichtung zumindest teilweise zueinander divergent angeordnet sind. Weiterhin umfasst der Diffusor einen Schaufelkranz mit einer Anzahl von Schaufeln, wobei die Schaufeln zumindest teilweise im Diffusorkanalabschnitt angeordnet sind, und wobei jede der Schaufeln eine Druckseite und eine Saugseite aufweist. Die Druckseite und die Saugseite einer jeden Schaufel werden von einer Schaufeleintrittskante und von einer Schaufelaustrittskante dieser Schaufel begrenzt. Weiterhin umfasst der Diffusor eine Anzahl von Druckausgleichsöffnungen, welche in zumindest eine der beiden Seitenwände des Diffusorkanalabschnitts eingearbeitet sind, wobei jede der Anzahl von Druckausgleichsöffnungen zwischen der Druckseite einer Schaufel und der Saugseite der benachbarten Schaufel des Schaufelkranzes angeordnet ist. Weiterhin umfasst der Diffusor einen Ringkanal, welcher hinter den Druckausgleichsöffnungen angeordnet ist, wobei der Ringkanal mit dem Diffusorkanalabschnitt über die Druckausgleichsöffnungen fluidisch verbunden ist. Der Ringkanal ist über einen Verbindungskanal mit einem Druckplenum verbindbar, wodurch ein Fluid aus dem Druckplenum in den Ringkanal strömen kann, damit der Ringkanal mit dem Fluid gespült wird. Ein derartiger Aufbau hat den Vorteil, dass über das als Spülmedium ausgebildete Fluid, welches aus dem Druckplenum in den Ringkanal strömt, um den Ringkanal mit Fluid zu spülen, mögliche Ablagerungen und Rückstände aus Verkokung durch ölhaltige Ansaugluft, welche den Ringkanal und die Druckausgleichsöffnungen verstopfen könnte, aus dem Ringkanal und damit auch aus den Druckausgleichsöffnungen gespült werden.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen beschaufelten Diffusor derart weiterzubilden, dass dessen Arbeitsbereich vergrößert 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 einen Strömungskanal, welcher von einer ersten Seitenwand und einer zweiten Seitenwand begrenzt wird, einen Diffusorschaufelkranz mit einer Vielzahl von Diffusorschaufeln, welche zumindest teilweise im Strömungskanal angeordnet sind, wobei jede der Diffusorschaufeln eine Druckseite und eine Saugseite aufweist, eine Vielzahl von Diffusorpassagen, wobei diese Diffusorpassagen zwischen jeweils zwei benachbarten Diffusorschaufeln der Vielzahl von Diffusorschaufeln gebildet sind, und Zirkulationsöffnungen auf, wobei jede dieser Zirkulationsöffnungen den Strömungskanal mit einer Diffusorkavität verbindet und wobei einer Diffusorpassage mindestens zwei Zirkulationsöffnungen zugeordnet sind, die über die Diffusorkavität fluidisch miteinander verbunden sind. Unter einer Diffusorpassage wird der Bereich zwischen zwei einander benachbarten Diffusorschaufeln verstanden, der eingangsseitig durch den Schaufeleintrittsradiuskreis und ausgangsseitig durch den Schaufelaustrittsradiuskreis bestimmt ist. Eine einer Diffusorpassage zugeordnete Zirkulationsöffnung kann innerhalb der Diffusorpassage, vor der Diffussorpassage oder hinter der Diffusorpassage positioniert sein.

Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die einer Diffusorpassage zugeordneten Zirkulationsöffnungen in Strömungsrichtung an unterschiedlichen Positionen angeordnet.

Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die einer Diffusorpassage zugeordneten Zirkulationsöffnungen in Strömungsrichtung nebeneinander angeordnet.

Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind allen Diffusorpassagen oder nur einem Teil der Diffusorpassagen jeweils zwei oder mehr Zirkulationsöffnungen zugeordnet, die über die Diffusorkavität miteinander verbunden sind.

Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist mindestens eine einer Diffusorpassage zugeordnete Zirkulationsöffnung stromauf der engsten Stelle der Diffusorpassage und mindestens eine weitere der Diffusorpassage zugeordnete Zirkulationsöffnung stromab der engsten Stelle der Diffusorpassage positioniert.

Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Anzahl der stromauf der engsten Stelle der Diffusorpassage positionierten Zirkulationsöffnungen größer oder gleich der Anzahl der stromab der engsten Stelle der Diffusorpassage positionierten Zirkulationsöffnungen.

Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist mindestens eine der stromauf der engsten Stelle der Diffusorpassage positionierten Zirkulationsöffnungen innerhalb der Diffusorpassage zwischen der Druckseite einer Diffusorschaufel und der Saugseite einer benachbarten Diffusorschaufel angeordnet.

Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist mindestens eine der stromauf der engsten Stelle der Diffusorpassage positionierten Zirkulationsöffnungen in Strömungsrichtung vor dem Eingang der Diffusorpassage positioniert, wobei der Eingang der Diffusorpassage durch den Schaufeleintrittsradiuskreis bestimmt ist. Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist mindestens eine der stromauf der engsten Stelle der Diffusorpassage positionierten Zirkulationsöffnungen innerhalb der Diffusorpassage zwischen der Druckseite einer Diffusorschaufel und der Saugseite einer benachbarten Diffusorschaufel positioniert und mindestens eine weitere der stromauf der engsten Stelle der Diffusorpassage positionierten Zirkulationsöffnungen in Strömungsrichtung vor dem Eingang der Diffusorpassage positioniert, wobei der Eingang der Diffusorpassage durch den Schaufeleintrittsradiuskreis bestimmt ist.

Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist mindestens eine der stromab der engsten Stelle der Diffusorpassage positionierten Zirkulationsöffnungen innerhalb der Diffusorpassage zwischen der Druckseite einer Diffusorschaufel und der Saugseite einer benachbarten Diffusorschaufel angeordnet.

Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist mindestens eine der stromab der engsten Stelle der Diffusorpassage positionierten Zirkulationsöffnungen hinter dem Ausgang der Diffusorpassage positioniert, wobei der Ausgang der Diffusorpassage durch den Schaufelaustrittsradiuskreis bestimmt ist.

Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist mindestens eine der stromab der engsten Stelle der Diffusorpassage positionierten Zirkulationsöffnungen innerhalb der Diffusorpassage zwischen der Druckseite einer Diffusorschaufel und der Saugseite einer benachbarten Diffusorschaufel angeordnet und mindestens eine weitere der stromab der engsten Stelle der Diffusorpassage positionierten Zirkulationsöffnungen hinter dem Ausgang der Diffusorpassage positioniert, wobei der Ausgang der Diffusorpassage durch den Schaufelaustrittsradiuskreis bestimmt ist.

Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist jeder Diffusorpassage, die über Zirkulationsöffnungen verfügt, eine eigene Diffusorkavität zugeordnet.

Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist mehreren oder allen Diffusorpassagen, die über Zirkulationsöffnungen verfügen, eine gemeinsame Diffusorkavität zugeordnet.

Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die gemeinsame Diffusorkavität ein Ringkanal. Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind eine oder mehrere Diffusorkavitäten mit einer Sekundärfluidquelle verbunden.

Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die einer Diffusorpassage zugeordneten Zirkulationsöffnungen jeweils stromauf der engsten Stelle der Diffusorpassage positioniert.

Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind einer Diffusorpassage Zirkulationsöffnungen mit unterschiedlichen Querschnittsflächen und/oder Querschnittsformen und/oder Orientierungen zugeordnet.

Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung variieren die Anzahl und/oder die Anordnung und/oder die Querschnittsflächen der Zirkulationsöffnungen in Umfangsrichtung des Diffusorschaufelkranzes.

Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein Radialverdichter mit einem erfindungsgemäßen Diffusor, einem stromauf des Diffusors angeordneten, Verdichterradschaufeln aufweisenden Verdichterrad und einem stromab des Diffusors angeordneten Spiralgehäuse ausgestattet.

Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein Turbolader mit einem Radialverdichter ausgestattet, der einen erfindungsgemäßen Diffusor aufweist.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

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

Fig. 1 einen Schnitt entlang der Verdichterachse durch einen Radialverdichter, der einen beschaufelten Diffusor aufweist,

Fig. 2 eine Skizze zur Veranschaulichung der Verteilung der Diffusorschaufeln entlang des gesamten Umfangsbereiches eines Diffusors,

Fig.3 eine Skizze zur Veranschaulichung der Anordnung von Druckausgleichsöffnungen zwischen zwei Diffusorschaufeln eines bekannten Diffusors, Fig.4 eine Skizze zur Veranschaulichung der Anordnung der Zirkulationsöffnungen gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel für die Erfindung,

Fig. 5 eine Skizze zur Veranschaulichung der Anordnung der Zirkulationsöffnungen gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel für die Erfindung,

Fig. 6 eine Skizze zur Veranschaulichung der Anordnung der Zirkulationsöffnungen gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel für die Erfindung,

Fig. 7 eine Skizze zur Veranschaulichung der Anordnung der Zirkulationsöffnungen gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel für die Erfindung,

Fig. 8 eine Skizze zur Veranschaulichung der Anordnung der Zirkulationsöffnungen gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel für die Erfindung,

Fig. 9 eine Skizze zur Veranschaulichung der Anordnung der Zirkulationsöffnungen gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel für die Erfindung,

Fig. 10 eine Skizze zur Veranschaulichung der Anordnung der Zirkulationsöffnungen gemäß einem siebten Ausführungsbeispiel für die Erfindung,

Fig. H eine Skizze zur Veranschaulichung der Anordnung der Zirkulationsöffnungen gemäß einem achten Ausführungsbeispiel für die Erfindung,

Fig. 12 eine Skizze zur Veranschaulichung der Anordnung der Zirkulationsöffnungen gemäß einem neunten Ausführungsbeispiel für die Erfindung und

Fig. 13 eine Skizze zur Veranschaulichung der Anordnung der Zirkulationsöffnungen gemäß einem zehnten Ausführungsbeispiel für die Erfindung.

