BRPI0816535B1

BRPI0816535B1 - Conduto de alteração de direção para alterar uma direção de fluxo de um líquido e conduto de entrada de compressor do turbocompressor

Info

Publication number: BRPI0816535B1
Application number: BRPI0816535-1A
Authority: BR
Inventors: Paul Anschel; Stephen Roby
Original assignee: Borgwarner Inc.
Priority date: 2007-10-19
Filing date: 2008-10-15
Publication date: 2019-08-06
Also published as: WO2009052170A3; BRPI0816535A8; US20100221107A1; US8449250B2; DE112008002608T5; BRPI0816535A2; WO2009052170A2

Abstract

conduto de alteração de direção para alterar uma direção de fluxo de um líquido e conduto de entrada de compressor do turbocompressor um conduto de alteração da direção do fluxo, por exemplo, um conduto de entrada do compressor (34) para uma tampa do compressor do turbocompressor, em que a alteração da direção do fluxo é feita de forma abrupta em uma curta distância. o segmento de alteração de direção é projetado de forma a fornecer uma saída equilibrada, a otimizar o fluxo do ar, a minimizar a quebra de pressão, e a manter a eficiência do compressor. isto pode ser atingido através do fornecimento de uma protuberância (81, 83, 84) que se prolonga de forma radial para dentro de um primeiro segmento do conduto, protuberâncias exteriores perpendiculares à protuberância interior, de forma a promover a ligação do fluxo ao longo das paredes do conduto.

Description

CONDUTO DE ALTERAÇÃO DE DIREÇÃO PARA ALTERAR UMA DIREÇÃO DE FLUXO DE UM LÍQUIDO E CONDUTO DE ENTRADA DE COMPRESSOR DO TURBOCOMP RE SSOR

Antecedentes da invenção

1. Âmbito da invenção [0001] A presente invenção é destinada a um conduto para alteração da direção do fluxo, por exemplo, a um conduto de entrada do compressor para um turbocompressor, em que a direção do fluxo tem que ser abruptamente alterada em uma curta distância.

2. Descrição da técnica relacionada [0002] Os Turbocompressores são amplamente utilizados nos motores de combustão interna, e no passado foram particularmente associados de forma comercial com os grandes motores diesel, especialmente em caminhões, tratores, e aplicações marinhas. Os turbocompressores se estão tornando mais comuns em automóveis movidos a gasolina e são requeridos em automóveis a gasóleo para irem de encontro aos regulamentos das emissões. Os gases de exaustão do motor são dirigidos e fazem mover uma turbina, e o eixo da turbina é ligado e faz mover o compressor. O ar ambiental é extraído ao longo de um filtro e então vai para, e é comprimido por, o compressor do turbocompressor e alimentado no distribuidor de entrada do motor. O projeto e a função dos turbocompressores são descritos de forma detalhada na técnica anterior, por exemplo, nas patentes norte americanas 4.705.463; 5.399.064;

e 6.164.931, em que as respectivas divulgações estão incorporadas, para referência, neste documento.

[0003] É requerido que os veículos com turbocompressores vão de encontro a de emissões cada vez mais estritos padrões. Os

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2/20 motores estão a ser fornecidos com sistemas auxiliares de forma a atingirem este e outros objetivos, em que os seus sistemas ocupam espaço no compartimento do motor. Neste ambiente é um problema comum que o espaço no compartimento de motor seja limitado. É também comum que todo o ar fornecido a um compressor do turbocompressor deva passar primeiro através de um filtro de ar de forma a remover qualquer matéria específica que possa deteriorar o turbocompressor e/ou o motor. Devido às limitações de espaço no compartimento do motor, frequentemente, o filtro do ar e os componentes do compressor não podem ficar localizados junto um ao outro, e nestas condutos o filtro de ar é ligado ao compressor através de um conduto de entrada.

[0004] A Figura 1 descreve uma instalação típica de um motor comercial Diesel, de 6 cilindros, em um caminhão. O bloco do motor 1 geralmente inclui o eixo dianteiro 2 de forma a conferir a desejada distribuição do peso sobre o referido eixo. É natural, de um ponto de vista do fluxo de exaustão, ter o turbocompressor instalado de forma central no distribuidor de escape 12. Esta posição de montagem significa que frequentemente o turbocompressor está perto da roda dianteira 5 e da suspensão do veículo, criando assim uma restrição de espaço lateral. O filtro do ar 6 está posicionado de forma a limitar a transmissão entre o fluxo de ar a partir do veículo para o filtro 6 e o comprimento do conduto 61 desde o filtro 6 até à tampa do compressor 20. Um produto desta transmissão é a distância desde a tampa do compressor 20 até aos dependentes do motor tais como o alternador 7 e o compressor do ar condicionado 8. Estes dispositivos dependentes do motor devem estar posicionados na

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3/20 parte dianteira do motor pois são frequentemente impelidos pela correia do alternador 9, que é movida por uma roldana instalada na parte da frente do eixo da cambota do motor.

