BRPI0714971A2 - alojamento de turbina para uma turbina de fluxo radial, turbina turbocarregador, e, mÉtodo para moldar um alojamento de turbina - Google Patents
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Abstract
ALOJAMENTO DE TURBINA PARA UMA TURBINA DE FLUXO RADIAL, TURBINA, TURBOCARREGADOR, E, MÉTODO PARA MOLDAR UM ALOJAMENTO DE TURBINA. É descrito um alojamento de turbina (13) para uma turbina de fluxo radial, particularmente uma turbina usada em um turbocarregador de gás de exaustão, O alojamento tem uma forma geral de uma voluta com uma parte substancialmente anular estendendo-se em tomo do eixo geométrico da turbina e um duto de entrada (20) estendendo-se a partir dele. O duto de entrada (20) tem uma primeira parede voltada para a parte da superficie externa da parte anular do alojamento, um par de membranas espaçadas (44) estendendo-se a partir da superficie externa da parte circular do alojamento até a primeira parede, as membranas definindo um vale (45) entre elas. O arranjo torna o alojamento mais rígido e menos propenso a trincamento por fadiga.
Description
"ALOJAMENTO DE TURBINA PARA UMA TURBINA DE FLUXO RADIAL, TURBINA, TURBOCARREGADOR, E, MÉTODO PARA MOLDAR UM ALOJAMENTO DE TURBINA"
A presente invenção diz respeito a um alojamento para uma turbina de fluxo radial e, mais particularmente, mas não exclusivamente, a uma turbina como esta incorporada em um turbocarregador de gás de exaustão.
O turbocarregador é um dispositivo bem conhecido para suprir ar na admissão de um motor de combustão interna a pressões acima da atmosférica (pressões de intensificação) e é amplamente usado em automóveis e similares. Um turbocarregador convencional está mostrado na figura 1, e compreende uma roda de turbina de fluxo radial acionada por gás de exaustão 10 montada rotacionalmente em uma extremidade de um eixo do turbocarregador 11 e uma roda propulsora do compressor 12 montada na outra extremidade do eixo. Ambas as rodas 10, 12 são recebidas nos respectivos alojamentos: o alojamento da turbina 13 tendo uma entrada de gás de exaustão 14 e saída 15 e o alojamento do compressor 16 tendo uma entrada de ar 17 e uma voluta de saída de ar comprimido 18. A passagem de gás de exaustão através do alojamento da turbina serve para colocar a roda da turbina em rotação que, por sua vez, provoca rotação do propulsor do compressor 12 dentro de seu alojamento de maneira tal que ele distribua ar comprimido no coletor de admissão (não mostrado) do motor de combustão interna, aumentando assim a potência do motor.
A roda da turbina de uma turbina de fluxo radial é montada dentro do alojamento da turbina 13 (mostrada pelo exterior da figura 2) de maneira tal que haja uma passagem anular 19 (figura 1) definida por uma folga entre a periferia da roda da turbina IOeo lado de dentro do alojamento, e uma saída axial no geral cilíndrica 15 que estende-se a partir da roda da turbina. A passagem anular 19 é conectada a um duto de entrada 20 formado no alojamento e que estende-se em uma direção que é aproximadamente tangencial com a passagem anular. O duto de entrada 20 tem um flange que estende-se para fora 21 na sua extremidade aberta para conexão a um coletor de exaustão. Gás de exaustão admitido no duto de entrada 20 escoa para a saída 15 através da roda da turbina 10 e da passagem anular 19, acionando assim a roda da turbina 10. o arranjo do duto de entrada 20, passagem anular
19 e saída 15 dá ao exterior do alojamento da turbina uma aparência de voluta ou espiral.
Durante operação do turbocarregador, o alojamento da turbina é sujeito a repetidos ciclos de aquecimento e resfriamento. Quando é dada partida no motor a frio, o alojamento da turbina está geralmente à temperatura ambiente, mas esta aumenta significativamente durante operação normal, particularmente quando sob alta carga, fazendo assim com que o alojamento se expanda. Depois que o motor é desligado, o alojamento começa resfriar e contrair. A expansão e contração repetida do alojamento tornam-no propenso ao trincamento por fadiga térmica, particularmente em áreas onde as taxas de expansão e contração podem ser diferentes. Uma área particular de preocupação é o filete 22 (figura 2) onde o duto de entrada 20 se une ao resto da voluta, normalmente conhecido como "queixo" do alojamento. Altas tensões térmicas são desenvolvidas nesta interseção já que, com efeito, o duto
tende "se desenrolar" da voluta.
