MXPA02006864A - Turbo compresor con aletas deslizantes con superficies aerodinamicas y pantalla termica combinadas, y dispositivo de accionamiento axial desacoplado. - Google Patents

Abstract

La invencion se refiere a un turbocompresor que tiene un orificio de entrada de turbina de geometria variable, que incorpora una piston cilindrico movil para variar el area de la boquilla de induccion en la turbina; aletas montadas en el piston para controlar el flujo de la boquilla penetran a traves de una pantalla termica con ranuras que tiene una abertura central, en la que se encuentra integrado el disco trasero de la rueda de turbinas, para proveer un flujo aerodinamico parejo en las aspas de la turbina; una coraza acoplada entre la pantalla termica y un alojamiento central del turbocompresor evita que el gas proveniente de la cavidad del disco trasero sea reciclado en la cavidad que aloja a las aletas, aumentando mas el flujo aerodinamico; un dispositivo de accionamiento axial esta asegurado para operar el piston por medio de un eje, el cual se encuentra acoplado a su vez al piston por medio de una pieza transversal, y esta acoplado a un cubo de accionamiento en el dispositivo de accionamiento por medio de una conexion rapida no roscada.

Description

TURBO COMPRESOR CON ALETAS DESLIZANTES CON SUPERFICIES AERODINÁMICAS Y PANTALLA TÉRMICA COMBINADAS. Y DISPOSITIVO DE ACCIONAMIENTO AXIAL DESACOPLADO ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN CAMPO DE LA INVENCIÓN La presente invención se refiere generalmente a turbocompresores con geometría variable. Más particularmente se provee un turbocompresor que tiene un orificio de entrada de turbina con una boquilla variable con aletas deslizantes, las aletas entran por medio de una pantalla térmica de hoja metálica perforada que está suspendida en el alojamiento de la turbina y que tiene una rueda de turbina integrada en el mismo para proveer una superficie aerodinámica que dirija en flujo de expulsión de gas en una rueda de turbina con un disco trasero sustancialmente completo, una coraza aerodinámica y un dispositivo de accionamiento axial desacoplado para facilitar el montaje.