[0005] O compressor deve ser configurado de tal forma que o conduto 21 que liga a tampa do compressor 20 ao refrigerador do veículo 6 de forma a ter um funcionamento desimpedido. O turbocompressor também deve estar posicionado de forma que o período da turbina 10 do turbocompressor seja tal que o tubo de escape 11 tenha um funcionamento razoável para a parte de trás do veículo. O tubo de escape tem que serpentear desde o turbocompressor, à volta da travessa do chassi 4, evitando os elementos que possam ser negativamente afetados pela temperatura de exaustão, tais como os tanques de combustível e de ar, os pneus etc. O tubo de escape é geralmente 10% a 20% maior do que a descarga ou a entrada do compressor, dessa forma combinado com a temperatura do tubo, o grau de dificuldade na determinação de um caminho apropriado, tridimensional para o tubo significa que este aspecto do projeto de instalação do veículo tende a predominar sobre a condução da entrada do compressor. O resultante destes acordos de configuração é que frequentemente a entrada do compressor fica muito perto de outros componentes do motor.

[0006] Como, frequentemente, a entrada do compressor está localizada perto destas obstruções, o conduto de entrada do ar 61 desde o filtro de ar 6 até ao compressor 20 tem de ser apertada à volta destes componentes. Como o filtro de ar está geralmente situado ou junto da parte dianteira do motor, ou no guarda-fogo do veículo junto à parte traseira do motor, a extremidade do compressor do conduto do filtro de ar é frequentemente orientada de forma perpendicular à linha

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4/20 central do turbocompressor. Em algumas instalações de caminhões a descarga do escape é feita na parte dianteira do veículo de forma que o turbocompressor seja invertido e geralmente o sistema de entrada de ar está em conflito com um conjunto separado de obstáculos. De qualquer forma a entrada para o compressor é geralmente o último pensamento no projeto e assim sendo, frequentemente, encontra-se em falta, do ponto de vista do sentido aerodinâmico do turbocompressor.

[0007] É de conhecimento comum, para um entendido na matéria, que uma boa regra é a de reservar um comprimento de cinco diâmetros depois de uma modificação da curvatura ou da direção de um conduto, antes de introduzir o fluxo descendente para um dispositivo. Essas alterações na direção das curvaturas ou dos cotovelos são bem conhecidas. Também bem conhecidas são as deficiências inerentes a essas alterações de direção das condutos, as quais foram testadas pelos inventores de forma a confirmarem os resultados dessas curvaturas.

[0008] Em primeiro lugar, na entrada do conduto o gradiente de pressão em qualquer ponto no plano perpendicular à linha central do conduto é pequeno, geralmente devido ao comprimento do conduto. A descida da curvatura no conduto o gradiente de pressão no plano mostrado na Figura 2 é assim tão extremo que por vezes não fornece pressão positiva depois da linha central da roda do compressor, medida em um plano perpendicular à linha central da roda do compressor. Em testes aerodinâmicos de um comercialmente disponível, conforme visto na Figura 2, com uma curvatura de raio apertado, viu-se que, o fluxo de ar 100 na entrada do conduto era uniforme ao longo do plano da entrada. Enquanto o fluxo

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5/20 de ar da entrada 101 alcança a curvatura no conduto, a energia é suficiente para suportar o fluxo unido à volta do raio inicial da curvatura. Além disso a separação do raio de curvatura interior apertada 112 à volta do fluxo é suficientemente significativo para que o fluxo 102 restante não atinja a linha central do conduto.

[0009] Em segundo, as lâminas típicas da roda do compressor do turbocompressor são excitadas ao longo de diversas ordens. Para os turbocompressores comerciais, tipicamente, os critérios do projeto são tais que as lâminas são projetadas de forma a excluírem até à quarta ordem de vibração. Para um razoável gradiente de pressão ao longo da entrada para a roda do compressor, os critérios deste projeto são suficientes para impedirem a falha de HCF nas lâminas ao longo de vários tempos de vida de um compressor do turbocompressor. No entanto quando o gradiente de pressão, desde a entrada até à roda do compressor, for severo, como no caso das condutos de entrada testadas desde a Figura 2 à 6, a excitação é suficiente para causar a falha de HCF nas lâminas das rodas do compressor que de outra forma estariam OK. Nestas condutos de gradiente de pressão não simétricas cada lâmina da roda do compressor vê um pulso de pressão uma vez por volta conduzindo finalmente às falhas de HCF.

[0010] Em terceiro lugar, como um resultado da separação do fluxo na curvatura, há uma significativa quebra da pressão média ao longo da entrada da roda do compressor. Esta alteração na entrada da pressão ou no fluxo pode, no pior caso, fazer com que o compressor entre em sobretensão, ou, em um caso menos violento, causar uma perda da relação entre a pressão e eficiência, conforme pode ser visto na Figura 9.

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6/20 [0011] Em geral, aqueles que trabalham nesta técnica aceitaram as ineficiências aerodinâmicas discutidas anteriormente com resignação, utilizando um cotovelo simples conforme mostrado na Figura 2.

