RO126136A0 - Turbosuflantă pentru motoarele cu ardere internă cu compresor de aer cu doi rotori în opoziţie, având două trepte de compresie - Google Patents

Abstract

Invenţia se referă la o turbosuflantă pentru motoarele cu ardere internă, cu compresor de aer cu două rotoare în opoziţie, având două trepte de compresie. Turbosuflanta conform invenţiei constă în aceea că gazele de ardere provenite de la evacuarea cilindrilor motorului cu combustie internă ajung la nişte intrări (22 şi 23) în nişte turbine (JP şi IP) de joasă presiune şi, respectiv, de înaltă presiune, trecând prin nişte rotoare (3 şi 10) ale turbinelor (JP şi IP), ieşind prin nişte căi (5 şi 9) de evacuare a gazelor arse, ale turbinelor (JP şi IP), urmând ca, după trecerea gazelor arse sub presiune, rotoarele turbinelor să se învârtă, antrenându-se astfel rotoarele (17 şi 18) compresorului, dat fiind că sunt coaxiale cu acestea, prin arborii treptei de joasă presiune şi, respectiv , de înaltă presiune, aerul intrând în compresor printr-un ansamblu (20) de lăgăruire radial-axială faţă arbore compresor (JP), având practicate nişte fante de admisie aer în compresor, apoi rotorul (JP) îl compresează centrifugal, la presiunea corespunzătoare primei trepte de compresiune, fiind deversat direct în treapta de înaltă presiune, unde rotorul acesteia îl compresează centrifugal, mai departe, la presiunea corespunzătoare celei de-a doua trepte de compresiune, după care aerul comprimat părăseşte compresorul spre admisia în cilindrii motorului cu combustie internă, trecând, eventual, şi printr-un sistem de răcire şi control debit.

Description

Invenția se referă la un nou tip de turbosuflantă pentru motoarele cu ardere internă care folosește un nou principiu de compresor de aer în două trepte având doi rotori în opoziție.

Se cunosc soluții constructive și tipuri de turbosuflante pentru motoarele cu ardere internă, aplicate în practică ce utilizează diverse tipuri de compresoare, atât le motoarele Diesel cât și la cele cu injecție directă de benzină.

Motoarele clasice fara turbosuflante folosesc aspirația naturală a aerului în camera de ardere prin depresiunea creată de cursa coborâtoare a pistonului, ca atare aerul care intră în camera de ardere are o presiune absolută de cel mult 1 atm(a) și chiar mai mică daca sunt considerate pierderile aerodinamice de pe traseul de aspirație. Prezeța turbosuflantelor în componența motorelor cu ardere internă are drept scop introducerea forțată și sub presiune a aerului necesar procesului de ardere din cilindri, iar datorită cantității mai mari de oxigen astfel introdusă, poate fi injectată o cantitate mai mare de combustibil ducând la obținerea unei puteri mai mari pe centimetrul cub de cameră de ardere. Rotorul compresorului este antrenat de o rotorul (de regulă coaxial) al unei turbine de gaze care este pusă în mișcare de către gazele de ardere evacuate din cilindri motorului cu ardere internă. Turbina de gaze transformă energia cinetică și termică a gazelor de evacuare în putere mecanică. Turația de funcționare a turbosuflantelor poate fi între 20.000 și 100.000 rotații pe minut (rpm) ceea ce ridică probleme serioase ale lăgăruirilor. Pe de altă parte turațiile extreme de funcționare duce la supraîncălzirea turbosuflantei care în lipsa unor sisteme de răcire funcționale poate duce la arderea uleiului de ungere folosit pentru lubricarea lagărelor. Turbosuflantele trebuie să lucreze satisfăcător și pentru turațiile înalte ale motorului ceea ce cere un volum mare de aer să circule între compresor și cilindri motorului. Debitul de aer dintre compresor și motor este reglat, în mod obișnuit, prin intermediul unei valve de reglare care e complet deschisă la turațiile mari ale motorului. Trecerea bruscă de la o turație mică la una mare determină deschiderea bruscă a acestei valve de reglare ceea ce va provoca un efect de berbece dinspre compresor înspre motor, a aerului eliberat brusc, ceea ce poate duce la limită chiar la distrugerea motorului. Deasemenea pot apărea turbulențe masive în compresor datorită reculului masei de aer eliberată brusc și care se întoarce înapoi în compresor. Această masă de aer brusc