DESCRIPCIÓN DE LA TÉCNICA RELACIONADA Los turbocompresores de alta descarga utilizan sistemas de geometría variable para los orificios de entrada de boquilla de turbina para mejorar el funcionamiento y la producción aerodinámica. Los sistemas de geometría variable para los turbocompresores han sido generalmente de dos tipos: un tipo con aletas giratorias y un tipo con un pistón. El tipo de aletas giratorias que se ejemplifica en la patente de E.U.A. 5 947 681 , titulada PRESSURE BALANCED DUAL AXLE VARIABLE NOZZLE TURBOCHARGER provee una pluralidad de aletas individuales colocadas en la boquilla de entrada de la turbina, las cuales pueden girar para reducir o aumentar el área de la boquilla y el volumen del flujo. El tipo de pistón, el cual se ejemplifica en las patentes de E.U.A. Nos. 5 214 920 Y 5 231 831 titiladas ambas TURBOCHARGER APPARATUS, y la patente de E.U.A. 5 441 383 titulada VARIABLE ESHAUST DRIVEN TURBOCHARGERS utiliza un pistón o una pared cilindrica que se puede desplazar en forma concéntrica al eje de rotación de la turbina para reducir el área de entrada de la boquilla. En la mayoría de los casos el turbocompresor de geometría variable de tipo pistón incluye aletas con un borde sobresaliente las cuales están fijas con respecto al flujo de aire, que se encuentran montadas en el pistón o en una pared de boquilla estacionaria de cara al pistón y que entran en ranuras en la superficie opuesta durante el desplazamiento del pistón. En los turbocompresores de tipo pistón de geometría variable de la técnica anterior, el reto ha sido mejorar el desempeño aerodinámico balanceado por la tolerancia de las superficies de contacto, principalmente de las aletas y de las ranuras de recepción las cuales están sometidas a una variación extrema de temperatura y a esfuerzo mecánico, así como proveer medios para accionar el pistón de acuerdo con una configuración que sea fácil de fabricar.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN Un turbocompresor que incorpora la presente invención tiene un armazón que tiene un alojamiento de turbina para recibir el gas expulsado desde un cabezal de escape de una máquina de combustión interna en un orificio de entrada y que tiene una salida de escape, un alojamiento de compresor que tiene un orificio de entrada de aire y una primera voluta, y un alojamiento central entre el alojamiento de turbina y el alojamiento de compresor. La rueda de turbina está montada en el alojamiento de turbina para extraer la energía a partir del escape de gas. La rueda de turbina está conectada a un eje que se extiende desde el alojamiento de turbina a través de un agujero de eje en el alojamiento central y la rueda de turbina tiene un disco trasero sustancialmente completo y múltiples aspas. Un soporte montado en el agujero de eje del alojamiento central soporta el eje para el movimiento giratorio y una rueda de aspa se encuentra conectada al eje de cara a la rueda de turbina y alojada en el alojamiento de compresor. Un pistón sustancialmente cilindrico es concéntrico ala rueda de turbina y se puede desplazar en forma paralela al eje de rotación de la rueda de turbina. Una pluralidad de aletas se extienden sustancialmente paralelas al eje de rotación desde un primer extremo del pistón en proximidad con el disco trasero. Una pantalla térmica se encuentra acoplada en su circunferencia externa entre el alojamiento de turbina y el alojamiento central, y se extiende radialmente hacia adentro, hacia el eje de rotación. El disco trasero de la rueda de turbina está integrado en la pantalla térmica para el flujo parejo del gas de escape en las aspas. La pantalla térmica también tiene una pluralidad de ranuras que reciben a las aletas. Se provee un dispositivo de accionamiento para desplazar el pistón desde una primera posición en la que el primer extremo se encuentra en proximidad con la pantalla térmica, hacia una segunda posición en la cual el primer extremo se encuentra lejos de la pantalla térmica.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS Los detalles y las características de la presente invención se entenderán mejor en relación con la descripción detallada y los dibujos en donde: La Figura 1 es una sección transversal elevada de un turbocompresor que utiliza una modalidad de la invención; La Figura 2 es una vista superior de una primera modalidad de la pantalla térmica; La Figura 3 es una vista superior de una segunda modalidad de la pantalla térmica; La Figura 4 es una elevación en sección transversal de una modalidad de la invención con una coraza aerodinámica en asociación con la pantalla térmica; La Figura 5 es una vista despiezada del dispositivo de accionamiento; La Figura 6 es una vista detallada de la conexión rápida entre el conector de tubo giratorio y el ensamble de diafragma.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN En los dibujos, la figura 1 muestra una modalidad de la invención para un turbocompresor 10 que incluye un alojamiento de turbina 12, un alojamiento central 14 y un alojamiento de compresor 16. Una rueda de turbina 18 está conectada por medio del eje 20 a un propulsor 22. La rueda de turbina convierte la energía del gas de escape de una máquina de combustión interna provista con un cabezal de escape (no aparece) con una voluta 24 en el alojamiento de turbina, el gas de escape se expande a través de la turbina y sale del alojamiento de turbina por la salida 26. El alojamiento de compresor incluye un orificio de entrada 28 y una voluta de salida 30. Una placa trasera 32 está conectada con pernos 34 al alojamiento de compresor. La placa trasera se encuentra fija, a su vez, al alojamiento central por medio de peros (no aparecen). Un primer sello anular 36 está acoplado entre la placa trasera y el alojamiento de compresor y un segundo sello anular 38 está acoplado entre la placa trasera y el alojamiento central. Los pernos 40 y las arandelas de fijación 42 conectan el alojamiento de turbina al alojamiento central. Unas chamuceras 50 que están montadas en el agujero del eje 52 del alojamiento central soportan al eje durante la rotación. Un collar de leva 54 que está montado en el eje adyacente al propulsor se acopla a un soporte desviado 56, forzado entre el alojamiento central y la placa trasera en la modalidad ilustrada. Una camisa 58 está acoplada entre el collar de leva y el propulsor. Un sello giratorio 60, como un segmento de pistón, provee un sello entre la camisa y la placa trasera. Un resorte circular 62 impulsa a la chamucera dentro de la ranura y una tuerca 64 impulsa al propulsor y a los componentes de soporte en el eje. El mecanismo de geometría variable de la presente invención incluye un pistón sustancialmente cilindrico 70 que se mueve dentro del alojamiento de turbina, el cual está alineado concéntricamente en el eje giratorio de la turbina. El pistón se puede desplazar longitudinalmente por medio de una pieza transversal 72, que tiene tres ramas en la modalidad ilustrada, estando acoplada al pistón y estando unida a un eje de accionamiento 74. El eje de accionamiento entra en un buje 76 que se extiende a través del alojamiento de turbina y que está conectado a un dispositivo de accionamiento 77. En la modalidad ¡lustrada el dispositivo de accionamiento está montado sobre proyecciones que se encuentran en el alojamiento de turbina utilizando un soporte 78 y pernos 80.