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

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN Die Figur 1 zeigt einen Schnitt entlang der Verdichterachse durch einen Radialverdichter, der einen beschaufelten Diffusor aufweist.

Der dargestellte Radialverdichter umfasst ein auf einer Welle 17 angeordnetes Verdichterrad 18, welches eine Nabe 19 und auf dieser Nabe angeordnete Verdichterradschaufeln 20 umfasst. Dieses Verdichterrad ist in einem Verdichtergehäuse angeordnet, welches in der Regel mehrere Bestandteile umfasst. Dazu gehören ein Spiralgehäuse 21 und ein Eintrittsgehäuse 22. Zwischen dem Verdichter und der in der Figur 1 nicht dargestellten Turbine befindet sich ein Lagergehäuse 24, in welchem die Welle 17 gelagert ist. Der Strömungskanal des Verdichters wird durch das Verdichtergehäuse begrenzt. Im Bereich des Verdichterrades übernimmt die Nabe 19 des Verdichterrades die radial innere Begrenzung, wobei die Verdichterradschaufeln 20 im Strömungskanal angeordnet sind.

In Strömungsrichtung des zu verdichtenden Mediums stromab des Verdichterrades ist der einen Strömungskanal 3 aufweisende Diffusor 2 angeordnet, der zur Verlangsamung der durch das Verdichterrad beschleunigten Strömung dient. Dies erfolgt einerseits durch Diffusorschaufeln 6 eines Diffusorschaufelkranzes, andererseits durch das Spiralgehäuse 21 , welches im Übergangsbereich zum Strömungskanal 3 des Diffusors 2 eine Spiralgehäusezunge aufweist. Vom Spiralgehäuse aus wird das verdichtete Medium den Brennkammern einer Brennkraftmaschine zugeführt. Die Diffusorschaufeln 6 sind einseitig oder beidseitig des Strömungskanals 3 mit einer ersten Seitenwand 4 oder einer zweiten Seitenwand 5 verbunden.

Die Figur 2 zeigt eine Skizze zur Veranschaulichung der Verteilung der Diffusorschaufeln entlang des gesamten Umfangsbereiches des Schaufelkranzes eines Diffusors. Es ist ersichtlich, dass beim gezeigten Ausführungsbeispiel entlang des gesamten Umfangsbereiches insgesamt 18 Diffusorschaufeln 6-i bis 6 ₈ vorgesehen sind. Zwischen jeweils zwei benachbarten Diffusorschaufeln befindet sich jeweils eine Diffusorpassage. Beim gezeigten Ausführungsbeispiel sind insgesamt 18 Diffusorpassagen 13 _{1 ;} 13 ₁₈ vorgesehen. Die gezeigten 18 Diffusorschaufeln sind entlang des gesamten Umfangsbereiches um jeweils 20° voneinander beabstandet und folglich entlang des gesamten Umfangsbereiches äquidistant angeordnet. Jede der Diffusorschaufeln hat eine Druckseite 7 und eine Saugseite 8, wie es in der Figur 2 bei der Diffusorschaufel 6 ₁₈ angegeben ist. Die Mitte der Diffusorpassage 13i befindet sich bei 0°, die Mitte der Diffusorpassage 13 ₆ bei 100°, die Mitte der Diffusorpassage 13 ₁₀ bei 180° und die Mitte der Diffusorpassage 13 ₁₄ bei 260°. In unmittelbarer Nähe der Diffusorpassage 13 ₁₀ ist die Spiralgehäusezunge 21a des stromab des Diffusors angeordneten Spiralgehäuses 21 angeordnet.

Des Weiteren befindet sich zwischen jeweils zwei benachbarten Diffusorschaufeln bei bekannten Diffusoren eine in der Figur 2 nicht dargestellte Druckausgleichsöffnung. Diese ist zwischen der Saugseite einer Diffusorschaufel und der Druckseite der jeweils benachbarten Diffusorschaufel vorgesehen.

Die in der Figur 2 gezeigten Diffusorschaufeln weisen alle dasselbe Profil auf und haben jeweils einen Schaufeleintrittsbereich und einen Schaufelaustrittsbereich.