(λ-2 0 0 9 - 0 0 8 2 0 -1 3 -10- 2009

respinsă înapoi către compresor determină o încetinire a turației rotorului turbinei. Dacă iarăși valva de reglare este deschisă brusc atunci va lua mai mult timp turbosuflantei să atingă viteza

A nominală. Pentru a se preveni acest fenomen de ‘Turbo-Intârziere’ există o valvă suplimentară de suprapresiune așezată între compresor și motor.

Pentru prevenirea acestui fenomen, există diverse aranjamente de sisteme de turbosuflante, de pildă sistemul paralel folosește două turbosuflante identice dar mai mici fiecare alimentată cu gaze de ardere de la seturi separate de cilindri ai motorului cu ardere internă, care fiind mai mici ating rotația optimă de funcționare mai repede și deci timpul de reacție al sistemului este mai mic la diverse schimbări ale regimului de funcționare a motorului. Alt aranjament este sistemul secvențial în care se folosesc tot două turbocompresoare (sau un compresor în două trepte) din care unul este funcțional până la o anumită turație a motorului peste care intră în acțiune și cel de-a doua turbosuflantă. Acest sistem secvențial este cel mai potrivit pentru funcționarea corectă a invenției propuse.

Avantajele folosirii turbosuflantelor și sitemelor de turbosuflante la motoarele cu ardere internă sunt:

-Mai multa putere și moment mai mare livrat de către motorul supraalimentat decât cel cu aspirație naturală.

-Eficiență termică mai una față de motoarele cu aspirație naturală.

-Gabarit mai mic al motoarelor pentru aceeași putere livrată.

-Economie de combustibil.

Există și o serie de dezavantaje a turbosuflantelor și sitemelor de turbosuflante clasice:

-Timp de reacție mare dacă turbosuflanta este supradimensionată.

-Existența pragului de compresie, însemnând că turbosuflanta începe să producă presiune doar de la o anumită turație în sus, care să învingă ‘inerția aerodinamică’ a rotorului compresorului care duce la o creștere rapidă și neliniară al cuplului livrat de motor.

-Costul unui motor cu turbosuflantă, evident, este mai crescut.

-Complexitate mai crescută dat fiind că turbosuflanta necesită sisteme adiționale precum sistem de ungere lăgăruiri, sistem de reglaj-retur aer alimentare motor, sistem de răcire etc.

Există numeroase patente de invenții legate de domeniul abordat. Câteva mai semnificative (selectate dintre invențiile brevetate în Statele Unite), sunt prezentate în cele ce urmează foarte pe scurt.

(X-2 0 0 9 - 0 0820-1 3 -ίο- 2009

Patentul US3576102/Aprilie 1971, inventator Floyd G. West, prezintă un sistem de turbosuflante având o valvă de by-pass parțial la ieșirea primei trepte de compresie atunci când motorul funcționează la viteze mari. Sistemul de turbosuflante conține o turbosuflantă de înaltă presiune destinată turațiilor joase ale motorului și o treaptă de joasă presiune care intră în acțiune la turațiile mari ale motorului.

Patentul US3781126/Iunie 1972, inventator E. Benisek, prezintă un compresor de turbosuflantă cu admisie dubla și camere de colectare la admisie care să permită două pasaje distincte de admisie.

Patentul US3941104/Martie 1976, inventator H. Egli, prezintă un sistem multiplu de turbosuflante pentru motoarele cu combustie internă, care ghidează aerul din atmosferă sau amestecul combustibil de la ieșirea de la carburator printr-un sistem de compresoare de joasă și de înaltă presiune către aspirația la cilindri acestuia.