El pistón se desliza en el alojamiento de turbina por medio de una pieza acoplada de baja fricción 82. Un sello cilindrico 84 se encuentra insertado entre el pistón y la pieza acoplada. El pistón se puede desplazar desde una posición cerrada la cual se ilustra en la Figura 1 , reduciendo sustancialmente el área de la boquilla de entrada que se extiende desde la voluta 24 hacia la turbina, en la posición completamente abierta, una proyección radial 86 en el pistón entra a un hueco 88 que define el curso del pistón. Las aletas 90 de la boquilla se extienden desde la proyección radial en el pistón. Cuando el pistón se encuentra en la posición cerrada las aletas están alojadas en la porción hueca de la pieza moldeada del alojamiento central. Una pantalla térmica 92 está acoplada entre el alojamiento de turbina y el alojamiento central. La pantalla tiene una forma adecuada para extenderse en la cavidad del alojamiento de turbina desde la interfaz entre el alojamiento central y el alojamiento de turbina, y para proveer una pared adentro de la boquilla de entrada de la turbina. La rueda de turbina incluye un disco trasero sustancialmente completo y un orificio central 94 (se puede ver mejor en las figuras 2 y 3 como se describirá más adelante) en la pantalla recibe al disco trasero de la rueda de turbina y en una manera integrada para proveer una trayectoria aerodinámica sustancialmente pareja desde la salida de la voluta del alojamiento de turbina hasta la rueda de turbina.

La figura 2 muestra una primera modalidad de la pantalla térmica incluyendo ranuras cerradas 96 para recibir las aletas 90. La circunferencia del orificio 94, en el cual se encuentra integrado el disco trasero de la rueda de turbina, está adentro de la porción de los perfiles de las ranuras que alojan al borde trasero de las aletas. Esta modalidad provee un perfil aerodinámico óptimo pero la producción restringe y las tolerancias entre las ranuras y las aletas puede evitar el uso efectivo de esta modalidad en algunas aplicaciones. La figura 3 muestra una segunada modalidad de la pantalla térmica la cual provee un perfil abierto en el borde trasero de las ranuras, adyacente al orificio central para reducir, hasta cierto punto, los requerimientos de tolerancia de estas ranuras. El perfil de las ranuras se extiende a lo largo y más allá de la superficie externa de las aspas sustancialmente tan lejos como el diámetro del disco trasero de la rueda de turbina, pero el perfil a lo largo de la superficie interna de la aleta termina dejando un orificio, generalmente designado 98, que une a la ranura con el orificio central. En ambas modalidades, el hecho de empotrar la excentricidad del buje de la rueda de turbina y el disco trasero en el orificio central reduce al mínimo el espacio, y el espacio libre de aleta entre los bordes traseros de las aletas y el diámetro del pico de las aletas de turbina de la rueda de turbina. La figura 4 muestra una coraza aerodinámica 100 acoplada entre la pantalla térmica y el alojamiento central. La coraza evita que la recirculación del gas de escape salga de la cavidad del disco trasero de la rueda de turbina hacia el hueco que se encuentra en el alojamiento central el cual aloja a las aletas cuando el pistón se encuentra en la posición cerrada. Al evitar la recirculación desde la cavidad del disco trasero, se impulsa un flujo suave desde la boquilla de entrada hacia las aspas de la rueda de turbina. En la modalidad ilustrada la coraza está fija entre la pantalla térmica y el alojamiento central por la acción de un resorte comparable a una arandela elástica abovedada. El sistema para el accionamiento del pistón en la modalidad ilustrada en los dibujos, es un dispositivo de accionamiento neumático 11 que tiene una base de alojamiento 102 la cual está fija a un soporte 78, según se ilustra en la figura 1. Como se puede ver en la figura 1 y con más detalle en la vista despiezada de la figura 5, un diafragma 104 está acoplado entre la base de alojamiento y una cubierta 106. Una placa de resorte 108 en combinación con la cubierta impulsa un resorte 110 con el propósito de restaurar la fuerza en el diafragma. La cubierta se sostiene en posición por medio de una tapa de dispositivo de accionamiento 112 la cual contiene una entrada de vació 114 con propósitos de accionamiento. Se provee un sello 116 entre la tapa y la cubierta. Un cubo de accionamiento 118 está fijo al diafragma por medio de una arandela elástica 120 que también actúa como una placa para el resorte 110. El cubo de accionamiento está conectado al eje por medio de una conexión rápida 122 la cual se describirá con mayor detalle más adelante. Una conexión central de diámetro pequeño 104 en el eje entra en un agujero contrario 126 en el cubo.

