ITMI20061738A1

ITMI20061738A1 - Turbina a geometria variabile

Info

Publication number: ITMI20061738A1
Application number: IT001738A
Authority: IT
Inventors: Juerg Spuler
Original assignee: Iveco Motorenforschung Ag
Priority date: 2006-09-12
Filing date: 2006-09-12
Publication date: 2008-03-13
Also published as: US20090097969A1; CN101144394B; EP1900908B1; EP1900908A3; US7955047B2; JP4944717B2; EP1900908B8; ES2401455T3; EP1900908A2; CN101144394A; BRPI0704032A; JP2008069779A

Description

Descrizione dell’invenzione industriale dal titolo:

"Turbina a geometria variabile”

Campo dell'invenzione

La presente invenzione riguarda una turbina a geometria variabile, in particolare per un turbocompressore per motore a combustione interna sovralimentato e detti turbocompressore e motore.

Tecnica anteriore

Turbine di tipo noto (o VGT, variable geometry turbine) hanno un ingresso del fluido motore in forma di a una voluta che circonda la girante ed un distributore anulare palettato disposto tra detta voluta e la girante. Nelle turbine a geometria variabile del tipo “a parete mobile” la luce di passaggio attraverso il distributore, per regolare la potenza della turbina e, nel caso di turbine a geometria variabile per turbocompressori per motori a combustione interna sovralimentati, la contropressione al collettore di scarico del motore (questo è particolarmente utile nell’uso come freno motore)

In figura 1 è rappresentata una tipica turbina a geometria variabile a “parete mobile”. La figura rappresenta una sezione longitudinale, cioè secondo un piano contenente l’asse 10 della girante 4 (rappresentata non sezionata). La voluta di ingresso del fluido è designata col riferimento 1. Con 3 è indicata la luce anulare di passaggio attraverso il distributore dalla voluta alla girante, con 7 una paletta del distributore. Le palette sono fissate all’anello mobile assialmente 5, capace di traslare nella direzione della freccia A. La traslazione in una direzione restringe la luce di passaggio nel distributore, la traslazione nell’altro verso la allarga. Durante la traslazione nel verso di chiusura dell’anello mobile la palettatura viene accolta, e nella cavità anulare 11, ricavata nella carcassa 2 della turbina; un pannello forato 8 con feritoie corrispondenti alia forma delle palette può essere presente per evitare il passaggio del fluido al di fuori della luce di passaggio attraverso il distributore. Oppure possono essere previste configurazioni con una palettatura fissa sulla parete opposta all’anello mobile, avente, a sua volta, feritoieper accogliere le palette, oppure,. L’anello mobile può essere configurato come un pistone anulare capace di essere alloggiato in una camera anulare 12 o uscirne per estendersi nella luce di passaggio del distributore; mezzi di tenuta 13, come una anello di tenuta esterno ed uno interno assicurano la tenuta tra anello mobile e pareti della camera. Un attuatore (non rappresentato), che può essere di qualsiasi tipo adatto, regola la posizione dell’anello in base alle necessità. L' attuatore può essere pneumatico idraulico o elettrico, eventualmente provvisto di molle di contrasto, ed esterno alla carcassa. Esso agisce, per esempio, mediante aste (non rappresentate) disposte nella direzione di traslazione dell’anello mobile e fissate all’anello 5 dalla parte rivolta verso la camera anulare 12. Le aste (o un analogo sistema di guide) possono impedire la rotazione, che l’inclinazione delle palette provocherebbe, dell'anello intorno all’asse 10. L’attuatore contrasta ia pressione esercitata sull’anello mobile assialmente, che può essere assai elevata. Al fine di ridurre lo sforzo esercitato sull’attuatore e sugli altri organi della catena di comando è pratica comune prevedere buchi 6 di compensazione sulla superficie dell’anello, solitamente un buco per ogni passaggio presente tra due palette consecutive, come visibile in figura 2, per equilibrare la pressione tra la luce di passaggio 3 e la camera 12.