Die Figur 3 zeigt eine Skizze zur Veranschaulichung der Anordnung der Durckausgleichsöffnungen zwischen zwei benachbarten Diffusorschaufeln eines bekannten Diffusors. In dieser Skizze sind die Diffusorschaufel 6i und die dazu benachbarte Diffusorschaufel 6 ₂ dargestellt. Beide Diffusorschaufeln enthalten eine Druckseite 7 und eine Saugseite 8. Des Weiteren enthalten beide Diffusorschaufeln eine Schaufeleintrittskante 9 und eine Schaufelaustrittskante 10. Die in der Figur 3 dargestellte Druckausgleichsöffnung 11 ist schlitzförmig ausgebildet und erstreckt sich zwischen der Saugseite 8 der Diffusorschaufel 6^ und der Druckseite 7 der Diffusorschaufel 6 ₂ . Zwischen den beiden Diffusorschaufeln 6† und 6 ₂ erstreckt sich die Diffusorpassage 13^ Die Druckausgleichsöffnung 1 1 ist im Bereich der engsten Stelle der Diffusorpassage 13 _! angeordnet, wobei diese engste Stelle auch als Throat bezeichnet wird. Die Druckausgleichsöffnung 11 verbindet die Diffusorpassage 13-t fluidisch mit einer darunter angeordneten, gestrichelt gezeichneten Diffusorkavität, bei der es sich beim gezeigten Ausführungsbeispiel um einen Ringkanal 15 handelt. Dieser Ringkanal erstreckt sich um den gesamten Umfangsbereich des Diffusorschaufelkranzes und verbindet folglich die Diffusorpassagen ^ bis 13 ₁₈ über die Druckausgleichsöffnungen 1 1 dieser Diffusorpassagen fluidisch miteinander.

Eine alternative Ausführungsform besteht darin, jeder Diffusorpassage eine individuelle Diffusorkavität zuzuordnen, die über eine jeweilige Druckausgleichsöffnung 1 1 mit der jeweiligen Diffusorpassage verbunden ist.

Eine andere alternative Ausführungsform besteht darin, die Druckausgleichsöffnungen 1 1 nicht schlitzförmig, sondern kreisförmig auszubilden. Im Unterschied zu den anhand der Figur 3 beschriebenen Ausführungsformen sind den Diffusorpassagen des Diffusors gemäß der vorliegenden Erfindung jeweils mindestens zwei Zirkulationsöffnungen zugeordnet, die über die Diffusorkavität miteinander verbunden sind. Bei der Diffusorkavität kann es sich wiederum um eine allen Diffusorpassagen oder nur einem Teil der Diffusorpassagen zugeordnete gemeinsame Diffusorkavität, beispielsweise einen Ringkanal, handeln oder um eine der jeweiligen Diffusorpassage individuell zugeordnete Diffusorkavität.

Aufgrund der Positionierung der einer Diffusorpassage zugeordneten mehreren Zirkulationsöffnungen erfolgt über die Diffusorkavität eine Verbindung einer stromab angeordneten Position mit einer stromauf angeordneten Position, vorzugsweise eine Verbindung einer stromab der engsten Stelle des jeweiligen Diffusorkanais angeordneten Position mit einer stromauf der engsten Stelle der jeweiligen Diffusorpassage angeordneten Position. Durch eine derartige Positionierung der einer Diffusorpassage zugeordneten Zirkulationsöffnungen wird erreicht, dass durch die jeweils stromab angeordnete Zirkulationsöffnung eine Ableitung des angelieferten Fluids in die Diffusorkavität erfolgt und durch die jeweils stromauf angeordnete Zirkulationsöffnung einer Wiederzuführung von Fluid aus der Diffusorkavität in die Diffusorpassage erfolgt, was den Strömungsquerschnitt aerodynamisch lokal verringert und die Strömungsrichtung und Geschwindigkeit beeinflusst. Wird diese Anordnung shroud-seitig, d. h. auf der vom Lagergehäuse abgewandten Seite des Diffusors, ausgeführt, so kann durch entsprechende Positionierung der Zirkulationsöffnungen eine sich in Stromaufrichtung erstreckende aerodynamische Erweiterung der Diffusorschaufel erzielt werden. Bei einer derartigen Positionierung der Zirkulationsöffnungen wird jeweils eine bestehende Druckdifferenz dazu genutzt, einen Fluidmassenstrom durch die Diffusorkavität anzutreiben.

Durch diese Maßnahmen wird in vorteilhafter Weise erreicht, dass die an der Diffusorpassage vorbeigeleitete Massenflussrate und die wiederzugeführte Masse nflussrate eine automatische Regulierung gemäß einer gewünschten Drehzahlkennlinie des stromauf des Diffusors angeordneten Verdichters bewirken. Dies führt zu einer Stabilisierung des Verdichterbetriebes. Dabei wird in vorteilhafter Weise aufgrund der Wiederzuführung des Fluids die Pumpgrenze des Verdichters in Richtung niedrigerer Fluidmassenstromraten verschoben und aufgrund der Ableitung des Fluids die Stopfgrenze des Verdichters in Richtung höherer Fluidmassenstromraten verschoben. Dies entspricht einer Vergrößerung des Arbeitsbereiches des Verdichters. Dabei kann es im Bereich zwischen der Pumpgrenze und der Stopfgrenze zu einer Verlangsamung oder gar zu einem Verschwinden des Fluidstromes kommen, was Vorteile in Bezug auf den maximal erreichbaren Wirkungsgrad des Verdichters hat.

