BRPI1004915B1

BRPI1004915B1 - turbocompressor para motor de ignição

Info

Publication number: BRPI1004915B1
Application number: BRPI1004915-0A
Authority: BR
Inventors: Daniel Edward Loringer; Anthony Holmes Furman; Dale William Ladoon; Kendall Roger Swenson
Original assignee: General Electric Company
Priority date: 2009-01-15
Filing date: 2010-01-11
Publication date: 2020-07-21
Also published as: AU2010204902A1; WO2010083126A1; US20100178164A1; BRPI1004915A2; US20130052054A1; CN102282345A; EA201190075A1; EP2387657A1; US9003790B2; EA022179B1; EP2387657B1; AU2010204902C1; AU2010204902B2

Abstract

TURBOCOMPRESSOR E MÉTODO A invenção refere-se a um sistema e método de aperfeiçoamento do desempenho de um turbocompressor (12) para um motor (14) de ignição por compressão e, mais especificamente, a um sistema e método para ajustar a posição e parâmetros dos componentes do turbocompressor. O turbocompressor compreende um compressor (26) compreendendo hélices do compressor; uma turbina (28) compreendendo hélices da turbina; uma haste (30) acoplando o compressor (26) à turbina (28): e um difusor de descarga (62) disposto a jusante das hélices da turbina, sendo que o difusor de descarga compreende uma boca de sino (64); um invólucro de turbo (56) disposto a jusante do difusor de descarga (62), em que o invólucro de turbo (56) compreende uma câmara de forma toroidal que conduz a uma saída de descarga (83) disposta e centralizada sobre um segundo lado oposto a um primeiro lado, a câmara de forma toroidal possui uma área de seção transversal que aumenta progressivamente em pelo menos 40 por cento a partir da parte central do primeiro lado nos primeiros 90 graus em uma direção anular à saída de descarga (53) no segundo lado.

Description

TURBOCOMPRESSOR PARA MOTOR DE IGNIÇÃO

Campo da Invenção

[0001] A presente invenção refere-se, em linhas gerais, a um turbocompressor para um motor de ignição por compressão e, mais especificamente, a um sistema para ajustar a posição e parâmetros dos componentes do turbocompressor.

Antecedentes da Invenção

[0002] Turbocompressores incluem uma turbina e um compressor que pode ser conectado por uma haste. A turbina é localizada em uma seção de estágio da turbina do turbocompressor, e os componentes no estágio da turbina são fatores importantes na eficiência e desempenho do turbocompressor. Em particular, os componentes que afetam o fluxo de descarga, como um difusor e carcaça do turbo, podem permitir a perda indesejada de energia do fluxo de descarga, caso não sejam projetados de forma adequada.

Descrição da Invenção

[0003] Um sistema de turbocompressor, em certas realizações, inclui um compressor, uma turbina, uma haste acoplando o compressor à turbina, e um invólucro do turbo configurado para aperfeiçoar a recuperação de pressão, sendo que o invólucro do turbo inclui uma geometria não simétrica configurada para aperfeiçoar (ou, de modo mais geral, modificar) o fluxo para uma saída de descarga. Outra realização inclui um método que inclui fluir a descarga através de um difusor de descarga que tem uma boca de sino configurada para aperfeiçoar a recuperação de pressão dentro de uma máquina turbo, e fluir a descarga através de uma câmara de forma toroidal anular de um invólucro do turbo que tem uma área de seção transversal que se expande em uma direção circunferencial em direção a uma porta de descarga.

Breve Descrição dos Desenhos

[0004] Esses e outros recursos, aspectos, e vantagens da presente descrição serão mais bem compreendidos quando a descrição detalhada adiante for lida em referência aos desenhos anexos, em que caracteres iguais representam partes iguais em todos os desenhos, em que:

- A Figura 1 é um diagrama de bloco de uma realização de um sistema dotado de um motor acoplado a um turbocompressor com um estágio da turbina aperfeiçoado;
- A Figura 2 é uma vista lateral em corte de uma realização de um turbocompressor que tem um estágio da turbina aperfeiçoado;
- A Figura 3 é uma vista lateral em corte detalhada de uma realização de um estágio da turbina aperfeiçoado, conforme ilustrado na Figura 2;
- A Figura 4 é uma vista longitudinal em corte de uma realização de um turbocompressor que tem um estágio da turbina aperfeiçoado;
- A Figura 5A é uma vista lateral em corte detalhada de uma realização de um invólucro do turbo de um turbocompressor aperfeiçoado obtida ao longo da linha 5A-5A da Figura 4;
- A Figura 5B é uma vista lateral em corte detalhada de uma realização de um invólucro do turbo de um turbocompressor aperfeiçoado obtida ao longo da linha 5B-5B da Figura 4;
- A Figura 5C é uma vista lateral em corte detalhada de uma realização de um invólucro do turbo de um turbocompressor aperfeiçoado obtida ao longo da linha 5C-5C da Figura 4;
- A Figura 6A é uma vista lateral em corte detalhada de uma realização de um invólucro do turbo de um turbocompressor aperfeiçoado, ilustrando as áreas de seção transversal de um difusor de descarga e um invólucro do turbo;
- A Figura 6B é uma vista longitudinal em corte de uma realização de um turbocompressor que tem um estágio da turbina aperfeiçoado;
- A Figura 7 é um gráfico do local circunferencial dentro de dois turbocompressores representados para uma razão das áreas de seção transversal do invólucro do turbo em relação ao difusor de descarga, como mostram as Figuras 6A e 6B; e
- A Figura 8 é um gráfico da razão de expansão representado para a eficiência da turbina normalizada para dois projetos de turbocompressor.

