ITTO20010505A1 - Turbina a geometria variabile. - Google Patents
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Description
D E S C R I Z I O N E
del brevetto per invenzione industriale
La presente invenzione è relativa ad una turbina a geometria variabile. L'invenzione trova una preferita ma non esclusiva applicazione nei turbocompressori di sovralimentazione di motori a combustione interna, cui si farà riferimento nel seguito senza per questo perdere di generalità.
Sono note turbine comprendenti un canale di ingresso a voluta circondante la girante della turbina stessa ed un ugello anulare palettato interposto radialmente fra il canale di ingresso e la girante. Sono altresì note turbine a geometria variabile (VGT) in cui l'ugello anulare palettato ha un assetto variabile per variare parametri di flusso del fluido operativo dal canale di ingresso alla girante. Secondo una forma di attuazione nota, l'ugello a geometria variabile comprende un organo di controllo anulare mobile assialmente per variare la sezione di gola, ovvero la sezione di flusso utile, dell'ugello stesso.
Tale organo di controllo anulare può essere costituito, ad esempio, da un anello di supporto delle palette, dal quale le palette si estendono assialmente ed il quale è mobile assialmente tra una posizione di apertura in cui le palette sono immerse nel flusso e la sezione di gola dell'ugello è massima, ed una posizione di chiusura in cui l'anello chiude parzialmente o totalmente la sezione di gola dell'ugello. Durante l'avanzamento dell'anello, le palette dell'ugello penetrano attraverso apposite fenditure in un alloggiamento ricavato nell'involucro della turbina in posizione affacciata all'anello stesso.
Lo spostamento dell'organo di controllo anulare viene comandato tramite un dispositivo di comando comprendente un attuatore esterno alla turbina, di tipo pneumatico o elettrico, ed una catena cinematica di trasmissione del moto dall'attuatore all'organo di controllo anulare dell'ugello. Ciò comporta costi relativamente elevati e può limitare l'affidabilità. Nella maggior parte delle soluzioni note, risulta ridotta anche la precisione del controllo, poiché la catena cinematica presenta giochi significativi, che tendono ad aumentare durante la vita del dispositivo a causa dell'usura. Infine, un ulteriore inconveniente connesso con le soluzioni note è costituito dal fatto che i dispositivi di comando noti richiedono una registrazione molto precisa, il che costituisce un'operazione delicata.
Scopo della presente invenzione è la realizzazione di una turbina a geometria variabile con un ugello palettato provvisto di un organo di controllo mobile assialmente, la quale sia priva degli inconvenienti connessi con le turbine note e sopra specificati.
Il suddetto scopo è raggiunto dalla presente invenzione, in quanto essa è relativa ad una turbina a geometria variabile comprendente un involucro, una girante supportata girevolmente entro il detto involucro, il detto involucro definendo un canale di ingresso per un fluido operativo a forma di voluta circondante la detta girante, ed un ugello anulare palettato a geometria variabile interposto radialmente fra il detto canale e la detta girante e comprendente un organo di controllo mobile assialmente per controllare il flusso del detto fluido operativo dal detto canale alla detta girante variando una sezione di gola del detto ugello, caratterizzato dal fatto che il detto organo di controllo è realizzato come un pistone anulare di un attuatore a fluido, la detta turbina comprendendo una linea di controllo a fluido, il detto organo di controllo essendo azionato direttamente tramite una pressione di controllo attraverso la detta linea di controllo a fluido.
Per una migliore comprensione della presente invenzione vengono descritte nel seguito alcune forme preferite di attuazione, a titolo di esempi non limitativi e con riferimento ai disegni allegati, nei quali :
la figura 1 è una sezione assiale parziale di una turbina a geometria variabile realizzata secondo la presente invenzione;
le figure 2, 3, 4 sono sezioni assiali parziali di varianti di realizzazione della turbina a geometria variabile di figura 1;
la figura 5 è un grafico nel quale sono riportate rispettive caratteristiche di controllo delle turbine di figura 3 e 4;
la figura 6 è una sezione assiale di un ulteriore forma di realizzazione di una turbina a geometria variabile secondo l'invenzione; e
la figura 7 è una vista prospettica di un ugello della turbina di figura 6.
