ES2269552T3 - Dispositivo para controlar una tobera de entrada variable de una turbina. - Google Patents
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Abstract
Turbina de geometría variable (1, 35), que comprende un alojamiento (3), un rotor (4) soportado con capacidad de giro en este alojamiento (3), definiendo el alojamiento (3) un canal de entrada (6) para un fluido de trabajo con forma de una espiral alrededor del rotor (4), y una tobera con álabes anular (10, 36) de geometría variable situada radialmente entre el canal (6) y el rotor (4) y que comprende un elemento de control (14, 40) que se desplaza axialmente para controlar el flujo del fluido de trabajo desde el canal (6) hacia el rotor (4) mediante la variación de una sección de estrechamiento de la tobera (10, 36), estando conformado el elemento de control (14, 40) como un pistón anular de un accionamiento de fluido (20), comprendiendo la turbina una línea de control de fluido (21), accionándose el elemento de control (14, 40) directamente mediante una presión de control a través de esta línea de control de fluido (21), caracterizada porque el elemento de control (14) comprende una superficie de control (24) sujeta a la presión de control y orientada axialmente para desplazar el elemento de control (14) hacia una configuración cerrada en respuesta a un aumento en esta presión de control; y una superficie de reacción (25) sujeta a la presión del fluido de trabajo en la tobera (10) y orientada axialmente en una dirección opuesta a la de la superficie de control (24).
Description
Dispositivo para controlar una tobera de entrada
variable de una turbina.
La presente invención se refiere a una turbina
de geometría variable. El campo de aplicación de la invención
preferido, aunque no exclusivo, es la sobrealimentación de motores
de combustión interna, al que se hará referencia en la siguiente
descripción de modo no limitativo.
Se conocen turbinas que comprenden un canal de
entrada en espiral alrededor del rotor de la turbina y una tobera
anular con álabes dispuesta radialmente entre el canal de entrada y
el rotor. También se conocen turbinas de geometría variable (VGT) en
las que la tobera anular con álabes tiene una configuración
variable, de modo que los parámetros de flujo del fluido de trabajo
desde el canal de entrada hacia el rotor pueden modificarse. Según
una realización conocida, la turbina de geometría variable comprende
un elemento de control anular que se desplaza axialmente para variar
la sección de estrechamiento, es decir la sección de flujo de
trabajo de esa tobera. Este elemento de control anular puede estar
formado, por ejemplo, por un anillo de soporte de álabes, desde el
cual se extienden los álabes y que puede desplazarse axialmente
entre una posición abierta, en la que los álabes están inmersos en
el flujo y la sección de estrechamiento de la tobera es máxima, y
una posición cerrada, en la que el anillo cierra total o
parcialmente la sección de estrechamiento de la tobera. Durante el
movimiento hacia delante del anillo, los álabes de la tobera
penetran a través de ranuras apropiadas en un alojamiento provisto
en el alojamiento de la turbina en una posición orientada hacia
dicho anillo.
El desplazamiento del elemento de control anular
se controla mediante un dispositivo de control que comprende un
accionamiento externo respecto a la turbina, de tipo neumático o
eléctrico, y una cadena cinemática de transmisión de movimiento
desde el accionamiento hasta elemento de control anular de la
tobera. Esto implica costes relativamente altos y puede limitar la
fiabilidad. En la mayoría de soluciones conocidas, también se reduce
la precisión del control, ya que la cadena cinemática tiene un juego
significativo que tiende a aumentar durante la vida del dispositivo
como resultado del desgaste. Otro inconveniente relacionado con las
soluciones conocidas consiste en el hecho de que los dispositivos de
control conocidos requieren un ajuste muy preciso, lo cual
constituye una operación delicada.
El documento EP0034915 describe una turbina en
la que un anillo desplazable que define la disposición de la tobera
puede desplazarse hasta una posición abierta mediante el suministro
de un fluido a presión a un cilindro, en el que se desplaza un
pistón conducido por el anillo desplazable, actuando contra una
pluralidad de muelles. No obstante, la presión en la tobera sigue
sin poder controlarse de forma satisfactoria mediante la presión del
fluido a presión.
