BR112015029901B1

BR112015029901B1 - Turbocompressor de gás de exaustão

Info

Publication number: BR112015029901B1
Application number: BR112015029901-6A
Authority: BR
Inventors: Holger Fãth; Marc Hiller; Ivo Sandor
Original assignee: Continental Automotive Gmbh
Priority date: 2013-06-13
Filing date: 2014-04-29
Publication date: 2022-01-11
Also published as: CN105264177B; BR112015029901B8; US20160186568A1; EP3008292B1; EP3008292A1; US10190415B2; KR101823744B1; BR112015029901A2; DE102013210990A1; KR20160016970A; CN105264177A; WO2014198453A1

Abstract

turbocompressor com uma roda de turbina radial-axial. a presente invenção refere-se a um turbocompressor que tem um eixo mecânico (30) com um eixo geométrico de rotação (30a), uma roda de turbina radial/axial (12) que é arranjada em um invólucro de turbina (10) e que é conectada ao eixo mecânico (30) de uma maneira não rotativa, e um invólucro de mancal (20) que é adjacente ao invólucro de turbina e que contém uma parede lateral que fica voltada para o invólucro de turbina. uma sub-região da parede lateral do invólucro de mancal (20) forma uma sub-região da parede traseira do invólucro de turbina (10). a dita sub-região do invólucro de mancal (20) tem duas subseções, uma (ta1) da qual segue diagonalmente para o eixo geométrico de rotação (30a) em uma direção de fluxo de entrada de um fluxo de gás de exaustão conduzido para dentro do invólucro de turbina, e uma segunda (ta2) da qual segue em uma direção radial em relação ao eixo geométrico de rotação do eixo mecânico e paralela à parede traseira da roda de turbina. as duas subseções (ta1, ta2) são conectadas uma à outra por meio de uma borda de separação de fluxo de gás de exaustão (35) do invólucro de mancal.

Description

[01] A presente invenção refere-se a um turbocompressor degás de exaustão que tem uma roda de turbina radial-axial.

[02] O documento de patente DE 10 2009 056 632 A1 divulgouum turbocompressor de gás de exaustão que compreende uma roda de turbina radial-axial do dito tipo. No caso do dito turbocompressor de gás de exaustão conhecido, o invólucro da turbina tem um elemento guia que forma pelo menos uma parte da parede traseira de uma volu- ta inclinada ou oblíqua.

[03] A Figura 1 mostra uma vista secional do dito turbocompressor de gás de exaustão. Na dita vista secional, a direção do fluxo de entrada e a direção do fluxo de saída do gás de exaustão são ilustradas esquematicamente e de uma forma altamente simplificada por uma seta. O turbocompressor de gás de exaustão 1 conhecido tem um invólucro de turbina 10 com uma voluta 16. Dentro do invólucro de turbina 10, uma roda de turbina radial-axial 12 é arranjada em um eixo mecânico 30. O eixo mecânico 30 é montado em um invólucro de mancal 20. Além disso, é provido um elemento guia 24, o qual é um protetor contra o calor. Este último é projetado de modo a formar uma parede traseira 26 ou uma sub-região 28 da parede traseira da voluta 16, em que uma parte da parede traseira ou a parede traseira é incli-nada a um ângulo de inclinação β na direção do invólucro de mancal. Essa região do elemento 24 que é formada como uma parede traseira 26 ou como uma parte da parede traseira da voluta 16 ou do invólucro de turbina 10 forma uma transição substancialmente sem emenda com a voluta 16 ou com o invólucro de turbina 10, de maneira tal que a orientação do fluxo do gás de exaustão é prejudicada até a menor extensão possível. O elemento guia 24 pode, em uma região de extremidade 32, ser empurrado ou montado em um ressalto 34 do invólucro de mancal. Além disso, o turbocompressor de gás de exaustão conhecido tem um elemento de lingueta 14 que se estende de preferência até um ponto perto da borda de entrada 18 da roda de turbina 12, de maneira tal que o espaçamento a entre o elemento de lingueta 14 e a borda de entrada 18 da roda de turbina 12 é pequeno. Através do uso do elemento guia 24 descrito como um componente guia de fluxo do invólucro da turbina, é possível que o espaço estrutural axial do invólucro de turbina seja feito compacto. Devido ao pequeno espaçamento do elemento de lingueta 14 à borda de entrada 18 da roda de turbina 12, e o arranjo de preferência paralelo ou substancialmente paralelo do ângulo da lingueta e da borda de entrada da roda, a eficiência do turbocompressor de gás de exaustão é aumentada.

