ES2266347T3 - Turbina con tobera de entrada de geometria variable. - Google Patents
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Abstract
Una turbina de geometría variable que comprende un cárter (3), un rotor (4) soportado de manera giratoria en este cárter (3), definiendo el cárter un canal de entrada (6) para un fluido de arrastre en forma de una espiral que rodea el rotor (4), y una tobera (10) anular de aletas geometría variable interpuesta radialmente entre el canal (6) y el rotor (4) para de este modo controlar el flujo del fluido de arrastre desde el canal (6) hasta el rotor (4), comprendiendo la tobera anular (10) de aletas de geometría variable un primer anillo (12) de aletas y un segundo anillo (13) de aletas enfrentados el uno al otro, comprendiendo cada uno de los anillos (12, 13) de aletas un miembro anular (15, 16) y una pluralidad de aletas (17, 18) rígidamente conectadas al miembro anular (16, 15) y que se extienden hacia el miembro anular (16, 15) del otro anillo (13, 12) de aletas, siendo al menos uno de los anillos (12, 13) de aletas axialmente móvil respeto del otro anillo de aletas (13, 12) para de estemodo definir una sección (11) de estrangulamiento variable entre estos anillos de aletas (12, 13), siendo las dos pluralidades de aletas capaces de penetrar la una en la otra, caracterizada porque las aletas (17, 18) que pertenecen a cada canillo están sustancialmente como cuñas, decreciendo su sección transversal en la dirección axial hacia el anillo opuesto.
Description
Turbina con tobera de entrada de geometría
variable.
La presente invención se refiere a una turbina
de geometría variable. El campo de aplicación preferido pero no
exclusivo de la invención está en los sobrealimentadores de motores
de combustión interna, a los cuales se hará referencia en la
siguiente descripción de una manera no limitativa.
Se sabe que las turbinas comprenden un canal de
entrada espiral que rodea el rotor de la turbina y una tobera anular
con aletas interpuesta radialmente entre el canal de entrada y el
rotor. Se conocen también turbinas de geometría variable (VGT) en
las cuales la tobera anular con aletas tiene una configuración
variable de manera que los parámetros de flujo del fluido de
arrastre a partir del canal de entrada al rotor pueden ser variados.
Según una realización conocida, la tobera de geometría variable
comprende un miembro de control anular que se mueve axialmente para
variar la sección de estrangulamiento, es decir, la sección de flujo
de trabajo, de esta tobera. Este miembro de control anular puede
estar formado, por ejemplo por un anillo de soporte de aletas a
partir del cual las aletas se extienden axialmente y las cuales se
pueden mover axialmente entre una posición abierta en la cual las
aletas están sumergidas en el flujo y la sección de estrangulamiento
de la tobera es máxima, y una posición cerrada en la cual el anillo
cierra parcial o totalmente la sección de estrangulamiento de la
tobera. Durante el movimiento hacia delante del anillo, las aletas
de la tobera penetran a través de ranuras apropiadas en un cárter
dispuesto en un cárter de turbina en una posición enfrentada a
este
anillo.
anillo.
Las toberas de geometría variable del tipo
descrito brevemente anteriormente tienen una serie de
inconvenientes.
En primer lugar, las aletas tienen
necesariamente un perfil "recto", es decir, constante en la
dirección axial, sin ninguna torsión o variación del ángulo de
cabeceo. Si esto no ocurre, el movimiento axial de las aletas en las
ranuras respectivas sería únicamente posible proporcionando un
juego sustancial entre las aletas y las ranuras, lo que sería
perjudicial para la eficacia de la tobera.
Además de los límites de diseño mencionados
anteriormente, las toberas con aletas rectas que se deslizan en
ranuras respectivas son objeto de problemas de agarrotamiento; en la
práctica incluso pequeños errores geométricos debidos a tolerancias
de fabricación o distorsiones térmicas durante su funcionamiento
pueden hacer que la tobera se agarrote.