El objetivo de la presente invención es dar a
conocer una turbina de geometría variable con una tobera con álabes
provista de un elemento de control que se desplaza axialmente y que
carece de los inconvenientes relacionados con las turbinas
conocidas, descritos anteriormente.
Este objetivo se alcanza mediante la presente
invención, que se refiere a una turbina de geometría variable según
la reivindicación 1 adjunta, y a un procedimiento para el control de
la presión de entrada de la turbina en un motor de combustión
interna sobrealimentado según la reivindicación 10 adjunta.
La invención se describe a continuación,
haciendo referencia a varias realizaciones, mostradas a modo de
ejemplo no limitativo, e ilustradas en los dibujos que se acompañan,
en los que:
la figura 1 es una sección axial parcial a
través de una turbina de geometría variable de la presente
invención;
las figuras 2, 3 y 4 son secciones axiales
parciales a través de variantes de la turbina de geometría
variable de la figura 1;
la figura 5 es un gráfico que muestra las
características de control respectivas de las
turbinas de las figuras 3 y 4;
la figura 6 es una sección axial a través de
otra realización de una turbina de geometría
variable de la invención;
la figura 7 es una vista en perspectiva de una
tobera de la turbina de la figura 6.
En la figura 1 se muestra en general como 1 una
turbina de geometría variable; la turbina se utiliza ventajosamente
en un turbocompresor 2 (mostrado parcialmente) para sobrealimentar
un motor de combustión interna.
La turbina 1 comprende esencialmente un
alojamiento 3 y un rotor 4 de eje A, soportado con capacidad de giro
alrededor del eje A y conectado de forma rígida al eje de
transmisión 5 de un compresor (no mostrado). El alojamiento 3
define, de manera conocida, un canal de entrada en espiral 6
alrededor del rotor 4, y provisto de una abertura de entrada 7
adaptada para conectarse a un colector de escape (no mostrado) del
motor. El alojamiento 3 también define un conducto de salida axial 8
para los gases de escape en la salida del rotor 4.
Finalmente, la turbina 1 comprende una tobera
anular con álabes 10 de geometría variable, que está situada
radialmente entre el canal de entrada 6 y el rotor 4, y que define
una sección de estrechamiento 11, es decir, una sección de trabajo
de flujo mínimo de la tobera 10, que puede modificarse para
controlar el flujo de gases de escape desde el canal de entrada 6
hacia el rotor 4.
La tobera 10 está formada por un anillo que se
desplaza axialmente 12 que define la sección de estrechamiento 11
junto a una pared 13 del alojamiento 3 orientada axialmente hacia el
mismo. Más particularmente, el anillo con álabes 12 comprende un
elemento anular 14 montado con capacidad de deslizamiento axial en
una cámara anular 15 provista en el alojamiento 3 en una posición
orientada hacia la pared 13, y una pluralidad de álabes 17 que se
extienden axialmente desde el elemento anular 14 y que encajan en
ranuras respectivas 18 provistas en la pared con capacidad de
deslizamiento axial.
Según la presente invención, el elemento anular
14 forma el pistón de un accionamiento de fluido 20, que es
ventajosamente neumático, cuya cámara 15 define el cilindro, y que
se acciona directamente mediante una presión de control pC mediante
una línea de control 21 provista en el alojamiento 3 de la turbina,
y que está comunicada con la cámara 15. La línea de control 21 está
conectada a una válvula de control 22, ventajosamente una válvula
proporcional controlada de forma electromagnética, accionada por una
unidad de control electrónico (no mostrada) para obtener una presión
de control pC apropiada para la modificación de los parámetros de
funcionamiento del vehículo, tal y como se describirá en mayor
detalle a continuación.