Nelle turbine azionate da gas di scarico, la dimensione dei buchi deve essere sufficiente per permettere la trasmissione delle onde di pressione di solito generate dal funzionamento di un motore alternativo come sono i più comuni motori a combustione interna. Tali onde di pressione genererebbero altrimenti notevoli sollecitazioni a fatica su tutta la catena di trasmissione del moto, e su altri organi come tenute e boccole. Inoltre, le onde di pressione, almeno con certi tipi di attuatori, in particolare quelli pneumatici ed elettrici, possono provocare rilevante oscillazione del meccanismo di attuazione. Per mantenere vibrazione ed oscillazione entro limiti accettabili, la dimensione dei buchi deve essere rilevante, il loro diametro può raggiungere il 90% della larghezza del passaggio del fluido. Ne consegue il problema che i buchi interferiscono in maniera considerevole con il flusso del fluido attraverso la luce di passaggio. Il restringimento della luce dì passaggio, e quindi del passaggio disponibile per il fluido tra palette consecutive, aumenta l’interferenza dei buchi con il flusso del fluido. A valori minimi della larghezza della luce di passaggio, la sezione di passaggio per il fluido nella luce di passaggio diviene minore della area totale della serie di buchi di compensazione in tali condizioni, i buchi diventano rilevanti trappole per il flusso, tali da provocare espansione del fluido nei buchi stessi, mentre i bordi a valle dei fori rispetto al flusso diventano per esso rilevanti ostacoli.

Nei sistemi noti, buchi sono lavorati a macchina utensile, o tagliati mediante laser, e presentano bordi relativamente acuti (da un punto di vista isodinamico), sebbene una leggera svasatura possa essere eseguita per rimuovere le sbavature, la porzione a valle di tali bordi dei buchi di compensazione, può provocare distacco di vena, con conseguente indesiderata caduta di pressione ne! passaggio del flusso a valle del buco, e quindi ad una riduzione della forza esercitata sull'anello mobile, .questo fenomeno diviene massimo a minime aperture della luce di passaggio e condizioni di strozzamento del flusso, quando viene raggiunta la velocità del suono nella luce di passaggio. In tale condizione, la forza risultante agente sull’anello mobile può abbassarsi immediatamente, e può risultare in inversione del verso della forza.

In figura 3 è rappresentato qualitativamente un tipico andamento della forza F complessiva (in ordinate) che viene esercitata sull’anello, e quindi su tutto il meccanismo di attuazione fino all’attuatore in funzione della ampiezza L della luce di passaggio (in ascisse). Si nota un graduale incremento della forza al decrescere della luce di passaggio per quasi tutto il campo considerato, mentre a valori minimi della luce di passaggio si verifica una brusca caduta dovuta all’effetto dei buchi sul flusso dei gas. Questo rende impossibile un adeguato controllo del distributore a geometria variabile a tali valori della luce di passaggio, limitando l'ampiezza minima ammissibile della luce di passaggio a valori ben superiori a quelli che sarebbe desiderabile poter raggiungere in certe condizioni di funzionamento del motore, generalmente, quindi il controllo operato da sistemi noti non è soddisfacente a piccole aperture della luce di passaggio, La potenza frenante (potenza del freno motore) dei motori di veicoli sovralimentati con turbina a geometria variabile è limitata, come pure la risposta del motore nei regimi transitori di funzionamento.

Sommario

Secondo la presente invenzione, i problemi sopra individuati sono stati risolti eseguendo un abbondante arrotondamento dei bordi a valle, rispetto al flusso del fluido, dei fori di compensazione ai loro sbocco rivolto verso il flusso del fluido.

Secondo un aspetto preferito dell'invenzione, la turbina è una turbina a gas, in particolare una turbina per turbocompressore per motore a combustione interna sovralimentato, turbocompressore e motore che costituiscono ulteriori aspetti dell'Invenzione.

Elenco delle figure

La presente invenzione verrà ora illustrata mediante descrizione dettagliata di forme di realizzazione preferite, ma non esclusive, fornite a puro titolo di esempio, con l'ausilio delle figure allegate di cui:

la figura 1 , già discussa sopra, mostra una vista in sezione longitudinale di una turbina a geometria variabile secondo l'arte nota;

la figura 2, già discussa sopra, mostra schematicamente una vista dalla parte della luce di passaggio dell’anello mobile della turbina a geometria variabile di figura 1;

la figura 3, già discussa sopra, mostra schematicamente un andamento qualitativo della forza che viene esercitata sull’anello mobile, in funzione della posizione di questo in una turbina a geometria variabile con anello mobile con buchi di compensazione secondo l’arte nota;