Descrição de Realizações da Invenção

[0005] Uma ou mais realizações específicas da presente descrição serão descritas adiante. Em um esforço de proporcionar uma descrição concisa dessas realizações, todos os recursos de uma concretização concreta podem não estar descritas no relatório descritivo. Deve-se considerar que no desenvolvimento de qualquer concretização efetiva dessa natureza, assim como em um projeto de desenho ou engenharia, é preciso tomar inúmeras decisões específicas da concretização para que metas específicas dos desenvolvedores sejam alcançadas, tal como o cumprimento de condições relacionadas ao sistema e relacionadas ao negócio, as quais podem variar de concretização para concretização. Além disso, considera-se que tal esforço de desenvolvimento pode ser complexo e trabalhoso, mas, no entanto, seria uma tarefa rotineira de desenho, fabricação e manufatura para os técnicos no assunto que foram beneficiados pela presente descrição.

[0006] Durante a apresentação dos elementos das várias realizações da presente descrição, os artigos "um", "uma", "o/a" e "dito/dita" significam um ou mais dos elementos. Os termos "compreendendo", "incluindo", e "dotado" visam à inclusão e significam a possível existência de elementos adicionais em acréscimo aos elementos elencados. Quaisquer exemplos de parâmetros operacionais e/ou condições ambientais não são exclusivos de outros parâmetros/condições das realizações reveladas.

[0007] Como discutido adiante em detalhe, várias configurações de componentes do estágio da turbina podem ser empregadas para reduzir a perda de energia do fluxo de descarga restrito e aperfeiçoar o desempenho do turbocompressor. Em particular, um difusor de descarga com uma porção de boca de sino pode ser adicionado ao estágio da turbina juntamente com um reposicionamento de um rotor, evitando deste modo um aumento na contrapressão que pode ocorrer durante a modificação do difusor. Por exemplo, uma boca de sino pode ser adicionada invés de uma borda reta para ampliar um difusor, juntamente com o reposicionamento do disco do rotor mais próximo à entrada e seção de transição do turbocompressor, aperfeiçoando com isso a recuperação de pressão à medida que a descarga flui para fora do estágio da turbina. Além disso, o invólucro do turbo pode ser modificado para trabalhar junto com o difusor de descarga para aperfeiçoar a recuperação de pressão, aumentando assim a eficiência do turbocompressor. As realizações discutidas abaixo aperfeiçoam a eficiência e o desempenho do turbocompressor através da modificação e reposicionamento dos componentes no estágio da turbina e via de descarga. As realizações e aprimoramentos da recuperação de pressão podem ser aplicadas a turbocompressores, máquinas turbo, expansores turbo, turbinas, e outros maquinários de turbina.

[0008] A Figura 1 é um diagrama de bloco de um sistema 10 que tem um turbocompressor 12 acoplado a um motor 14, de acordo com certas realizações da presente técnica. O sistema 10 pode incluir um veículo, como uma locomotiva, um automóvel, um ônibus, ou uma embarcação. Como alternativa, o sistema 10 pode incluir um sistema estacionário, como um sistema de geração de energia dotado do motor 14 acoplado a um gerador. O motor 14 ilustrado é um motor de ignição por compressão, como um motor a diesel. No entanto, outras realizações do motor 14 incluem um motor de ignição por centelha, como um motor de combustão interna movido a gasolina.

[0009] Conforme ilustrado, o sistema 10 inclui um sistema de recirculação do gás de descarga (EGR) 16, um intercooler 18, um sistema de injeção de combustível 20, uma tubulação de admissão 22, e uma tubulação de descarga 24. O turbocompressor 12 ilustrado inclui um compressor 26 acoplado a uma turbina 28 por meio de uma haste de acionamento 30. O sistema EGR 16 pode incluir uma válvula EGR 32 disposta a jusante da tubulação de descarga 24 e a montante do compressor 26. Além disso, o sistema 10 inclui um controlador 34, por exemplo, uma unidade de controle eletrônico (ECU), acoplada a vários sensores e dispositivos em todo o sistema 10. Por exemplo, o controlador 34 ilustrado é acoplado à válvula EGR 32 e ao sistema de injeção de combustível 20. Entretanto, o controlador 34 pode ser acoplado a sensores e recursos de controle de cada componente do sistema 10 ilustrado, dentre muitos outros.