El elemento anular 14, que ventajosamente tendrá
una sección hueca con forma de C por razones de reducción de peso,
coopera de manera estanca con la cámara 15 mediante elementos de
sellado 23 de tipo convencional. En la realización de la figura 1,
el elemento anular 14 tiene por lo tanto una superficie de control
24 sujeta a la presión de control pC, y una superficie de reacción
25 sujeta a la presión del fluido de trabajo.
En funcionamiento, la presión de control pC
actúa axialmente en la superficie de control 24 en la dirección de
cierre de la tobera 10. El fluido de trabajo de la turbina 1, en
particularmente los gases de escape, actúan en la superficie de
reacción 25 en dirección opuesta, es decir, en una dirección tal que
lleve la tobera hacia una configuración abierta. Cualquier variación
de la presión de control pC genera un desplazamiento del anillo con
álabes 12 hasta que se reestablece una condición de equilibrio entre
la presión de control pC y la presión del fluido de trabajo. Esto
significa que cada valor de la presión de control pC se corresponde
con un valor de la presión media del fluido de trabajo en la tobera
10, y por lo tanto, de la presión de entrada de la turbina pT, al
menos hasta que el anillo con álabes 12 entra en contacto con un
tope mecánico en el final de su recorrido. El control de la presión
de control pC es por lo tanto equivalente al control de la presión
de entrada de la turbina pT, que es uno de los parámetros de
funcionamiento más importantes en un motor sobrealimentado.
En funcionamiento, el fluido de trabajo entra en
la tobera 10 en una dirección sustancialmente radial desde el
exterior, es decir, desde el canal de entrada 6, y es desviado por
los álabes 17 según su ángulo de inclinación hacia el rotor 4.
Mediante el desplazamiento axial del elemento anular 14, la sección
de estrechamiento puede modificarse desde un valor máximo hasta un
valor mínimo, que será igual a cero en la configuración de máximo
cierre de la tobera 10. En funcionamiento, esta situación provoca
que el flujo de fluido de trabajo se detenga, y que pueda utilizarse
ventajosamente, en un sistema de motor de combustión
interna/turbocompresor, en las etapas de frenado con el freno de
motor, arranque en frío, y paro de emergencia del motor.
Las figuras 2 a 4 muestran variantes respectivas
de la turbina 1, que se describen a continuación haciendo referencia
a sus diferencias respecto a la turbina de la figura 1, utilizando
los mismos números de referencia para los mismos componentes o para
los componentes que se corresponden con los componentes ya descritos
en la figura 1.
En la variante de la figura 2, el anillo con
álabes 12 está sujeto a la fuerza de retorno elástica de un o una
pluralidad de muelles de retorno 25 que actúan en la dirección de
abertura de la tobera 10, es decir, de forma opuesta a la presión de
control pC. El muelle 25 mejora la seguridad de trabajo, ya que la
fuerza de retorno elástica permite superar cualquier resistencia de
fricción que pudiera darse durante su funcionamiento. Además, el
nivel de presión de control pC necesario para el cierre de la tobera
aumenta, mejorando de este modo la precisión del control; se conoce
en la práctica que las válvulas de regulación de presión no
funcionan de forma precisa con niveles de presión bajos. Otro efecto
del muelle 25 es la reducción de la amplitud de las oscilaciones a
las que puede estar sujeto el anillo con álabes 12 durante su
funcionamiento, provocadas por las pulsaciones de presión del fluido
de trabajo, por ejemplo, con los gases de escape de un motor de
combustión interna.
La figura 3 muestra una variante de la turbina
1, cuya cámara 15 tiene dos partes 15a, 15b adyacentes axialmente la
una respecto a la otra, y que tienen diferentes secciones de
trabajo: una primera parte 15a adyacente a la sección de
estrechamiento 11 de la tobera con una sección de trabajo mayor, y
una segunda parte 15b que comunica con la línea de control de fluido
21 y con una sección de trabajo sustancialmente más pequeña.
