B ES C H RE I B U N G

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Radialverdichter von Abgasturboladern. Sie betrifft eine Vorrichtung zum Einblasen von Luft in den Strömungskanal eines Radialverdichters gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Um die Kennfeldbreite von Radialverdichterstufen zu erhöhen, kommen in einer Vielzahl von Radialverdichterstufen der neusten Generationen Stabilisatoren im Ansaugbereich des Verdichterrades zum Einsatz. Die Nachfrage vom Markt für stetig höhere Druckverhältnisse bei Verdichtem von Abgasturboladern ist ungebrochen. Der Erhöhung des Druckverhältnisses über eine Erhöhung der Drehzahl bei unverändertem Verdichterstufendesign sind jedoch Grenzen gesetzt, da die das nutzbare Kennfeld begrenzende Pump- und Schluckgrenze mit zunehmender Drehzahl zusammenlaufen. Die nutzbare Kennfeldbreite nimmt somit in Richtung höherer Druckverhältnisse kontinuierlich ab. Um dem entgegenzuwirken und - das nutzbare Kennfeld auch bei hohen Druckverhältnissen möglichst breit zu halten, kann bei gleichbleibendem Verdichterraddesign und unveränderter Verdichterradgrösse ein Diffusor mit kleinerem Strömungsquerschnitt eingesetzt werden. Die Pumpgrenze verschiebt sich dadurch zu kleineren Volumenströmen und es resultiert bei gleichbleibender Radschluckgrenze eine grossere nutzbare Kennfeldbreite. Nachteilig ist dabei, dass sich der Wirkungsgrad verringert, insbesondere bei Teillast. Dieser Nachteil kann vermieden werden, indem durch geeignete Massnahmen die Stabilität der gegebenen Verdichterstufen bei Maximallast erhöht wird. Dies kann durch gehäuseseitiges Einblasen von Luft in den Strömungskanal im unbeschaufelten Zwischenraum zwischen den Laufschaufeln des Verdichterrades und den Leitschaufeln des Diffusors geschehen. Die dynamische Stabilität im Bereich hoher Druckverhältnisse kann durch das Einblasen von Luft erhöht werden.

Eine andere Möglichkeit zur Erhöhung des Druckverhältnisses und Vermeidung des Zusammenlaufens von Pump- und Schluckgrenze ist die Anpassung des Verdichterraddesigns. Die Stabilität und damit die nutzbare Kennfeldbreite lässt sich durch eine Erhöhung des „Backsweep" beim Verdichterrad erreichen. „Backsweep" bezeichnet den Winkel am Verdichterradaustritt zwischen einer Schaufel mit radial stehender Hinterkante und einer mit entgegen der Raddrehrichtung in tangentialer Richtung flacher gestelltem Austrittswinkel. Die Erhöhung des „Backsweep" hat zur Folge, dass zur Erreichung eines gleichen Druckverhältnisses eine Erhöhung der Radumfangsgeschwindigkeit nötig ist. Damit ist zur Erreichung eines höheren Druckverhältnisses eine überproportionale Erhöhung der Drehzahl erforderlich. Dem sind aber Grenzen seitens des Verdichterradmaterials gesetzt, respektive es muss auf ein Material mit besseren mechanischen Eigenschaften gewechselt werden. Solche Materialien sind wesentlich teurer. Gegenüber dieser Lösung zeigt das Einblasen von Luft Kostenvorteile, da eine bestehende Verdichterstufe zur Erreichung höherer Druckverhältnisse ertüchtigt wird und der kostspielige Materialwechsel beim Verdichterrad vermieden werden kann.

Stand der Technik

Aus "Centrifugal Compressor Flow Range Extension Using Diffuser Flow Control", (Gary J. Skoch; Arrhy Research Laboratory, Vehicle Technology Directorate, Clevela ^' nd, Ohio; 5. Dezember , 2000) ist ein Radialverdichter mit nachgeschaltetem Diffusor bekannt, bei welchem unter Nutzung des Coanda-Effektes Düsen Druckluft in Strömungsrichtung in den Strömungskanal zwischen dem Verdichterrad und dem Diffusor eingeblasen wird.

Beim Coanda-Effekt (beschrieben in US 2,052,869) handelt es sich um einen Strömungseffekt, gemäss dem ein schnell strömendes Fluid (Gas oder Flüssigkeit), welches an einer Oberfläche eines Festkörpers entlang strömt, an dessen Oberfläche anhaftet und sich nicht von der Oberfläche ablöst.

Die Druckluftdüsen sind in der den Strömungskanal begrenzenden Gehäusewand angeordnet und am Verdichtergehäuse festgeschraubt. Sie lassen sich in den Öffnungen bewegen, so dass die Einblasrichtung verändert werden kann. Die Düsen sind über eine Rohrleitung mit einer externen Druckluftversorgung verbunden.