El documento EP 0 34 915 presenta una turbina
con una disposición de tobera que tiene dos anillos axialmente
móviles en vaivén enfrentados el uno al otro, con aletas de
extensión axial. Las aletas tienen una sección transversal constante
en la dirección axial.
El objeto de la presente invención es
proporcionar una turbina con una tobera con aletas provista con un
miembro de control axialmente móvil sin los inconvenientes asociados
a las turbinas conocidas y descritos anteriormente.
Este objeto es conseguido por la presente
invención que se refiere a una turbina de geometría variable que
comprende un cárter, definiendo el cárter un canal de entrada para
un fluido de arrastre en forma de una espiral que rodea el rotor, y
una tobera anular con aletas de geometría variable interpuesta
radialmente entre el canal y el rotor para de este modo controlar el
flujo del fluido de arrastre desde el canal hasta el rotor,
caracterizado porque la tobera anular con aletas de geometría
variable comprende un primer anillo de aleta y un segundo anillo de
aletas enfrentados el uno al otro, comprendiendo cada uno de los
anillos de aletas un miembro anular y extendiéndose hacia el miembro
anular del otro anillo de aletas, estando las aletas ahusadas
sustancialmente como cuñas para que de este modo las dos
pluralidades de aletas puedan penetrar la una en la otra, siendo al
menos uno de los anillos de aletas axialmente móvil respecto del
otro anillo de aletas para definir una sección de estrangulamiento
variable entre los anillos de aletas.
La invención se describe a continuación con
referencia a un número de realizaciones preferidas, dadas a título
de ejemplo no limitativo, e ilustradas en los dibujos anexos, en los
cuales:
La figura 1 es una sección axial a través de una
turbina de geometría variable de la presente invención;
La figura 2 es una vista en perspectiva de una
tobera de la turbina de la figura 1;
La figura 3 es una vista en lazado lateral de la
tobera de la figura 2;
La figura 4 es una sección a través de la tobera
a lo largo de la línea IV-IV de la figura 3;
La figura 5 es una sección a través de la tobera
a lo largo de la línea VI-VI de la figura 5;
La figura 7, 8 y 9 son secciones que
corresponden a la de la figura 6 y muestran realizaciones en las
cuales la geometría de la tobera varía.
En la figura 1, una turbina de geometría
variable globalmente es mostrada globalmente mediante 1; la turbina
se usa ventajosamente en un turbocompresor (2) (mostrado aparte)
para sobrealimentar un motor de combustión interna.
La turbina 1 comprende esencialmente un cárter 3
y un rotor 4 de eje A soportado de manera giratoria alrededor del
eje A y conectado rígidamente a un eje de mando 5 de un compresor
(no mostrado). El cárter 3 define de manera conocida, un canal de
entrada espiral 6 que rodea el rotor 4 y provisto con una abertura
de entrada 7 adaptada para conectarse a un colector de escape (no
mostrado) del motor. El cárter 3 define, además, un conducto de
salida axial 8 para los gases de escape en la salida del rotor
4.
La turbina 1 comprende finalmente una tobera
anular 10 con aletas de geometría variable que está interpuesta
radialmente entre el canal 6 de entrada y el rotor 4 y define una
sección 11 de estrangulamiento, es decir, una sección de trabajo de
flujo mínimo de la tobera 10, que se puede variar para controlar el
flujo de los gases de escape del canal de entrada 6 al rotor 4.
Según la presente invención (figuras 2 y 3), la
tobera 10 está formada por un par de anillos 12 y 13 anulares de
aletas que se enfrentan el uno al otro axialmente y unida axialmente
a la sección de estrangulamiento 11 de la tobera 10. Más
particularmente, los dos anillos 12, 13 de aletas comprenden
miembros anulares 15, 16 respectivos y pluralidades respectivas de
aletas 17, 18 conectadas rígidamente a los miembros anulares
respectivos 15, 16. Las aletas 17, 18 de cada anillo 12, 13 de
aletas se extienden axialmente desde el miembro anular respectivo
15, 16 hacia el miembro anular 16, 15 del otro anillo 12, 13 de
aletas y están sustancialmente ahusadas como cuñas de manera que las
dos pluralidades de aletas 17, 18 puedan penetrar la una en la
otra.