El elemento anular tiene por lo tanto una
estructura "escalonada" y comprende una parte 28 que se desliza
de manera estanca en la segunda parte 15b de la cámara 15, y que
define la superficie de control 24, y una parte 29 que se desliza en
la primera parte 15a, y que define la superficie de reacción 25. La
parte 29 también comprende una superficie de empuje auxiliar 30
orientada hacia la superficie de control 24 y sujeta a la presión
del fluido de trabajo en la tobera 10 a través de una vía de paso
31. La presión del fluido de trabajo actúa en la superficie de
empuje auxiliar 30 de manera simultánea con la presión de control
pC.
De este modo, de reduce el flujo de fluido de
control necesario para el desplazamiento del anillo con álabes 12,
permitiendo la utilización de una válvula de control 22 más compacta
y económica.
En la realización de la figura 3, la superficie
de empuje auxiliar 30 está situada de forma externa radialmente
respecto a la superficie de control 24, y comunica con la tobera 10
a través de una vía de paso 31 dispuesta corriente arriba respecto a
la sección de estrechamiento 11 de dicha tobera; por lo tanto, la
superficie auxiliar 30 queda sujeta a una presión mayor que la
presión media que actúa en la superficie de reacción 25. De este
modo, es posible reducir el resultante de las fuerzas de presión
transmitido por el fluido al anillo 12 que actúa en el anillo con
álabes 12 de forma opuesta a la presión de control pC, hasta un
valor sustancialmente igual a la resistencia de fricción de los
elementos de sellado 23. Se produce por lo tanto una reducción
sustancial de la amplitud de las oscilaciones del anillo con álabes
12 provocadas por las pulsaciones de presión del fluido de
trabajo.
En la variante de la figura 4, la superficie de
empuje auxiliar 30 está situada de forma interna radialmente
respecto a la superficie de control 24, y comunica con la tobera 10
a través de una vía de paso 31 dispuesta corriente abajo respecto a
la sección de estrechamiento 11 de dicha tobera; por lo tanto, la
superficie auxiliar 30 queda sujeta a una presión menor que la
presión media que actúa en la superficie de reacción 25. Esta
solución aumenta el nivel de la presión de control pC necesaria para
desplazar el anillo con álabes 12, y por lo tanto permite controlar
la válvula 21 para que funcione con un mayor nivel de presión,
obteniendo de este modo una mayor precisión del control.
La figura 5 es un gráfico en el que se comparan
las características de control C3 y C4 de las soluciones de la
figura 3 y la figura 4, respectivamente. El gráfico muestra la
presión de entrada de la turbina pT (presión en el canal de entrada
6 corriente arriba respecto a la tobera 10) como una función de la
presión de control pC en la línea 21. Puede observarse en el gráfico
que la presión de entrada de la turbina pT (en las ordenadas)
depende de manera lineal de la presión de control pC (en las
abcisas) como consecuencia del principio del equilibrio de las
fuerzas que actúan en el anillo con álabes 12 mencionado
anteriormente. También pude apreciarse que el nivel de la presión de
control pC, con la misma presión de entrada de la turbina pT, es
mayor en el caso de la figura 4.
La figura 6 muestra otra realización de una
turbina de la presente invención, mostrada en general como 35.
La turbina 35 se diferencia de las turbinas 1
descritas anteriormente por el hecho de que comprende una tobera 36
formada por un par de anillos con álabes 37, 38 enfrentados el uno
al otro axialmente, y que delimitan axialmente la sección de
estrechamiento 11.
Los anillos con álabes 37, 38 comprenden cada
uno un elemento anular 39, 40 y una pluralidad de álabes 41, 42
conectados rígidamente al elemento anular respectivo 39, 40, y que
se extienden hacia el elemento anular 40, 39 del otro anillo con
álabes 38, 37.
Los álabes 41, 42 están estrechados
sustancialmente como cuñas, de modo que las dos pluralidades de
álabes pueden penetrar la una en la otra.
El anillo con álabes 37 está fijado al
alojamiento 3 de la turbina 35; el anillo con álabes 38 puede
desplazarse axialmente respecto al anillo 37, para variar la sección
de estrechamiento 11 de la tobera.