la figura 4 mostra schematicamente una vista in sezione di un anello mobile di una turbina a geometria variabile secondo la presente invenzione;

la figura 5 mostra schematicamente una vista dalla parte della luce di passaggio dell’anello mobile di una turbina a geometria variabile secondo la presente invenzione;

la figura 6 mostra schematicamente una vista in sezione secondo il piano VI-VI dell’anello mobile di figura 5;

la figura 7 mostra schematicamente una vista dalla parte della luce di passaggio dell’anello mobile di una turbina a geometria variabile secondo un altro aspetto della presente invenzione;

la figura 8 mostra schematicamente una vista in sezione secondo il piano VIII-VIIII dell’anello mobile di figura 7;

la figura 9 mostra schematicamente una vista una vista dalla parte della luce di passaggio dell’anello mobile di una turbina a geometria variabile secondo un ulteriore aspetto della presente invenzione;

la figura 10 mostra schematicamente una vista in sezione secondo il piano X-X dell'anello mobile di figura 9;

la figura 11 mostra schematicamente un andamento qualitativo dello della forza che viene esercitata sull’anello mobile, in funzione della posizione di questo, in una turbina a geometria variabile secondo la presente invenzione.

Descrizione dettagliata di una forma di realizzazione

La turbina a geometria variabile secondo la presente invenzione può essere progettata e costruita in modo analogo a quella secondo l’arte nota descritta sopra, ad eccezione della forma dello sbocco dei buchi di compensazione. In figura 4 è rappresentata in dettaglio una sezione, secondo un piano parallelo alle linee dì flusso del fluido nella luce di passaggio del distributore (che dipende dall'inclinazione delle palette), una turbina a geometria variabile secondo la presente invenzione; è visibile l’anello 25 mobile, rappresentato in una posizione in cui è minima la luce di passaggio nel distributore, ed il flusso dalla voluta alla girante è schematicamente rappresentato dalle frecce 20. Un buco di compensazione 26 è praticato nella parete 19, la cui superficie 18 è rivolta verso la luce 23 di passaggio nel distributore. Lo spigolo 16 che delimita il buco 26 rispetto alla superficie 18 presenta la porzione arrotondata, posta a valle del buco stesso rispetto al flusso del fluido. Secondo un possibile aspetto, non tutto lo spigolo è arrotondato, né la curvatura dell'arrotondamento è uniforme. Il raggio di curvatura dello spigolo può passare gradualmente da 0 (spigolo vivo) o da un minimo nelle zone meno interessate, ad un massimo per esempio nella zona a valle rispetto al centro del buco. Ne risulta una forma della zona arrotondata allungata nella direzione e verso del flusso del fluido. In figura 5 è rappresentata una vista parziale della superficie 18 dell’anello rivolta alla luce di passaggio 23. Si osservano le palette 27 ed i buchi di compensazione 26 colla porzione arrotondata 17 e la freccia 20 ad indicare la direzione de! fluido. Le palette individuano una serie di passaggi 14. Secondo un aspetto preferito è previsto un buco 26 per ogni passaggio 14, posizionato centralmente rispetto alle due palette che delimitano il passaggio. La porzione arrotondata può formare, con la superficie 19 un margine 15 la cui forma può dipendere da come è eseguito l’arrotondamento lungo lo spigolo (per esempio una forma parabolica o ellittica),

È stato trovato che il raggio R di curvatura, nella porzione di spigolo dove è massimo deve preferibilmente superare il 20% della massima larghezza S del buco (non considerando l’arrotondamento) nella direzione media di flusso del fluido nella zona del buco, per ottenere risultati adeguati. Con riferimento alla figura 6, dove è rappresentata la sezione secondo il piano VI-VI di figura 5, si può notare che la dimensione S può essere sostanzialmente il diametro del buco, nel caso di buco a sezione circolare. Nelle figure 7 ed 8 è rappresentata una forma di realizzazione preferita con un abbondante arrotondamento 17' che estende il margine 15' nel verso del flusso. I buchi di compensazione possono avere sezione circolare od altra forma. Essi possono indipendentemente da questo avere pareti interne (non considerando la zona arrotondata) perpendicolari rispetto alla parete dell’anello mobile oppure inclinate. Secondo un possibile aspetto, le pareti possono essere in qualche misura inclinate nella direzione e verso del flusso dei gas. Questo migliora le caratteristiche di compensazione. Nelle figura 9 e 10 è rappresentato un anello con buchi inclinati di sezione diversa da quella circolare.