A maneira mais simples e mais evidente de melhorar a vida em fadiga é aumentar o tamanho do raio do queixo, tornando assim a transição entre a voluta e a entrada o mais gradual possível, entretanto, isto nem sempre é possível por causa de limitações de espaço.
Alojamentos de turbina deste tipo são em geral formados por uma operação de moldagem usando um molde de moldagem com uma abertura retangular. O processo de moldagem faz com que uma saliência de alimentação de moldagem 23 seja formada pela abertura na superfície externa do alojamento, adjacente ao queixo 22. Têm sido feitas tentativas de preencher a área de queixo com material, por exemplo, provendo uma membrana de suporte que preenche a área entre a saliência 23 e o exterior do duto de entrada 20 na área do queixo 22. Isto tem induzido a um menor trincamento por fadiga pelo enrijecimento do alojamento na área do queixo e também tem a vantagem de que fornece uma "ponte" de moldagem que age como um trajeto de alimentação direto para o grande volume de material fundido necessário no processo de moldagem para formar o flange 21 no duto de entrada. Entretanto, observou-se que o volume absoluto de material necessário faz com que sejam induzidas tensões adicionais e, em alguns casos, isto tem causado distorção e tensão do flange.
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E um objetivo da presente invenção fornecer um alojamento melhorado para uma turbina de um turbocarregador.
De acordo com um primeiro aspecto da presente invenção, é provido um alojamento de turbina para uma turbina de fluxo radial que tem um eixo geométrico de rotação, o alojamento compreendendo uma forma no geral de uma voluta com uma parte substancialmente anular, ou anular, estendendo-se em torno do eixo geométrico e um duto de entrada estendendo- se a partir dele, o duto de entrada tendo uma primeira parte voltada para parede da parte anular do alojamento, pelo menos duas membranas separadas, cada membrana estendendo-se a partir da superfície externa da parte substancialmente anular, ou anular, do alojamento até a primeira parede, as membranas definindo um vale entre elas.
A conexão do duto de entrada no resto do volume pelas membranas separadas torna o alojamento suficientemente rígido para evitar trincamento por fadiga sem conferir tensões térmicas adicionais.
Deve-se perceber que pode haver mais do que apenas duas
membranas.
As membranas podem ser formadas integralmente com o alojamento e podem aumentar de espessura da parte anular até o duto de saída. As membranas podem inicialmente diminuir de espessura ao longo de seus comprimentos e em seguida aumentar de espessura antes de se unirem no duto de entrada. Elas podem ser divergentes na mesma direção. As membranas podem aumentar de espessura em direção à base do vale.
O vale é definido pelas declividades arqueadas nas superfícies confrontantes da membrana.
A primeira parede do duto de entrada pode ser arqueada.
Pode haver uma declividade arqueada na dita primeira parede estendendo-se até uma boca da abertura da base do vale.
A boca da entrada pode ter um flange que estende-se para fora. As membranas podem ser unidas no dito flange.
O flange é no geral retangular no seu esboço e as membranas se unem no flange substancialmente adjacentes às suas quinas (incluindo-as).
O duto de entrada tem uma segunda parede oposta à dita primeira parede, as paredes tendo depressões centrais. O flange pode ter depressões correspondentes.
As membranas podem ser sem descontinuidades.
As membranas podem estender-se de uma saliência de moldagem definida na porção adjacente da superfície externa da parte anular do alojamento.
O alojamento pode ter uma saída que estende-se axialmente a partir do alojamento.
De acordo com um segundo aspecto da presente invenção, é provida uma turbina de fluxo radial para uso em um turbocarregador, a turbina compreende uma roda de turbina montada rotacionalmente em um alojamento tal como anteriormente definido para rotação em torno do eixo geométrico rotacional.
De acordo com um terceiro aspecto da presente invenção, é provido um turbocarregador compreendendo um compressor conectado a uma turbina de fluxo radial com um alojamento tal como anteriormente definido.