[0010] Conforme ilustrado na Figura 1, o sistema 10 admite ar no compressor 26 conforme ilustrado pela seta 36. Além disso, conforme discutido em mais detalhes adiante, o compressor 26 pode admitir uma porção de descarga proveniente da tubulação de descarga 24 por meio do controle da válvula EGR 32 como indica a seta 38. Por sua vez, o compressor 26 comprime o ar de admissão e uma porção de descarga do motor e emite o gás comprimido ao intercooler 18 através de um conduto 40. O intercooler 18 opera como um trocador de calor para remover o calor do gás comprimido como consequência do processo de compressão. Como apreciado, o processo de compressão tipicamente aquece o ar de admissão, e, portanto, é resfriado antes de ser admitido na tubulação de admissão 22. Como será ilustrado em mais detalhes, o ar comprimido e resfriado passa do intercooler 18 à tubulação de admissão 22 por meio do conduto 42.

[0011] A tubulação de admissão 22 então encaminha o gás comprimido no motor 14. O motor 14 então comprime esse gás no interior de diversas montagens de cilindro do pistão, por exemplo, 4, 6, 8, 10, 12, ou 16 montagens de cilindro do pistão. O combustível proveniente do sistema de injeção de combustível 20 é injetado diretamente nos cilindros do motor. O controlador 34 pode controlar a temporização da injeção de combustível do sistema de injeção de combustível 20, de modo que o combustível é injetado no momento apropriado no motor 14. O aquecimento do ar comprimido inflama o combustível à medida que o pistão comprime um volume de ar no interior de seu cilindro correspondente.

[0012] Por sua vez, o motor 14 expele os produtos da combustão provenientes de diversas montagens de cilindro do pistão através da tubulação de descarga 24. A descarga do motor 14 então passa através de um conduto 44 da tubulação de descarga 24 à turbina 28. Além disso, uma porção de descarga pode ser encaminhada do conduto 44 à válvula EGR 32 conforme ilustrado pela seta 46. Nesse ponto, uma porção de descarga passa à admissão de ar do compressor 26 conforme ilustrado pela seta 38, como mencionado acima. O controlador 34 controla a válvula EGR 32, de modo que uma porção adequada de descarga é passada ao compressor 26 dependendo de vários parâmetros operacionais e/ou condições ambientais do sistema 10. Como representado, o gás de descarga aciona a turbina 28, de modo que a turbina gira a haste 30 e aciona o compressor 26. O gás de descarga então sai do sistema 10 e particularmente da turbina 28, como indica a seta 48. À medida que o compressor 26 é acionado, ocorre uma admissão de ar suplementar, aumentando com isso o desempenho, densidade da potência, e eficiência do motor proporcionando uma quantidade adicional de ar para o processo de combustão.

[0013] Como será discutido em detalhes abaixo, a otimização e modificação de certos componentes na porção do estágio da turbina do turbocompressor podem reduzir a perda de energia e melhorar o desempenho do sistema de turbocompressor. Por exemplo, as realizações reveladas podem incluir uma configuração modificada do invólucro do turbo para reduzir a separação do fluxo de descarga melhorando assim o fluxo de descarga para um silencioso e aprimorando a eficiência do turbocompressor. Além disso, o arranjo e o desenho do difusor de descarga e a localização axial do estágio da turbina aprimoram a recuperação de pressão dentro do sistema, intensificando ainda mais o fluxo de descarga e a eficiência do sistema por meio de uma contrapressão reduzida no motor. As realizações reveladas também aprimoram o desempenho do turbocompressor sob várias condições, inclusive durante a operação em baixa e alta velocidade. Essas melhorias aperfeiçoam o desempenho e a eficiência do combustível do sistema de turbocompressor e motor.