[0012] Os problemas das curvaturas apertada simples, conforme visto na Figura 2 também são vistos nas curvaturas comercialmente disponíveis da entrada do conduto vistas na Figura 3, na Figura 4 e na Figura 6. Na curvatura do conduto da Figura 4 o espaço axial para a curvatura da entrada é ainda mais comprimido do que o da curvatura apertada simples da Figura 3. Isto significa que o fluxo de ar na zona da curvatura interior tem que fluir à volta de um raio ainda mais apertado, o que resulta na separação do fluxo 114 à volta da curvatura interior e em alguma separação 106 devida à cavidade no fundo da curvatura. Neste caso a maioria do fluxo 107 que alcança a roda do compressor está apenas confinada à metade inferior da roda.

[0013] No arranjo visto na Figura 6, uma configuração, que está em produção, tem o filtro de ar na proximidade da entrada do compressor. O fluxo separado no raio interior significa que a separação do fluxo 116 ocorre a um grau mais elevado e testes revelaram que este grau de separação era suficiente para fazer com que o turbocompressor entrasse prematuramente em sobretensão, o que é suficiente para aumentar a temperatura do ar da entrada o suficiente para derreter o plástico do conduto e mesmo alguns dos meios no filtro.

[0014] Este problema é dirigido em um conduto de alteração de direção conforme mostrado na Figura 5 e divulgado na publicação da aplicação da patente dos Estados Unidos n° .

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7/20

20.040.134.461 (Bishop). O conduto inclui uma curvatura de 90° para alterar a direção do fluxo de ar comprimido que está a ser fornecido a partir de um compressor para um carburador. De forma a assegurar a entrega da mesma quantidade de fluxo aos cilindros dianteiros e traseiros de um carburador de 4 cilindros, e para se direcionar ao problema mostrado nas Figuras 2, 3, 4, 6 é fornecido um divisor de fluxo que se prolonga diametralmente ao longo da passagem da entrada para a saída, dividindo o fluxo em canais superiores e inferiores separados. O canal inferior entrega o ar aos cilindros dianteiros e o canal superior entrega o ar aos cilindros traseiros do carburador. No entanto, apesar da complexidade de fabricar um conduto curva com um divisor de fluxo integral, e da probabilidade de esse divisor de fluxo se partir ou falhar de qualquer outra forma, há um problema mais significativo. A velocidade e a pressão de fluxo medidas ao longo da área da saída do conduto não são uniformes. Isto pode não ser um problema na utilização do ambiente Bishop, que é fonte de ar comprimido para um carburador, mas seria um problema nas aplicações onde fosse requerida uma saída mais equilibrada, tal como no fornecimento do ar para uma entrada da roda do compressor. Para esse fornecimento de ar para a entrada da roda do compressor onde são utilizadas as lâminas delgadas da roda do compressor, pelo que há o aumento da HCF e da probabilidade de falha, conforme discutido acima.

[0015] Há muitas outras configurações do posicionamento do turbocompressor que não conduzem à aceitável aerodinâmica da entrada. Esta situação existe tanto nas aplicações diesel comerciais como nas automotrizes. Nos motores Vee, em ambas as categorias, as exigências de empacotamento obrigam

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8/20 frequentemente o turbocompressor a ficar de lado na depressão do motor.

Por causa desta configuração, a entrada do compressor é frequentemente enganchada pelas cabeças do cilindro. Em algumas configurações do motor Vee do turbocompressor gêmeo o turbocompressor se situa em uma posição baixa do lado de fora do motor, junto à parte dianteira do motor, pelo que é requerida uma curvatura composta apertada desde o conduto do filtro de ar até entrada de ar do compressor. Há assim uma necessidade de um conduto de alteração de direção capaz de alterar a direção do fluxo de um líquido em uma curta distância e de fornecer um maior balanço do fluxo e da pressão sobre toda a área da saída, e de fazer isto com a mínima quebra de pressão. Há uma outra necessidade para tal conduto que é capaz de aumentar a uniformidade conforme descrito acima, ao fornecer um componente de custo eficaz e de confiança do sistema do turbocompressor.

Sumário da invenção [0016] Os inventores atuais investigaram extensivamente a dinâmica dos fluidos em condutos de alteração de direção, tais como condutos de entrada do compressor do turbocompressor do tipo em que o conduto de entrada é geralmente orientada de forma perpendicular à linha central do compressor do turbocompressor.

[0017] É fornecida um conduto de entrada do compressor do turbocompressor projetada de forma a facilitar a alteração na direção do fluxo de um líquido, no entanto fornece uma distribuição substancialmente uniforme da velocidade do fluxo na saída do conduto (isto é, na entrada da roda do compressor) com a perda da baixa pressão. É fornecida um

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9/20 conduto de entrada do compressor compacto projetada de forma a minimizar a exigência de espaço (ajuste axial apertado) quando instalada em um compartimento do motor. O problema deve ser resolvido em uma maneira econômica. O conduto não deve incluir as estruturas interiores responsáveis pela ruptura ou pela falha.

