EP1303683B1 - Turbocompresseur a geometrie variable avec virole en tole - Google Patents

Turbocompresseur a geometrie variable avec virole en tole Download PDF

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EP1303683B1
EP1303683B1 EP00953257A EP00953257A EP1303683B1 EP 1303683 B1 EP1303683 B1 EP 1303683B1 EP 00953257 A EP00953257 A EP 00953257A EP 00953257 A EP00953257 A EP 00953257A EP 1303683 B1 EP1303683 B1 EP 1303683B1
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EP
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casing
nozzle
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variable
exhaust
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Giorgio Figura
Denis AlliedSignal Turbo SA JECKEL
Eric AlliedSignal Turbo SA DECHANET
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Honeywell International Inc
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    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B39/00—Component parts, details, or accessories relating to, driven charging or scavenging pumps, not provided for in groups F02B33/00 - F02B37/00
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D17/00—Regulating or controlling by varying flow
    • F01D17/10—Final actuators
    • F01D17/12—Final actuators arranged in stator parts
    • F01D17/14—Final actuators arranged in stator parts varying effective cross-sectional area of nozzles or guide conduits
    • F01D17/16—Final actuators arranged in stator parts varying effective cross-sectional area of nozzles or guide conduits by means of nozzle vanes
    • F01D17/165—Final actuators arranged in stator parts varying effective cross-sectional area of nozzles or guide conduits by means of nozzle vanes for radial flow, i.e. the vanes turning around axes which are essentially parallel to the rotor centre line
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D9/00—Stators
    • F01D9/02—Nozzles; Nozzle boxes; Stator blades; Guide conduits, e.g. individual nozzles
    • F01D9/026—Scrolls for radial machines or engines
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D25/00—Pumping installations or systems
    • F04D25/02—Units comprising pumps and their driving means
    • F04D25/04—Units comprising pumps and their driving means the pump being fluid-driven
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2220/00—Application
    • F05D2220/40—Application in turbochargers

Definitions

  • turbochargers have significantly increased the overall efficiency and capabilities of turbochargers
  • complexity of support and actuation structures for the blades has increased manufacturing costs and occasionally created maintenance issues.
  • connection of The blade support structure at the turbine housing limits the design and structure flexibility of the turbine housing.
  • Turbine casings are a sensitive thermal load that can affect the performance of emission systems in automotive applications.
  • integration of turbine casings in the exhaust manifold can produce a reduction in the number of parts and the complexity for an automotive turbocharger installation. It is therefore desirable to provide variable nozzle structural support arrangements independent of the turbine housing to improve actuation systems to increase reliability and lower manufacturing costs for the turbochargers that use them.
  • FIG. figure 1 the embodiment of the invention shown in FIG. figure 1 comprises a compressor housing 10 which is connected to a rear plate 12 using two clamps 14 or more fastened by bolts 16.
  • the back plate is fixed to a central casing 18 with several bolts 20 and an annular seal 22.
  • the sheet metal exhaust casing 24 is connected to the central casing using strips 26 fixed by bolts 28.
  • the exhaust gas or other high-energy gas supplying the turbocharger enter the exhaust casing through the entrance 32.
  • An insertion piece 64 is fixed to the central casing by bolts 66 received in holes 68.
  • Support posts 70 hold the base, pressing the base against spacing pins 39 (best seen on the figure 1 ) received in the central housing.
  • An edge 71 which extends around the circumference of the insertion piece is also engaged by the V-band clamp.
  • the insertion piece has the outer wall of the nozzle 72 in the immediate vicinity of the blades.
  • the insertion piece constitutes the exhaust gas outlet of the turbine 73 with an aerodynamic contour fixing the blades on the wheel of the turbine.

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  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Supercharger (AREA)
  • Control Of Turbines (AREA)
  • Non-Positive Displacement Air Blowers (AREA)
  • Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)