Como se puede ver en la figura 1 , el desplazamiento lineal del eje es utilizado por extensiones diametrales 130 en el eje que entran deslizantemente en un agujero 132 en el alojamiento de turbina. En algunas modalidades se monta un deflector 134 alrededor para evitar las fugas de gas por el buje 76 y apartarlas del dispositivo de accionamiento. La conexión rápida que se ilustra con detalle en las figuras 5 y 6, está hecha de una hoja metálica de forma sustancialmente cilindrica con una ranura longitudinal 140. Los cortes 142 ubicados de manera opuesta en la pared del cilindro proveen espacio para las lengüetas 144 las cuales bajan adentro del cilindro. Un primer conjunto de lengüetas está adaptado para acoplarse en una ranura 146 en el eje mientras que un segundo conjunto de lengüetas está adaptado para acoplarse en una ranura 148 en el cubo de accionamiento. La elasticidad de las lengüetas de hoja metálica y del cilindro perforado permite la inserción del eje y del cubo en la conexión rápida por medio del acoplamiento instantáneo de las lengüetas en las ranuras, superando así la necesidad de alguna conexión roscada entre el eje y el cubo. La conexión de alineación y el núcleo en el cubo mantienen la alineación axial del ensamble. Una ventaja adicional de la configuración de conexión rápida es la posibilidad de remover el dispositivo de accionamiento del turbocompresor sin ningún desarmado significativo y, todavía más importante, en la mayoría de las configuraciones de montaje, sin tener que remover el turbocompresor del vehículo. El soporte 78 se afloja del alojamiento de turbina y se utiliza una herramienta de comprensión para remover las lengüetas de las ranuras y para permitir que el eje y/o el cubo sean retirados de la conexión rápida. En una modalidad alternativa la conexión rápida es una arandela de resorte en forma de estrella que se encuentra introducida en un corte en el cubo de accionamiento. Insertando el eje en el cubo, la arandela de resorte en forma de estrella se acopla a un espaldón en el eje. Se forma un borde circunferencial del corte para fijar la arandela de resorte en forma de estrella en el corte. La segunda modalidad permite una longitud reducida del acoplamiento general. Habiendo descrito la invención al detalle como io requiere la ley de la propiedad industrial, los expertos en la técnica verán modificaciones y sustituciones que se pueden hacer a las modalidades específicas que se describen en la presente. Dichas modificaciones y sustituciones están dentro del alcance y la intensión de la presente invención, según lo definen las siguientes cláusulas.