Breve descrição dos desenhos [0018] A presente invenção é ilustrada por meio de exemplos e não se limitando aos desenhos que a acompanham em que as referências idênticas se referem a peças similares, e em que: [0019] A Figura 1 é uma vista em plano de uma típica configuração de motor de 6 cilindros em linha reta;

[0020] A Figura 2 é uma vista lateral da seção de elevação de uma técnica anterior, do cotovelo de entrada comercialmente disponível, instalado em uma tampa do compressor;

[0021] A Figura 3 é uma vista lateral da seção de elevação de uma outra técnica anterior, do ajuste axial, mais apertado, comercialmente disponível, do cotovelo de entrada, instalado em uma tampa do compressor;

[0022] A Figura 4 é uma vista lateral da seção de elevação de uma outra técnica anterior, do ajuste axial, mais apertado, comercialmente disponível, de fundo quadrado, do cotovelo de entrada, instalado em uma tampa do compressor;

[0023] As Figuras 5A e 5B mostram uma elevação lateral e uma vista isométrica da curvatura da entrada ensinada na publicação da aplicação de patentes dos Estados Unidos n° 20.040.134.461 (Bishop);

[0024] As Figuras 6A e 6B são uma seção de elevação lateral de uma outra técnica anterior, comercialmente disponível, do

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10/20 cotovelo de entrada, instalado em uma tampa do compressor;

[0025] As Figuras 7A e 7B são uma seção de elevação lateral e uma elevação dianteira de uma forma de realização exemplificativa;

[0026] As Figuras 8A e 8B são uma elevação dianteira (Figura 8A) e uma elevação secionada lateral (Figura 8B) que mostra o fluxo de ar ao longo da forma de realização exemplificativa;

[0027] As Figuras 9A e 9B são uma elevação dianteira (Figura 9A) e uma elevação secionada lateral (Figura 9B) que mostra a geometria da forma de realização exemplificativa;

[0028] A Figura 10 é um mapa da relação de pressão vs o fluxo em massa do compressor que compara o desempenho da curvatura na Figura 4 com a forma de realização exemplificativa; e [0029] A Figura 11 é um mapa do pico de eficiência vs a relação de pressão, que compara o desempenho da curvatura na Figura 4 com a forma de realização exemplificativa.

Descrição detalhada da invenção [0030] A presente invenção foi feita depois de extensiva investigação em condutos de alteração da direção convencionais, incluindo o uso de modelação, da dinâmica do fluxo computacional (CFD) e de testes em tempo real. O trabalho extensivo resultou em um projeto de um segmento de alteração da direção do fluxo bastante evolvido. Para melhor compreender a descoberta representada pela presente invenção, é necessário entender o defeito comum nos projetos dos segmentos de alteração da direção convencionais da técnica anterior.

[0031] A presente invenção será descrita ao longo da utilização de um conduto de entrada para a entrada de um

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11/20 compressor de um turbocompressor, embora seja rapidamente aparente que a invenção tem numerosas aplicações diferentes. [0032] A Figura 2 mostra uma curvatura de um tubo moldado típica 30. Conforme pode ser visto pelas setas do fluxo, o fluxo de entrada 100 resiste à alteração de direção e tende a carregar para a parte exterior da curvatura. O fluxo 112 tende assim a se separar da parede na curvatura apertada da curvatura interior e assim se transforma em um fluxo turbulento. O resultado, medido na saída do conduto, é elevada velocidade do fluxo, relativamente paralela na parte exterior da curvatura, e baixo fluxo turbulento, no interior da curvatura. Em testes se viu que a gradação da pressão ao longo da entrada da tampa do compressor era tal que a pressão positiva não atingiu a linha central 24 da roda do compressor. Estes fluxos e os diferenciais de pressão causam um pulso de uma vez por volta que tem impacto na roda do compressor que é altamente prejudicial tanto à vida da HCF das lâminas da roda do compressor, como também ao desempenho da fase do compressor.

[0033] A Figura 5 mostra um projeto divulgado na publicação da aplicação de patente dos Estados Unidos. 20.040.134.461 (Bishop) e adaptado de forma a tentar superar um aspecto do problema discutido em associação com a Figura 2. Neste projeto é fornecido um divisor de fluxo 51 que divide a passagem em dois canais. O divisor de fluxo se prolonga a partir da entrada 50, ao longo da parcela da passagem da curvatura 52, até à saída 53. O divisor de fluxo divide o fluxo em dois canais, com um canal inferior que entrega o ar aos cilindros dianteiros de um carburador de quatro cilindros e um canal superior que entrega o ar aos cilindros traseiros

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12/20 de um carburador de quatro cilindros. Bishop utiliza assim uma barreira para se assegurar que a mesma quantidade de ar é entregue aos cilindros dianteiros e traseiros do carburador. No entanto, como o cotovelo do Bishop é para uma entrada de um carburador 55 localizado na parte de baixo do compressor, não há nenhuma preocupação para os impactos adversos dos diferenciais de pressão que ocorreriam nas lâminas da roda do compressor, e o problema dos diferenciais de pressão não é dirigido.