Description

  • La présente invention concerne de façon générale le domaine des turbocompresseurs ayant des géométries d'entrée de turbines variables selon la revendication 1. La présente invention fournit plus particulièrement un agencement structurel pour un support d'aubes d'entrée variable indépendant du carter de turbine.
  • Dans un turbocompresseur, il est souvent souhaitable de contrôler l'écoulement des gaz d'échappement dans la turbine pour améliorer le rendement ou la plage fonctionnelle. Diverses configurations de gicleurs variables ont été utilisées pour commander l'écoulement des gaz d'échappement. Des aubes pivotantes multiples positionnées de façon annulaire autour de l'entrée de turbine et habituellement commandées de manière à modifier l'aire d'étranglement des passages entre les aubes constituent une approche qui a été utilisée avec succès dans les turbocompresseurs antérieurs. Diverses approches de ce procédé pour mettre en oeuvre un gicleur variable sont décrites dans les brevets U.S. numéros 4 679 984 de Swihart et al., intitulé "Actuation System for Variable Nozzle Turbine" et 4 804 316 de Fleury, intitulé "Suspension of the Pivoting Vane Actuation Mechanism of a Variable Nozzle Turbocharger", ayant le même cessionnaire que la présente demande.
  • Bien que les turbocompresseurs à gicleurs variables à aubes multiples aient sensiblement augmenté le rendement global et les possibilités des turbocompresseurs, la complexité des structures de support et d'actionnement pour les aubes ont augmenté les coûts de fabrication et occasionnellement créé des problèmes d'entretien. De plus, le raccordement de la structure support des aubes au carter de turbine limite la souplesse de conception et de structure du carter de turbine. Les carters de turbine constituent une charge thermique sensible pouvant agir sur les performances des systèmes d'émission dans les applications automobiles. En outre, l'intégration de carters de turbine dans la tubulure d'échappement peut produire une réduction du nombre de pièces et de la complexité pour une installation de turbocompresseur pour automobile. Il est en conséquence souhaitable de fournir des agencements de supports structurels de gicleurs variables indépendants du carter de turbine pour améliorer les systèmes d'actionnement pour accroître la fiabilité et diminuer les coûts de fabrication pour les turbocompresseurs qui les utilisent.
  • Un autre turbocompresseur selon l'état de la technique est divulgué dans la demande EP 0 270 384 A2 .
  • Le but de la présente invention est la fourniture d'un turbocompresseur comprenant un système d'actionnement de fiabilité améliorée. Ce but est atteint par un turbocompresseur ayant une combinaison des caractéristiques de la revendication 1. D'autres développements avantageux de la présente invention sont définis dans les revendications dépendantes.
  • Un turbocompresseur à géométrie variable utilisant la présente invention comporte un carter central ayant un alésage central destiné à porter un montage de roulement supportant un arbre avec une roue de turbine montée à une première extrémité et une turbine de compresseur montée à une deuxième extrémité. Un carter de compresseur incorporant la turbine est fixé au carter central et comporte une entrée d'air et une sortie d'air comprimé.
  • Une cartouche comportant une embase et une pièce d'insertion est fixée au carter central à l'opposé du carter du compresseur. La cartouche comporte une embase et une pièce d'insertion. L'embase et la pièce d'insertion forment mutuellement un gicleur d'entrée d'échappement et le gicleur comporte une sortie d'échappement avec un contour aérodynamique correspondant à la roue de turbine.
  • Une pluralité d'aubes comportant des poteaux de rotation s'étendant depuis une première surface sensiblement parallèle à la paroi interne du gicleur constituent le gicleur variable. Les poteaux sont reçus dans des ouvertures circonférentiellement espacées dans l'embase de la paroi interne du gicleur. Les poteaux comportent des bras d'actionnement s'étendant pour venir s'engager dans des encoches dans une bague à l'unisson engagée entre le carter central et l'embase.
  • L'actionnement de la bague à l'unisson est effèctué par une manivelle comportant un bras d'actionnement s'engageant dans une fente dans la bague à l'unisson. La manivelle est mobile en continu depuis une première position jusqu'à une deuxième position, provoquant le déplacement du bras d'actionnement dans la fente radiale et communiquant une force perpendiculaire à la fente radiale pour entraîner le mouvement de rotation de la bague à l'unisson. Le mouvement de rotation de la bague à l'unisson provoque la rotation des aubes par les bras des aubes.
  • Un carter d'échappement en tôle est monté sur la cartouche sur le carter central, fournissant une entrée pour le gaz d'échappement dans le gicleur.
  • Les détails et caractéristiques de la présente invention seront plus facilement compris par rapport à la description détaillée et aux dessins sur lesquels :
    • la figure 1 est une vue en élévation d'un mode de réalisation d'un turbocompresseur utilisant la présente invention ;
    • la figure 2a est une demi-élévation en section de côté autour de la ligne centrale montrant les détails d'un carter d'échappement, d'un carter central et d'un montage de cartouche avec le montage de roue d'arbre de turbine, tel que supporté par le système de roulement ;
    • la figure 2b est une demi-élévation en section de côté selon un plan pivoté par rapport à la figure 2a pour montrer d'autres détails de la cartouche ;
    • la figure 3 est une vue représentative du carter central et du montage de cartouche, montrant un mode de réalisation selon l'invention, avec le carter d'échappement partiellement enlevé ;
    • la figure 4 est une deuxième vue du carter central et du montage de cartouche avec la pièce d'insertion sectionnée pour faire apparaître les aubes du gicleur à géométrie variable ;
    • la figure 5 est une vue représentative de dessous des bras des aubes à géométrie variable, de la bague à l'unisson partielle et du montage de manivelle d'aubes représenté.
  • En se référant au dessin, le mode de réalisation de l'invention représenté sur la figure 1 comporte un carter de compresseur 10 qui est raccordé à une plaque arrière 12 en utilisant deux pinces 14 ou davantage fixées par des boulons 16. La plaque arrière est fixée à un carter central 18 avec plusieurs boulons 20 et un joint annulaire 22. Pour le mode de réalisation représenté, le carter d'échappement en tôle 24 est raccordé au carter central en utilisant des bandes 26 fixées par des boulons 28. Les gaz d'échappement ou autres gaz à haute énergie alimentant le turbocompresseur entrent dans le carter d'échappement par l'entrée 32.
  • Comme on le voit mieux sur les figures 2a, 2b, 3 et 4, une cartouche, désignée de façon générale par 34, est montée sur le carter central. Un montage de roue de turbine et d'arbre 30 est porté par le roulement, la roue de turbine étant suspendue à l'intérieur de la cartouche. Des aubes multiples 36 sont montées sur une embase de cartouche 38. Les aubes pivotent sur des poteaux 40 s'étendant depuis les aubes dans des trous 42 dans une surface 43 de l'embase qui constitue la paroi interne du gicleur d'entrée. Des bras d'actionnement 44 s'étendent depuis les poteaux des aubes pour s'engager dans des encoches 46 dans la bague à l'unisson 48. Une manivelle d'actionnement 50 se termine à une première extrémité par un bras de levier 52 portant une broche 54 pour s'engager avec la fente 56 dans la bague à l'unisson pour la rotation de la bague. La manivelle s'étend depuis un bossage 58 dans le carter central traversant un manchon 60 se terminant sur un bras externe 62 pour engagement par un dispositif d'actionnement.
  • Une pièce d'insertion 64, mieux représentée sur les figures 2a, 2b et 3, est fixée au carter central par des boulons 66 reçus dans des trous 68. Des poteaux supports 70 tiennent la base, pressant la base contre des broches d'espacement 39 (mieux vues sur la figure 1) reçues dans le carter central. Un bord 71 qui s'étend autour de la circonférence de la pièce d'insertion est aussi engagé par la pince à bande en V. La pièce d'insertion comporte la paroi externe du gicleur 72 à proximité immédiate des aubes. De plus, la pièce d'insertion constitue la sortie de gaz d'échappement de la turbine 73 avec un contour aérodynamique fixant les lames sur la roue de la turbine. La pièce d'insertion et l'embase avec les aubes fixées et les éléments d'actionnement constituent la cartouche, qui est séparée à la fois du carter central et du carter d'échappement et fixée entre ces deux composants. L'utilisation de la cartouche de la présente invention permet de simplifier le carter d'échappement par rapport aux conceptions de l'art antérieur, facilitant des améliorations telles qu'un carter d'échappement en tôle, comme représenté sur les modes de réalisation des dessins.
  • En revenant à la figure 1, un système de roulement comportant deux roulements 74 et une pièce d'écartement de roulement 76 ou, dans d'autres modes de réalisation, un roulement unitaire, supporte le montage de roue d'arbre dans l'alésage central du carter central 78. L'arbre s'étend en outre à travers une bague d'appui 80 qui s'engage avec un roulement d'appui 82 porté entre le carter central et la plaque arrière du compresseur. Une bague de piston 84 obture la bague d'appui avec l'alésage d'arbre dans la plaque arrière. La turbine du compresseur 86 est fixée au montage de roue d'arbre.
  • Ayant maintenant entièrement décrit l'invention comme requis par les statuts des brevets, l'homme du métier sera en mesure de constater des modifications et variantes au mode de réalisation spécifique décrit dans la présente. Ces modifications et variantes appartiennent à la portée de l'invention telle que définie dans les revendications suivantes.