De acordo com um quarto aspecto da presente invenção, é provido um método para moldar um alojamento de turbina compreendendo as etapas de prover uma matriz de moldagem definindo uma abertura na qual material fundido é vazado, a matriz sendo modelada para formar um alojamento de turbina com uma forma no geral de uma voluta com uma porção substancialmente anular ou anular e um duto de entrada que estende-se de forma aproximadamente tangencial a partir dela, a matriz tendo uma primeira superfície para definir uma primeira parede do duto de entrada e uma segunda parede para definir uma superfície arqueada adjacente da porção anular do alojamento que fica voltada para a primeira parede do duto de entrada, incluindo configurar a matriz de forma a ter pelo menos dois canais separados que estendem-se entre a primeira e segunda superfícies que fornecem trajetos de fluxo separados, introduzir material fundido na matriz pela abertura da matriz e deixar que uma porção do material escoe ao longo dos canais, deixar que o material se solidifique e então ejetar o material solidificado da matriz.
Modalidades específicas da presente invenção serão agora descritas apenas a título de exemplo com referência aos desenhos anexos, em que:
A figura 1 é uma vista radialmente seccional de um turbocarregador no qual a presente invenção pode ser empregada;
A figura 2 é uma vista em perspectiva de um alojamento de turbina convencional para uso no turbocarregador da figura 1;
A figura 3 é uma vista de extremidade de uma primeira modalidade de um alojamento de turbina de acordo com a presente invenção, olhando em direção ao duto de entrada, o alojamento sendo adequado para uso em um turbocarregador tal como o mostrado na figura 1; A figura 4 é uma vista em perspectiva de um lado do alojamento de turbina da figura 3;
A figura 5 é uma vista em perspectiva de um lado de uma segunda modalidade de um alojamento de turbina de acordo com a presente invenção;
A figura 6 corresponde ao alojamento de turbina convencional da figura 2, mas está provido para indicar o fluxo de material entre um duto de entrada e o resto da voluta durante o processo de moldagem; e
As figuras 7 e 8 correspondem às figuras 3 e 4, mas são providas para indicar o trajeto de fluxo de material entre o duto de entrada e o resto do volume durante o processo de moldagem de matriz de acordo com a presente invenção.
Referindo-se agora às figuras 3 e 4 dos desenhos, o primeiro alojamento de turbina exemplar 30 para uma turbina de turbocarregador está mostrada com uma forma no geral de uma voluta que define um eixo geométrico rotacional central X para uma roda de turbina (não mostrada), uma passagem anular 31 em torno do dito eixo geométrico e um duto de entrada 32 que estende-se no geral tangencialmente a partir da passagem anular. A passagem anular é projetada para envolver uma roda de turbina com uma pequena folga. Um duto de saída cilíndrico 33 estende-se axialmente a partir de um lado do alojamento e é substancialmente coaxial com o eixo geométrico de rotação.
O duto de entrada 32 é definido por paredes laterais opostas 34, 35 unidas por paredes dianteira e traseira opostas 36, 37. As paredes laterais 34, 35 são substancialmente retas e paralelas, ao passo que as paredes dianteira e traseira 36, 37 têm depressões centrais 38, 39 que projetam-se para dentro da passagem 40 definida pelo duto 32. A extremidade aberta do duto de entrada 32 tem um flange que estende-se para fora 41 que segue a forma do duto de entrada de maneira tal que a abertura seja reduzida na profundidade no seu centro. As quatro quinas do flange têm aberturas de fixação 42 para conexão a um coletor de exaustão (não mostrado) do motor no qual o turbocarregador é conectado.
Na superfície externa curva da voluta, existe uma saliência de moldagem aproximadamente retangular 43 adjacente ao duto de entrada 32, mas separada dele. Um par de membranas espaçadas 44, formado integralmente com o alojamento 30, estende-se divergentemente das quinas próximas da saliência de moldagem 43 através do flange 41 onde elas se unem na parede traseira 37 adjacentes às quinas do flange. A espessura de cada membrana 44 aumenta gradualmente na direção do flange 41 e elas estendem-se ambas para baixo até a área do "queixo" definida entre o duto de entrada e o resto da voluta, novamente aumentando gradualmente na espessura de forma que elas definem um vale 45 com declividades arqueadas 46. A superfície da parede traseira 37 do duto 32 do flange 41 é também arqueada para dar ao vale 45 uma aparência geral de uma parte côncava de uma cavidade. As superfícies de cada membrana 44, a parede traseira 37 do duto de entrada 32 e o flange 41 e o vale 45 são preferivelmente lisos e sem descontinuidades.