[0034] A Figura 4 é uma vista secional de uma popular conduto da entrada do compressor comercial 32 para os grandes motores turbodiesel. Conforme pode ser visto a partir das setas que representam o fluxo, o fluxo de ar que entra 100, é extraído ao longo do pescoço entre a curvatura interior apertada e a superfície exterior do conduto. A separação 114 ocorre no sentido descendente da curvatura interior apertada enquanto o regime exterior do fluxo forma uma zona de alta pressão na cavidade no fundo 41 do conduto, o que ajuda a rotação da maioria do fluxo de ar 114 no sentido da roda do compressor 23. A aerodinâmica é baixa na área da transição/curvatura, com o resultado que esta configuração cria problemas para a roda do compressor. O resultado, medido na saída do conduto, é uma elevada velocidade do fluxo, na parte exterior da curvatura e um baixo fluxo turbulento, no interior da curvatura. Em teste a esta curvatura também se viu que a gradação da pressão ao longo da entrada da tampa do compressor era de tal forma que a pressão positiva não atingia a linha central 24 da roda do compressor. Estes fluxos e os diferenciais de pressão apresentam um pulso por volta para a roda do compressor que é altamente prejudicial

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13/20 tanto para a vida da HCF das lâminas da roda do compressor, como também para o desempenho da etapa do compressor.

[0035] A entrada na Figura 6 é um artigo de produção que é uma peça de plástico do fundo do filtro de ar 6 para a entrada do compressor 72. Os resultados dos testes mostraram que a separação 116 à volta da curvatura interior era tão extrema que provocava a entrada em prematura sobretensão do turbocompressor, o que levantou a temperatura do ar no sentido ascendente do compressor para níveis tais que a temperatura derreteu tanto o conduto como os níveis inferiores dos meios do filtro. Tal como nas entradas acima este fenômeno também produziu o comportamento prejudicial de HCF nas lâminas da roda do compressor.

[0036] Os inventores atuais iniciaram com a idéia de tentar projetar uma curvatura de uma forma que incentivasse o componente do fluxo da curvatura do interior a permanecer ligado ao interior da curvatura, e a apresentar uma distribuição uniforme da pressão para a roda do compressor.

[0037] Depois de um trabalho extensivo os presentes inventores desenvolveram um segmento de alteração da transição da direção do fluxo, mostrado como exemplo na Figura 7 como um conduto de entrada do compressor 34, adaptado de forma a induzir a ligação do fluxo à curvatura do interior. Na forma de realização exemplificativa, o conduto inclui uma primeiro conduto com uma entrada 70, uma segundo conduto com uma linha central do fluxo ao longo da saída 72 mais comumente a um ângulo de rotação de aproximadamente 90 graus em relação a uma primeira linha central do fluxo do conduto ao longo da entrada (70). No entanto, a divulgação atual contempla a formação de outros ângulos de rotação que

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14/20 podem estar entre 60 graus e 120 graus e mais geralmente entre 75 graus e 105 graus e os benefícios da presente invenção são particularmente pronunciados a aproximadamente 90 graus. O ângulo em questão é mais geralmente determinado pela arquitetura dos componentes do motor.

[0038] O teste padrão do fluxo no conduto da entrada do compressor 34 exemplificativo é mostrado nas Figuras 8A e 8B. De acordo com a forma de realização exemplificativa, o fluxo no interior da curvatura, visto ao longo de uma secção transversal definida por um plano que se prolonga ao longo da linha central do conduto no sentido ascendente da curvatura (eixo do X) mas também a linha central do conduto no sentido descendente da curvatura (eixo do Y) 24, conforme ilustrado na

Figura 8B, encontra uma superfície de uma protuberância radial interior ou uma limitação

81.

O lado ascendente da protuberância interior 81 provoca um aumento provisório na pressão estática, que tem o efeito de incentivar o fluxo a se ligar ao longo da superfície da protuberância. Após o vértice 83 da protuberância 81, está o lado descendente 84 da protuberância, em que transita, ou forma, o interior da curvatura de alteração da direção e que tem o efeito de fornecer um raio mais generoso para o interior da curvatura do que fornecido até aqui, que é muito mais favorável à manutenção da ligação do fluxo do que a forte curvatura convencional. Em um projeto preferido desta

forma	de	realização o final da curva descendente 84	é
tangencial	ao interior da parede oposta 85 da	entrada	da
tampa	do compressor.
[0039]	Na	vista mostrada na Figura 8B, o fluxo	de ar	que
entra	100	a partir do filtro é acelerado à	volta	da

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15/20 protuberância 81 de forma que o fluxo de ar 120, 121, 122 permanece ligado à parede interior e flui para dentro da tampa do compressor 20 paralela à linha central da roda do compressor 24, e à parede do compressor 85. O componente do fluxo 123, 124 da curvatura da parte exterior 86 permanece unido à parede exterior. O fluxo próximo da linha central do conduto é uma média destes dois fluxos periféricos. O resultado desta geometria é que o fluxo ao longo da saída do conduto 72 é quase paralela à linha central da roda do compressor 24 em todas as regiões no plano de saída do conduto 72. Como a velocidade e o fluxo são uniformes no plano de saída do conduto (que é a entrada para a tampa do compressor) a distribuição da pressão apresentada à roda do compressor é muito mais uniforme, reduzindo a propensão para questões de HCF e aumentando a pressão média disponível para a roda do compressor o que reduz a oportunidade de sobretensão prematura.