[0014] A Figura 2 é uma vista lateral em corte de uma realização do turbocompressor aperfeiçoado 12. Na realização, a porção do estágio da turbina 50 inclui diversos componentes e modificações que aperfeiçoam a eficiência e desempenho do turbocompressor 12. Como representado, a extremidade do compressor 52 inclui o compressor 26 (por exemplo, hélices do compressor), que é fixada à haste 30 e turbina 28 (por exemplo, hélices da turbina). No arranjo, a rotação da turbina 28 faz com que o compressor 26 gire, comprimindo desta forma o ar dentro do turbocompressor 12 para aumentar a densidade do ar para a tubulação de admissão 22. Na realização, o invólucro do turbo 56 engloba uma cavidade que pode ser descrita como de forma toroidal, e permite o escoamento e a saída de descarga, como representado pela seta 48. A descarga do turbocompressor pode fluir dentro do invólucro do turbo 56 e ser direcionada da seção inferior 58 à porta de descarga na seção superior 60. A descarga pode ser encaminhada ao invólucro do turbo 56 pelo difusor de descarga 62, que exibe uma seção transversal em forma de boca de sino ou curva 64, intensificando com isso o fluxo de descarga e aperfeiçoando a recuperação de pressão no turbocompressor 12. Por exemplo, o fluxo de descarga do difusor 62 pode encontrar menos resistência à medida que flui para a saída de descarga e porção superior 60, melhorando desta forma o desempenho e a eficiência. As aletas da turbina 66 podem estar localizadas radialmente sobre a turbina 28, e assim girar a turbina 28 como fluxos de descarga através das aletas da turbina 66. A descarga pode fluir através do anel do bico 70 a caminho da aleta da turbina 66 e invólucro do turbo 56. A descarga pode penetrar em uma porção do turbocompressor 12 por meio da seção de transição 72, o que pode ser otimizado para intensificar o fluxo de descarga do desenho do turbocompressor aperfeiçoado 12. Por exemplo, a descarga do turbocompressor pode fluir através da seção de transição 72, anel do bico 70, aletas da turbina 66, difusor de descarga 62, e invólucro do turbo 56 otimizados, acionando desta forma a rotação do rotor da turbina 28 e promovendo o fluxo de descarga através do difusor de descarga 62 e do invólucro do turbo 56 otimizados. O diagrama também inclui linhas seccionais 4 que ilustram um plano seccional utilizado na Figura 4. Em uma realização exemplificativa, a seção de transição 72 pode exibir uma curvatura configurada para reduzir a separação de fluxo do fluxo que penetra no turbocompressor 12. Por exemplo, a seção de transição 72 pode ter duas entradas dotadas de paredes 71 que gradualmente curvam para dentro, invés de formarem ângulos abruptos, para reduzir a probabilidade de separação de fluxo.

[0015] A Figura 3 é uma vista lateral em corte detalhada de uma realização de turbocompressor 12, como mostrado na Figura 2. Como representado, a porção do estágio da turbina 50 possui aperfeiçoamentos que foram projetados para aprimorar o desempenho do turbocompressor e intensificar o fluxo de descarga através do difusor de descarga 62 e do invólucro do turbo 56. Na realização, a cavidade confinada pelo invólucro do turbo 56 pode incluir uma distância axial ou lateral 73 entre as paredes do invólucro 74 e 75, o que pode variar dependendo do local circunferencial dentro do invólucro do turbo 56 de forma toroidal. Especificamente, em função da geometria da seção transversal do invólucro do turbo 76, a distância 73 pode ser menor na porção inferior 58 que a distância 78 na porção superior 60. Conforme ilustrado, parede interna do invólucro 74 se expande em uma direção do fluxo de descarga desde a porção inferior do invólucro 58 até a porção superior do invólucro 60. Ademais, um ângulo de uma parede interna 74 da metade inferior do invólucro do turbo, incluindo a porção inferior 58, é de cerca de 75 a 80 graus em relação a um eixo geométrico através da haste 30. Além disso, a geometria da seção transversal do invólucro superior 80 ilustra uma modificação da geometria do invólucro quando comparada à geometria inferior do invólucro 76. Em uma realização, a margem da boca de sino 64 pode ser uma distância 81 desde a turbina 28. Por exemplo, a distância 81 pode ser de cerca de 3 a cerca de 7 polegadas (7,62 cm a 17,78 cm). A descarga do turbocompressor pode fluir através das aletas da turbina 66 e do difusor de descarga 62, como indica a seta 82, até o interior do invólucro do turbo 56. Na porção inferior 58, o fluxo de descarga pode ser encaminhado ascendentemente para uma porta de descarga 83, como indica a seta 84. A descarga pode fluir da direção 84 para a direção 86 até a porta de descarga 83, onde a distância 78 e outros componentes do invólucro do turbo permitem um melhor fluxo de descarga e uma reduzida retenção do fluxo, melhorando deste modo a eficiência do turbocompressor.

[0016] Em uma realização exemplificativa, a boca de sino 64 do difusor de descarga 62 pode ser conformada e posicionada para melhorar a recuperação de pressão no turbocompressor 12. Por exemplo, a boca de sino 64 pode ter uma distância axial 85 e uma distância radial 87 da parede do invólucro do turbo, e essas distâncias podem ser configuradas para aperfeiçoar a recuperação de pressão. Em uma realização, a boca de sino 64 se estende axialmente (na direção do eixo geométrico da haste 30) de cerca de 30 a 50% até o interior da cavidade do invólucro do turbo 56. Especificamente, a distância 78 menos a distância 85 pode ser de cerca de 30 a 50% da distância 78, portanto, a boca de sino 64 se estende por cerca de 30 a 50% no interior da cavidade. Ainda, em uma primeira porção de fundo 58 da boca de sino 64 se estende por cerca de 50% no interior da cavidade. Em uma segunda porção, próxima à saída de descarga 83 e oposta à porção 58, a boca de sino 64 se estende por cerca de 30% no interior da cavidade.

