ES2547887T5 - Una solución para controlar un turbocompresor - Google Patents

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Description

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DESCRIPCION
Una solución para controlar un turbocompresor Campo de la Invención
La invención presente se refiere a un actuador de acuerdo con el preámbulo de la reivindicación 1.
Antecedentes de la Invención
Se conocen principalmente dos tipos de compresores: compresores de desplazamiento positivo y compresores dinámicos. Los compresores de desplazamiento positivo incluyen, por ejemplo, compresores de tornillo, compresores de pistón y compresores de álabes estáticos. Los compresores de desplazamiento positivo son llamados también compresores estáticos. Los compresores dinámicos, a su vez, pueden ser divididos en los del tipo de flujo centrífugo y los de flujo axial (compresores radiales y compresores axiales, respectivamente). En los compresores dinámicos, se proporciona aire con una gran energía cinética que es convertida a continuación en presión. Los compresores dinámicos pueden ser llamados también turbocompresores.
En soluciones conocidas para controlar turbocompresores, la cantidad de aire y el aumento de presión producido por el turbocompresor son ajustados, entre otras cosas, mediante álabes de guía instalados en la entrada de aire de turbocompresor, mediante álabes de difusión instalados aguas abajo del disco de impulsión, mediante el cambio de la velocidad de giro del actuador, mediante la recirculación de parte del aire proveniente de la parte trasera del lado de presión de vuelta al lado de succión, o mediante la extracción de algo del aire comprimido fuera del proceso por medio de una válvula.
Se presentan métodos conocidos para ajustar turbocompresores relativos a los motores de combustión y sus turboactuadores en la bibliografía técnica de la materia, publicaciones de los fabricantes de turbocompresores, así como en las publicaciones de patentes, por ejemplo, en la publicación de la solicitud de la patente japonesa JP 2008 286039 A, así como en la publicación de la solicitud de la patente internacional WO 1999049222 a1.
El documento FR 2 040 794 A5 describe una disposición de turbocompresor que comprende al menos una unidad de enfriamiento, al menos una etapa de turbocompresor con una salida para conducir gas comprimido en dicha etapa única de turbocompresor a dicha al menos una unidad de enfriamiento, un eje para que haga girar dicha al menos una etapa de turbocompresor para aumentar la presión del gas a ser suministrado al actuador, una turbina y una válvula de control, por medio de la que el flujo de gas comprimido producido por el turbocompresor que va a la turbina está dispuesto para ser ajustado.
El documento US-2.828.066 es también una técnica anterior relevante.
Algunos inconvenientes de las soluciones conocidas para controlar turbocompresores incluyen, por ejemplo, el hecho de que tienen un intervalo de control de capacidad más estrecho en comparación con, por ejemplo, el intervalo de control de capacidad de compresores de tornillo, así como el hecho de que cuando se aplican, disminuye la eficiencia total del proceso y del actuador, debido a, por ejemplo, la fluctuación de la necesidad de gas, en comparación con, por ejemplo, la eficiencia de los compresores de tornillo.
La solución del control descrita en la publicación de la patente japonesa JP 2008 286039 A está diseñada particularmente para prevenir el fenómeno de la pérdida en los turbocompresores de los motores de combustión, no para producir aire comprimido libre de aceite en los turbocompresores.
En la invención descrita en la publicación WO 19990/44222 A1, la solución para generar presión mediante una turbina es realizada integrando una unidad de turbina en una unidad de compresor, que se corresponde con una estructura de compresor de sobrealimentación conocida como tal. Las otras unidades de compresores tienen dispuestas unidades de motor separadas propias. Estas unidades de motor pueden tener o no tener un engranaje de escalonamiento. En la solución según dicha publicación, el aire/gas superfluo, en otras palabras el aire/gas que no es momentáneamente necesitado por el proceso, es conducido de manera continua a la turbina para que proporcione la energía de salida del eje necesitada por la unidad de compresor. En consecuencia, esta solución no hace que sea posible ajustar la producción de aire comprimido dentro de un intervalo de ajuste amplio sin cambiar un punto de operación, tal como la eficiencia o la velocidad de giro de las unidades de compresor.
Sumario breve de la Invención
Es un objetivo de la invención relacionada con esta solicitud de patente eliminar los inconvenientes de las soluciones mencionados anteriormente. La invención proporciona un actuador de acuerdo con la reivindicación 1.