[0040] No entanto o fluxo é tridimensional e assim mais complexo do que pode ser ilustrado apenas na Figura 8B. Como pode ser visto na Figura 8A, 8B, conforme o fluxo se aproxima da protuberância ou da limitação dos eixos X/Y, o conduto também se expande lateralmente (eixo do Z) , mantendo, dessa forma, a área da seção transversal do fluxo, prevenindo a quebra de pressão, com uma curvatura suave da direção do fluxo, permitindo que o fluxo de ar siga ou se ligue às paredes laterais do conduto que se alargam. Conforme o conduto se aproxima da área de alteração de direção, as paredes alargadas do conduto começam a se estreitar outra vez, e se encontram outra vez depois de terem passado a entrada do compressor. Desta maneira o fluxo de ar pode ser

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16/20 visualizado como se estivesse se ramificar pelo menos em três áreas de fluxo principais (a) fluxo ao longo da linha central (X/Y) onde o ar é acelerado, se une a uma protuberância, e muda de direção quando unido protuberância, e o fluxo (b) ao longo das áreas laterais do conduto que se alargam e transitando para um meio vórtice descendente ou para um meio em rosca.

O resultado das três formas de fluxo com gradual alteração da direção do fluxo, em vez de uma alteração de direção do tipo ao bater na parede, é uma alteração na direção uniforme e controlada, no entanto ainda dentro de um espaço muito confinado conforme ditado pelos confins estreitos de um compartimento de um motor. O problema da separação do fluxo que ocorre no diâmetro interior, curvatura apertada dos segmentos de transição convencional conforme mostrados nas

Figuras 2 é superado de uma forma simples, de confiança e eloquente que não impede o fluxo ou causa uma significativa quebra de pressão de acordo com a forma de realização exemplificativa descrita neste documento.

[0041] Finalmente, o alargamento 80 da seção da transição, como visto mais claramente nas Figuras 9A e 9B, mantem a área de seção transversal do fluxo, impedindo a quebra de pressão. Este alargamento também tende a estabilizar o fluxo e a reduzir a pré-rotação. Um alargamento nesta área não é um problema de espaço nos compartimentos do motor, porque a área (diâmetro) reservada para o segmento de alteração da direção é geralmente a mesma que o diâmetro da estrutura do compressor.

[0042] De preferência, a curvatura da protuberância do interior da curvatura 81 (eixo X/Y) tem um raio de 0,5 a 2,0,

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17/20 mais de preferência de 0,7 a 1,2 vezes, o diâmetro da saída do conduto 72. Em comparação, nos cotovelos mostrados nas Figuras 2, 3, 4, 6, o raio do interior da curvatura apertada é aproximadamente de 0,1 vezes o diâmetro da saída do conduto.

[0043] A protuberância 81 pode se prolongar de forma radial para dentro (eixo do Y na direção oposta da direção do fluxo de saída da segundo conduto) a uma distância de 0,1 a

0, 5 vezes, de preferência de 0,15 a 0,3 vezes, o diâmetro da saída do conduto

72.

Por exemplo, quando é utilizado um diâmetro de saída do conduto de aproximadamente 93 mm, protuberância 81 se pode prolongar de forma radial para dentro do vértice (83) a uma distância de d1 de aproximadamente 9 a mm, de preferência de 14 mm, ainda mais de preferência de aproximadamente 21 mm.

Quando entrada 70 e a saída 72 têm diâmetros diferentes, protuberância 81 no vértice pode se prolongar de forma radial para dentro a uma distância de 0,1 a 0,5 vezes, de preferência de 0,15 a 0,3 vezes, o diâmetro da entrada do conduto 70. Por exemplo, quando é utilizado um diâmetro de entrada do conduto de aproximadamente 102 mm, a protuberância 81 pode se prolongar de forma radial para dentro no vértice 83 a uma distância de d1 de aproximadamente 10 a 51 mm, de preferência 15 a 31 mm, e mais de preferência de aproximadamente 21 mm. A protuberância 81 pode se prolongar de forma axial ao longo do conduto 34 a uma distância medida pelo ângulo α de aproximadamente 30 a 70 graus, de preferência de aproximadamente 40 a 60 graus. Na forma de realização exemplificativa da Figura 8a - 8c, o ângulo θ pode ser de aproximadamente 50 graus.

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18/20 [0044] Se o conduto for visualizada como uma cabeça de cobra conforme mostrado na Figura 9A, o diâmetro exterior da saída poderia estar no final do eixo do X, ou a saída poderia ser centrada na área mais larga da cabeça de cobra, ou poderia estar algures entre essas.