Según la invención, el elemento anular 40 del
anillo con álabes 38 está dispuesto para deslizarse de manera
estanca en una cámara anular 45 provista en el alojamiento 3, y
forma un pistón anular de un accionamiento neumático 20 para el
control de la sección de estrechamiento 11 de la tobera 36. Por lo
tanto, la posición axial del anillo con álabes 38 puede controlarse
directamente modificando la presión en la cámara 45, de manera
totalmente idéntica a como se ha descrito respecto a las turbinas
1.
Los álabes 41, 42 están conformados de manera
que engranan entre ellos en una configuración totalmente cerrada de
la tobera 36, en la que el anillo con álabes 38 está en la posición
de máximo avance axial y está dispuesto en contacto con el anillo de
álabes 37. Los álabes 41, 42 (figura 7) están dispuestos en una
dirección sustancialmente tangencial en los elementos anulares
respectivos 39, 40, y tienen, según una sección obtenida con un
cilindro de eje A, un perfil triangular, y preferiblemente con
forma de diente de sierra.
Preferiblemente, los álabes 41, 42 están
limitados por flancos respectivos 46, 47 de forma complementaria,
por ejemplo, plana, que están adaptados para cooperar el uno con el
otro a fin de definir una posición angular predeterminada del anillo
con álabes 38 que se desplaza respecto al anillo con álabes fijo 37,
bajo la acción dinámica llevada a cabo por el fluido de trabajo en
los álabes 42 del anillo con álabes que se desplaza 38.
Las ventajas que pueden obtenerse con la
presente invención resultan evidentes a partir de un examen de las
características particulares de las turbinas 1, 35.
En particular, el control directo del fluido
mediante el elemento de control de la sección de estrechamiento
permite evitar la utilización de accionamientos externos y
mecanismos de transmisión cinemáticos asociados. Esto permite
obtener una turbina de geometría variable que es más sencilla,
económica y compacta; también aumenta la fiabilidad, ya que se
reducen los riesgos de averías del mecanismo de transmisión
cinemático; finalmente, el control de la presión de entrada de la
turbina, que es uno de los parámetros más importantes en el control
de motores sobrealimentados, resulta particularmente sencillo,
fiable y preciso.
Finalmente, podrá apreciarse que podrán
realizarse modificaciones y variaciones en las turbinas 1, 35
descritas que no se aparten del ámbito de protección de las
reivindicaciones.
Claims (10)
1. Turbina de geometría variable (1,
35), que comprende un alojamiento (3), un rotor (4) soportado con
capacidad de giro en este alojamiento (3), definiendo el alojamiento
(3) un canal de entrada (6) para un fluido de trabajo con forma de
una espiral alrededor del rotor (4), y una tobera con álabes anular
(10, 36) de geometría variable situada radialmente entre el canal
(6) y el rotor (4) y que comprende un elemento de control (14, 40)
que se desplaza axialmente para controlar el flujo del fluido de
trabajo desde el canal (6) hacia el rotor (4) mediante la variación
de una sección de estrechamiento de la tobera (10, 36), estando
conformado el elemento de control (14, 40) como un pistón anular de
un accionamiento de fluido (20), comprendiendo la turbina una línea
de control de fluido (21), accionándose el elemento de control (14,
40) directamente mediante una presión de control a través de esta
línea de control de fluido (21), caracterizada porque el
elemento de control (14) comprende una superficie de control (24)
sujeta a la presión de control y orientada axialmente para desplazar
el elemento de control (14) hacia una configuración cerrada en
respuesta a un aumento en esta presión de control; y una superficie
de reacción (25) sujeta a la presión del fluido de trabajo en la
tobera (10) y orientada axialmente en una dirección opuesta a la de
la superficie de control (24).