Um die vorstehend beschriebenen Vorteile der Erfindung weiter zu vergrößern, kann die Anzahl der der jeweiligen Diffusorpassage zugeordneten Zirkulationsöffnungen erhöht werden. Dies vergrößert insbesondere den Stabilisierungseffekt der beschriebenen Massnahmen. Dies ist insbesondere darauf zurückzuführen, dass die beschriebenen Massnahmen ein Auftreten von kritischen Fluidflusssituationen auf der Shroudseite und/oder der Hubseite des Diffusors zumindest verzögern und dadurch den Arbeitsbereich des Verdichters erweitern.

Die Zirkulationsöffnungen der Diffusorpassagen können alle dieselbe Querschnittsform und dieselbe Querschnittsfläche aufweisen. Alternativ dazu ist es auch möglich, dass die einer Diffusorpassage zugeordneten Zirkulationsöffnungen unterschiedliche Querschnittsformen und/oder Querschnittsflächen und/oder unterschiedliche Orientierungen aufweisen.

Diese Zirkulationsöffnungen und deren relative Positionierung zueinander sind in jedem Fall so zu gestalten, dass der durch die Zirkulationsöffnungen fließende Fluidstrom hinreichend groß ist, um den Arbeitsbereich des Diffusors im Vergleich zum Arbeitsbereich bekannter Diffusoren zu vergrößern.

Beispielsweise besteht eine Ausführungsform darin, den Abstand von in Strömungsrichtung voneinander beabstandeten Zirkulationsöffnungen so zu wählen, dass er zumindest 25%, vorzugsweise zumindest 30% oder zumindest 35% der Sehnenlänge einer Diffusorschaufel beträgt.

Eine andere Ausführungsform besteht darin, den Abstand von senkrecht zur Strömungsrichtung einander benachbarter Zirkulationsöffnungen so zu wählen, dass er mindestens 25% des Abstands zwischen zwei einander benachbarten Diffusorschaufeln beträgt.

Eine weitere Ausführungsform besteht darin, dass in mindestens einem Betriebspunkt der prozentuale Anteil des durch die Zirkulationsöffnungen zirkulierenden Massenstroms größer als 1 % des gesamten Massenstroms ist.

Nachfolgend werden anhand der Figuren 4 bis 13 Skizzen zur Veranschaulichung möglicher Anordnungen der einer Diffusorpassage zugeordneten Zirkulationsöffnungen näher erläutert. Die Figur 4 zeigt eine Skizze zur Veranschaulichung der Zirkulationsöffnungen gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel für die Erfindung. In dieser Skizze sind die Diffusorschaufel 6^ und die dazu benachbarte Diffusorschaufel 6 ₂ dargestellt. Beide Diffusorschaufeln enthalten eine Druckseite 7 und eine Saugseite 8. Des Weiteren enthalten beide Diffusorschaufeln eine Schaufeleintrittskante 9 und eine Schaufelaustrittskante 10. Zwischen den beiden Diffusorschaufeln 6^ und 6 ₂ erstreckt sich die Diffusorpassage 13^ Innerhalb dieser Diffusorpassage sind zwei Zirkulationsöffnungen 11 vorgesehen, von denen eine stromauf der engsten Stelle 12 der Diffusorpassage und die andere stromab der engsten Stelle 12 der Diffusorpassage positioniert ist. Die Strömungsrichtung ist durch den Pfeil 14 veranschaulicht. Beide Zirkulationsöffnungen 1 1 sind zwischen der Saugseite 8 der Diffusorschaufel 6† und der Druckseite 7 der Diffusorschaufel 6 ₂ angeordnet.

Die beiden Zirkulationsöffnungen 11 sind durch eine als Ringkanal ausgebildete, allen Diffusorpassagen gemeinsame Diffusorkavität fluidisch miteinander verbunden. Dieser Ringkanal erstreckt sich um den gesamten Umfangsbereich des Diffusorschaufelkranzes und verbindet folglich die Diffusorpassagen 13 _! bis 13 ₁₈ über die Zirkulationsöffnungen 11 dieser Diffusorpassagen fluidisch miteinander.

