ES2229482T3 - Turbocompresor de tobera variable, de doble eje, equilibrado en presion. - Google Patents
Turbocompresor de tobera variable, de doble eje, equilibrado en presion.Info
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Abstract
Una turbina para un turbocompresor con una tobera variable, que comprende: un alojamiento (2) de turbina que tiene una voluta que recibe los gases de escape de un motor de combustión interna, y una admisión de tobera; una turbina (20) recibida en el alojamiento de turbina para que sobre ella incidan los gases de escape procedentes de una salida de la boquilla, con el fin de impulsar la turbina; una pluralidad de álabes (34) cada uno de los cuales tiene un primer eje (50) que se extiende desde un lado del álabe y un segundo eje (56) que se extiende desde un lado opuesto del álabe, coaxial con el primer eje; un anillo (36) de tobera que tiene una pluralidad de aberturas que reciben en estrecha relación los primeros ejes de la pluralidad de álabes; un anillo de inserción (58) que tiene una pluralidad de aberturas que reciben en estrecha relación los segundos ejes de la pluralidad de álabes; medios para asegurar el anillo de tobera y el anillo de inserción en relación de espaciados y sustancialmente rígida para posicionar los álabes entre la admisión de la tobera desde la voluta y la salida de la tobera junto a la turbina; medios para hacer girar los álabes.
Description
Turbocompresor de tobera variable, de doble eje,
equilibrado en presión.
Esta solicitud reivindica el beneficio de la
fecha de presentación de la solicitud provisional 60/041.256, que
tiene una fecha de presentación del 17 de Marzo de 1997, titulada
"Turbocompresor de tobera variable, de doble eje, equilibrado en
presión".
El presente invento se refiere, en general, a
turbocompresores de tobera variable. Más particularmente, el
invento proporciona un montaje de doble eje para los álabes
variables de un turbocompresor y, además, incluye el equilibrado en
presión de los ejes para reducir al mínimo las fuerzas axiales que
tienden a actuar sobre el conjunto de álabes.
En un turbocompresor es deseable, con frecuencia,
controlar el flujo de gases de escape a la turbina con el fin de
mejorar la eficacia o el margen operativo. Se han empleado diversas
configuraciones de toberas variables para controlar el flujo de
gases de escape. Un enfoque que se ha utilizado con éxito en los
turbocompresores de la técnica anterior ha consistido en disponer
múltiples álabes pivotantes posicionados anularmente en torno a la
admisión de la turbina y en alterar de forma comúnmente controlada
el área de estrangulación de los pasos entre los álabes. Diversas
aportaciones a este método para incorporar en la práctica una tobera
variable se describen en las patentes norteamericanas núms.
4.679.984, de Swihart y otros, titulada "Sistema de actuación
para turbina de tobera variable" y 4.804.316, de Fleury, titulada
"Suspensión para el mecanismo de actuación de álabes pivotantes
de un turbocompresor de tobera variable", que han sido cedidas
en común con la presente solicitud.
El uso de álabes montados en voladizo en un eje
tal y como se ha expuesto en la patente 4.804.316 se ha aplicado
con éxito en diversos turbocompresores para camiones y aplicaciones
en automoción. En determinadas condiciones de funcionamiento que
dan como resultado una combinación de área reducida de flujo de la
tobera y presión de admisión elevada en la turbina, la turbina del
turbocompresor funciona efectivamente como una turbina de impulsos,
en la que la mayor parte de la caída de presión de la etapa se
produce en la tobera, cuando el rotor de la turbina funciona a una
presión estática, sustancialmente igual a la atmosférica. La
elevada presión diferencial que actúa a través de los álabes de la
tobera, en el caso de los álabes de tobera en voladizo, pivotantes,
usuales, crea un par reactivo que, debido a la envergadura finita
del eje de los álabes, da como resultado rozamiento y fuerzas
reactivas elevadas dirigidas lateralmente. De manera simultánea, la
fuga de los gases de escape desde la entrada a la tobera a través
del varillaje de conexión funcional y del anillo de tobera que
soporta los álabes, origina una componente de fuerza axial sobre los
ejes de montaje de los álabes que obliga a los extremos de los
álabes de la tobera hacia la pared del escudo que aloja la turbina,
creando un rozamiento adicional. La longitud del álabe acentúa el
par de fricción creado por el largo brazo de momento con relación
al radio del eje. El movimiento y el control de la posición de los
álabes únicamente es posible merced a la aplicación de fuerzas de
actuación marcadamente no lineales, y la histéresis del control
debida a una combinación de fricción y fricción estática, es
excesiva.