2. Turbina, según la reivindicación 1,
caracterizada porque el elemento de control (14) comprende al
menos una superficie auxiliar (30) orientada axialmente en la misma
dirección que la superficie de control (24) y alojada en una cámara
auxiliar (15a), y medios de conexión (31) para suministrar el fluido
de trabajo desde la tobera (10) hacia la cámara auxiliar (15a).
3. Turbina, según la reivindicación 2,
caracterizada porque la superficie auxiliar (30) está
dispuesta radialmente en el exterior respecto a la superficie de
control (24), estando comunicados los medios de conexión (31) con la
tobera (10) corriente arriba respecto a la sección de estrechamiento
(11) de la tobera (10).
4. Turbina, según la reivindicación 2,
caracterizada porque la superficie auxiliar (30) está
dispuesta radialmente en el interior respecto a la superficie de
control (24), estando comunicados los medios de conexión (31) con la
tobera (10) corriente abajo respecto a la sección de estrechamiento
(11) de la tobera (10).
5. Turbina, según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, caracterizada porque el elemento
de control (14) es libre axialmente, de modo que la posición axial
del elemento de control (14) está definida por el equilibrio de las
fuerzas de presión que actúan en el mismo.
6. Turbina, según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 4, caracterizada porque comprende medios
elásticos (25) adaptados para hacer que el elemento de control (14)
se desplace hacia una configuración abierta de la tobera (10).
7. Turbina, según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, caracterizada porque el elemento
de control es un elemento anular (14) provisto de una pluralidad de
álabes (17) que se extienden axialmente, teniendo el alojamiento (3)
una pluralidad de ranuras (18) para alojar los álabes (17) en una
configuración cerrada o parcialmente cerrada de la tobera (10).
8. Turbina, según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 6, caracterizada porque la tobera con
álabes anular (36) de geometría variable comprende un primer anillo
con álabes (37) y un segundo anillo con álabes (38) enfrentados el
uno al otro, comprendiendo cada uno de los anillos con álabes (37,
38) un elemento anular (39, 40) y una pluralidad de álabes (41, 42)
conectados rígidamente al elemento anular (39, 40) y que se
extienden hacia el elemento anular (40, 39) del otro anillo con
álabes (38, 37), estrechándose estos álabes (41, 42) sustancialmente
como cuñas, de modo que las dos pluralidades de álabes (41, 42)
pueden penetrar la una en la otra, siendo al menos uno (40) de los
elementos anulares (39, 40) desplazable axialmente respecto al otro
elemento anular (39), y formando el elemento de control.
9. Turbocompresor para un motor de
combustión interna, caracterizado porque comprende una
turbina de geometría variable (1) según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores.
10. Procedimiento para el control de la
presión de entrada de una turbina en un motor de combustión interna
sobrealimentado por un turbocompresor (2), comprendiendo la turbina
de geometría variable (1) un alojamiento (3), un rotor (4) soportado
con capacidad de giro en este alojamiento (3), definiendo el
alojamiento (3) un canal de entrada (6) para un fluido de trabajo
con forma de una espiral alrededor del rotor (4), y una tobera con
álabes anular (10, 36) de geometría variable situada radialmente
entre el canal (6) y el rotor (4) y que comprende un elemento de
control (14, 40) que se desplaza axialmente para controlar el flujo
del fluido de trabajo desde el canal (6) hacia el rotor (4) mediante
la variación de una sección de estrechamiento de la tobera (10, 36),
en la que el elemento de control (14, 40) está conformado como un
pistón anular de un accionamiento de fluido (20), y la turbina
comprende una línea de control de fluido (21) para el elemento de
control (14, 40), comprendiendo el procedimiento la etapa de
suministrar una presión de control a través de la línea de control
de fluido (21), de modo que actúa en una superficie de control (24)
del elemento de control orientada axialmente para desplazar el
elemento de control hacia una configuración cerrada en respuesta a
un aumento en dicha presión de control, actuando la presión del
fluido de trabajo en la tobera en una superficie de reacción (25)
del elemento de control para llevar el elemento de control hacia una
configuración abierta.
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
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