Die Figur 5 zeigt eine Skizze zur Veranschaulichung der Zirkulationsöffnungen gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel für die Erfindung. Dieses zweite Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem in der Figur 4 gezeigten ersten Ausführungsbeispiel dadurch, dass jeder Diffusorpassage eine in der Figur 5 gestrichelt gezeichnete individuelle Diffusorkavität 16 zugeordnet ist, die über die beiden dieser Diffusorpassage zugeordneten Zirkulationsöffnungen 1 1 fluidisch mit der Diffusorpassage verbunden ist. Auch bei diesem zweiten Ausführungsbeispiel sind die beiden der Diffusorpassage zugeordneten Zirkulationsöffnungen 11 in Strömungsrichtung an unterschiedlichen Positionen angeordnet, wobei eine Zirkulationsöffnung stromab der engsten Stelle der Diffusorpassage und die andere Zirkulationsöffnung stromauf der engsten Stelle der Diffusorpassage angeordnet ist. Beide Zirkulationsöffnungen 11 sind wiederum im Bereich zwischen zwei einander benachbarten Diffusorschaufeln angeordnet und zwar zwischen dem Schaufeleintrittsbereich, der durch den Schaufeleintrittsradiuskreis 25 bestimmt ist, und dem Schaufelaustrittsbereich, der durch den Schaufelaustrittsradiuskreis 26 bestimmt ist.

Die Figur 6 zeigt eine Skizze zur Veranschaulichung der Zirkulationsöffnungen gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel für die Erfindung. Bei diesem dritten Ausführungsbeispiel sind stromauf der engsten Stelle 12 der Diffusorpassage zwei in Strömungsrichtung nebeneinander angeordnete Zirkulationsöffnungen 11 vorgesehen, während stromab der engsten Stelle 12 der Diffusorpassage keine Zirkulationsöffnung 11 vorgesehen ist. Diese Zirkulationsöffnungen 11 sind wiederum durch eine in der Figur 6 nicht gezeichnete Diffusorkavität miteinander fluidisch verbunden. Die Zirkulationsöffnungen 11 sind auch bei diesem Ausführungsbeispiel im Bereich zwischen zwei einander benachbarten Diffusorschaufeln angeordnet und zwar zwischen dem Schaufeleintrittsbereich, der durch den Schaufeleintrittsradiuskreis 25 bestimmt ist, und dem Schaufelaustrittsbereich, der durch den Schaufelaustrittsradiuskreis 26 bestimmt ist.

Die Figur 7 zeigt eine Skizze zur Veranschaulichung der Zirkulationsöffnungen gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel für die Erfindung. Bei diesem vierten Ausführungsbeispiel sind stromauf der engsten Stelle 12 der Diffusorpassage drei Zirkulationsöffnungen 11 vorgesehen, während stromab der engsten Stelle 12 der Diffusorpassage zwei Zirkulationsöffnungen 11 vorgesehen sind. Diese insgesamt fünf Zirkulationsöffnungen 11 sind wiederum durch eine in der Figur 7 nicht gezeichnete Diffusorkavität miteinander fluidisch verbunden. Alle fünf Zirkulationsöffnungen 11 sind wiederum im Bereich zwischen zwei einander benachbarten Diffusorschaufeln angeordnet und zwar zwischen dem Schaufeleintrittsbereich, der durch den Schaufeleintrittsradiuskreis 25 bestimmt ist, und dem Schaufelaustrittsbereich, der durch den Schaufelaustrittsradiuskreis 26 bestimmt ist.

Die Figur 8 zeigt eine Skizze zur Veranschaulichung der Zirkulationsöffnungen gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel für die Erfindung. Bei diesem fünften Ausführungsbeispiel sind stromauf der engsten Stelle 12 der Diffusorpassage zwei Zirkulationsöffnungen 11 vorgesehen, während stromab der engsten Stelle 12 der Diffusorpassage drei Zirkulationsöffnungen 11 vorgesehen sind. Diese insgesamt fünf Zirkulationsöffnungen 11 sind wiederum durch eine in der Figur 8 nicht gezeichnete Diffusorkavität miteinander fluidisch verbunden. Die zwei stromauf der engsten Stelle der Diffusorpassage angeordneten Zirkulationsöffnungen 11 sind bei diesem Ausführungsbeispiel in Strömungsrichtung vor dem Eingang der Diffusorpassage positioniert, wobei dieser Eingang durch den Schaufeleintrittsradiuskreis 25 bestimmt ist. Die stromab der engsten Stelle 12 der Diffusorpassage angeordneten drei Zirkulationsöffnungen 11 sind im Bereich zwischen zwei einander benachbarten Diffusorschaufeln angeordnet und zwar zwischen der engsten Stelle 12 der Diffusorpassage und dem Schaufelaustrittsbereich, der durch den Schaufelaustrittsradiuskreis 26 bestimmt ist.