El dispositivo según una realización ventajosa de la invención presente opera de tal manera que el gas que ya ha sido comprimido previamente es conducido por medio de una válvula al disco de la turbina, donde el gas, al expansionarse, hace que gire la turbina por medio de dicho disco de turbina y retorna alguna energía necesaria para comprimir el gas.
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El disco de la turbina está dispuesto en el mismo eje con dos o más discos de turbocompresor que comprimen el gas.
En un turbocompresor de etapas múltiples, el gas para el disco de turbina puede ser suministrado desde cualquier etapa ya sea aguas arriba o aguas abajo de las unidades de enfriamiento intermedias y posteriores.
El dispositivo según la invención presente puede ser construido también en el mismo alojamiento que el turbocompresor tanto en las realizaciones de una etapa única como en las de etapas múltiples.
En el actuador según la invención, el ajuste se hace a una velocidad de giro constante o cambiando la velocidad de giro sólo hasta que la eficiencia del actuador o la presión de suministro no resulten sustancialmente perturbadas. Cuando la presión comienza a aumentar en el proceso, o sea, se reduce la necesidad de gas, se abre la válvula de entre o después de las diferentes etapas de turbocompresor, de manera que parte del flujo de aire es guiado a la turbina. Puesto que la unidad de turbina está montada en el mismo eje que el turbocompresor, se reduce la energía requerida por el motor.
Las diferencias más significativas de esta invención respecto a la solución técnica presentada en la publicación de la patente japonesa JP 2008 286039 A están relacionadas con la utilización de un proceso de aire/gas superfluo en la generación de la energía de salida del eje requerida para la operación de los turbocompresores.
En la solución según la aplicación presente, la cantidad de gas que pasa a través de turbocompresor permanece casi constante, de manera que la operación puede realizarse siempre dentro del mejor intervalo de eficiencia posible. En la solución presentada en la publicación de la patente japonesa 2008 286039 A, el aire/gas superfluo hecho circular a través de la turbina es retornado a la unidad de compresor, de manera que la cantidad de aire/gas que fluye a través del compresor (y la velocidad de giro del compresor) cambia siempre cuando se ajusta el proceso y, en consecuencia, el compresor raramente opera dentro del intervalo de eficiencia óptimo.
Comparada con la solución presentada en la publicación WO 19990/44222 A1, la solución según la invención presente tiene, entre otras cosas, la ventaja de que se puede ajustar la conducción del aire/gas superfluo, que momentáneamente no es necesitado por el proceso, hacia la turbina, lo que hace que sea posible ajustar la salida del aire comprimido dentro de un amplio intervalo de ajuste sin que sea necesario cambiar el punto de operación de las unidades de turbocompresor.
Descripción de los dibujos
A continuación, se describe la invención con más detalle haciendo referencia a los dibujos adjuntos, en los que:
La Figura 1a muestra un sistema de control según una realización preferida de la invención mediante un esquema gráfico reducido,
La Figura 1b muestra un dispositivo no de acuerdo con la invención mediante un esquema gráfico reducido,
La Figura 1c muestra un dispositivo según otra realización ventajosa de la invención mediante un esquema gráfico reducido,
La Figura 1d muestra un dispositivo no de acuerdo con la invención mediante un esquema gráfico reducido,
La Figura 2 muestra curvas características de control de un dispositivo según una realización ventajosa de la invención,
La Figura 3 muestra un sistema de proceso en el que se puede aplicar la invención, y
La Figura 4 muestra el método según una realización preferida de la invención mediante un diagrama de flujo. Descripción detallada
La Figura 1a muestra un actuador mediante un esquema gráfico reducido. El actuador 10 es, por ejemplo, un turbocompresor que comprende un motor 5 y los turbocompresores 1a, 1b conectados a un eje 5a del motor 5. Estos turbocompresores 1 pueden ser dispositivos de impulsión o similares, cuyo movimiento de giro produce un aumento de la presión del aire o de otro gas; en otras palabras, el gas es comprimido a un volumen menor. El turbocompresor 10 comprende también dos o más unidades de enfriamiento 3a, 3b conectadas entre los compresores 1 del sistema de aire comprimido. Además, el turbocompresor 10 comprende una turbina 2 y una válvula de control 4. Además, el turbocompresor 10 tiene dispuesta una entrada 6 para conducir aire o gas dentro del turbocompresor 10 y, correspondientemente, una salida 7 para conducir aire comprimido fuera del turbocompresor 10, por ejemplo, a un proceso 11. La turbina 2 puede tener dispuesta también una salida 8 para descargar aire o gas de la turbina 2.
