ES2353688T3 - Acoplamiento hidrodinámico. - Google Patents
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Abstract
Sistema para recuperar energía residual de los gases de escape de un motor de combustión interna que comprende un acoplamiento hidrodinámico para transmitir par entre un impulsor de bomba accionado normalmente (11) y un rotor de turbina accionado normalmente (13), ambos de cuyos rotores están provistos de unos respectivos conjuntos de álabes (12 y 14) que interactúan, y que permite que se transfiera energía cinética desde una unidad compuesta de turbo al motor de combustión interna, caracterizado por el hecho de que, cada álabe (12) del impulsor de bomba (11) está inclinado con su borde orientado al rotor de turbina (13) en una dirección opuesta a la dirección normal de giro, y por el hecho de que cada álabe (14) del rotor de turbina está inclinado con su borde orientado al impulsor de bomba (11) en dicha dirección de giro para amortiguar oscilaciones harmónicas en el acoplamiento hidrodinámico.
Description
Acoplamiento hidrodinámico.
La presente invención se refiere a un
acoplamiento hidrodinámico para transmitir par entre un impulsor de
bomba accionado normalmente y un rotor de turbina accionado
normalmente, ambos de cuyos rotores están provistos de unos
respectivos conjuntos de álabes que interactúan.
Las unidades de turbocompresor se utilizan
frecuentemente a fin de recuperar energía de los gases de escape
del motor, comprendiendo la unidad de turbocompresor una turbina
accionada por los gases de escape, que acciona un compresor para
comprimir el aire de combustión suministrado al motor, denominado
como sobrealimentación. Una unidad compuesta de turbo está
dispuesta a veces curso abajo de la unidad de turbocompresor, a fin
de recuperar una proporción de la energía residual de los gases de
escape. Dicha unidad compuesta de turbo es una segunda turbina
accionada por los gases de escape que, por ejemplo, transmite
mecánicamente energía al eje motor o similar.
La unidad compuesta de turbo normalmente
comprende un eje sostenido con un rotor de turbina fijado, que puede
ser accionado a una elevada velocidad de giro de hasta
aproximadamente 80.000 rpm mediante los gases de escape. Esta
velocidad se reduce por medio de engranajes y si es necesario por
otros métodos, a unas velocidades mucho más bajas y se transmite al
eje motor a través de un acoplamiento hidrodinámico, que está
previsto para evitar que las oscilaciones torsionales que tienen
lugar en el eje motor, se transmitan al eje de turbina. Con esta
finalidad, el acoplamiento hidrodinámico comprende un impulsor de
bomba accionado normalmente y un rotor de turbina accionado
normalmente, ambos de cuyos rotores están provistos de unos
respectivos conjuntos de álabes que interactúan.
Con todo eso, se ha comprobado que en el caso de
un acoplamiento hidrodinámico ordinario se permite que pasen
oscilaciones torsionales incluso si están amortiguados, lo cual
puede ocasionar un aumento de tensiones innecesarias sobre la
turbina de la unidad compuesta de turbo. La cantidad de
resbalamiento en el acoplamiento, que es normalmente del orden del
uno por ciento o algo más, es una pérdida neta que afecta de forma
negativa al rendimiento del motor. Un bajo grado de resbalamiento
combinado simultáneamente con un buen amortiguamiento es el criterio
para un buen acoplamiento hidrodinámico. Otro problema con este
tipo de acoplamiento es que si se selecciona erróneamente un
engranaje demasiado lento, la velocidad de giro puede alcanzar a
veces la velocidad de rotura de la turbina.
Un sistema de acuerdo al preámbulo de la
reivindicación 1 es conocido a partir del documento
DE-U-92025781.
Es por lo tanto un objeto de la invención,
proporcionar un acoplamiento hidrodinámico con un elevado
rendimiento y buen amortiguamiento que reduzca los problemas
descritos anteriormente.