Patentul US4155684/Mai 1979, inventator G. Curiei și colaboratorii, prezintă o turbosuflantă cu două trepte, o treaptă de joasă presiune cu perechea turbină-rotor compresor montate pe același ax și o treapta de înaltă presiune având deasemeni în comun un alt arbore, dar ambii arbori sunt aranjați coaxial unul în altul.

Patentul US4457134/Iulie 1984, inventator H. Deutschmann, prezintă un sistem de turbosuflante cu câteva turbosuflante (patru) conectate în paralel cu turbinele la refularea gazelor de ardere și care pot fi fiecare conectate sau deconectate după cum sunt comandate de o unitate de control electronic, funcție de necesitățile regimului de funcționare a motorului.

Patentul US4474007/Octombrie 1984, inventator S. Kronogard, prezintă un tip de turbosuflantă cu rotor combinat pentru compresor și pentru turbină având carcasa solidară cu blocul motor al motorului, fiind o soluție de compactizare a agregatului.

Patentul US4490622/Decembrie 1984, inventator N. Osbom, prezintă un sistem de turbosuflantă format din o turbosuflantă, formată la rândul ei dintr-un rotor de compresor și unul de turbină montate pe același ax, lagăruite cu rulmenți astfel aranjați încât să facă ansamblul foarte compact.

Patentul US4496291/Ianuarie 1985, inventator J. Grimmer, prezintă un aranjament de sistem de turbosuflante (două), incluzând componentele turbinelor, conectate în serie, care transformă energia gazelor de ardere în energie mecanică pentru antrenarea rotorilor compresoarelor, așezate in serie cât și în paralel.

ι>--2 0 0 9 - 0 0 8 2 0 - 1 3 -10- 2009

Patentul US4616482/Octombrie 1986, inventator S.O. Kronogard și echipa, prezintă un sistem de turbine și un compresor care include două turbine conectate în serie dintre care una acționează compresorul iar cealaltă transfera energia mecanică spre ieșirea din motor participând la bilanțul energetic al acestuia. A treia turbină destinată manipulării radiale a gazului poate fi poziționată între cele două.

Patentul US4753076/Iunie 1988, inventator H. Deutschmann și echipa, prezintă un sistem de supraalimentare cu o turbosuflantă în două trepte format din două grupuri de supraalimentare fiecare alcătuit din câte o turbosuflantă de joasă și de înaltă presiune care să alimenteze cu aer cilindri unui motor cu combustie internă.

Patentul US5025629/Iunie 1991, inventator W.Wollenweber, prezintă un tip de turbosuflantă de înaltă presiune echipată cu un compresor în două trepte cu palete rotorice cu geometrie variabilă astfel încât presiunea livrată să fie adaptată la necesitățile de consum ale motorului.

Patentul US6062028/Mai 2000, inventator S.D.Amold, prezintă o soluție interesantă de turbosuflantă echipată cu un compresor în două trepte dar al cărui rotor este comun celor două trepte, paletele fiind așezate spate în spate și orientate către treapta pe care o deservește.

Patentul US6062028/Februarie 2002, inventator J.R. Gladden, prezintă o metodă deasemeni interesantă de configurare a așezării spațiale a rotorilor unui compresor de turbosuflantă în două trepte astfel încât evacuarea din treapta de joasă presiune, printr-o carcasă originală, să fie foarte rapid dirijată către rotorul treptei de înaltă presiune.

Patentul US6792755/Septembrie 2004, inventator S.D. Amold, prezintă o turbosuflantă cu un compresor în doua trepte co rotorii așezați tot spate în spate pe același ax, având o carcasă astfel concepută încât să livreze evacuarea primei trepte în admisia treptei a doua.

Invenția propusă introduce un nou concept de compresor cu două trepte de compresie cu rotorii în opoziție care să beneficieze de o carcasă comună, simplificând construcția echipamentului. Deasemenea rezolvă problema timpului de reacție a treptei de înaltă presiune la creșterea bruscă a turației, drept care este recomndabil ca rotorul turbinei de înaltă presiune să fie alimentat complet separat cu un debit de gaze de ardere provenite de la motor prin intermediul unei valve de reglare controlate electronic de sistemul de control al motorului. Pentru a fi totuși acoperitoare în termeni de revendicări, se poate afirma că alimentarea turbinelor și evacuarea gazului de ardere de la acestea pot fi separate sau comune. Modul de control și reglaj al funcționării echipamentului propus prin invenție este în afara scopului acesteia.

