Turbina de geometría variable.

Turbina de geometría variable que comprende un alojamiento (22),

un rotor de turbina (4), una entrada de fluido(1) que rodea dicho rotor de turbina, una tobera con álabes interpuesta entre dicha entrada de fluido y dicho rotor deturbina concebida para acelerar el flujo de fluido, comprendiendo dicha tobera un anillo ajustable en sentido axial(25) concebido para hacer que varíe el hueco de tobera (23) y que tiene una pared (19) que delimita en sentido axialdicho hueco de tobera, teniendo dicha pared unos orificios de compensación (26, 26') que conectan dicho hueco detobera con una cámara (12) delimitada por dicho alojamiento y dicho anillo, caracterizada por que los bordes (16),formados por dichos orificios con la superficie (18) de dicha pared orientada hacia dicho hueco de tobera, estángenerosamente redondeados en la porción (17, 17') que se encuentra aguas abajo del orificio con respecto al flujode fluido.

Turbina de geometría variable

Campo de la invención [0001] La presente invención se refiere a una turbina de geometría variable, en particular para un turbocompresor para un motor de combustión interna sobrealimentado, y a dicho turbocompresor y motor.

Técnica anterior

Las turbinas de geometría variable (VGT) conocidas tienen una entrada de fluido de accionamiento en forma de una voluta que rodea el rotor de turbina, y una tobera anular con álabes que se encuentra entre dicha voluta de entrada y el rotor de turbina. En las VGT del tipo de “pared móvil”, el hueco de tobera puede ajustarse en sentido axial para controlar la potencia de la turbina y, en el caso de los turbocompresores de VGT para motores de combustión interna sobrealimentados, la presión de retorno en el colector de escape del motor (esto es útil, en particular, cuando se usa como freno de escape) . Un ejemplo de una turbina de geometría variable conocida se da a conocer en el documento EP 0654587.

La figura 1 muestra una VGT de “pared móvil” típica. La figura representa una sección longitudinal, de acuerdo con un plano que contiene el eje 10 del rotor de turbina 4 (que no se muestra en sección) . La voluta de entrada de fluido se designa mediante 1. El hueco de tobera anular que permite el fluido que fluye desde la voluta de entrada hasta el rotor de turbina se designa mediante 3, un álabe de la tobera mediante 7. Los álabes están fijos al anillo ajustable en sentido axial 5, con predisposición a trasladarse en la dirección de la flecha A. El movimiento en 25 una dirección reduce el hueco de tobera, el movimiento en la dirección opuesta aumenta el mismo. Cuando el anillo ajustable se mueve en la dirección de cierre, la red de álabes se aloja en el interior de la cavidad anular 11 provista en el alojamiento de turbina 2; puede concebirse una cubierta perforada 8 con unas ranuras que se corresponden con la forma de la red de álabes para impedir que el flujo de fluido evite el hueco de tobera. Como alternativa, puede proporcionarse una configuración que presenta una red de álabes fija sobre la pared opuesta al anillo ajustable en sentido axial, y presentando el anillo ajustable en sentido axial unas ranuras para alojar los álabes. El anillo ajustable puede estar configurado como un émbolo anular, que está alojado en el interior de una cámara anular 12, capaz de salir y de extenderse al interior del hueco de tobera; se colocan unos medios de sellado 13, tales como un anillo de sellado exterior y uno interior, entre el anillo ajustable y las paredes de la cámara. Un sistema de accionamiento (que no se muestra) se proporciona para controlar la posición axial del anillo ajustable de acuerdo con los requisitos. El 35 accionador puede ser neumático, hidráulico o eléctrico, comprendiendo posiblemente unos resortes de recuperación, y puede colocarse en el interior de, o de forma externa a, los alojamientos de VGT. Este puede actuar, por ejemplo, a través de unas varillas (que no se muestran) que se extienden a lo largo de la dirección de movimiento del anillo ajustable en sentido axial, acopladas dichas varillas con el anillo 5 sobre el lado orientado hacia la cámara anular 12. Las varillas (o cualquier sistema de guiado similar) pueden evitar la rotación del anillo ajustable alrededor del eje 10, la cual se causaría por fuerzas de fluido contra los álabes inclinados. El accionador debe contener la fuerza de recuperación ejercida por la presión de fluido sobre el anillo ajustable en sentido axial, la cual puede ser de una magnitud considerable. Con el fin de reducir la carga de recuperación sobre el accionador y el mecanismo de accionamiento, comúnmente se proporcionan unos orificios de compensación 6 sobre la pared axial del anillo ajustable, normalmente un orificio para cada paso de fluido entre dos álabes consecutivos, tal como se muestra en la 45 figura 2, con el fin de compensar la presión entre el hueco de tobera 3 y la cámara 12.

En las turbinas accionadas por gases de escape, el tamaño de los orificios de compensación debe hacerse coincidir para permitir una transmisión apropiada de las ondas de presión de escape generadas por los motores alternativos, tal como los motores de combustión interna convencional. De otro modo, las ondas de presión podrían generar un desgaste por vibración sobre la totalidad del mecanismo de accionamiento de VGT, y sobre otros miembros tales como juntas y bujes. Además, las ondas de presión pueden provocar una oscilación significativa del mecanismo de accionamiento, por lo menos con ciertos tipos de accionadores, en particular los neumáticos y eléctricos. Para mantener la vibración y oscilación a un nivel aceptable, el tamaño de los orificios de compensación ha de ser relativamente grande, su diámetro puede alcanzar hasta un 90% de la anchura de paso de fluido. Esto 55 incluye la desventaja de que los orificios de compensación dan lugar a una perturbación considerable para el flujo de fluido a través del hueco de tobera. La reducción en el hueco de tobera, estrechando respectivamente el paso de fluido entre álabes consecutivos, aumenta la interferencia de los orificios con el flujo de fluido. En huecos de tobera muy estrechos, el área de flujo restante en el hueco de tobera se vuelve menor que el área total del conjunto de orificios de compensación. En tal estado, los orificios de compensación representan unos sumideros significativos para el flujo, conduciendo a una expansión del flujo de fluido al interior de los orificios, a su vez los bordes de aguas abajo de los orificios de compensación se vuelven unos obstáculos significativos fluidodinámicos.