[0017] O diagrama também inclui linhas tracejadas que representam um perfil alternativo de difusor de descarga 88, o qual pode ser descrito como um perfil de difusor plano, em comparação à seção transversal curva 64 do difusor em forma de sino 62, aumentando a eficiência do turbocompressor. Os aperfeiçoamentos ilustrados na porção do estágio da turbina 50, inclusive uma área de seção transversal expandida do invólucro do turbo 56 para uma porta do fluxo de descarga bem como o difusor de descarga em forma de sino 62, podem resultar em um aumento da eficiência e desempenho do turbocompressor, reduzindo assim o consumo e as emissões de combustível. Além disso, o rotor da turbina 28 pode ser transferido axialmente para fora na direção 89, aumentando deste modo o comprimento da haste 30 em cerca de 15 a 20% para intensificar ainda mais os efeitos do difusor de descarga 62 e os aprimoramentos do invólucro do turbo 56. Além disso, uma razão da distância 81 em relação à altura da aleta da turbina ou distância 87 é de cerca de 1,4 a cerca de 3,4.

[0018] A Figura 4 é uma vista longitudinal em corte de uma realização de um turbocompressor aperfeiçoado 12, como mostrado na Figura 2. Na realização, o invólucro do turbo 56 é configurado para direcionar o fluxo de descarga a uma porta de descarga 83. Na realização, o invólucro do turbo 56 tem uma geometria interna que varia da seção inferior 58 à porção superior 60, por exemplo, o escalonamento da área da seção transversal da cavidade dentro do invólucro do turbo 56. A distância 90 é uma distância medida radialmente dentro do invólucro do turbo 56 próximo à seção inferior 58 do invólucro do turbo 56 em forma toroidal. A distância 90 é menor que uma distância 92, que é medida dentro da cavidade do invólucro do turbo em uma direção radial de aproximadamente 90 graus em relação à distância 90 dentro do invólucro do turbo de forma toroidal 56. Além disso, a área de seção transversal no local onde a distância 90 é medida pode ser pelo menos aproximadamente 30 a 50% menor que a área de seção transversal no local em que a distância 92 é medida. Consequentemente, o volume dentro da cavidade do invólucro do turbo se expande para uma porta de descarga 83 localizada próximo à porção superior 60, melhorando e aprimorando o desempenho e a eficiência do turbocompressor 12. Como representado, uma mudança na geometria da parede do invólucro do turbo 94 ilustra a mudança na área da seção transversal do invólucro do turbo 56. Além disso, a descarga pode fluir desde o difusor de descarga 62 em direção descendente até o interior do invólucro do turbo 56, como mostra a seta 96. O invólucro do turbo 56 pode então encaminhar o fluxo de descarga na direção circunferencial 98 até a porção superior 60, sendo que o volume dentro do invólucro do turbo 56 se expande na direção do fluxo de descarga. Finalmente, a descarga pode fluir através da porção superior 60, como indica a seta 100, sendo que o volume dentro do invólucro do turbo 56 é muito maior que o volume do invólucro do turbo 56 próximo à porção inferior 58. As linhas da seção transversal 5A-5A, 5B-5B, e 5C-5C ilustram os planos usados para criar as vistas em corte do invólucro do turbo 56 para representar vistas circunferenciais das geometrias dentro do turbocompressor 12. Especificamente, a linha 5A-5A pode ser descrita como em um ângulo de 180 graus à linha de referência 101, a linha 5B-5B pode ser descrita como em um ângulo de 135 graus, e a linha 5C-5C pode ser descrita como em um ângulo de 90 graus.

[0019] A Figura 5A é uma vista lateral detalhada em corte de uma realização de invólucro do turbo 56 de um turbocompressor aperfeiçoado 12, obtida ao longo da linha 5A-5A da Figura 4. Na realização, o invólucro do turbo 56 tem uma área de seção transversal menor na seção inferior 58, em comparação a uma seção superior 60 do turbocompressor 12. Consequentemente, a distância 73 entre paredes do invólucro pode ser menor que nas porções do invólucro do turbo 56 localizadas próximo à porta de descarga 83. Além disso, a geometria do invólucro do turbo 76 também é diferente das porções superiores do invólucro do turbo 56 visto que o invólucro do turbo muda em direção a uma saída de descarga. Ademais, como anteriormente descrito, a descarga pode fluir a partir de um difusor de descarga 62 em sentido externo e descendente dentro do invólucro do turbo 56 e pode ser redirecionada pela geometria 76 para a uma porta de descarga 83.

[0020] A Figura 5B é uma vista lateral detalhada em corte de uma realização do invólucro do turbo 56 de um turbocompressor aperfeiçoado 12, obtida ao longo da linha 5B-5B da Figura 4. Como representado, a vista seccional é obtida em um plano que é de cerca de 45 graus em relação à vista do plano em corte da Figura 5 A. Na realização, o invólucro do turbo 56 tem uma área de seção transversal maior que a seção transversal na seção inferior 58. A distância 102 entre paredes do invólucro pode ser maior que uma distância 73 similar na seção inferior 58. O escalonamento da área da cavidade no interior do invólucro do turbo 56 é obtido em parte pela geometria da parede 103, o que aperfeiçoa o fluxo de descarga.