El anillo 12 de aletas está fijado al cárter 3
de la turbina 1; el anillo 13 de aletas se puede mover axialmente
respecto del anillo 12 para variar la sección de estrangulamiento 11
de la tobera 10.
Preferiblemente, el miembro anular 16 del anillo
13 de aletas está dispuesto para deslizarse de una manera estanca en
una cámara anular 20 dispuesta en el cárter 3 (figura 1) y forma un
pistón anular de un accionador neumático 21 para el control de la
sección de estrangulamiento 11 de la tobera 10. La posición axial
del anillo 13 de aletas se puede por lo tanto controlar directamente
variando la presión en la cámara 20.
Con referencia a las figuras 5 y 6, las aletas
17, 18 están conformadas para engranarse con otra en una
configuración completamente cerrada de la tobera 10, en la cual el
anillo 13 de aletas está en posición de avance máximo axial y está
dispuesto en contacto con el anillo 12 de aletas. Las aletas 17, 18
están dispuestas en una dirección sustancialmente tangencial sobre
los miembros 15, 16 anulares respectivos y tienen, en una sección
obtenida usando un cilindro de eje A, un perfil triangular y
preferiblemente en dientes de sierra.
La figura 6 es una vista radial de las aletas
del interior de la tobera, es decir, una sección de salida de la
tobera 10 obtenida usando un cilindro de eje A y un diámetro igual
al diámetro interno de los miembros anulares 15, 16 (línea
VI-VI de la figura 4).
En la realización mostrada (figura 5), las
aletas 17, 18 están delimitada en esta sección de salida por
superficies de cabeza 22, 33 que forman, en la configuración máxima
de cierre de la tobera 10, una pared 24 interna cilíndrica continua
de la tobera 10 (figura 5), alineada con la superficie interior de
los miembros anulares 15 y 16. Se apreciará a partir de las figuras
5 y 6 que las aletas 17, 18 se engranan perfectamente con otra para
definir una sección de estrangulamiento cero.
Las aletas 17, 18 (figuras 4 a 6), comprenden
también respectivos flancos 25, 26 sustancialmente planos
paralelos al eje A, y que descansan en planos inclinados
respectivamente opuestos 27, 28. Como consecuencia de la acción
dinámica ejercida por los gases de escape sobre las aletas 18, el
anillo de aletas móvil 13 está sometido a un par para de este modo
mantener los flancos 26 de las aletas 18 en contacto con los flancos
25 de las aletas 17 del anillo fijo de aletas, en cualquier posición
axial del anillo 13 de aletas. Este último, puede por lo tanto,
alojarse de una manera angularmente libre en el cárter 3, al estar
mantenida su posición angular correcta por el contacto mutuo entre
los flancos 25, 25 de las aletas 17, 18. Esta solución es por lo
tanto particularmente simple y
económica.
económica.
No es necesario que los flancos 25, 26 sean
planos o axiales, ya que basta con que tengan una forma
complementaria y que se engranen con otro en cualquier configuración
de la tobera 10 para de este modo prevenir la formación de fugas que
pudiesen ser perjudiciales para la eficacia de la turbina 1.
En alternativa, se podrían proporcionar medios
de guiados con el fin de bloquear angularmente el anillo de aletas
13 para que de este modo solo se
pueda mover axialmente; estos medios se pueden formar por cualquier tipo de acoplamiento prismático, por ejemplo una barra/casquillo o cable/llave.
pueda mover axialmente; estos medios se pueden formar por cualquier tipo de acoplamiento prismático, por ejemplo una barra/casquillo o cable/llave.
Cuando hay medios de guiado angulares, no es
necesario que haya contacto entre los flancos 25, 26 de las aletas
17, 18 en cualquier configuración de la tobera 10. Según la variante
mostrada en la figura 7, las aletas 17, 18 tienen un perfil
triangular simétrico tanto con los flancos 25, 27 como 26, 27
inclinados.