As transições suaves das seções finas para espessa nas membranas 44 reduzem significativamente o risco de trincamento por fadiga.
As membranas 44 e o vale intermediário 45 servem para fornecer rigidez e firmeza adicional ao alojamento que pode suportar altas cargas estáticas e dinâmicas impostas pelos pesados acessórios, tais como freios de exaustão ou atuadores elétricos para turbinas de geometria variável. A rigidez do alojamento mantém as condições ressonantes acima da velocidade de funcionamento do motor e em geral serve para evitar não somente o trincamento por fadiga, mas também tensões estabelecidas em virtude da inércia térmica no material entre o duto de entrada e o resto da voluta. Uma segunda modalidade do alojamento está representada na figura 5. Componentes comuns à modalidade das figuras 3 e 4 são atribuídos com mesmos números de referência, mas somados de 100, e não serão descritos com detalhes, exceto até o ponto em que diferem daqueles das figuras 3 e 4. Este alojamento de turbina 130 tem uma entrada gêmea 132 com uma parede 150 dividindo a boca da entrada em duas partes. O duto de entrada 132 é conectado no resto da voluta pelo mesmo arranjo de membranas 144 que estende-se entre o flange 141 e a saliência de moldagem 143, um vale côncavo 145 novamente sendo definido entre as membranas 144. As figuras 6, 7 e 8 ilustram a melhoria no fluxo de material no
processo de moldagem em matriz. Na figura 6, que representa um alojamento de turbina convencional, o material fundido escoa da saliência de moldagem 23 em torno da parte anular da voluta e para baixo para a área do queixo 22 antes de passar ao longo do duto de entrada 20 para o flange 21, representado pelas setas. Percebe-se que, a fim de formar o flange relativamente espesso, é necessário um volume significativo de material, e este tem que passar ao longo de passagens de parede fina da matriz que forma a voluta. Ao contrário, e com referência às figuras 7 e 8, a matriz para produzir um alojamento de turbina de acordo com a presente invenção fornece dois canais divergentes espaçados que permitem que material escoe da saliência de moldagem 43 na superfície externa da porção anular da voluta diretamente para o flange 41 e a parede dianteira 36 do duto de entrada 32, representado pelas setas. Material fundido é introduzido na abertura da matriz e parte do material escoa da abertura ao longo dos canais para o duto de entrada, formando assim as duas membranas 44 representadas nas figuras.
Percebe-se que inúmeras modificações nos desenhos supradescritos podem ser feitas sem fugir do escopo da invenção definido nas reivindicações anexas. Por exemplo, na ausência de uma saliência de moldagem em um local conveniente, as membranas podem se estender apenas a partir da superfície curva do alojamento e elas podem se unir com o flange nas suas quinas, ou próximas a elas. Além disso, deve-se perceber que a invenção pode ter aplicação a turbinas de fluxo radial que são usadas em outras aplicações além de turbocarregadores. Além disso, são contempladas modalidades em que existem três ou mais membranas configuradas de forma que haja um vale entre membranas adjacentes.
Embora a invenção tenha sido ilustrada e descrita com detalhes nos desenhos e na descrição apresentada, a mesma deve ser considerada de caráter ilustrativo, e não restritivo, devendo-se entender que somente as modalidades preferidas foram mostradas e descritas, e que todas mudanças e modificações que se enquadram no espírito da invenção devem ser protegidas. Deve-se entender que, embora o uso de palavras tais como preferível, preferivelmente, preferido e mais preferido utilizadas na descrição apresentada indique que o recursos assim descrito pode ser mais desejável, no entanto ele pode não ser necessário, e modalidades que não têm o mesmo podem ser contempladas de acordo com o escopo da invenção, o escopo sendo definido pelas reivindicações seguintes. Na leitura das reivindicações, pretende-se que, quando as palavras tais como "um", "uma", "uns", "umas", "pelo menos um" ou "pelo menos uma porção" são usadas aqui, não é intenção limitar a reivindicação apenas a um item, a menos que especificamente declarado ao contrário na reivindicação. Quando a linguagem "pelo menos uma porção" e/ou "uma porção" é usada, o item pode incluir uma porção e/ou todo o item, a menos que especificamente declarado o contrário.