[0021] A Figura 5C é a vista lateral detalhada em corte de uma realização de invólucro do turbo 56 de um turbocompressor aperfeiçoado 12, obtida ao longo da linha 5C-5C da Figura 4. Como representado, a vista seccional é obtida em um plano que está em uma orientação a cerca de 90 graus, ou perpendicular à vista do plano em corte da Figura 5 A. Na realização, a geometria do invólucro do turbo 104 pode ser configurada para intensificar um fluxo de descarga aprimorado através do invólucro do turbo 56 por meio da expansão da cavidade do invólucro do turbo dos fluxos de descargas para a porta de descarga 83. Desse modo, a distância 105, entre as paredes do turbo 74 e 75 pode ser uma distância maior que as distâncias 102 e 73 (das Figuras 5B e 5A). A realização do invólucro do turbo 56 e a porção do estágio da turbina aperfeiçoado 50 inclui uma geometria aprimorada e orientações do componente que permitem um melhor desempenho do turbocompressor 12, aumento da eficiência, aumento do fluxo de descarga, e redução da contrapressão no sistema de turbocompressor 12.

[0022] A Figura 6A é uma vista lateral em corte detalhada de uma realização de invólucro do turbo 56 de um turbocompressor aperfeiçoado 12. A Figura 6B é uma vista longitudinal em corte de uma realização de um turbocompressor aperfeiçoado 12. As áreas mostradas nas Figuras 6A e 6B ilustram áreas que estão incluídas em uma razão de uma área de invólucro da turbina ou tampa de exaustor em relação a uma área anular da entrada do difusor. Na realização mostrada na Figura 6A, a vista seccional é obtida a 180 graus da linha de referência 101. Nesse ponto, o invólucro do turbo 56 pode englobar uma área de cavidade em seção transversal 108 que pode ser denominada de área do invólucro do turbo. As linhas 109 e 110, ao longo do invólucro do turbo 56, engloba a área do invólucro do turbo 108. Na Figura 6B, uma área anular de entrada do difusor 112 é ilustrada, sendo que a área 112 é a área da metade do fundo da área de abertura da entrada das aletas 66 até o difusor 62. Como representado, a área 112 é a área anular de entrada abaixo de uma linha 113 que está ao centro do anel de entrada. As áreas 108 e 112 podem ser usadas para ilustrar o escalonamento da área para aperfeiçoar o fluxo de descarga dentro da porção do estágio da turbina 50. A geometria e a área de seção transversal (108) do invólucro do turbo 56 são modificadas através da circunferência da cavidade de forma toroidal. Ademais, em uma realização exemplificativa, a geometria e a área 112 do difusor 62 criadas pela vista seccional ilustrada são uniformes em toda a circunferência da cavidade de forma toroidal. Consequentemente, uma razão da área do invólucro do turbo 108 em relação à área anular de entrada do difusor 112, obtida em toda a circunferência do turbocompressor 12, pode ser útil na ilustração do aumento de eficiência e características de fluxo do desenho do invólucro do turbo 12. O aumento gradual da área do invólucro do turbo 108 na direção do fluxo de descarga, até a saída 83, pode ser descrito como uma geometria não simétrica do invólucro do turbo 56, resultando nos aprimoramentos discutidos abaixo. A razão das áreas em toda a circunferência do turbocompressor 12 está ilustrada em forma de gráfico na Figura 7.

[0023] Especificamente, a Figura 7 é um gráfico ilustrativo das razões de área descritas acima (por exemplo, da área 108 em relação à área 112) à medida que se referem a uma posição circunferencial quando o plano da seção está contido no turbocompressor aperfeiçoado 12. Como representado, o gráfico 114 representa uma posição circunferencial em que a área de seção transversal 108 do invólucro do turbo 56 é obtida em vários planos de seção através do turbocompressor 12 conforme ilustrado na Figura 4. Ademais, a razão da área do difusor de descarga em relação à área anular de entrada do difusor é ilustrada ao longo do eixo geométrico 118. A razão representada no gráfico 114 é a área do invólucro do turbo 108 em cada seção transversal ao longo da circunferência do turbocompressor 12 dividida pela área anular de entrada do difusor constante 112. A linha 120 é uma representação dos dados da razão da área de uma realização de uma porção do estágio do turbocompressor que não exibe o desenho aperfeiçoado do invólucro do turbo e, portanto, exibe uma mudança menos gradual na área de seção transversal (108 na Figura 6A), o que levar a perdas de fluxo significativas. A linha 122 ilustra a razão da área (por exemplo, 108 a 112) e sua mudança gradual da área de seção transversal para o invólucro da turbina de descarga como representado em oposição à posição dentro do turbocompressor 12 em relação à linha de referência 101. Além disso, área 112 é um valor constante para ambas as linhas 120 e 122.