Los perfiles de las aletas 17 y 18 ilustrados en
las figuras 6 y 7 son totalmente complementarios, haciendo posible
la obtención de una configuración de cierre estanca de la tobera
10.
Las figuras 8 y 9 muestran, además, variantes
del perfil de las aletas 17, 18 en los cuales estas aletas no se
engranan completamente en la configuración cerrada de la tobera 10
para de este modo dejar libre una mínima sección de estrangulamiento
11 predeterminada incluso en la configuración máxima de cierre de la
tobera 10, que puede ser preferible en algunas
aplicaciones.
aplicaciones.
En la solución de la figura 8, el perfil es un
perfil en dientes de cierra con el fin de guiar angularmente el
anillo 13 de aletas exclusivamente mediante contacto ente los
flancos 25, 26 de las aletas 17, 18, como en la solución de la
figura 6. Los flancos 27, 28 no están, sin embargo, en contacto en
la posición de cierre máximo.
En la solución de la figura 9, el perfil de las
aletas 17, 18 es triangular y asimétrico, de manera similar a la
figura 7 y hay aberturas tanto entre los flancos 25, 26 y entre los
flancos 27, 28 en la posición de cierre máximo de la tobera 10.
En funcionamiento, el fluido de arrastre entra
en la tobera 10 en una dirección sustancialmente radial desde la
salida, es decir, desde el canal de entrada 6, y es desviado por las
aletas 15, 16 según su ángulo de cabeceo al rotor 4. Mediante el
desplazamiento axial del anillo 13 de aletas el área de
estrangulamiento 11 de la tobera 9 está principalmente controlada
entre los flancos ahusados de las aletas 17, 18 y sólo marginalmente
entre los puntos de las aletas y los miembros anulares 15, 16. Los
gases arrastran entonces en rotación el rotor 4 y se escapan
axialmente a través del conducto de salida 8.
La sección de estrangulamiento se puede variar a
partir de un valor máximo a un valor mínimo en la configuración de
cierre máximo de la tobera 10 que, en el caso de las variantes
mostradas en las figuras 6 y 7 es cero. En funcionamiento, esta
condición hace que el flujo de fluido de arrastre se detenga y se
puede usar ventajosamente, en un sistema de motor de combustión
interna/turbocompresor, en las fases de frenado con el freno motor,
arranque en frío y para de emergencia del motor.
Las ventajas que se pueden obtener con la
presente invención son evidentes a partir de un examen de los rasgos
característicos de la turbina 1.
El uso de dos anillos de aletas que se mueven
axialmente el uno respecto del otro y que tienen respectivas
pluralidades de aletas ahusadas como cuñas hace posible evitar
cualquier problema de agarrotamiento de la tobera y elimina también
las típicas contrariedades respecto del diseño de aletas de
soluciones conocidas.
Si las dos pluralidades de aletas se producen
con flancos respectivos de forma complementaria con el fin de
garantizar el contacto entre estos flancos en cualquier
configuración de la tobera, el anillo móvil de aletas se puede
alojar de una manera angularmente libre en el cárter, obteniendo por
lo tanto una solución particularmente simple y económica.
Claims (13)
1. Una turbina de geometría variable que
comprende un cárter (3), un rotor (4) soportado de manera
giratoria en este cárter (3), definiendo el cárter un canal de
entrada (6) para un fluido de arrastre en forma de una espiral que
rodea el rotor (4), y una tobera (10) anular de aletas geometría
variable interpuesta radialmente entre el canal (6) y el rotor (4)
para de este modo controlar el flujo del fluido de arrastre desde
el canal (6) hasta el rotor (4), comprendiendo la tobera anular (10)
de aletas de geometría variable un primer anillo (12) de aletas y un
segundo anillo (13) de aletas enfrentados el uno al otro,
comprendiendo cada uno de los anillos (12, 13) de aletas un miembro
anular (15, 16) y una pluralidad de aletas (17, 18) rígidamente
conectadas al miembro anular (16, 15) y que se extienden hacia el
miembro anular (16, 15) del otro anillo (13, 12) de aletas, siendo
al menos uno de los anillos (12, 13) de aletas axialmente móvil
respeto del otro anillo de aletas (13, 12) para de este modo definir
una sección (11) de estrangulamiento variable entre estos anillos de
aletas (12, 13), siendo las dos pluralidades de aletas capaces de
penetrar la una en la otra, caracterizada porque las aletas
(17, 18) que pertenecen a cada canillo están sustancialmente como
cuñas, decreciendo su sección transversal en la dirección axial
hacia el anillo opuesto.