La patente norteamericana núm. 5.564.895
identifica una solución alternativa para mantener el control de la
posición de los álabes para una turbina de tobera variable en un
turbocompresor. La separación de los anillos que soportan los
álabes es axialmente ajustable con el fin de regular la fuerzas de
sujeción contra los álabes de entrada. Esta solución permite evitar
un reciclado excesivo del aire comprimido, pero son necesarios una
complicada disposición de control para detectar el nacimiento de
una fuerza de sujeción excesiva y un sistema de control de la
presión para ajustar la fuerza de sujeción de los anillos.
Por tanto, ese deseable proporcionar un diseño de
turbocompresor de tobera variable que emplee múltiples álabes
pivotantes, que reduzca el par reactivo sobre el soporte de los
álabes y que, además, elimine la carga axial sobre los ejes de
soporte de los álabes, sin las complicaciones adicionales de un
sistema de control separado y de anillos de soporte móviles.
El presente invento proporciona las
características deseables con relación a la técnica anterior para
una tobera variable para la turbina de un turbocompresor. Un
alojamiento de turbina está provisto de una voluta que recibe los
gases de escape procedentes de un motor de combustión interna y una
admisión para la tobera. La turbina recibida en el alojamiento para
ella es accionada por los gases de escape procedentes de una salida
de la tobera. La tobera incluye una pluralidad de álabes, cada uno
de los cuales tiene un primer eje que se extiende desde un lado del
álabe y un segundo eje que se extiende desde un lado opuesto del
álabe, coaxial con el primer eje. Un anillo de tobera tiene una
pluralidad de aberturas que reciben estrechamente los primeros ejes
de la pluralidad de álabes, mientras que un anillo de inserción
tiene una pluralidad de aberturas que reciben estrechamente los
segundos ejes de la pluralidad de álabes, formando el anillo de
tobera y el anillo de inserción, el cubo y el escudo de la
tobera.
El anillo de tobera y el anillo de inserción
están asegurados en relación de espaciados y sustancialmente
rígidos mediante una serie de espaciadores huecos y tornillos, para
situar los álabes en posición entre la admisión de la tobera desde
la voluta y la salida de la misma, junto a la turbina. Una cámara
situada entre el alojamiento de la turbina y el alojamiento central
del turbocompresor acomoda el mecanismo de actuación para los
álabes de la tobera y, a través de una comunicación con la admisión
de la tobera desde la voluta, por las tolerancias existentes entre
el anillo de tobera y diversos elementos del varillaje de conexión
de accionamiento, transmite la presión de los gases de escape para
que incida sobre un extremo del primer eje, para cada álabe. La
presión equilibradora de los gases de escape es transmitida por
canales entre el alojamiento de la turbina y el anillo de
inserción, que se extienden desde la admisión de la tobera a las
aberturas que reciben los segundos ejes, para incidir sobre un
extremo del segundo eje para cada álabe. Para hacer girar los
álabes se emplea un anillo armonizador que recibe los brazos de los
álabes que se extienden perpendiculares desde los primeros
ejes.
Los detalles y las características del presente
invento se comprenderán más claramente con respecto a la
descripción detallada y a los dibujos, en los que:
la Fig. 1 es una vista lateral en sección de una
turbina de tobera variable de la técnica anterior, que emplea
múltiples álabes pivotantes;
la Fig. 2 es una vista lateral en sección parcial
de una realización del presente invento que representa la voluta
para los gases de escape, la tobera de la turbina con álabes
equilibrados en presión, de doble eje, y el mecanismo de actuación
asociado;
la Fig. 3 es una vista de extremo en sección del
alojamiento de la turbina, que muestra las mesetas del anillo de
tobera y los canales para transmisión de la presión de los gases,
para el equilibrado en presión del eje, en la realización ilustrada
del invento;
la Fig. 4 es una gráfica que representa la
histéresis de actuación para una tobera con álabes en voladizo y
una tobera con álabes de doble eje, como comparación;
la Fig. 5 es una gráfica que representa la
histéresis de actuación de comparación de la mejora adicional
ofrecida por el equilibrado en presión de la tobera con álabes de
doble eje.