Ο Ο 9 - Ο Ο 8 2 Ο -1 3 ΊΟ- 2009

Invenția propusă vine cu două variante de turbosuflantă în două trepte cu rotori în opoziție, și anume prima în care arborii de acționare ai rotorilor compresorului sunt așezați unul în altul rezultând o construcție mai compactă și, cea de-a doua variantă, considerată mai ‘clasică’ are arborii de acționare așezați separat, în poziții opuse reciproc, așa cum se va vedea în figurile de mai jos.

Prima variantă este descrisă în Figurile 1, 2 și 3. în Figura 1 este prezentată o secțiune prin echipamentul propus, în Figura 2 este prezentată o vedere tridimensională iar în Figura 3 o secțiune tridimensională a turbosuflantei propuse în Varianta 1.

în aceste figuri se pot vedea: 1- Ansamblu lagăruire radial-axială spate arbore compresor Joasă Presiune (JP); 2-Stuț alimentare lichid răcire ansamblu lagăruire radial-axială spate arbore compresor JP; 3-Rotor turbină treapta de Joasă Presiune; 4-Carcasă turbină; 5-Cale evacuare gaze ardere a turbinei JP; 6-Lăgăruire axială spate arbore treapta înaltă Presiune (IP); 7-Incintă curgere fluid răcire lăgăruire axială arbore treapta IP; 8-Ansamblu lagăruire axială spate arbore compresor IP; 9- Cale evacuare gaze ardere a turbinei IP; 10-Rotor turbină treapta de înaltă Presiune ; 11-Ansamblu lagăruire radial-axială față arbore compresor IP; 12-Incintă curgere fluid răcire lăgăruire radial-axială față arbore compresor IP; 13-Lăgăruire axial-radială față arbore treapta înaltă Presiune (IP); 14-Carcasă Compresor; 15-Rotor treapta IP a compresorului; 16Arbore treapta IP; 17-Arbore treapta JP; 18-Rotor treapta JP a compresorului; 19-Capac Carcasă compresor; 20-Ansamblu lagăruire radial-axială față arbore compresor Joasă Presiune (JP) având practicate fante de admisie aer în compresor; 21-Lăgăruire axial-radială față arbore treapta Joasă Presiune (JP); 22-Intrare gaze arse treaptă turbină IP; 23-Intrare gaze arse treaptă turbină JP.

Gazele de ardere provenite de la evacuarea cilindrilor motorului cu combustie internă ajung la intrarea în turbinele JP și IP, respectiv 23 și 22, vor trece apoi prin rotorii turbinelor JP și IP, respectiv 3 și 10, și vor ieși prin căile de evacuare gaze arse turbinele JP și IP, respectiv 5 și 9. Urmare a trecerii gazelor arse calde și sub presiune, rotorii turbinelor se vor roti. Rotindu-se vor antrena rotorii compresorului dat fiind că sunt coaxiali cu aceștia, arborii treptei de JP și IP, respectiv 18 și 17, fiind introduși unul în altul. Aranjamentul rotorilor și arborilor JP și IP sunt dați ca detaliu în Figura 4. Sensul de rotire al rotorilor compresorului (și implicit al rotorilor turbinelor) poate fi reciproc opus sau pot avea același sens așa cum se poate vedea în Figura 5 și, respectiv, Figura 6. Turația relativă a celor doi rotori poate fi aceeași, sau diferite în funcție de (L

Λ-1 Ο Ο 9 - Ο Ο 82 Ο - I 3 -10- 2009 regimul de funcționare a motorului. De pildă, într-un sistem secvențial, așa cum a fost descris mai sus, gazele de ardere, printr-un sistem de control oarecare, pot fi dirijate către turbina de înaltă presiune numai de la o anumită turație a motorului în sus, moment în care această treaptă a compresorului intră în funcțiune. în Figura 7 este exemplificat rotorul treptei de IP a compresorului, iar în Figura 8 sunt date diverse posibile variante de rotor de IP al compresorului, fiecare având avantajele și dezavantajele ei.