[0024] Como representado, a posição circunferencial 116 (por exemplo, eixo geométrico horizontal) são pontos de dados obtidos entre o plano de 60 graus e o plano de 300 graus em relação a um plano através da linha de referência 101 (A Figura 4). No gráfico 114, os pontos de dados de 60 graus são uma razão das medições de área obtidas através de um plano de 60 graus em um sentido horário em relação a um plano através da linha 101. Os pontos de dados a 90 graus são uma razão das medições de área obtidas através de um plano de cerca de 90 graus em sentido horário ao plano através da linha 101. Além disso, os pontos de dados a 300 graus são medições de área obtidas a 300 graus em um sentido horário em relação ao plano através da linha 101. Como mostrado, a mudança gradual na razão da área (por exemplo, 108 a 112) no interior do invólucro do turbo 56, mostrada pela linha 122, permite uma expansão gradual do volume e desse modo um fluxo mais suave de descarga através do invólucro do turbo, aprimorando deste modo o fluxo e o desempenho do turbocompressor. Inversamente, a linha 120 mostra um desenho alternativo para o turbo com mudanças abruptas nas razões da área, como mostrado próximo aos pontos de dados a 90 e 270 graus, resultando em menor eficiência e em um fluxo de descarga menos suave. Para a mudança gradual ilustrada pela linha 122, a razão da área 118 pode ser caracterizada como uma mudança da razão da área de cerca de 8% a cerca de 30% por 30 graus, entre as posições circunferenciais de 180 a 300 graus em um sentido horário. Ademais, o traçado 122 das razões da área 118, obtido em locais circunferenciais 116 nos sentidos anti-horário entre 60 e 300 graus, em relação ao vertical plano através da linha 101 do invólucro do turbo 56 pode variar entre cerca de 0,42 e cerca de 1,15.

[0025] No arranjo representado, o invólucro do turbo 56 é disposto à jusante do difusor de descarga 62, sendo que o invólucro de turbo compreende uma câmara de forma toroidal que conduz a uma saída de descarga 83. Além disso, a câmara de forma toroidal possui uma área de seção transversal que aumenta progressivamente pelo menos cerca de 40 por cento a partir aproximadamente da posição de 180 graus até aproximadamente a posição de 270 graus em uma direção anular até a saída de descarga 53. Ademais, o aumento progressivo na área da seção transversal é representada pelo traçado da razão da área 122 da câmara de forma toroidal não simétrica entre cerca de 60 e cerca de 300 graus em relação a um plano vertical centralizado pela linha 101, em que o traçado da razão da área 122 varia entre cerca de 0,42 e cerca de 1,15.

[0026] A Figura 8 é um gráfico da eficiência da turbina normalizada representado contrariamente à razão de expansão para um sistema de turbocompressor. A razão de expansão pode ser descrita como uma pressão de entrada da turbina dividida por uma pressão de saída da turbina em termos absolutos. As medições da razão de expansão podem ser obtidas na seção de transição 72 (pressão de entrada da turbina) e saída de descarga 83 (pressão de saída da turbina). A razão de expansão é um dado de entrada na Figura 8 que pode ser utilizado para identificar a operação de uma turbina, o benefício é mostrado no eixo geométrico vertical usando a eficiência da turbina normalizada. No gráfico 124, a eficiência da turbina normalizada 128 é representada opostamente à razão de expansão 126, mostrando deste modo os aperfeiçoamentos do desempenho do turbocompressor 12 como discutido acima. A eficiência da turbina normalizada 128 é uma forma de comparar o nível de desempenho efetivo da turbina para o desempenho da turbina no pico em várias razões de expansão dividindo a eficiência efetiva da turbina do desenho do turbo pela eficiência da turbina no pico do turbo aperfeiçoado. Consequentemente, o traçado dos dados 130 ilustra um desenho de um turbocompressor 12 com um difusor de descarga e invólucro do turbo que não inclui os componentes aperfeiçoados que foram otimizados para o fluxo de descarga. Por outro lado, o traçado dos dados 132 ilustra a eficiência do turbocompressor aperfeiçoado alcançada pelo desenho de invólucro do turbo e difusor de descarga otimizados previamente ilustrados junto com outros componentes do estágio da turbina 50.

[0027] Como representado, a eficiência da turbina no pico do turbo aperfeiçoado 132 ocorre em uma razão de expansão de cerca de 2,7, que é a eficiência da turbina normalizada de 1. Uma comparação dos traçados de dados 130 e 132 ilustra que os componentes do turbocompressor aperfeiçoado 12, como discutido acima, podem resultar em uma eficiência ótima e aperfeiçoada do turbocompressor aperfeiçoado. Especificamente, as mudanças graduais da geometria no invólucro do turbo 56 e os aperfeiçoamentos no difusor de descarga 62 em forma de sino proporcionam um aumento do fluxo de descarga e da eficiência através do escalonamento da área no interior do turbocompressor 12. Como mostrado no gráfico 124, em baixas razões de expansão (1,5, por exemplo), a turbina 132 aperfeiçoada resultou em um aprimoramento de cerca de 3% e em razões de expansão mais altas (3, por exemplo), a turbina 132 aperfeiçoada resultou em um aprimoramento de cerca de 8%.