Haciendo referencia a los dibujos, la Fig. 1
muestra un turbocompresor de tobera variable que emplea múltiples
álabes pivotantes en la tobera. El turbocompresor incorpora un
alojamiento 2 de turbina que está montado en una brida 4 de turbina
mediante el empleo de un acoplamiento 6 de banda en V. La brida de
turbina está montada en un alojamiento central 8 utilizando
tornillos 10. Una placa trasera 12 de compresor se monta en el
alojamiento central, en oposición a la brida de la turbina,
empleando tornillos 14, y un alojamiento 16 de compresor está
montado en la placa trasera mediante un acoplamiento de banda en
V.
El rodete 18 del compresor neumático de carga del
turbocompresor está montado en el árbol de un conjunto 20 de
rodetes de turbina. El árbol está soportado mediante un conjunto de
cojinetes en el alojamiento central que, en el caso de la
realización descrita en los dibujos, incluye un par de cojinetes
lisos 22 separados por un espaciador 24 y un collarín de empuje 26
que recibe un cojinete de empuje 28. Hay canales de lubricación
apropiados previstos en el alojamiento central para los cojinetes y
el árbol. Un aro 30 de pistón proporciona una obturación para el
árbol en el extremo de la turbina, mientras que una junta de
carbono o un obturador laberíntico 32 equivalente proporciona una
obturación para el extremo del árbol del lado del compresor. Una
junta 33 y arandelas de obturación 31 proporcionan una obturación
adicional entre el alojamiento central y la placa trasera del
compresor. Un escudo discoidal 21 se emplea como tabique
térmico.
Los álabes 34 de la tobera variable están
soportados por ejes (no mostrados) que se extienden penetrando en
el anillo 36 de tobera el cual, en la realización ilustrada, está
soportado en relación de separación en el alojamiento de la turbina
mediante una pluralidad de espigas espaciadoras 38 y fijado
mediante un resorte discoidal 40. Un anillo armonizador 42 montado a
rotación en rodillos 44 soportados mediante pasadores de guía 46,
proporciona el accionamiento para los múltiples álabes. Los
detalles de la estructura de actuación y de soporte para los álabes
es, sustancialmente, como se ha descrito en la patente
norteamericana 4.804.316, a la que se ha hecho referencia
previamente.
Los detalles de una realización del presente
invento se muestran en la Fig. 2, en la que componentes comunes con
el turbocompresor de la Fig. 1 reciben números de referencia
comunes. Cada uno de los álabes 34 está soportado parcialmente por
un primer eje 50 que penetra en estrecha relación en aberturas 35
del anillo 36 de tobera y que está soportado por ellas. El primer
eje se extiende a través del anillo de tobera y está unido a un
brazo 52 de álabe que está recibido en ranuras en el anillo
armonizador 42, para accionar los álabes. La rotación del anillo
armonizador se consigue mediante un varillaje de conexión actuador
54 y una manivela externa.
Un segundo eje 56 se extiende desde cada uno de
los álabes, en oposición con respecto al primer eje y coaxial con
él. El segundo eje penetra en estrecha relación en aberturas 57
coincidentes de un anillo de inserción 58 y está soportado a
rotación en ellas, estando rebajado el anillo de inserción 58 en el
alojamiento de la turbina y montado mediante un rebaje mecanizado
59. El anillo de tobera y el anillo de inserción forman el cubo de
unión y las superficies de protección de la tobera. Se utilizan
tres espaciadores de precisión 60 circulares, huecos, y tornillos
de retención 62 para posicionar y separar de forma precisa los dos
anillos y asegurar el conjunto de anillo de tobera al alojamiento
de turbina, entre la admisión de la tobera y su salida junto a la
turbina. Durante el montaje del turbocompresor, el anillo de
inserción es libre para girar ligeramente con el fin de impedir
cualquier falta de coincidencia rotacional de los dos diseños de
orificios de los anillos.