Lăgăruirile pot fi de două tipuri, așa cum este prezentat în figurile 1 și 3, se pot folosi rulmenți de înaltă precizie în combinații radial-axiale diverse (1, 6,13,21) pentru fiecare arbore în parte, iar datorită sensibilității funcționării acestora la gradienții termici existenți în turbină și datorați gazelor de ardere calde, lăgăruirile se pot răci prin conducte și incinte special practicate în ansamblurile de lagăruire (2,7,12). Mai puțin sensibile la gradienții de temperatură sunt lagărele cu ungere dar în acest caz conductele de răcire vor trebui să joace rol de conducte de ungere prin care uleiul de ungere să acceadă în zona lagărelor.

Aerul intră în compresor prin 20-Ansamblu lagăruire radial-axială față arbore compresor Joasă Presiune (JP) având practicate fante de admisie aer în compresor, apoi rotorul JP îl compresează centrifugal la presiunea corespunzătoare primei trepte de compresiune fiind deversat direct în treapta de IP unde rotorul acesteia îl compresează centrifugal mai departe la presiunea corespunzătoare celei de-a doua trepte de compresiune, după care aerul comprimat părăsește compresorul spre admisia în cilindri motorului cu combustie internă trecând eventual și printr-un sistem de răcire și de control debit.

în figurile 9,10, 11, 12 se poate vedea Varianta 2 a invenției propuse, compuse din: 1- Evacuare gaze ardere turbina JP; 2-Rotor compresor JP; 3-Lăgăruire radial-axială rotor compresor JP; 4Placă presiune lagăr axial rotor compresor JP; 5- Lagăr axial rotor compresor JP; 6-Lăgăruire radială și sistem admisie aer în compresor; 7-Lagăr radial JP; 8-Capac carcasă compresor; 9Rotor turbină treapta de Joasă Presiune; 10- Rotor turbină treapta de înaltă Presiune; 11-Carcasă compresor; 12-Lăgăruire arbore compresor IP;

Gazele de ardere provenite de la evacuarea cilindrilor motorului cu combustie internă ajung la intrarea în turbinele JP și IP, vor trece prin rotorii turbinelor JP și IP, și vor ieși prin căile de evacuare gaze arse turbinele JP (1) și IP. Urmare a trecerii gazelor arse sub presiune turbinele se vor roti. Rotindu-se vor antrena rotorii compresorului dat fiind că sunt coaxiali cu aceștia, prin intermediul arborilor treptei de JP și IP. Aranjamentul rotorilor și arborilor JP și IP e dat ca

Λ-2 0 0 9 - Ο 0 8 2 ϋ - 1 3 -10- 2009 detaliu în Figura 12. Sensul de rotire al rotorilor compresorului poate fi reciproc opus sau pot avea același sens așa cum se poate vedea în Figura 5 și, respectiv, Figura 6. Turația relativă a celor doi rotori poate fi aceeași, sau diferite în funcție de regimul de funcționare a motorului. în Figura 7 este exemplificat rotorul treptei de IP a compresorului, iar în Figura 8 sunt date diverse posibile variante de rotor de IP al compresorului, fiecare având avantajele și dezavantajele ei. Lăgăruirile pot fi de două tipuri, așa cum este prezentat în figuri se pot folosi lagăre de ungere în combinații radial-axiale diverse (3, 4, 5, 6, 7) cu sistemul aferent de ungere sau pot fi folosiți rulmenți de înaltă precizie cu sistemul aferent de răcire.

Aerul intră în compresor prin 6-Lăgăruire radială și sistem admisie aer în compresor având practicate fante de admisie aer în compresor și conducte de aducțiune aer, apoi rotorul JP îl compresează centrifugal la presiunea corespunzătoare primei trepte de compresiune fiind deversat direct în treapta de IP unde rotorul acesteia îl compresează centrifugal mai departe la presiunea corespunzătoare celei de-a doua trepte de compresiune, după care aerul comprimat părăsește compresorul spre admisia în cilindri motorului cu combustie internă trecând eventual și printr-un sistem de răcire și de control debit.