Claims (7)

NOVEDAD DE LA INVENCIÓN REIVINDICACIONES

1.- Un turbocompresor (10) que comprende: un armazón que tiene un alojamiento de turbina (12) que recibe el gas de escape de un cabezal de escape de una máquina de combustión interna en un orificio de entrada y que tiene una salida de escape, un alojamiento de compresor (16) que tiene una entrada de aire y una primera voluta, un alojamiento central (14) entre el alojamiento de turbina (12) y el alojamiento de compresor (16); una rueda de turbina (18) montada en el alojamiento de turbina (12) y que extrae la energía del gas de escape, dicha rueda de turbina (18) está conectada a un eje (20) que se extiende desde el alojamiento de turbina (12) a través del agujero del eje (52) en el alojamiento central (14) y la rueda de turbina (18) teniendo un disco trasero y múltiples aspas; un soporte (50) está montado en el agujero del eje (52) del alojamiento central (14), dicho soporte soporta al eje (20) para el movimiento giratorio; una rueda de aspa (22) está conectada a dicho eje (20) de cara a la rueda de turbina (18) y está encerrada en el alojamiento de compresor (16); un pistón sustancialmente cilindrico (70), que es concéntrico a la rueda de turbina (18) y es capaz de desplazarse en forma paralela al eje de rotación de la rueda de turbina (18); una pluralidad de aletas (90) se extienden en forma sustancialmente paralela al eje de rotación desde un primer extremo del pistón en proximidad al disco trasero; una pantalla térmica (92) acoplada en su circunferencia externa entre el alojamiento de turbina (12) y el alojamiento central (14) y que se extiende radialmente hacia adentro hacia el eje de rotación, el disco trasero de la rueda de turbina que está alojado en la pantalla térmica (92) para el flujo suave del gas de escape en las aspas, dicha pantalla térmica (92) también tiene una pluralidad de ranuras (96) que reciben a las aletas (90); y medios (77) para desplazar el pistón (70) desde una primera posición en la cual el primer extremo se encuentra en proximidad con la pantalla térmica, hasta una segunda posición en la cual el primer extremo está lejos de la pantalla térmica, caracterizado también porque: una coraza aerodinámica (100) se localiza entre el disco trasero de la rueda de turbina (18) y el alojamiento central (14) y tiene una porción circunferencial externa que se acopla a una porción circunferencial interna de la pantalla térmica (100), dicha coraza aerodinámica tiene una porción circunferencial interna que se acopla al alojamiento central (14) en proximidad con el agujero del eje.

2.- El turbocompresor de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque la pantalla térmica (92) tiene un orificio central en el cual está integrado el disco trasero y en donde la pluralidad de ranuras en la pantalla térmica (92) tiene cada una un borde trasero cerrado en proximidad con el orificio central.

3.- El turbocompresor de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque la pantalla térmica (92) tiene un orificio central en el cual está integrado el disco trasero y en donde la pluralidad de ranuras en la pantalla térmica (92) tiene cada una un perfil que se extiende más allá de una superficie externa de la aleta asociada sustancialmente tan lejos como el diámetro del orifico central, dicho perfil se extiende a io largo de una superficie interna de la aleta asociada terminando en el orificio central dejando un orificio en el borde trasero que conecta con el orificio central.

4.- El turbocompresor de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque los medios para desplazar al pistón comprenden: una pieza transversal (72) que tiene una pluralidad de ramas unidas al pistón, dichas ramas convergen hacia un eje de accionamiento que es concéntrico al eje de rotación; un dispositivo de accionamiento (77) que tiene un cubo de accionamiento (118); y medios de conexión rápida (122) para conectar el eje de accionamiento y el cubo de accionamiento.

5.- El turbocompresor de conformidad con la reivindicación 4, caracterizado además porque el dispositivo de accionamiento es un dispositivo de accionamiento neumático que tiene un diafragma conectado al cubo de accionamiento (118).

6.- El turbocompresor de conformidad con la reivindicación 4, caracterizado además porque los medios de conexión rápida tienen un cilindro hecho de hoja metálica que tiene una ranura longitudinal (140) y por lo menos un par de lengüetas elásticas (144) separadas en una orientación longitudinal opuesta a lo largo del cilindro y que se extienden dentro de éste, una del par de lengüetas está adaptada para acoplarse a una ranura circunferencial (146) en el eje de accionamiento, y la segunda del par de lengüetas está adaptada para acoplarse a una ranura circunferencial (148) en el cubo de accionamiento (118).

7.- El turbocompresor de conformidad con la reivindicación 6, caracterizado además porque el cubo de accionamiento (118) incluye un agujero contrario (126) adaptado para recibir, en una manera de ajuste forzado, una conexión de alineación (124) que se extiende desde el eje de accionamiento.