En el caso del soporte de álabes de doble eje del
presente invento, a medida que los álabes de tobera se aproximan al
cierre, la diferencia de presión a través de los álabres puede
resolverse en una fuerza que actúa en dirección sustancialmente
perpendicular al centro de presión, que está a la mitad de la
envergadura de los álabes. Dos fuerzas de reacción iguales,
proporcionadas por los dos ejes a lados opuestos del álabe
contrarrestan la carga aerodinámica. Estas fuerzas de reacción
están equilibradas y la fuerza de reacción máxima se reduce en un
66% con relación a las fuerzas presentes en una cascada idéntica de
álabes en voladizo. La carga sobre el eje y el desgaste son mucho
más uniformes que en el diseño en voladizo, permitiendo reducir el
diámetro del eje y, a la vez, se consigue una reducción adicional
del momento de fricción. Los ejes están situados a,
aproximadamente, el 25% de la longitud de la cuerda de los álabes,
para obtener un momento aerodinámico sustancialmente nulo de los
álabes con respecto a los ejes.
La eliminación de la carga axial de los álabes se
considera, también, en el presente invento equilibrando en presión
los dos ejes de soporte para cada uno de los álabes. El escape de
gases de la admisión a la tobera desde la voluta de la turbina a
través de los diversos elementos de conexión y de soporte asociados
con el anillo de tobera, dan como resultado finalmente una presión
en la cámara 64 que actúa sobre el extremo del primer eje. Para
equilibrar la fuerza generada por esta presión, se transmite la
presión de los gases de escape desde la admisión de la tobera a
través de canales radiales 66 mecanizados en el rebaje del anillo de
inserción del alojamiento de la turbina. Un canal anular 68 se
extiende en torno al rebaje, junto a las aberturas para los ejes del
anillo de inserción y junto a los canales radiales, para transmitir
la presión del gas hacia la cabeza del segundo eje. Hay prevista
una junta 69 entre la circunferencia interior del anillo de tobera
y una superficie coincidente del alojamiento central, para mejorar
el equilibrio de presión entre ambos ejes. Los canales anulares y
radiales se aprecian del mejor modo en la Fig. 3, que muestra,
también, las superficies 70 mecanizadas con precisión del rebaje del
alojamiento de la turbina que soporta el anillo de inserción.
Orificios roscados 72 reciben los tornillos 62 que aseguran el
conjunto de anillo de tobera al alojamiento de la turbina.
En realizaciones alternativas, los canales
radiales y/o anulares son mecanizados en el anillo de inserción, en
vez de en el alojamiento de la turbina. En realizaciones
adicionales, canales radiales separados correspondientes a cada
abertura del anillo de inserción y que la cortan, están mecanizados
en el anillo de inserción o en el alojamiento de la turbina.
La presión equilibrada sobre las cabezas de los
ejes primero y segundo que tienen la misma superficie, elimina
sustancialmente la carga axial de los álabes y cualesquiera fuerzas
de fricción asociadas que tengan impacto sobre la actuación de
control de la pluralidad de álabes de la tobera. Las Figs. 4 y 5
representan diagramas de fuerza que demuestran la histéresis en el
control de los álabes de la tobera. En la Fig. 4, la curva 74
muestra la histéresis en una disposición de tobera con álabes en
voladizo, usual. La curva 76 demuestra la mejora que se logra con
el soporte de doble eje para los álabes. La curva 78 de la Fig. 5
muestra la disposición de tobera con álabes en voladizo, usual,
mientras que la curva 80 demuestra la mejora global proporcionada
por el soporte de doble eje y el equilibrado de presión del
presente invento.
Habiéndose descrito ahora el invento con detalle
según lo requerido por los estatutos de patentes, los expertos en
la técnica reconocerán modificaciones y sustituciones a las
realizaciones específicas expuestas en esta memoria. Tales
modificaciones y sustituciones se encuentran dentro del alcance y de
la pretensión del presente invento, como se definen en las
siguientes reivindicaciones.