[0045] De preferência, a seção do conduto de alteração da direção 34 na qual o fluxo é paralelo ao eixo de rotação da roda do compressor é muito curta. Por exemplo, a distância d₂de um eixo central C₁ da entrada do conduto 7 0 para a saída do conduto 72 pode ser inferior a 3,0 vezes o diâmetro da saída do conduto, de preferência inferior a 1,5 vezes o diâmetro da saída do conduto, mais de preferência inferior a 1,25 vezes o diâmetro da saída do conduto, e ainda mais de preferência inferior ao diâmetro da saída do conduto. Por exemplo, quando é utilizada uma saída do conduto (9) de 93 mm, a distância d2 desde o eixo central C1 da entrada do conduto 70 para a saída do conduto 72 é de preferência inferior a 140 mm, mais de preferência inferior a 116 mm, e ainda mais de preferência inferior a 93 mm. Na forma de realização exemplificativa das Figuras 7, 8 e 9, a distância d₂ desde o eixo central C₁ da entrada do conduto 7 0 até à saída do conduto 72 pode ser aproximadamente de 84 mm.

[0046] Além disso se deve compreender que as escalas descritas acima são exemplificativas das formas de realização descritas neste documento. Estas escalas podem ser alteradas onde a eficiência ou outros fatores ditarem a alteração.

[0047] Na Figura 10 é mostrada uma comparação da relação da pressão com o fluxo em massa, de um teste, para a forma de realização exemplificativa do conduto de alteração da direção das Figuras 7 a 9 e o cotovelo contemporâneo da Figura 4. O

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19/20 eixo do X 150 representa o fluxo em massa corrigido, o eixo do Y 151 representa a relação da pressão. O mapa produzido utilizando a curvatura representada na Figura 4 é representado com as linhas tracejadas 152. As linhas contínuas 154 representam o mapa produzido utilizando a forma de realização exemplificativa do conduto de alteração da direção das Figuras 7 a 9. Pode se ver que o mapa produzido pelo cotovelo comercialmente disponível da Figura 4 é deficiente em cada ponto de velocidade importante no mapa, comparado com o mapa da forma de realização exemplificativa.

[0048] A Figura 11 representa uma comparação entre o pico de eficiência e a relação de pressão para a forma de realização exemplificativa do conduto de alteração da direção das Figuras 7 a 9 e do cotovelo contemporâneo da Figura 4. As linhas contínuas representam a forma de realização exemplificativa do conduto de alteração da direção das Figuras 7-9. As linhas tracejadas 162 representam os picos da eficiência produzidos pelo cotovelo comercialmente disponível da Figura 4. que também mostra um decréscimo de quase um ponto de percentagem na eficiência em cada um dos pontos importantes. Isto também mostra que os inventores têm um conduto de alteração da direção capaz de alterar a direção do fluxo de um líquido a uma curta distância e de fornecer um maior balanço do fluxo e da pressão sobre a totalidade da área de saída, e para fazer isto com a mínima quebra de pressão. O conduto de alteração da direção 1 das Figuras 7 9 fornece uma distribuição da pressão ativamente balanceada ao longo da entrada para a tampa do compressor e dessa forma para a roda do compressor, e uma distribuição simétrica da velocidade similarmente optimizada.

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20/20 [0049] Podem ser efetuadas várias modificações e alterações por aqueles que tenham conhecimentos comuns na técnica sem sair do âmbito e do espírito desta invenção. Assim sendo, deve se compreender que as formas de realização ilustradas da presente invenção foram determinadas apenas com uma finalidade exemplificativa, e que não devem ser tomadas como limitativas da invenção conforme definido nas seguintes reivindicações.

[0050] Embora esta invenção tenha sido descrita na sua forma preferida com um determinado grau de particularidade em relação ao turbocompressor, é de compreender que a divulgação atual da forma preferida foi apenas feita como meio de exemplificação e que dela podem decorrer numerosas alterações nos detalhes das estruturas e da composição da combinação sem sair do espírito e do âmbito da invenção. Por exemplo, as condutos de alteração de direção do fluxo poderiam ser para vapor, plasma, líquidos aquecidos, líquidos refrigerados, sólidos de escoamento, misturas, ou qualquer outra aplicação onde a direção do fluxo deva ser mudada abruptamente.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Conduto de alteração de direção para alterar uma direção de fluxo de um líquido, em que o conduto (34) caracterizado pelo fato de compreender:

- uma primeira seção do conduto que tem uma entrada (70) e um eixo de fluxo aproximadamente ao longo do eixo do X,

- uma segunda seção do conduto que tem uma saída (72), uma direção do fluxo na referida saída aproximadamente ao longo de um eixo definido como o eixo do Y perpendicular ao eixo X,

- um segmento de alteração da direção do fluxo que se liga às referida primeira e segunda seção do conduto, em que o segmento de alteração da direção do fluxo inclui