Para lograr este objeto, el acoplamiento de
acuerdo con la invención se caracteriza por el hecho de que cada
álabe del impulsor de bomba está inclinado con su borde orientado al
rotor de turbina en una dirección opuesta a la dirección normal de
giro, y por el hecho de que cada álabe del rotor de turbina está
inclinado con su borde orientado al impulsor de bomba en dicha
dirección a dicha dirección de giro. Este diseño del acoplamiento
hidrodinámico representa una forma relativamente simple y económica
de incrementar su fiabilidad.
Ejemplos ventajosos de realizaciones de la
invención se describen en las posteriores reivindicaciones
dependientes.
La invención se describirá con más detalle más
adelante haciendo referencia a ejemplos de realizaciones mostradas
en los dibujos adjuntos, en los que
La figura 1 es un acoplamiento hidrodinámico de
acuerdo con la invención, en una vista parcialmente seccionada,
La figura 2 es una vista en perspectiva del
rotor de turbina del acoplamiento, y
La figura 3 es una vista en perspectiva de una
sección parcial del impulsor de bomba del acoplamiento.
El acoplamiento hidrodinámico mostrado en la
figura 1 está concretamente previsto para usarlo como parte del
tren impulsor de un camión pesado o un autobús. El acoplamiento
comprende una cubierta exterior 10 que encierra un impulsor de
bomba 11 con un conjunto de álabes 12 y un rotor de turbina 13 con
un correspondiente conjunto de álabes 14. Tanto el impulsor de
bomba como el rotor de turbina están diseñados como ruedas de álabes
con sus lados orientados entre sí, los cuales están abiertos en
ángulos rectos al eje longitudinal del acoplamiento. Los dos lados
de rueda están separados por un espacio.
La cubierta 10 y el impulsor de bomba 11 están
solidariamente conectados a una corona dentada 15, que puede estar
accionada por el engranaje en un eje de turbina. Estas tres piezas
están montadas giratorias en un eje 16, que está normalmente
conectado al cigüeñal del motor de combustión interna. El rotor de
turbina 13 está fijado en el eje. La cubierta encierra un líquido
tal como aceite del sistema de aceite lubricante del motor de
combustión interna, por ejemplo. Mediante el giro del impulsor de
bomba 11, se fuerza al líquido encerrado de una forma conocida por
medio de los álabes del impulsor de bomba 12 y por la acción de la
fuerza centrífuga, hacia el lado abierto del impulsor de bomba,
aplicándose al mismo tiempo una gran energía cinética sobre el
líquido. Esta energía después se transmite parcialmente al rotor de
turbina 13 por el hecho de que el líquido rebosante actúa sobre los
álabes del rotor de turbina 14.
En un acoplamiento hidrodinámico convencional,
los álabes del impulsor de bomba y los álabes del rotor de turbina
son paralelos al eje longitudinal del acoplamiento. Esto significa
que el acoplamiento convencional tiene las mismas características
de funcionamiento independientemente de la dirección del flujo de
potencia en el acoplamiento, es decir ambos en un funcionamiento
normal del motor, cuando el flujo de potencia es de la unidad
compuesta de turbo al eje motor, y durante el frenado motor, cuando
el flujo de potencia es en la dirección opuesta desde el eje motor
a la unidad compuesta de turbo.
Como se verá a partir de las figuras, de acuerdo
con la invención los álabes del impulsor de bomba 12 están
inclinados con su borde orientado al rotor de turbina en una
dirección opuesta a la dirección normal de giro, y los álabes del
rotor de turbina 14 están inclinados en dicha dirección de giro. Un
efecto de esta inclinación de los álabes es que el acoplamiento se
sujeta bien en la dirección normal del flujo de potencia, pero el
acoplamiento resbala mediante un flujo de potencia en la dirección
opuesta, es decir durante el frenado motor. Cuando la unidad
compuesta de turbo suministra potencia, el acoplamiento se sujeta y
la potencia se transmite al eje motor con gran rendimiento. Cuando
la turbina no está suministrando potencia, por ejemplo en el frenado
motor, la turbina sigue la estela a una velocidad más baja que de
otra manera habría sido el caso con un acoplamiento convencional,
lo que reduce las pérdidas por fricción.
Esto también significa que la unidad compuesta
de turbo se expone a tensiones inferiores durante el frenado de
motor. Además, el acoplamiento de acuerdo con la invención tiene una
capacidad sensiblemente mayor de filtrar oscilaciones torsionales.