Die Figur 9 zeigt eine Skizze zur Veranschaulichung der Zirkulationsöffnungen gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel für die Erfindung. Bei diesem sechsten Ausführungsbeispiel sind stromauf der engsten Stelle 12 der Diffusorpassage zwei Zirkulationsöffnungen 11 vorgesehen, während stromab der engsten Stelle 12 der Diffusorpassage nur eine Zirkulationsöffnung 11 vorgesehen ist. Diese insgesamt drei Zirkulationsöffnungen 11 sind wiederum durch eine in der Figur 9 nicht gezeichnete Diffusorkavität miteinander fluidisch verbunden. Von den beiden stromauf der engsten Stelle 12 der Diffusorpassage angeordneten Zirkulationsöffnungen 11 ist bei diesem Ausführungsbeispiel eine Zirkulationsöffnung in Strömungsrichtung vor dem Eingang der Diffusorpassage positioniert, wobei dieser Eingang durch den Schaufeleintrittsradiuskreis 25 bestimmt ist, und die andere Zirkulationsöffnung im Bereich zwischen den beiden benachbarten Diffusorschaufeln zwischen dem Schaufeleintrittsbereich und der engsten Stelle 12 der Diffusorpassage. Die stromab der engsten Stelle 12 der Diffusorpassage angeordnete Zirkulationsöffnung 11 ist im Bereich zwischen zwei einander benachbarten Diffusorschaufeln angeordnet und zwar zwischen der engsten Stelle 12 der Diffusorpassage und dem Schaufelaustrittsbereich, der durch den Schaufelaustrittsradiuskreis 26 bestimmt ist.

Die Figur 10 zeigt eine Skizze zur Veranschaulichung der Zirkulationsöffnungen gemäß einem siebten Ausführungsbeispiel für die Erfindung. Bei diesem siebten Ausführungsbeispiel sind stromauf der engsten Stelle 12 der Diffusorpassage zwei Zirkulationsöffnungen 11 vorgesehen, während stromab der engsten Stelle 12 der Diffusorpassage keine Zirkulationsöffnung vorgesehen ist. Diese beiden Zirkulationsöffnungen 11 sind wiederum durch eine in der Figur 11 nicht gezeichnete Diffusorkavität miteinander fluidisch verbunden. Beide stromauf der engsten Stelle 12 der Diffusorpassage angeordneten Zirkulationsöffnungen 11 sind bei diesem Ausführungsbeispiel im Bereich zwischen zwei einander benachbarten Diffusorschaufeln, und zwar zwischen dem Schaufeleintrittsbereich, der durch den Schaufeleintrittsradiuskreis 25 bestimmt ist, und der engsten Stelle 12 der Diffusorpassage positioniert.

Die Figur 11 zeigt eine Skizze zur Veranschaulichung der Zirkulationsöffnungen gemäß einem achten Ausführungsbeispiel für die Erfindung. Bei diesem achten Ausführungsbeispiel sind stromauf der engsten Stelle 12 der Diffusorpassage zwei Zirkulationsöffnungen 11 vorgesehen, während stromab der engsten Stelle 12 der Diffusorpassage keine Zirkulationsöffnung vorgesehen ist. Diese beiden Zirkulationsöffnungen 11 sind wiederum durch eine in der Figur 11 nicht gezeichnete Diffusorkavität miteinander fluidisch verbunden. Von den beiden stromauf der engsten Stelle der Diffusorpassage angeordneten Zirkulationsöffnungen 11 ist bei diesem Ausführungsbeispiel eine Zirkulationsöffnung in Strömungsrichtung vor dem Eingang der Diffusorpassage positioniert, wobei dieser Eingang durch den Schaufeleintrittsradiuskreis 25 bestimmt ist, und die andere Druckausgleichsöffnung im Bereich zwischen zwei einander benachbarten Diffusorschaufeln, und zwar zwischen dem Schaufeleintrittsbereich, der durch den Schaufeleintrittsradiuskreis 25 bestimmt ist, und der engsten Stelle 12 der Diffusorpassage.

Die Figur 12 zeigt eine Skizze zur Veranschaulichung der Zirkulationsöffnungen gemäß einem neunten Ausführungsbeispiel für die Erfindung. Bei diesem neunten Ausführungsbeispiel ist stromauf der engsten Stelle 12 der Diffusorpassage 13 eine Zirkulationsöffnung 11 vorgesehen. Stromab der engsten Stelle 12 der Diffusorpassage 13 ist ebenfalls eine Zirkulationsöffnung 11 vorgesehen. Die stromauf der engsten Stelle12 der Diffusorpassage 13 angeordnete Zirkulationsöffnung 11 ist in Strömungsrichtung 14 vor dem Eingang der Diffusorpassage 13 angeordnet, der durch den Schaufelradiuseintrittskreis 25 bestimmt ist. Die stromab der engsten Stelle 12 der Diffusorpassage 13 angeordnete Zirkulationsöffnung 11 ist in Strömungsrichtung 14 hinter dem Ausgang der Diffusorpassage 13 angeordnet, der durch den Schaufelaustrittsradiuskreis 26 bestimmt ist.