En los conjuntos de compensación de presión conocidos, los orificios de compensación se mecanizan o se cortan por láser, y tienen (en una vista fluidodinámica) unos bordes relativamente afilados, a pesar de que puede 65 proporcionarse una pequeña broca de avellanar con el fin de retirar las rebabas. La porción de aguas abajo de tales bordes de orificio de compensación puede provocar, por lo tanto, una separación de flujo, lo que conduce a una caída de presión poco deseable en el paso de flujo aguas abajo del orificio y, por lo tanto, a una reducción en la fuerza de recuperación ejercida sobre el anillo ajustable. Este efecto se vuelve más obvio en huecos de tobera pequeños y en un estado de flujo estrangulado, en el que la velocidad del sonido se alcanza en el hueco de tobera. En dicho estado, la fuerza de recuperación resultante que actúa sobre el anillo ajustable en sentido axial puede caer

abruptamente, y puede acabar en una dirección de fuerza invertida.

En la figura 3, la fuerza de recuperación F (en ordenadas) que actúa típicamente sobre el anillo ajustable, y a partir de allí sobre la totalidad del mecanismo de accionamiento, se representa cuantitativamente como una función del hueco de tobera L (en abscisas) . A medida que disminuye el hueco de tobera, un aumento gradual de la fuerza de recuperación se observa para casi la totalidad del intervalo ajustable, mientras que en un hueco de tobera estrecho la fuerza se colapsa debido a la interferencia de los orificios con el flujo de fluido. El control seguro de la tobera de geometría variable en tales huecos de tobera pequeños se vuelve, por lo tanto, imposible, limitando el mínimo hueco de tobera admisible a unos valores mucho más altos que los que serían deseables bajo unas condiciones de funcionamiento particulares. En términos generales, el control de los sistemas conocidos es poco satisfactorio en huecos de tobera pequeños. La potencia de frenado turbo (potencia de frenado de motor) de los motores de vehículos sobrealimentados por VGT está, por lo tanto, limitada, así como la respuesta del motor en unas condiciones de funcionamiento transitorias.

Sumario [0007] De acuerdo con la presente invención, los problemas expuestos anteriormente se han resuelto mediante una turbina de geometría variable de acuerdo con la reivindicación 1, mediante la aplicación de un generoso redondeado sobre los bordes de aguas abajo de los orificios de compensación, en las bocas de orificio de compensación orientadas hacia el flujo de fluido.

De acuerdo con una realización preferida de la invención, la turbina es una turbina de gas y es, en particular, una turbina de un turbocompresor para un motor de combustión interna sobrealimentado, siendo dicho turbocompresor y motor unos aspectos adicionales de la invención.

Lista de las figuras [0009] La presente invención se ilustrará a continuación mediante una descripción detallada de realizaciones preferidas pero no limitantes, dada para fines de ejemplo, con la ayuda de las figuras adjuntas, de las cuales:

la figura 1, ya analizada anteriormente,... [Seguir leyendo]

1. Turbina de geometría variable que comprende un alojamiento (22) , un rotor de turbina (4) , una entrada de fluido (1) que rodea dicho rotor de turbina, una tobera con álabes interpuesta entre dicha entrada de fluido y dicho rotor de 5 turbina concebida para acelerar el flujo de fluido, comprendiendo dicha tobera un anillo ajustable en sentido axial

(25) concebido para hacer que varíe el hueco de tobera (23) y que tiene una pared (19) que delimita en sentido axial dicho hueco de tobera, teniendo dicha pared unos orificios de compensación (26, 26’) que conectan dicho hueco de tobera con una cámara (12) delimitada por dicho alojamiento y dicho anillo, caracterizada por que los bordes (16) , formados por dichos orificios con la superficie (18) de dicha pared orientada hacia dicho hueco de tobera, están generosamente redondeados en la porción (17, 17’) que se encuentra aguas abajo del orificio con respecto al flujo de fluido.

2. Turbina de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizada por que la curvatura de redondeo máxima (17, 17’) de dicho borde supera un radio (R) que representa un 20% de la anchura máxima del orificio de compensación (S) en la 15 dirección de flujo promedio (20) a través del área del orificio.

3. Turbina de acuerdo con las reivindicaciones 1 y 2, caracterizada por que la curvatura de redondeo en la dirección de flujo (20) tiene esencialmente una forma parabólica o elíptica.

4. Turbina de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada por que el límite (15, 15’) del área redondeada está alargado en la dirección del flujo de fluido.

5. Turbina de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada por que el redondeado tiene una geometría tal como puede conseguirse mediante fresado triaxial con cortadoras radiales. 25

6. Turbina de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que dicha turbina es una turbina de gas.

7. Turbina de acuerdo con la reivindicación 6, para turbocompresores de motores de combustión interna 30 sobrealimentados.

8. Turbocompresor para un motor de combustión interna sobrealimentado que incluye una turbina de acuerdo con la reivindicación 7.

9. Motor de combustión interna sobrealimentado para vehículos que incluye un turbocompresor de acuerdo con la reivindicación 8.