[04] O protetor contra o calor 24 do turbocompressor de gás deexaustão descrito acima é composto de modo geral de metal em folha. Isso tem a desvantagem que, devido às influências da pressão durante o processo de montagem e adicionalmente devido às influências térmicas durante a operação do turbocompressor de gás de exaustão, o protetor contra o calor fica sujeito à deformação. A dita deformação pode afetar adversamente o fluxo de entrada para a roda de turbina, e desse modo a sua termodinâmica. Além disso, a dita deformação pode resultar em uma colisão indesejada entre o protetor contra o calor e a roda de turbina. Além disso, a deformação indicada conduz a desvantagens termomecânicas no que diz respeito à funcionalidade e à vida útil do turbocompressor de gás de exaustão. Por razões de fabricação, nesse ponto do protetor contra o calor que fica situado mais próximo da parte traseira da roda de turbina, é formado um raio de canto, o qual afeta adversamente o fluxo de entrada para a roda de turbina e desse modo a termodinâmica do turbocompressor de gás de exaustão, uma vez que o fluxo de gás de exaustão não é destacado nem separado de maneira limpa. Além disso, na prática, há um fluxo indesejado através da cavidade entre a parte traseira da roda de turbina e o protetor contra o calor, e isso é analogamente associado com perdas. Além disso, devido às deformações induzidas pela temperatura indicadas do protetor contra o calor que ocorrem durante a operação, um espaço relativamente grande do lado de trás da roda deve ser provido. Isso também conduz a um fluxo intenso e desfavorável do gás de exaustão quente durante a operação.

[05] O objetivo da invenção consiste em especificar um turbocompressor de gás de exaustão que seja equipado com uma roda de turbina radial-axial e em cujo caso não são geradas as desvantagens acima mencionadas.

[06] O dito objetivo é atingido por meio de um turbocompressor degás de exaustão que tem as características especificadas na invenção.

[07] Um turbocompressor de gás de exaustão compreende umeixo mecânico que tem um eixo geométrico de rotação, uma roda de turbina radial-axial que é arranjada em um invólucro de turbina e que é conectada rotacionalmente adjacente ao eixo, e um invólucro de man- cal que é arranjado adjacente ao invólucro de turbina e que tem uma parede lateral voltada para o invólucro de turbina. Aqui, uma sub- região dessa parede lateral do invólucro de mancal que fica voltada para o invólucro de turbina forma uma sub-região da parede traseira do invólucro de turbina. Essa sub-região do invólucro de mancal que forma uma sub-região da parede traseira do invólucro de turbina tem duas subporções, das quais a primeira subporção segue obliquamente com respeito ao eixo geométrico de rotação do eixo mecânico na direção do fluxo de entrada de um fluxo de gás de exaustão conduzido para o invólucro de turbina, e a segunda subporção segue em uma direção radial com respeito ao eixo geométrico de rotação do eixo mecânico e paralela à parede traseira da roda de turbina. As duas sub- porções são conectadas uma à outra através de uma borda de sepa- ração do fluxo de gás de exaustão do invólucro de mancal.

[08] Um turbocompressor de gás de exaustão do dito tipo nãorequer nenhum protetor contra o calor que pode se deformar de uma maneira indesejada devido às influências da pressão e às influências térmicas durante o processo de montagem e durante a operação do turbocompressor de gás de exaustão. Isso favorece o fluxo de entrada para a roda de turbina e melhora a sua termodinâmica. Além disso, no caso de um turbocompressor de gás de exaustão que tem as características de acordo com a invenção, durante a operação do mesmo, não pode ocorrer nenhuma colisão indesejada com a roda de turbina, que está girando a alta velocidade. Isso melhora a funcionalidade do turbocompressor de gás de exaustão e aumenta a vida útil do mesmo. Além disso, no caso de um turbocompressor de gás de exaustão que tem as características de acordo com a invenção, a cavidade entre a parede traseira da roda de turbina e a subporção adjacente da parede lateral do invólucro do mancal, ou seja, o espaço do lado de trás da roda, pode ser mantida pequena, de maneira tal que, também na dita região, uma ocorrência de um fluxo indesejado com o fluxo do gás de exaustão pode ser pelo menos extremamente reduzida.