Die CH 204 331 offenbart eine Einrichtung zur Verhinderung der Strahlablösung bei Verdichtern. Dabei wird im Bereich der Leiträder durch Absaugöffnungen der Strömung Teile abgesaugt, welche anschliessend weiter stromauf wieder der Strömung zugeführt werden. Die Wiedereinführung erfolgt dabei durch in Strömungsrichtung ausgerichtete, umlaufende, düsenförmige Schlitze.

Kurze Darstellung der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, eine vereinfachte, kostengünstige Vorrichtung zum Einblasen von Luft in den Strömungskanal eines Radialverdichters zu schaffen, welche insbesondere mit geringem Aufwand montiert werden kann und die eine hohe Zuverlässigkeit im Betrieb aufweist.

Diese Aufgabe löst eine Vorrichtung zum Einblasen von Luft in den Strömungskanal eines Radialverdichters mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.

Bei der erfindungsgemässen Vorrichtung sind die Düsen als Einblasöffnungen in der den Strömungskanal begrenzenden Gehäusewand geformt. Die Einblasöffnungen sind direkt mittels stromab des Diffusors dem Sammelhohlraum entnommener Luft gespiesen. Diese Luft weist gegenüber der Strömung im Strömungskanal vor dem Diffusor einen erhöhten Druck auf.

Dadurch ergibt sich ein passives, dynamisches Stabilisierungssystem einer Verdichterstufe im Bereich hoher Druckverhältnisse, welches ohne zusätzliche Regel- oder Stellglieder auskommt.

Eine vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung zum Einblasen von Luft in den Strömungskanal lässt sich einfach realisieren, indem die gegossenen Verdichtergehäuseteile direkt mit den entsprechenden Öffnungen versehen werden. Es sind keine zusätzlichen Düsenelemente oder Druckluftanschlüsse notwendig. Die Verteilung der Druckluft auf allenfalls mehrere Einblasöffnungen erfolgt über einen zumindest teilweise ringförmig ausgebildeten, als Hohlraum in das Verdichtergehäuse integrierten Luftkanal.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Nachfolgend wird anhand der Zeichnungen die erfindungsgemässe Vorrichtung zum Einblasen von Luft in den Strömungskanal eines Radialverdichters genauer erläutert. Hierbei zeigt Fig. 1 einen Schnitt durch einen Radialverdichter mit einer erfindungsgemässen Vorrichtung zum Einblasen von Luft in den Strömungskanal,

Fig. 2 einen vergrössert dargestellten Ausschnitt der erfindungsgemässen Vorrichtung nach Fig. 1 mit einem aufgesetzten Düsenelement, und

Fig. 3 einen vergrössert dargestellten Ausschnitt der erfindungsgemässen Vorrichtung nach Fig. 1 mit einem materialschlüssig integrierten

Düsenelement.

Weg zur Ausführung der Erfindung

Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch einen Radialverdichter mit einem auf einer rotierbar gelagerten Welle angeordneten Verdichterrad. Das Verdichterrad weist eine zentrale Nabe 10 auf und darauf angeordnete Laufschaufeln 11. Das Verdichterrad ist im Verdichtergehäuse angeordnet. Das Verdichtergehäuse umfasst mehrere, den Strömungskanal für das zu verdichtende Medium begrenzende Teile. Im Bereich der Laufschaufeln des Verdichterrades begrenzt eine innere Verdichtergehäusewand, die sogenannte Einsatzwand 31 den Strömungskanal 41 nach radial aussen. Radial innen ist der Strömungskanal in diesem Bereich durch die Nabe des Verdichterrades begrenzt. Weiter stromab des Bereichs der Laufschaufeln des Verdichterrades, wird der Strömungskanal 42 auf Seite gegenüber der Einsatzwand 33 von einer Diffusorwand 20 begrenzt. Der Diffusor umfasst Diffusorleitschaufeln 21, welche im Strömungskanal angeordnet sind. Weiter stromab der Diffusorleitschaufeln mündet der Strömungskanal 42 in den Sammelhohlraum 43 des spiralförmigen Schneckengehäuses 32, von wo aus eine nicht dargestellte Leitung zu den Brennkammern der mit dem Abgasturbolader verbundenen Brennkraftmaschine führt. Die Luftströmung ist in den Figuren jeweils mit den dicken, weissen Pfeilen angedeutet.

Die erfindungsgemässe Vorrichtung zum Einblasen von Luft in den Strömungskanal umfasst einen Rückführungs-Luftkanal 44, welcher vom Sammelhohlraum 43 stromab

der Diffusorleitschaufeln 21 in den Strömungskanal 42 zwischen den Laufschaufeln 11 des Verdichterrades und den Leitschaufeln 21 des Diffusors führt.