2. Una turbina según la reivindicación 1,
caracterizada porque las pluralidades de aletas (17, 18) se
engranan sustancialmente con otra en una configuración de cierre
máximo de la tobera (10).
3. Una turbina según la reivindicación 1 ó
2, caracterizada porque un primer (12) de los anillos (12,
13) de aletas está fijado al cárter (3) y porque un segundo (13) de
los anillos (12, 13) de aletas se puede mover al menos axialmente
respecto del primer anillo (12) de aletas.
4. Una turbina según la reivindicación 3,
caracterizada porque comprende medios de guiado (15, 35) con
el fin de definir una posición angular predeterminada del segundo
anillo (13) de aletas respecto del primer anillo (12) de aletas.
5. Una turbina según la reivindicación 4,
caracterizada porque el segundo anillo (13) de aletas está
angularmente libre respecto del cárter (3), estando los medios de
guiado (15, 26) definidos por primeros flancos (25) respectivos de
las aletas (17) del primer anillo (12) de aletas que cooperan con
segundos flancos respectivos (26) de las aletas (18) del segundo
anillo (13) de aletas, estando este segundo anillo (13) de aletas en
la posición angular predefinida, en la cual los primeros y los
segundos flancos (25, 26) están en contacto mutuo, bajo el efecto de
un par resultante de la acción dinámica ejercida por el fluido de
arrastre sobre las aletas (18) del segundo anillo (13) de
aletas.
6. Una turbina según la reivindicación 5,
caracterizada porque los primeros y segundos flancos (25, 26)
tienen una forma complementaria.
7. Una turbina según la reivindicación 6,
caracterizada porque los primeros y segundos planos (25, 26)
son sustancialmente planos.
8. Una turbina según una cualquiera de las
reivindicaciones 5 a 7, caracterizada porque los primeros y
segundos flancos (25, 26) se encuentran en planos sustancialmente
tangenciales paralelos a un eje (A) de la turbina.
9. Una turbina según la reivindicación 8,
caracterizada porque las aletas (17, 18) tienen, en una
sección realizada con un cilindro coaxial a la turbina (1), un
perfil sustancialmente triangular.
10. Una turbina según la reivindicación 9,
caracterizada porque el perfil es un perfil en dientes de
sierra.
11. Una turbina según una cualquiera de las
reivindicaciones 2 a 10, caracterizada porque las aletas (17,
18) están delimitadas en una sección de salida radialmente interna
de la tobera (10) por superficies de cabeza (22, 23) que forman una
pared interior continua (24) de la tobera (10) en la configuración
de cierre máximo.
12. Una turbina según una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 10, caracterizada porque las aletas (17,
18) están delimitadas, en una sección de salida radialmente interna
de la tobera (10), por superficie de cabeza (22, 23) que forman una
pared interior continua (24) de la tobera (10), siendo dicha pared
interna (24) continua en la configuración de cierre máximo con la
excepción de orificios de paso formados entre pares de flancos
adyacentes (25, 26, 27, 28) de las aletas (17, 28) y que definen una
sección (11) de estrangulamiento residual mínima (11) de la tobera
(10).
13. Una turbina según la reivindicación 11 ó
12, caracterizada porque la pared interna (24) de la tobera
(10) es cilíndrica y alineada con las superficies internas de los
miembros anulares (15, 16).
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