[09] Outras características vantajosas da invenção irão surgir apartir da seguinte explanação exemplificadora da mesma com base nas Figuras 2 a 4, nas quais:

[10] a Figura 2 mostra uma vista secional de uma parte de umturbocompressor de gás de exaustão de acordo com uma modalidade exemplificadora da invenção,

[11] a Figura 3 mostra um esboço que ilustra o fluxo de entradado fluxo do gás de exaustão para a roda de turbina, e

[12] a Figura 4 é uma ilustração ampliada do detalhe Z da Figura 3.

[13] A Figura 2 mostra uma vista secional de uma parte de umturbocompressor de gás de exaustão de acordo com uma modalidade exemplificadora da invenção.O dito turbocompressor de gás de exaustão tem um invólucro de turbina 10 com uma voluta 16 que circunda uma região de fluxo de entrada 17 para o fluxo do gás de exaustão. Dentro do invólucro de turbina 10, em um eixo mecânico 30, é arranjada uma roda de turbina radial-axial 12 que é conectada rotacionalmen- te adjacente ao eixo mecânico. O eixo mecânico 30 é montado em um invólucro de mancal 20 que é adjacente ao invólucro de turbina 10. O invólucro de mancal 20 tem uma parede lateral que fica voltada para o invólucro de turbina 10. A roda de turbina 12 tem uma parede traseira 13 e um lado superior OS.

[14] Uma sub-região dessa parede lateral do invólucro de man-cal que fica voltada para o invólucro de turbina forma uma sub-região da parede traseira do invólucro de turbina. Essa sub-região do invólucro de mancal que forma uma sub-região da parede traseira do invólucro de turbina tem duas subporções TA1 e TA2. A primeira subporção TA1 segue obliquamente com respeito ao eixo geométrico de rotação 30a do eixo mecânico 30 na direção de fluxo de entrada ZR do fluxo de gás de exaustão quente conduzido para o invólucro de turbina. A segunda subporção TA2 segue em uma direção radial R com respeito ao eixo geométrico de rotação 30a do eixo mecânico 30 e também paralela à parede traseira 13 da roda de turbina 12. As duas subporções TA1 e TA2 são conectadas uma à outra através de uma borda de separação do fluxo de gás de exaustão 35 do invólucro de mancal 20. O espaço 29 do lado de trás da roda fica situado entre a parede traseira 13 da roda de turbina 12 e a segunda subporção TA2, que segue paralela à dita parede traseira.

[15] Dentro do invólucro de mancal 20, é arranjado um núcleode água 36 que fica adjacente à borda de separação do fluxo de gás de exaustão 35. Isso tem vantajosamente o efeito que, durante a operação do turbocompressor de gás de exaustão, a região da borda de separação do fluxo de gás de exaustão 35 é refrigerada por um fluxo de água que é conduzido através do núcleo de água 36.

[16] Além disso, essa parede lateral do invólucro de mancal quefica voltada para o invólucro de turbina é alinhada com uma camada protetora na região da primeira subporção TA1 e da segunda subpor- ção TA2. A dita camada protetora é composta de preferência de um material, por exemplo, níquel, que é resistente a altas temperaturas, à oxidação e à corrosão. Devido à dita camada protetora, as subporções indicadas TA1 e TA2, e em particular a borda de separação do fluxo de gás de exaustão 35, que conecta as duas subporções, do invólucro de mancal também são protegidas contra as altas temperaturas que prevalecem nas ditas regiões durante a operação do turbocompressor de gás de exaustão, de maneira tal que a probabilidade de deformação ddas ditas regiões é reduzida.