Claims (10)
1. Una turbina para un turbocompresor con una
tobera variable, que comprende:
un alojamiento (2) de turbina que tiene una
voluta que recibe los gases de escape de un motor de combustión
interna, y una admisión de tobera;
una turbina (20) recibida en el alojamiento de
turbina para que sobre ella incidan los gases de escape procedentes
de una salida de la boquilla, con el fin de impulsar la
turbina;
una pluralidad de álabes (34) cada uno de los
cuales tiene un primer eje (50) que se extiende desde un lado del
álabe y un segundo eje (56) que se extiende desde un lado opuesto
del álabe, coaxial con el primer eje;
un anillo (36) de tobera que tiene una pluralidad
de aberturas que reciben en estrecha relación los primeros ejes de
la pluralidad de álabes;
un anillo de inserción (58) que tiene una
pluralidad de aberturas que reciben en estrecha relación los
segundos ejes de la pluralidad de álabes;
medios para asegurar el anillo de tobera y el
anillo de inserción en relación de espaciados y sustancialmente
rígida para posicionar los álabes entre la admisión de la tobera
desde la voluta y la salida de la tobera junto a la turbina;
medios para hacer girar los álabes;
caracterizándose el invento
porque la primera pluralidad de aberturas del anillo de tobera se
extienden totalmente a través del anillo de tobera y la pluralidad
de aberturas del anillo de inserción se extienden totalmente a
través del anillo de inserción, y porque, además,
comprende:
primeros medios para transmitir la presión de los
gases de escape para que incida sobre un extremo del primer eje de
cada álabe distal respecto del álabe;
segundos medios para transmitir la presión de los
gases de escape con el fin de que incida sobre un extremo del
segundo eje de cada álabe distal respecto del álabe.
2. Una turbina como se ha definido en la
reivindicación 1, en la que los primeros medios para transmitir la
presión de los gases de escape comprenden una cámara (64) adyacente
al anillo de tobera distal respecto de los álabes, encontrándose
dicha cámara en comunicación de presión con la admisión de la
tobera.
3. Una turbina como se ha definido en la
reivindicación 1, en la que los segundos medios para transmitir la
presión de los gases de escape comprenden canales (66) que se
extienden desde la admisión de la tobera hasta las aberturas del
anillo de inserción, cortando los canales a las aberturas distales
respecto de los álabes en la proximidad del extremo del segundo
eje.
4. Una turbina como se ha definido en la
reivindicación 2, en la que la cámara acomoda los medios de
actuación para los álabes.
5. Una turbina como se ha definido en la
reivindicación 3, en la que los canales comprenden al menos un
canal radial (66) en el alojamiento de la turbina, que se extiende
entre la admisión de la tobera y un canal anular (68) en el
alojamiento de la turbina, junto al anillo de inserción y que cortan
a las aberturas del anillo de inserción.
6. Una turbina como se ha definido en la
reivindicación 4, en la que los primeros ejes se extienden a través
de las aberturas del anillo de tobera y los medios de accionamiento
comprenden:
brazos (52) de álabe unidos a los primeros ejes y
que se extienden perpendiculares a ellos, y recibidos en ranuras de
un anillo armonizador (42); y
una manivela y un varillaje de conexión (54) para
hacer girar el anillo armonizador.
7. Una turbina como se ha definido en la
reivindicación 4, en la que la cámara (64) está dispuesta entre el
alojamiento de la turbina y un alojamiento central (8) para el
turbocompresor, unido al alojamiento de la turbina.
8. Una turbina como se ha definido en la
reivindicación 7, que comprende, además, una junta (69) dispuesta
entre una circunferencia interior del anillo de tobera y una
superficie de acoplamiento del alojamiento central.
9. Una turbina como se ha definido en la
reivindicación 1, en la que los medios para asegurar el anillo de
tobera y el anillo de inserción comprenden:
una pluralidad de espaciadores (60) huecos,
rígidos, dispuestos entre el anillo de tobera y el anillo de
inserción; y
una pluralidad de tornillos (62) que se extienden
a través del anillo de tobera, los espaciadores y el anillo de
inserción, penetrando en orificios roscados coincidentes del
alojamiento de la turbina.
10. Una turbina como se ha definido en la
reivindicación 9, en la que el anillo de inserción está recibido en
un rebaje anular mecanizado del alojamiento de la turbina.
Applications Claiming Priority (4)
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|---|---|---|---|
| US4125697P | 1997-03-17 | 1997-03-17 | |
| US41256P | 1997-03-17 | ||
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| ES2229482T3 true ES2229482T3 (es) | 2005-04-16 |
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ID=26709493
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| ES98909190T Expired - Lifetime ES2229482T3 (es) | 1997-03-17 | 1998-03-16 | Turbocompresor de tobera variable, de doble eje, equilibrado en presion. |
Country Status (7)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5947681A (es) |
| EP (1) | EP1009918B1 (es) |
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