[0028] Apesar de terem sido descritos e ilustrados nesse documento apenas determinados recursos da descrição, muitas modificações e alterações ocorrerão aos técnicos no assunto. Portanto, é preciso compreender que as reivindicações em anexo, portanto, visam abranger todas as modificações e alterações dessa natureza que estiverem contidas na verdadeira essência da descrição.

Claims

TURBOCOMPRESSOR, que compreende:
um compressor (26) compreendendo hélices do compressor;
uma turbina (28) compreendendo hélices da turbina;
uma haste (30) acoplando o compressor (26) à turbina (28); e
um difusor de descarga (62) disposto a jusante das hélices da turbina, sendo que o difusor de descarga compreende uma boca de sino (64); e
um invólucro de turbo (56) disposto a jusante do difusor de descarga (62), e compreende uma câmara de forma toroidal que conduz a uma saída de descarga (83) disposta e centralizada sobre um segundo lado oposto a um primeiro lado, a câmara de forma toroidal possui uma área de seção transversal (108) que é definido como uma área delimitada por uma primeira linha (110) que se estende radialmente a partir de uma ponta da boca de sino (64) até um primeiro local ao longo de uma parede interior do invólucro (56) oposta à ponta, por uma porção de uma segunda linha (109) que se estende radialmente a partir da borda principal de uma base para uma segunda localização ao longo da parede interior do revestimento, por uma superfície da boca de sino (64) que se estende entre a segunda linha (109) e a ponta da boca de sino (64) e entre a segunda linha (109) e a ponta da boca de sino (64) e por uma porção da parede interior do revestimento estendendo-se entre a primeira linha (110) e a segunda linha (109)
o turbo compressor sendo caracterizado pela seção transversal (108) da câmara de forma toroidal aumentar progressivamente em pelo menos 40 por cento a partir da parte central do primeiro lado nos primeiros 90 graus em uma direção anular à saída de descarga (83) no segundo lado.
TURBOCOMPRESSOR, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por uma área anular de entrada do difusor (112) ser definida pela área da metade do fundo da área de abertura da entrada de aletas (66) até o difusor (62), em que o aumento progressivo na área da seção transversal é representado por uma razão de área da área da seção transversal da câmara de forma toroidal dividida por uma área do difusor da boca de sino (64), e a razão da área é obtida através dos planos em locais circunferenciais em uma direção anular anti-horária entre 60 e 300 graus em relação a um plano vertical centralizado através da saída de descarga (83) no segundo lado, sendo que a razão da área varia entre 0,42 e 1,15.
TURBOCOMPRESSOR, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo comprimento da boca de sino (64) ser definida por uma distância axial da boca de sino (64) a partir de uma extremidade da boca de sino (64) e uma segunda linha que se estende radialmente a partir de uma extremidade da base da aleta de turbina (66), e a altura da aleta de turbina (66) sendo definida pela distância radial entre uma extremidade da aleta (66) e uma extremidade distal da base da aleta (66), e uma razão de um comprimento da boca de sino (64) em uma direção axial a uma altura da aleta da turbina (66) em direção geralmente transversal ao comprimento da boca de sino (64) é de 1,4 a 3,4.
TURBOCOMPRESSOR, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo volume do invólucro do turbo (56) expande em uma direção circunferencial do fluxo através de uma câmara anular até uma saída de descarga (83).
TURBOCOMPRESSOR, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por um ângulo de uma parede interna do segundo lado do invólucro do turbo (56) é orientado de 75 a 80 graus em relação a um eixo geométrico através da haste (30).
TURBOCOMPRESSOR, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pela boca de sino (64) se estender de 30 a 50% da distância da largura do invólucro do turbo (56) em uma direção paralela a um eixo geométrico da haste (30).
TURBOCOMPRESSOR, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por compreende um motor (14) acoplado ao sistema de turbocompressor (10).
TURBOCOMPRESSOR, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pela turbina (28) ser configurada para criar uma cavidade dentro do invólucro do turbo (56) com uma geometria não simétrica.
TURBOCOMPRESSOR, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pela cavidade de forma toroidal compreender uma primeira distância da cavidade radial medida entre as superfícies opostas de uma parede de cavidade interior em uma primeira localização entre 180 graus a partir de um eixo vertical que se estende a partir do centro da haste (30), passando por dentro da saída de descarga (83), e uma segunda distância da cavidade radial medida entre as superfícies opostas das paredes da cavidade interior em uma segunda localização a 90 graus em relação ao eixo vertical, e uma primeira distância da cavidade radial é menor que a distância da segunda cavidade radial.