[17] A direção axial A doa eixo geométrico de rotação 30a doeixo mecânico 30 e a direção radial R do eixo geométrico de rotação 30a do eixo mecânico 30 também são mostradas na Figura 2.

[18] A borda de separação do fluxo de gás de exaustão 35 provida no invólucro de mancal 20 é projetada de modo a suportar as cargas elevadas que ocorrem durante a operação do turbocompressor de gás de exaustão, e de maneira tal que a turbulência do fluxo de gás de exaustão quente suprido que é gerada na região da dita borda de separação do fluxo de gás de exaustão é mantida baixa, de maneira tal que a eficiência hidrodinâmica do turbocompressor de gás de exaustão pode ser aumentada. Isso será discutido em mais detalhes a seguir com base nas Figuras 3 e 4.

[19] A Figura 3 mostra um esboço que ilustra o fluxo de entradado fluxo de gás de exaustão quente para a roda de turbina do turbocompressor de gás de exaustão. Na modalidade exemplificadora ilustrada, o fluxo de gás de exaustão quente entra no bocal formado entre a parede lateral do invólucro de mancal 20 e o invólucro de turbina (não mostrado), e é suprido ao longo da subporção TA1 à roda de turbina 12 ou às pás guias da mesma. Desta maneira, a roda de turbina em conjunto com o eixo mecânico 30 é ajustada na rotação, em que a dita rotação ocorre em torno do eixo geométrico de rotação 30a. Entre a primeira subporção TA1 e a segunda subporção TA2, o invólucro de mancal 20 tem uma borda de separação do fluxo de gás de exaustão 35.

[20] A dita borda de separação do fluxo de gás de exaustão 35,e a roda de turbina 12 adjacente à mesma, são projetadas, e arranjadas uma em relação à outra, de maneira tal que a turbulência do fluxo de gás de exaustão que é gerada na região da borda de separação do fluxo de gás de exaustão 35 é mantida baixa, e de maneira tal que a borda de separação do fluxo de gás de exaustão 35 suporta as cargas que ocorrem durante a operação do turbocompressor de gás de exaustão. Isso também tem a contribuição do núcleo de água 36 que é posicionado na vizinhança da borda de separação do fluxo de gás de exaustão 35 e através do qual a água de refrigeração é conduzida durante a operação do turbocompressor de gás de exaustão, em que a água de refrigeração refrigera a região da borda de separação do fluxo de gás de exaustão 35.

[21] A sub-região Z destacada na Figura 3, a qual contém a bordade separação do fluxo de gás de exaustão 35 e as partes constituintes da roda de turbina 12 adjacentes à dita borda de separação do fluxo de gás de exaustão, é ilustrada em uma escala ampliada na Figura 4.

[22] Pode ser visto a partir da Figura 4 que a roda de turbina 12tem, na extremidade superior de sua parede traseira 13 tal como visto na direção radial, um canto E2 a partir do qual o lado superior OS da roda de turbina, ou o lado superior das suas pás, segue obliquamente para cima. O canto E2 da parede traseira 13 da roda de turbina 12 tem um espaçamento b na direção radial até um canto E1 da borda de separação do fluxo de gás de exaustão 35 do invólucro de mancal 20, em que este último canto é arranjado acima do canto E2 anterior na direção radial. O lado superior OS da roda de turbina 12 tem um espaçamento c até o canto E1 da borda de separação do fluxo de gás de exaustão 35 do invólucro de mancal na direção de fluxo de entrada ZR do fluxo do gás de exaustão. A parede traseira 13 da roda de turbina 12 tem um espaçamento a até a segunda subporção TA2, que segue paralela à dita parede traseira. A primeira subporção TA1 do invólucro de mancal 20 segue analogamente na direção de fluxo de entrada ZR do fluxo de gás de exaustão, tem um ângulo β em relação à direção radial R, e termina no canto E1 da borda de separação do fluxo de gás de exaustão 35 do invólucro de mancal.