Die Figur 13 zeigt eine Skizze zur Veranschaulichung der Zirkulationsöffnungen gemäß einem zehnten Ausführungsbeispiel für die Erfindung. Bei diesem zehnten Ausführungsbeispiel sind stromauf der engsten Stelle 12 der Diffusorpassage 13 zwei Zirkulationsöffnungen 11 vorgesehen. Stromab der engsten Stelle 12 der Diffusorpassage 13 ist eine Zirkulationsöffnung 11 vorgesehen. Eine der beiden stromauf der engsten Stelle 12 der Diffusorpassage 13 angeordneten Zirkulationsöffnungen 11 ist in Strömungsrichtung 14 vor dem Eingang der Diffusorpassage 13 angeordnet, der durch den Schaufelradiuseintrittskreis 25 bestimmt ist. Die andere der beiden stromauf der engsten Stelle 12 der Diffusorpassage 13 angeordneten Zirkulationsöffnungen 11 ist in der Diffusorpassage 13 zwischen den beiden Diffusorschaufeln 6 angeordnet. Die stromab der engsten Stelle 12 der Diffusorpassage 13 angeordnete Zirkulationsöffnung 11 ist in Strömungsrichtung 14 hinter dem Ausgang der Diffusorpassage 13 angeordnet, der durch den Schaufelaustrittsradiuskreis 26 bestimmt ist.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung, die bei allen oben beschriebenen Ausführungsbeispielen eingesetzt werden kann, besteht darin, eine als Ringkanal ausgebildete gemeinsame Diffusorkavität mit einer Sekundärfluidquelle zu verbinden. Das von dieser Sekundärfluidquelle bereitgestellte Fluid kann dazu verwendet werden, bei Bedarf den Ringkanal mit dem Fluid zu spülen. Dadurch können mögliche Ablagerungen und Rückstände aus Verkokung durch ölhaltige Ansaugluft, welche den Ringkanal und die Zirkulationsöffnungen verstopfen könnte, aus dem Ringkanal und damit auch aus den Zirkulationsöffnungen gespült werden. Eine alternative Ausführungsform der Erfindung besteht darin, nur bestimmten Diffusorpassagen Zirkulationsöffnungen zuzuordnen, beispielsweise denjenigen Diffusorpassagen, die in einem Umfangsbereich des Diffusorschaufelkranzes angeordnet sind, in dessen Nähe im Betrieb Instabilitäten auftreten können, beispielsweise in der Nähe eines spiralzungenseitigen Ausgangs des Strömungskanals des Diffusors.

Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung besteht darin, die Diffusorkavität(en) und die Zirkulationsöffnungen in der shroudseitigen Seitenwand des Diffusors vorzusehen.

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung besteht darin, die Seitenwände des Diffusors zumindest abschnittsweise divergent auszuführen.

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung besteht darin, Diffusorschaufeln mit unterschiedlichen Profilen zu verwenden.

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung besteht darin, die Eingangswinkel der Diffusorpassagen durch ein Verdrehen von Diffusorschaufeln zu variieren.

Eine weitere Ausführungsform der Erfindung besteht darin, jeder Diffusorpassage, die über Zirkulationsöffnungen verfügt, eine eigene Diffusorkavität zuzuordnen. Bei dieser Diffusorkavität kann es sich um eine einfache Verbindungsleitung handeln.

Eine weitere Ausführungsform besteht darin, eine einer Diffusorpassage zugeordnete Zirkulationsöffnung mit einer einer anderen Diffusorpassage zugeordneten Zirkulationsöffnung, vorzugsweise mit einer einer benachbarten Diffusorpassage zugeordneten Zirkulationsöffnung, über die Diffusorkavität fluidisch zu verbinden, beispielsweise eine stromauf der engsten Stelle einer Diffusorpassage angeordnete Zirkulationsöffnung mit einer stromab der engsten Stelle einer unmittelbar benachbarten Diffusorpassage zugeordneten Zirkulationsöffnung. Bezugszeichenliste

Radialverdichter

Diffusor

Strömungskanal

Erste Seitenwand des Diffusors

Zweite Seitenwand des Diffusors

Diffusorschaufel

Diffusorschaufeln

Druckseite der Diffusorschaufel

Saugseite der Diffusorschaufel

Schaufeleintrittskante

Schaufelaustrittskante

Zirkulationsöffnung

Throat; engste Stelle einer Diffusorpassage

Diffusorpassage

Diffusorpassagen

Strömungsrichtung

gemeinsame Diffusorkavität; Ringkanal individuelle Diffusorkavität

Welle

Verdichterrad

Nabe

Verdichterradschaufel

Spiralgehäuse

Spiralgehäusezunge

Eintrittsgehäuse

Spiralgehäuseseitiger Ausgang des Diffusorkanais Lagergehäuse

Schaufeleintrittsradiuskreis

Schaufelaustrittsrad iuskreis