Claims (24)
1. Alojamento de turbina para uma turbina de fluxo radial que tem um eixo geométrico de rotação, caracterizado pelo fato de que o alojamento compreende uma peça moldada tendo uma forma no geral de uma voluta com uma parte substancialmente anular, ou anular, estendendo-se em torno do eixo geométrico e um duto de entrada estendendo-se a partir dele, o duto de entrada tendo uma primeira parte voltada para parede de uma superfície externa da parte anular do alojamento, pelo menos duas membranas separadas, cada membrana estendendo-se a partir de uma porção da superfície externa da parte substancialmente anular do alojamento até a primeira parede, as membranas definindo um vale entre elas.
2. Alojamento de turbina de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que as membranas são formadas integralmente com o resto do alojamento.
3. Alojamento de turbina de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que as membranas aumentam de espessura da parte substancialmente anular do alojamento até a primeira parede do duto de entrada.
4. Alojamento de turbina de acordo com a reivindicação 1, 2 ou 3, caracterizado pelo fato de que as membranas são divergentes na direção da parte substancialmente anular do alojamento até a primeira parede do duto de entrada.
5. Alojamento de turbina de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que as membranas aumenta de espessura em direção à base do vale.
6. Alojamento de turbina de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que cada membrana inclui pelo menos uma superfície confrontante, e em que o vale é definido pelas declividades arqueadas de superfícies confrontantes das membranas.
7. Alojamento de turbina de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que a primeira parede do duto de entrada é arqueada.
8. Alojamento de turbina de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que existe uma declividade arqueada na dita primeira parede estendendo-se de uma boca da entrada até a base do vale.
9. Alojamento de turbina de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que a entrada tem uma boca com um flange que estende-se para fora.
10. Alojamento de turbina de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que as membranas são unidas no dito flange.
11. Alojamento de turbina de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que o flange é no geral retangular no esboço e cada membrana se une ao flange substancialmente adjacente a uma quina do flange.
12. Alojamento de turbina de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que o duto de entrada tem uma segunda parede oposta à dita primeira parede, ambas as paredes tendo depressões centrais.
13. Alojamento de turbina de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que as membranas são sem descontinuidades.
14. Alojamento de turbina de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que uma saliência de moldagem é definida na superfície externa da parte anular do alojamento.
15. Alojamento de turbina de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato de que as membranas estendem-se a partir da saliência de moldagem.
16. Alojamento de turbina de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente uma saída que estende-se axialmente a partir do alojamento.
17. Alojamento de turbina de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que cada membrana estende-se a partir de uma porção adjacente da superfície externa da parte substancialmente anular do alojamento.
18. Alojamento de turbina de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que existe mais de duas membranas e uma pluralidade de vales definida entre as membranas.
19. Turbina, caracterizado pelo fato de que compreende uma roda de turbina disposta em um alojamento de turbina como definido em qualquer uma das reivindicações anteriores.
20. Turbocarregador, caracterizado pelo fato de que compreende um compressor conectado a uma turbina que tem um alojamento de turbina como definido em qualquer uma das reivindicações anteriores.
21. Método para moldar um alojamento de turbina, caracterizado pelo fato de que compreende as etapas de prover uma matriz de moldagem definindo uma abertura na qual material fundido é vazado, a matriz sendo modelada para formar um alojamento de turbina com uma forma no geral de uma voluta com uma porção substancialmente anular ou anular e um duto de entrada que estende-se de forma aproximadamente tangencial a partir dela, a matriz tendo uma primeira superfície para definir uma primeira parede e uma segunda parede para definir uma superfície arqueada adjacente da porção substancialmente anular do alojamento que fica voltada para a primeira parede do duto de entrada, incluindo configurar a matriz de forma a ter pelo menos dois canais separados que estendem-se entre a primeira e segunda superfícies que fornecem trajetos de fluxo separados, introduzir material fundido na matriz pela abertura de matriz e deixar que uma porção do material escoe ao longo dos canais, deixar que o material se solidifique e então ejetar o material solidificado da matriz.
22. Método para moldar um alojamento de turbina de acordo com a reivindicação 21, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente prover os canais de forma que material escoe ao longo de dois trajetos de fluxo entre a abertura e um flange definido no duto de entrada.
23. Método para moldar de acordo com a reivindicação 21 ou 22, caracterizado pelo fato de que os trajetos de fluxo são divergentes.
24. Método de acordo com a reivindicação 21, 22 ou 23, caracterizado pelo fato de que os canais aumentam de largura na direção da primeira para a segunda superfície.
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