[23] Entre o canto E1 da borda de separação do fluxo de gás deexaustão 35 e a segunda subporção TA2, é provido um flanco F que prossegue a partir do canto E1 e que é conectado à segunda subpor- ção TA2 através de uma região de transição U de formato curvado. O flanco F segue paralelo ao lado superior OS da roda de turbina 12. A primeira subporção TA1 e o flanco F incluem um ângul ode canto α no canto E1 da borda de separação do fluxo de gás de exaustão 35.

[24] O núcleo de água 36, através do qual a água de refrigeração flui durante a operação do turbocompressor de gás de exaustão, estende-se para a vizinhança direta da borda de separação do fluxo de gás de exaustão 35, de maneira tal que esta última é refrigerada pela água de refrigeração durante a operação, e não pode ser destruída em consequência do superaquecimento.

[25] Para impedir o superaquecimento da borda de separação dofluxo de gás de exaustão 35, também é o caso em que essa parede lateral do invólucro de mancal 20 que fica voltada para o invólucro de turbina 10 é provida com uma camada protetora na região da primeira subporção TA1, da segunda subporção TA2 e do flanco F. A dita camada protetora é composta de preferência de um material, por exemplo, níquel, que é resistente a altas temperaturas, à oxidação e à corrosão.

[26] O espaçamento b na direção radial entre o canto E1 daborda de separação do fluxo de gás de exaustão 35 e o canto E2 da região de extremidade superior da parede traseira 13 da roda de turbina 12 fica em uma relação definida com respeito ao diâmetro DTR, medido na direção radial R, da parede traseira 13 da roda de turbina 12. A relação a seguir aplica-se de preferência:0,005 < b/DTR< 0,025.

[27] O espaçamento a entre a parede traseira 13 da roda deturbina 12 e da segunda subporção TA2 fica analogamente em uma relação definida com respeito ao diâmetro DTR, medido na direção radial, da parede traseira 13 da roda de turbina 12. Também neste caso, a relação a seguir aplica-se de preferência:0,005 < a/DTR < 0,025.

[28] De modo geral, a invenção provê um turbocompressor degás de exaustão que é equipado com uma roda de turbina axial-radial e em cujo caso o fluxo de gás de exaustão no invólucro de turbina é guiado para a roda de turbina através de um bocal, sem o uso de um elemento guia separado. Uma parede lateral do dito bocal é formada por uma primeira subporção dessa parede lateral do invólucro de mancal que fica voltada para o invólucro de turbina, em que a dita primeira subporção segue na direção do fluxo de entrada do fluxo de gás de exaustão. A outra parede lateral do bocal é formada por uma parede do invólucro de turbina. A primeira subporção TA1 dessa parede lateral do invólucro de mancal que fica voltada para o invólucro de turbina é conectada, através de uma borda de separação do fluxo de gás de exaustão 35, a uma segunda subporção TA2, a qual segue paralela à parede traseira da roda de turbina.

[29] Tal desenho dessa parede lateral do invólucro que fica voltada para o invólucro de turbina cria as condições necessárias para que a borda da separação do fluxo do gás de exaustão do invólucro de mancal suporte as cargas elevadas que são geradas durante a operação do turbocompressor de gás de exaustão, de maneira tal que eficiência termodinâmica do turbocompressor de gás de exaustão pode ser aumentada. Se uma ou mais das características da invenção forem usadas além desta modalidade dessa parede lateral do invólucro de mancal que fica voltada para o invólucro da turbina, então a funcionalidade do turbocompressor de gás de exaustão durante a operação é realçada ainda mais. Isto também tem a contribuição particular do formato do invólucro do mancal na região da borda de separação do fluxo de gás de exaustão, do posicionamento do núcleo de água, do uso de uma camada protetora, e do dimensionamento dos espaçamentos a e b descritos acima.

[30] Os testes mostraram que a funcionalidade de um turbocompressor de gás de exaustão de acordo com a invenção durante a operação é realizada até mesmo na presença de altas temperaturas da entrada do gás de exaustão de mais de 1050°C.