Claims (8)

1. Revendicări

   Prin prezentul brevet de invenție se revendică următoarele :

   1. O turbosuflantă având două trepte de compresie, una de Joasă Presiune și alta de înaltă

   Presiune, caracterizată prin aceea că e alcătuită din :

   a. O carcasă comună care să adăpostească rotorii compresorilor, rotorii turbinelor și arborii de antrenare a acestora,

   b. Un rotor cu palete pentru turbina corespunzătoare treptei de înalta Presiune a compresorului,

   c. Un rotor cu palete pentru turbina corespunzătoare treptei de Joasă Presiune a compresorului,

   d. Un rotor cu palete corespunzătoare treptei de înalta Presiune a compresorului,

   e. Un rotor cu palete corespunzătoare treptei de Joasă Presiune a compresorului,

   f. Rotorii compresorului corespunzătoare treptelor de JP și IP așezați unul deasupra altuia într-o astfel de configurație încât aerul comprimat de la treapta de JP să intre direct în rotorul compresorului treptei de IP,

   g. Rotorii compresorului și a turbinelor pentru treptele JP și IP, cu sensuri opuse de rotație,

   h. Rotorii compresorului de JP și IP (și a turbinelor cu care sunt solidari) având aceeași turație,

   i. Paletele rotorilor compresorului și turbinelor având diferite profile care să fie potrivite funcției compresorului de comprimare centrifugală a aerului și a turbinei de transformare a energiei gazelor de ardere în energie cinetica (mișcare de rotație),

   j. Arbori comuni pentru rotorii turbinelor și compresoarelor de IP și, respectiv, JP, care sunt dispuși unul în altul,

   k. Admișii separate ale gazului de ardere provenind de la evacuarea motorului cu ardere internă pentru antrenarea rotorilor turbinelor de IP sau/și JP,

   l. Evacuări separate ale gazului de ardere ieșind din turbinele de antrenare a turbosuflantei, ^-2009-0002^-1 3 -10- 2009

   m. Lagaruiri cu rulmenți.
2. 2. O turbosuflantă așa cum e descrisă la Revendicarea 1, caracterizată prin aceea că există o carcase separate care să adăpostească rotorii compresorilor și rotorii turbinelor,
3. 3. O turbosuflantă așa cum e descrisă la Revendicarea 1 sau 2, caracterizată prin aceea că rotorii compresorului și a turbinelor pentru treptele JP și IP au același sens de rotație,
4. 4. O turbosuflantă așa cum e descrisă la Revendicarea 1 sau 2 sau 3, caracterizată prin aceea că Rotorii compresorului de JP și IP (și a turbinelor cu care sunt solidari prin arbori comuni) au turații diferite,
5. 5. O turbosuflantă așa cum e descrisă la Revendicarea 1 sau 2 sau 3 sau 4, caracterizată prin aceea că arborii comuni pentru rotorii turbinelor și compresoarelor de IP și, respectiv, JP, sunt așezați separat, poziționați în opoziție,
6. 6. O turbosuflantă așa cum e descrisă la Revendicarea 1 sau 2 sau 3 sau 4 sau 5, caracterizată prin aceea că au admișii comune ale gazului de ardere provenind de la evacuarea motorului cu ardere internă pentru antrenarea rotorilor turbinelor de IP sau/și
7. 7. O turbosuflantă așa cum e descrisă la Revendicarea 1 sau 2 sau 3 sau 4 sau 5 sau 6, caracterizată prin aceea că au evacuări comune ale gazului de ardere ieșind din turbinele de antrenare a turbosuflantei,
8. 8. O turbosuflantă așa cum e descrisă la Revendicarea 1 sau 2 sau 3 sau 4 sau 5 sau 6 sau 7 cu lagaruiri cu lagare cu ungere.