Claims (3)

  1. Turbocompresseur à géométrie variable comprenant un carter de turbocompresseur (18, 24) et un support d'aube à entrée variable (34) séparé dudit carter de turbocompresseur, dans lequel
    - le support d'aube à entrée variable comprend une paroi interne de buse et une paroi de buse externe de gicleur (72) en relation espacée par rapport à la paroi de buse interne pour former une buse et dotée d'une pluralité d'aubes (36) supportées entre les parois interne et externe de gicleur,
    - le support d'aube à entrée variable comprend en outre un mécanisme (40, 48, 50) destiné à amener en rotation lesdites aubes (36) et représente une cartouche (34) comprenant une embase (38) définissant ladite paroi interne de gicleur et une pièce d'insertion (64) définissant ladite paroi externe de gicleur (72),
    - le carter de turbocompresseur comprend un carter d'échappement (24) présentant une entrée pour les gaz d'échappement à l'intérieur du gicleur, ledit carter d'échappement étant fixé à l'extérieur de la cartouche (34), et un carter central (18) portant un arbre avec une roue de turbine fixée à l'arbre, dans lequel
    - la cartouche (34) est couplée au dit carter central (18) en montant ledit insert (64) sur le carter central (18).
  2. Turbocompresseur à géométrie variable selon la revendication 1, dans lequel ledit carter d'échappement (24) est formé en tôle.
  3. Turbocompresseur à géométrie variable selon la revendication 1 ou 2, dans lequel ladite pièce d'insertion (64) est fixée au carter central (18) par des moyens (66, 68) différents des moyens (26) destinés à fixer ledit carter d'échappement (24) à ladite cartouche (34).
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