Claims

1. Turbocompressor de gás de exaustão que tem um eixo mecânico (30) que tem um eixo geométrico de rotação (30a), o qual tem uma roda de turbina radial-axial (12) que é arranjada em um invólucro de turbina (10) e que é conectada rotacionalmente adjacente ao eixo mecânico (30), e tem um invólucro de mancal (20) que é arranjado adjacente ao invólucro de turbina (10) e que compreende uma parede lateral voltada para o invólucro de turbina (10), caracterizado pelo fato de que,- a roda da turbina radial-axial (12) tem uma parede traseira (13) com um canto (E2) disposto na extremidade externa da parede traseira (13) no sentido radial, onde um lado superior (OS) da roda da turbina (12) transcorre obliquamente para fora no sentido radial procedente do canto (E2) da parede traseira (13),- uma sub-região dessa parede lateral do invólucro de mancal (20), que fica voltada para o invólucro de turbina, forma uma sub-região da parede traseira do invólucro de turbina (10),- essa sub-região do invólucro de mancal que forma uma sub-região da parede traseira do invólucro de turbina tem duas sub- porções (TA1, TA2), da qual- a primeira subporção (TA1) segue obliquamente com respeito ao eixo geométrico de rotação (30a) do eixo mecânico (30) na direção do fluxo de entrada (ZR) de um fluxo de gás de exaustão conduzido para dentro do invólucro de turbina,- a segunda subporção (TA2) segue em uma direção radial (R) com respeito ao eixo geométrico de rotação (30a) do eixo mecânico (30) e paralela à parede traseira (13) da roda de turbina (12),- as duas subporções (TA1, TA2) são conectadas uma à outra através de uma borda de separação do fluxo de gás de exaustão (35) do invólucro de mancal (20), - a borda de separação do fluxo de gás de exaustão (35) tem um canto (E1) que é conectado à segunda subporção (TA2) através de um flanco (F), sendo que a primeira subporção (TA1) e o flanco (F) encerram um ângulo de canto (α) e uma região de transição curvada (U) é provida entre a segunda subporção (TA2) e o flanco (F), e- o lado superior (OS) da roda de turbina (12) tem um segundo espaçamento (C) até o canto (E1) da borda de separação do fluxo do gás de exaustão (35) na direção do fluxo de entrada (ZR) do fluxo do gás de exaustão o flanco (F) segue paralelo ao lado superior (OS) da roda de turbina (12).

2. Turbocompressor de gás de exaustão de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a primeira subporção (TA1) termina no canto (E1).

3. Turbocompressor de gás de exaustão de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que a primeira subporção (TA1) tem um formato retilíneo.

4. Turbocompressor de gás de exaustão de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que a primeira subporção (TA1) tem um formato curvado.

5. Turbocompressor de gás de exaustão de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que a parede traseira (13) da roda de turbina (12) tem, em sua região de extremidade superior, um canto (E2) que tem um primeiro espaçamento (b) até o canto (E1) da borda de separação do fluxo de gás de exaustão (35) em uma direção radial (R).

6. Turbocompressor de gás de exaustão de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que a parede traseira (13) da roda de turbina (12) tem um terceiro espaçamento (a) até a segunda subporção (TA2).

7. Turbocompressor de gás de exaustão de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que a relação entre o terceiro espaçamento (a) e o diâmetro (DTR) da parede traseira (13) da roda de turbina (12) fica na faixa entre 0,005 e 0,025.

8. Turbocompressor de gás de exaustão de acordo com qualquer uma das reivindicações 5 a 7, caracterizado pelo fato de que a relação entre o segundo espaçamento (b) e o diâmetro (DTR) da parede traseira (13) da roda de turbina (12) fica na faixa entre 0,005 e 0,025.

9. Turbocompressor de gás de exaustão de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que o invólucro de mancal (20) tem um núcleo de água (36) que é arranjado adjacente à borda da separação do fluxo de gás de exaustão (35).

10. Turbocompressor de gás de exaustão de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que a parede lateral do invólucro do mancal (20), que fica voltada para o invólucro de turbina (10), é provida com uma camada protetora na região da primeira subporção (TA1), da segunda subporção (TA2) e do flanco (F).

11. Turbocompressor de gás de exaustão de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que a camada protetora é composta de um material que é resistente a altas temperaturas, à oxidação e à corrosão.