Wie in Fig. 1 dargestellt kann der Luftkanal 44 als ein Hohlraum ausgebildet sein, welcher durch Einsatzwand 31 , Schneckengehäuse 32 und eine Trennwand 33 des Verdichtergehäuses begrenzt ist. Der Luftkanal 44 führt von einer Entnahmeöffnung 52 in der Verdichtergehäusewand im Bereich des Sammelhohlraums 43 zu einer Einblasöffnung 51 in der Verdichtergehäusewand im Bereich zwischen den Laufschaufeln 11 des Verdichterrades und den Leitschaufeln 21 des Diffusors. Die Einblasöffnung 51, welche in den Strömungskanal 42 im Bereich zwischen den Laufschaufeln 11 des Verdichterrades und den Leitschaufeln 21 des Diffusors mündet, ist nicht zylinderförmig ausgebildet, sondern weist eine innere Coanda- Oberflächenstruktur auf. Dies bedeutet, wie in Fig. 3 vergrössert dargestellt, dass die Verdichtergehäusewand eine in die Einblasöffnung hineinragende Rundung aufweist, entlang derer gemäss dem Coanda-Effekt die Luft strömen kann. Die Strömung im Strömungskanal weist beim Austritt aus dem Bereich der

Laufschaufeln des Verdichterrades eine starke tangentiale Komponente auf. Der Coanda-Effekt sorgt dafür, dass beim Einblasen der Luft in den Strömungskanal keine starken Verwirbelungen und Querströmungen entstehen. Stattdessen bleibt die ebenfalls in tangentialer Richtung in den Strömungskanal eingeblasene Luft an der Rundung der Einblasöffnung 51 haften und wird im Randbereich des Strömungskanals in Strömungsrichtung in die Strömung eingeführt, wie dies in Fig. 2 und Fig. 3 mit den dünnen Pfeilen angedeutet ist.

Die Einblasung in den Strömungskanal erfolgt passiv, das heisst ohne Regel- oder Stellglieder. Aufgrund des höheren Drucks im Sammelhohlraum 43 gegenüber dem Strömungskanal 42 im Bereich zwischen den Laufschaufeln 11 des Verdichterrades und den Leitschaufeln 21 des Diffusors ergibt sich eine Ausgleichsströmung.

Entlang dem Umfang des Strömungskanals, also auf gleicher radialer Höhe bezüglich der Welle des Turboladers, können mehrere Einblasöffnungen 51 vorgesehen sein. Diese können alle mit einem einzigen, ringförmig oder zumindest teilweise ringförmig ausgebildeten Luftkanal 44 verbunden sein. Ebenso können in Umfangsrichtung entlang dem Sammelhohlraum 43 mehrere Entnahmeöffnungen 52 angeordnet sein.

Anstelle von einem, ringförmigen Luftkanal 44 können mehrere, durch radial verlaufende Trennwände unterteilte Teilluftkanäle vorhanden sein, welche jeweils eine oder mehrere Einblasöffnungen 51 mit Luft zum Einblasen versorgen.

Die Öffnungen der erfindungsgemässen Vorrichtung können bereits bei der Herstellung der Verdichtergehäuseteile in diese eingelassen werden. Dies kann direkt beim Giessen der Verdichtergehäuseteile erfolgen, indem entweder vorfabrizierte Düsenelemente 62 in die Gehäusewand eingegossen und materialschlüssig mit der Gehäusewand verbunden werden, oder indem die spezielle Kontur der Einblasöffnungen bereits in der Gussform integriert ist. Bei den vorfabrizierten Düsenelementen 62 wird ein Material verwendet, welches sich beim Giessen mit dem Stahl der Gehäusewand verbindet, ohne selber zu verschmelzen. Alternativ können die Einlass- und die Einblasöffnungen auch zu einem späteren Zeitpunkt in die Verdichtergehäusewände eingebracht werden.

Es können auch Düsenelemente 61 vorgesehen sein, welche form- oder kraftschlüssig mit den Verdichtergehäusewand 31 verbunden werden. Dies ermöglicht beispielsweise das Nachrüsten bereits bestehender Turbolader mit der erfindungsgemässen Vorrichtung zum Einblasen von Luft in den Strömungskanal.

Zur Schubentlastung im Bereich der Verdichterradrückwand oder als Sperrluft zur Ölabdichtung der Lager mittels Überdruck kann dem Verdichter im Bereich stromab der Laufschaufeln des Verdichterrades Luft entnommen werden. Diese sogenannte Leckageströmung 53 kann wiederum eine destabilisierende Wirkung auf die

Verdichterströmung haben, wodurch sich die Pumpgrenze zu höheren Volumenströmen verschiebt, was zu einer unterwünschten Verminderung der nutzbaren Kennfeldbreite führt. Mittels dem erfindungsgemässen Einblasen kann der Verlauf der Pumpgrenze wieder auf den Verlauf ohne Leckageströmung 53 zurückversetzt werden.

Bezugszeichenliste Verdichterrad-Nabe Verdichterrad-Schaufeln Diffusor-Wand Diffusor-Leitschaufel Innere Verdichtergehäusewand, Einsatzwand Äussere Verdichtergehäusewand, Schneckengehäuse Trennwand Strömungskanal, Ansaugbereich Strömungskanal, Diffusorbereich Sammelhohlraum, Schneckengehäuse Luftkanal, Hohlraum Einblasöffnung Entnahmeöffnung Leckströmungsöffnung Düsenelement, aufgesetzt Düsenelement, in Gehäusewand integriert