I buchi possono essere praticati con tecniche note, come pure l’arrotondamento. Essi possono essere realizzati, per esempio, per fresatura a tre assi, mediante frese sferiche o toroidali di diametro uguale o leggermente inferiore a quello del buco di compensazione.

Come neH’arte nota, l’anello mobile può essere palettato, oppure può avere aperture atte ad accogliere le palette di una palettatura fissa opposta. Tutte le soluzioni comunemente adottate nelle turbine a geometria variabile a parete mobile sono adottabili, con le modifiche necessarie. L’anello mobile può essere azionato da attuatori di diverso tipo, come sopra discusso.

La posizione dei buchi di compensazione sull’anello e la loro dimensione, possono essere scelte, come già avviene per l’arte nota, in base alla pressione che si vuole ottenere nella camera dietro l’anello, tenendo presente che nella luce di passaggio la pressione statica è maggiore verso la voluta e minore verso la girante. I buchi possono avere diametro per esempio del 50-90% della larghezza del passaggio tra due palette adiacenti, o dimensioni equivalenti se non circolari, La turbina a geometria variabile secondo la presente invenzione presenta considerevoli vantaggi. Viene eliminata la brusca caduta di pressione determinata dall’ interferenza dei buchi per aperture molto piccole della luce dì passaggio dei gas. In figura 11 è rappresentato schematicamente l’andamento dello sforzo in funzione dell’ampiezza della luce di passaggio in una turbina secondo la presente invenzione. Non verificandosi la caduta di pressione (confrontare la figura 3), è possibile permettere la chiusura della luce di passaggio fino a valori molto più ridotti che secondo l'arte nota, ottenendo per esempio, nel caso di turbine di turbocompressori per motori a combustione interna sovralimentati, maggiore potenza di freno motore e migliore comportamento nei transitori.

Ulteriore vantaggio è la riduzione delle perdite di carico nel distributore, con conseguente migliore rendimento della turbina nel recupero dell’energia del fluido.

Claims

Rivendicazioni 1. Turbina a geometria variabile comprendente una carcassa (22), una girante (4), una voluta (1) di ingresso del fluido la quale circonda detta girante, un distributore palettate interposto tra detta voluta e detta girante atto ad accelerare il flusso di fluido, detto distributore comprendente un anello (25) mobile atto a variare la luce (23) di passaggio attraverso detto distributore ed avente una parete (19) delimitante assialmente detta luce di passaggio, detta parete avente buchi di compensazione (26, 26’) atti a mettere in comunicazione detta luce di passaggio con una camera (12) delimitata tra detta carcassa e detto anello, caratterizzata dal fatto che gli spigoli (16) formati da detti buchi con la superficie (18) di detta parete rivolta verso detta luce di passaggio è arrotondato nella porzione (17, 17’) disposta a vaile del buco rispetto al flusso del fluido.
2. Turbina secondo la rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto la curvatura massima di detto spigolo ha raggio che supera il 20% della massima larghezza (S) dei buco dì compensazione nella direzione media (20) del flusso del gas nella zona del buco.
3. Turbina secondo la rivendicazione 1 o 2, caratterizzata dal fatto che la curvatura deirarrotondamento nella direzione del flusso ha forma parabolica o ellittica.
4. Turbina secondo qualsiasi rivendicazione precedente, caratterizzata dal fatto che il margine (15, 15’) della zona arrotondata è allungato nella direzione del flusso dei gas.
5. Turbina secondo qualsiasi rivendicazione precedente, caratterizzata dal fatto che l’arrotondamento ha geometria ottenibile mediante fresatura a tre assi con fresa sferica.
6. Turbina a gas secondo qualsiasi rivendicazione precedente.
7. Turbina secondo la rivendicazione 6 per turbocompressore per motore a combustione interna sovralimentato.
8. Turbocompressore per motore a combustione interna sovralimentato, comprendente una turbina secondo la rivendicazione 8.
9. Motore a combustione interna sovralimentato per veicoli comprendente un turbocompressore secondo la rivendicazione 8.