Pruebas en un motor de seis cilindros han mostrado que el efecto es
importante en el amortiguamiento de modos de vibración
especialmente del 3^{r}, 6º y 9º orden, que de otra manera pueden
tener un efecto perturbador durante el frenado de motor. Las
oscilaciones harmónicas se amortiguan, se supone por el hecho de
que el acoplamiento de acuerdo con la invención funciona
asimétricamente. Al mismo tiempo el resbalamiento es inferior que
en un acoplamiento con álabes simétricos.
Los efectos ventajosos descritos anteriormente
tienen lugar en un ángulo de álabe de entre 40 y 50 grados
separados desde el eje longitudinal del acoplamiento,
aproximadamente 45 grados, por ejemplo. También se puede dar por
sentado que estos efectos positivos también tienen lugar en un rango
variable de ángulos entre 5 y 85 grados separados desde el eje
longitudinal del acoplamiento. Puede ser apropiado tener el mismo
ángulo en los álabes del impulsor de bomba y los álabes del rotor
de turbina, pero también es posible tener ángulos algo diferentes
en los álabes de los dos rotores de acoplamiento, siempre que todos
los álabes estén provistos con el mismo ángulo en cada rotor.
Como puede verse a partir de la figura 2, el
rotor de turbina 13 está provisto de paletas de rascado 17 dirigidas
radialmente hacia fuera, las cuales se extienden hacia la cubierta,
inclinada en la dirección de giro del rotor de turbina. La función
de estas paletas de rascado es rascar hacia fuera sedimentos sucios
desde la pared interior de la cubierta.
La invención no debe relacionarse con estar
limitada a la realización de ejemplo descrita anteriormente, en
lugar de eso son viables un número adicional de variantes y
modificaciones dentro del ámbito de las siguientes reivindicaciones
de patente.
Claims (5)
1. Sistema para recuperar energía residual de
los gases de escape de un motor de combustión interna que comprende
un acoplamiento hidrodinámico para transmitir par entre un impulsor
de bomba accionado normalmente (11) y un rotor de turbina accionado
normalmente (13), ambos de cuyos rotores están provistos de unos
respectivos conjuntos de álabes (12 y 14) que interactúan, y que
permite que se transfiera energía cinética desde una unidad
compuesta de turbo al motor de combustión interna,
caracterizado por el hecho de que,
cada álabe (12) del impulsor de bomba (11) está
inclinado con su borde orientado al rotor de turbina (13) en una
dirección opuesta a la dirección normal de giro, y por el hecho de
que cada álabe (14) del rotor de turbina está inclinado con su
borde orientado al impulsor de bomba (11) en dicha dirección de giro
para amortiguar oscilaciones harmónicas en el acoplamiento
hidrodinámico.
2. El sistema reivindicado en la reivindicación
1,
caracterizado por el hecho de que,
cada álabe (12; 14) está inclinado en un ángulo
de entre 5 y 85 grados separados del eje longitudinal del
acoplamiento.
3. El sistema reivindicado en la reivindicación
2,
caracterizado por el hecho de que,
cada álabe (12; 14) está inclinado en un ángulo
de entre 40 y 50 grados separados del eje longitudinal del
acoplamiento.
4. El sistema reivindicado en la reivindicación
2 o 3,
caracterizado por el hecho de que,
los ángulos de los álabes del impulsor de bomba
y los álabes del rotor de turbina (12; 14) son tales que cada par
opuesto de álabes está situado en gran parte en el mismo plano.
5. El sistema reivindicado en cualquiera de las
reivindicaciones anteriores,
caracterizado por el hecho de que,
el impulsor de bomba (11) y el rotor de turbina
(13) están encerrados juntos en una cubierta (10), y por el hecho
de que,
el rotor de turbina (13) está provisto en su
superficie exterior orientada a la cubierta, con elementos salientes
de rascado (17) para rascar hacia fuera sedimentos sucios desde la
pared interior de la cubierta, extendiéndose los elementos de
rascado en un ángulo en la dirección de giro del rotor de
turbi-
na.
na.
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