A continuación se describe la operación del sistema según la Figura 1a haciendo referencia al diagrama de flujo de la Figura 4. Se suministra aire u otro gas al turbocompresor 10 a través de la entrada 6, desde la que el aire u otro gas es conducido hacia una primera etapa de turbocompresor 1a (bloque 401 de la Figura 4). El movimiento de giro del eje 5a del motor 5 genera también el giro de los turbocompresores 1a, 1b. Así, el movimiento del impulsor de turbocompresor 1a, 1b aumenta la presión y la temperatura del gas (bloque 402). El gas comprimido es conducido a través de la salida 1c de la primera etapa de turbocompresor y un canal de flujo 12 hasta una primera unidad de enfriamiento 3a, en la que se hace disminuir la temperatura del gas (bloque 403). Desde la primera unidad de
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enfriamiento 3a, el gas es conducido hasta una segunda etapa de turbocompresor 1b, por ejemplo, por medio de una entrada 1d (bloque 404). El disco de impulsión del segundo turbocompresor 1b está también conectado al eje del motor 5a, de manera que el movimiento de giro del eje del motor 5a genera el giro del disco de impulsión, lo que hace que aumente aún más la presión del gas. Desde la segunda etapa de turbocompresor 1b, el gas comprimido es conducido por medio de una salida 1e, hasta una segunda unidad de enfriamiento 3b para reducir la temperatura del gas (bloque 405). Desde la segunda unidad de enfriamiento 3b, el gas comprimido puede ser conducido por medio de una salida 7, por ejemplo, al proceso 11 (bloque 406).
En una situación en la que la presión empieza a aumentar en el proceso 11, o sea, disminuye la demanda de gas del proceso 11, la válvula de control 4 puede ser usada para dirigir parte del gas del turbocompresor 10 hasta la turbina 2 (bloque 407). En el dispositivo mostrado en la Figura 1a, este flujo de gas hacia la turbina 2 tiene el efecto de que la turbina 2 reduce la necesidad de suministro de energía del motor 5; en otras palabras, de cierta manera, la turbina 2 retorna parte de la energía necesaria para comprimir el gas, al eje del motor 5a. Esta parte del gas que fue conducida a la turbina puede ser conducida por medio de la salida 8 de la turbina a la atmósfera, o de vuelta a la entrada 6 al turbocompresor.
Cuando la presión del proceso 11 empieza a declinar, la válvula de control 4 puede ser ajustada en la dirección de cierre o ser cerrada totalmente, de manera que se reduce la cantidad de gas a ser conducida hacia la turbina 2 o se corta el suministro de gas a la turbina 2. Si es necesario volver a hacer un ajuste, éste se puede realizar de la manera descrita anteriormente por medio de la válvula de control 4. De esta manera, se puede ajustar también el control de la energía y simultáneamente la eficiencia del sistema, además de ajustar la velocidad de giro del motor 5, dirigiendo parte del gas hacia la turbina 2.
Durante el ajuste, o ya no es necesario variar la velocidad de giro del eje del motor 5 o sólo es necesario hasta el momento en que la eficiencia o la presión de suministro del turbocompresor 10 se reducen sustancialmente.
Pueden repetirse, si fuera necesario, los pasos anteriormente mencionados.
En la realización mostrada en la Figura 1a, la turbina 2 está dispuesta en el mismo eje que los compresores 1a, 1b. Este eje es el eje del motor 5a. La disposición de la Figura 1a puede ser también realizada de tal manera que un generador esté también acoplado al eje que conecta la turbina 2 y los turbocompresores 1a, 1b, para generar energía eléctrica particularmente en una situación en la que el gas es utilizado para hacer que gire la turbina 2. Esta energía eléctrica puede ser suministrada, por ejemplo, al motor 5 o al proceso 11 (Figura 3).
La Figura 1b muestra un actuador no de acuerdo con la invención. La diferencia con la realización de la Figura 1a reside principalmente en que la turbina 2 no está conectada al eje del motor 5a sino que ha sido realizada como un elemento separado. Así, la turbina 2 está dispuesta para que haga que gire el generador 9. Asimismo, en una situación en la que parte del gas es conducido por medio de la válvula 4 hacia la turbina 2, el movimiento de giro de la turbina 2 produce el efecto de que el generador genera energía eléctrica que puede ser suministrada al motor 5. Esto reduce la cantidad de energía eléctrica de otra fuente de energía requerida por el motor 5.