- uma protuberância interior (81) que se prolonga para dentro do segmento de alteração da direção do fluxo na direção oposto à direção do fluxo na referida saída da segunda seção do conduto, e

- protuberâncias exteriores (170, 171) perpendiculares à direção do fluxo das primeiras e segundas seções do conduto, em que a referida protuberância interior (81) se prolonga internamente em um raio de curvatura (83) ao longo de uma distância (d₁) de 0,1 a 0,6 vezes o diâmetro da saída da segundo conduto (72), a referida protuberância interior medida ao longo do eixo do Y de um plano que se prolonga ao longo das linhas centrais do conduto de alteração de direção no eixo X/Y, e medida na direção oposta à direção do fluxo da referida em saída da segunda seção do conduto, e a um raio inferior a 0,5 a 2,0 vezes o diâmetro da saída da segundo conduto (72), e em que as referidas protuberâncias exteriores (170, 171) se prolongam para fora em uma direção perpendicular ao eixo X e

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2/4 ao eixo Y e definidas conforme o eixo Z em relação à primeira seção do conduto a uma distância (d₃) de 0,5 a 2,0 vezes um diâmetro da saída da segundo conduto (72).

2. Conduto de alteração de direção, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de o ângulo do eixo do fluxo da primeira seção do conduto ser entre 60 graus e 120 graus em relação à direção do fluxo da referida saída da segunda seção do conduto.
3. Conduto de alteração de direção, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de o raio da curvatura interior no raio de curvatura (83) ser de 0,7 a 1,2 vezes um diâmetro da saída da segundo conduto (72).
4. Conduto de alteração de direção, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de a referida protuberância (81) no raio de curvatura (83) se prolongar de forma radial diretamente a uma distância (d1) de 0,15 a 0,8 vezes um diâmetro da saída da segundo conduto (72).
5. Conduto de alteração de direção, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de a referida protuberância (81) se prolongar de forma radial diretamente no raio de curvatura (83) a uma distância (d1) do plano da saída do conduto de 0,2 a 0,3 vezes um diâmetro da saída da segundo conduto (72).
6. Conduto de alteração de direção, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de um comprimento (d2) da referida segunda seção do conduto em contato com o referido líquido, medido desde o eixo central (C1) da primeira entrada do conduto (70) até à saída da segundo conduto (72), é inferior a 3 vezes um diâmetro da saída da segundo conduto (72).

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7. Conduto de alteração de direção, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de um comprimento (d₂) da referida segundo conduto medido desde o eixo central (Ci) da primeira entrada do conduto (70) até à segunda saída do conduto (72) ser inferior a 1,5 vezes um diâmetro da saída da segundo conduto (72).
8. Conduto de alteração de direção, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de um comprimento (d2) da referida segundo conduto medido desde o eixo central (C1) da primeira entrada do conduto (70) até à segunda saída do conduto (72) ser inferior a 1,0 vezes um diâmetro da saída da segundo conduto (72).
9. Conduto de alteração de direção, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de o menor raio da curvatura (83) ser de 0,6 a 1,5 vezes um diâmetro da saída da segundo conduto (72).
10. Conduto de entrada de compressor do turbocompressor, para um compressor que tem uma roda do compressor, caracterizado pelo fato de a roda do compressor ter um eixo central de rotação (24), em que o conduto de entrada (34) inclui:

- uma primeira seção do conduto que tem uma entrada (70) e um eixo do fluxo aproximadamente ao longo do eixo definido como o eixo X,

- uma segunda seção do conduto que tem uma saída (72), uma direção do fluxo na referida saída aproximadamente ao longo de um eixo definido como o eixo Y perpendicular ao eixo X,

- um segmento de alteração da direção do fluxo ligado às referidas primeira e segunda seção do conduto, em que o segmento de alteração da direção do fluxo inclui

- uma protuberância interior (81) que se prolonga para dentro

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4/4 do segmento de alteração da direção do fluxo na direção oposta à direção do fluxo para a referida saída da segunda seção do conduto, e

- protuberâncias exteriores (170, 171) perpendiculares à direção do fluxo da primeira e segunda seção do conduto, em que a referida protuberância interior (81) em um raio de curvatura (83) se prolonga no sentido de uma distância (d₁) desde 0,1 a 0,6 vezes o diâmetro da saída da segundo conduto (72), desde o plano da saída da segundo conduto, em que a protuberância interior medida ao longo do eixo do Y de um plano que se prolonga ao longo das linhas centrais do conduto de alteração da direção no eixo X/Y, e medida na direção oposto à direção do fluxo da referida saída da segunda seção do conduto, e a um raio inferior a 0,5 a 2,0 vezes o diâmetro de saída da segundo conduto (72), e em que as referidas protuberâncias exteriores (170, 171) se prolongam para fora em uma direção perpendicular ao eixo X e ao eixo Y e definidas conforme o eixo Z em relação à primeira seção do conduto uma distância (d3) de 0,2 a 1,0 vezes um diâmetro da saída da segundo conduto (72).