La Figura 1c muestra un actuador de acuerdo con otra realización ventajosa de la invención. La diferencia con la realización de la Figura 1a reside principalmente en que el gas suministrado a la turbina 2 es enfriado en una unidad de enfriamiento 3c. Así, la temperatura de la salida del gas de la turbina 2 puede ser menor que en una situación en la que no se usa la unidad de enfriamiento 3c. Resultará obvio que la unidad de enfriamiento 3b puede ser realizada también en el ejemplo mostrado en la Figura 1b que incluye la unidad de enfriamiento entre la salida de la válvula de control 4 y la entrada de la turbina 2.
La Figura 1d muestra un actuador no de acuerdo con la invención. La diferencia con la realización de la Figura 1b reside principalmente en que la turbina 2 no está conectada al generador, sino a la primera etapa de turbocompresor 1a; en otras palabras, la turbina 2 está dispuesta para hacer que gire la primera etapa de turbocompresor 1a. Así, en una situación en la que parte del gas es conducida a través de la válvula de control 4 hacia la turbina 2, el movimiento de giro de la turbina 2 hace que gire el disco de impulsión de la primera etapa de turbocompresor 1a, de manera que la primera etapa de turbocompresor 1a aumenta la presión del gas de entrada. La energía puede ser transmitida a la primera etapa de turbocompresor 1a desde el motor 5 y la turbina 2 a la vez.
Como puede deducirse de la descripción anterior, el actuador de acuerdo con la invención puede ser usado para conseguir un mejor ajuste y un intervalo de ajuste más amplio que en la técnica anterior.
Aunque en las realizaciones descritas anteriormente se aplicaron dos etapas de turbocompresor, resultará obvio que puede haber más de dos etapas, por ejemplo, tres, cuatro o más etapas.
La Figura 2 muestra un ejemplo de curvas características de control. El eje horizontal y el eje vertical representan la cantidad de flujo de volumen y la presión, respectivamente. El valor X del flujo de volumen representa el valor proyectado (100%), y el valor de la presión Y representa la presión objeto correspondiente. La curva A representa la curva característica de un sistema de turbocompresor de técnica anterior (la relación del flujo de volumen a la
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presión) a una velocidad de giro no del motor, la curva B representa la curva característica del sistema a una velocidad de giro máxima dada n mayor que la velocidad de giro n0, y la curva C representa la curva característica del sistema a una velocidad de giro mínima dada n-1 menor que la velocidad de giro n0. La letra Z indica una relación flujo de volumen/presión que puede ser conseguida por el sistema según la invención, la velocidad de giro correspondiente del eje del motor 5a es n-1. En un dispositivo de técnica anterior, el ajuste de la velocidad de giro n puede ser usado para reducir el flujo de volumen tan sólo en un pequeño porcentaje inferior al valor proyectado del 100%. En la solución según la invención presente, es posible conseguir un valor menor de la mitad, en una realización ventajosa incluso un valor de aproximadamente el 20% del valor proyectado, sin tener que reducir significativamente la velocidad de giro. De esta manera, se consigue una buena eficiencia.
En algunas realizaciones ventajosas, el valor de la presión proyectada puede ser del orden de 6 a 10 bares, pero también puede ser mayor que, por ejemplo, 13 bares, o menor aún, incluso inferior a 1 bar.
La invención presente es adecuada para ser usada a lo largo de un intervalo de potencia muy amplio. La potencia del turbocompresor 10 puede estar, por ejemplo, entre 100 kW y 1 MW, pero también puede ser inferior a 100 kW o incluso superior a 1 MW.
La Figura 3 muestra además otro ejemplo del proceso 11, en el que se puede usar el actuador según la invención presente. El proceso 11 puede ser cualquier proceso en el que se necesite gas comprimido. El proceso 11 o la salida 7 del turbocompresor 10 tiene dispuesto, por ejemplo, un sensor de presión 12 o similar, para medir la presión del gas suministrado al proceso 11. Los datos medidos dados por el sensor de presión 12 son transmitidos a una unidad de control 13 que puede, por ejemplo, comparar los datos medidos con un valor de referencia y determinar, sobre la base de la comparación, por ejemplo, si es necesario ajustar la válvula de control 4. Si se encuentra que la presión ha excedido el valor de referencia, la unidad de control 13 transmite información de que la válvula de control 4 tiene que ser abierta, a los medios de control 4a de la válvula de control 4. En algunas realizaciones, la unidad de control 13 puede generar directamente una señal, por ejemplo, un voltaje, que efectúa un cambio en la posición de la válvula de control 4. En tal caso, los medios de control 4a de la válvula de control no son necesarios.
En consecuencia, en una situación en la que la presión ha declinado, por ejemplo, hasta un valor límite dado, la unidad de control 13 puede controlar la válvula de control 4 en la dirección de cierre, lo que reduce o impide totalmente el flujo del gas hacia la turbina 2.
Resultará obvio que la válvula de control 4 puede tener también otras posiciones además de las posiciones de abierta y cerrada, de manera que, según la situación, la cantidad de gas a ser conducida hacia la turbina 2 puede estar también en algún punto entre los valores máximo y mínimo.
Todo el gas que ha fluido a través de la turbina 2 es utilizado para enfriar el motor 5.
De acuerdo con la invención, el ajuste de los compresores 1a, 1b y de la turbina 2 es realizado utilizando tecnología de alta velocidad, en la que las velocidades periféricas de los actuadores son típicamente incluso de 100 m/s o superiores. Por ejemplo, se puede usar un motor de alta velocidad como el motor 5.
De acuerdo con la invención, los apoyos de la turbina 2 y/o el motor 5 están realizados con los llamados apoyos híbridos, esto es, como una combinación de un apoyo de aire o gas y un apoyo magnético.
Resultará obvio que la invención presente no está limitada solamente a las realizaciones presentadas anteriormente, sino que puede ser modificada dentro del ámbito de las reivindicaciones adjuntas.

Claims (3)

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    REIVINDICACIONES
    1. Una actuador (10) que comprende:
    - al menos una primera unidad de enfriamiento (3a) y una segunda unidad de enfriamiento (3b);
    - al menos una primera etapa de turbocompresor (1a) con una entrada (6) y una salida (1c), y una segunda etapa de turbocompresor (1b) con una entrada (1d) y una salida (1e); dicha primera unidad de enfriamiento (3a) conectado entre la salida (1c) de la primera etapa de turbocompresor (1a) y la entrada (1d) de la segunda etapa de turbocompresor (1b); y dicha segunda unidad de enfriamiento (3b) conectada entre la salida (1e) del segundo turbocompresor y una salida (7) del actuador;
    - dicha primera etapa de turbocompresor (1a) configurada para transportar gas comprimido en dicha primera etapa de turbocompresor (1a) hasta dicha primera unidad de enfriamiento (3a), y dicha segunda etapa de turbocompresor (1b) configurada para transportar gas comprimido en dicha segunda etapa de turbocompresor (1b) hasta dicha segunda unidad de enfriamiento (3b);
    - un eje (5a) para girar al menos dichas primera etapa de turbocompresor (1a) y segunda etapa de turbocompresor (1b) para incrementar la presión de gas a ser suministrado al actuador (10):
    - una turbina (2) que comprende una salida (8);
    - una válvula de control (4) por medio de la cual el flujo del gas comprimido producido por la primera etapa de turbocompresor (1a) y por la segunda etapa de turbocompresor (1b) hasta la turbina (2) está dispuesto a ser ajustado; y
    - un motor de alta velocidad (5) dispuesto para girar dicho eje (5a),
    caracterizado por que dicha turbina (2) está conectada a dicho eje (5a), que el actuador (10) está configurado para transportar el flujo del gas comprimido que ha sido dirigido a la turbina (2) desde la salida (8) de la turbina hasta una entrada (6) de la primera etapa de turbocompresor (1a), que el actuador (10) está configurado para transportar una parte del flujo del gas comprimido desde la salida (7) del actuador hasta un proceso (11), que el actuador está adaptado para utilizar el gas que ha fluido a través de la turbina (2) para enfriar el motor (5) del turbocompresor; y que los apoyos de la turbina (2) y /o del motor (5) comprende una combinación de un apoyo de aire o gas y un apoyo magnético.
  2. 2. El actuador (10) de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado por que el actuador (10) comprende además un generador (9) conectado a dicho eje (5a).
  3. 3. El actuador (10) de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado por que el actuador (10) comprende además un generador (9) dispuesto en una conexión de transmisión de energía con la turbina (2).
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