Con riferimento alla figura 1, è indicata nel suo complesso con 1 una turbina a geometria variabile; la turbina 1 è convenientemente utilizzata in un turbocompressore 2 (parzialmente illustrato) per la sovralimentazione di un motore a combustione interna. La turbina 1 comprende essenzialmente un involucro 3 ed una girante 4 di asse A, supportata in modo girevole attorno all'asse A e rigidamente collegata con un albero 5 di trascinamento di un compressore (non illustrato). L'involucro 3 definisce, in modo noto, un canale di ingresso 6 a voluta circondante la girante 4 e provvisto di una bocca di ingresso 7 atta ad essere collegata ad un collettore di scarico (non illustrato) del motore. L'involucro 3 definisce inoltre un condotto di uscita 8 assiale per i gas di scarico all'uscita della girante 4.
La turbina 1 comprende infine un ugello 10 palettato anulare, a geometria variabile, il quale è radialmente interposto fra il canale di ingresso 6 e la girante 4 e definisce una sezione di gola 11, cioè una sezione utile di flusso minima dell'ugello 10, variabile per controllare il flusso dei gas di scarico dal canale di ingresso 6 alla girante 4.
L'ugello 10 è definito da un anello palettato 12 mobile assialmente e delimitante la sezione di gola 11 con una parete 13 dell'involucro 3 ad esso assialmente affacciata. Più in particolare, l'anello palettato 12 comprende un elemento anulare 14 montato assialmente scorrevole entro una camera 15 anulare ricavata nell'involucro 3 in posizione affacciata alla parete 13, ed una pluralità di palette 17 estendentisi assialmente dall'elemento anulare 14 ed impegnanti in modo assialmente scorrevole rispettive fenditure 18 ricavate nella parete 13 stessa.
Secondo la presente invenzione, l'elemento anulare 14 costituisce il pistone di un attuatore a fluido 20, convenientemente pneumatico, di cui la camera 15 definisce il cilindro, ed è direttamente azionato mediante una pressione di controllo pC attraverso una linea di controllo 21 ricavata nell'involucro 3 della turbina e comunicante con la camera 15. La linea di controllo 21 è collegata ad una valvola di controllo 22, convenientemente una valvola proporzionale a comando elettromagnetico, la quale è pilotata da una centralina elettronica (non illustrata) in modo da fornire una pressione di controllo pC opportuna al variare di parametri operativi del veicolo, come sarà meglio descritto nel seguito.
L'elemento anulare 14, presentante convenientemente sezione cava a C per ragioni di riduzione del peso, coopera a tenuta con la camera 15 mediante elementi di tenuta 23 di tipo convenzionale. Nell'esempio di figura 1, l'elemento anulare 14 presenta pertanto una superficie di controllo 24 soggetta alla pressione di controllo pC, ed una superficie di reazione 25 soggetta alla pressione del fluido operativo.
In uso, la pressione di controllo pC agisce assialmente sulla superficie di controllo 24 nel verso di chiusura dell'ugello 10. Il fluido operativo della turbina 1, in particolare il gas di scarico, agisce sulla superficie di reazione 25 in senso opposto, cioè nel verso tale da portare l'ugello 10 verso un assetto di apertura. Ogni variazione nella pressione di controllo pC produce uno spostamento dell'anello palettato 12 finché viene ripristinata una condizione di equilibrio fra la pressione di controllo pC e quella del fluido operativo. Ciò comporta che a ciascun valore della pressione di controllo pC corrisponde un valore della pressione media del fluido operativo nell'ugello 10, e quindi della pressione pT di ingresso turbina, almeno finché l'anello palettato 12 non è a contatto con un arresto meccanico agli estremi della propria corsa. Controllare la pressione di controllo pC è pertanto equivalente a controllare la pressione pT di ingresso turbina, che è uno dei più importanti parametri operativi di un motore sovralimentato.
In uso, il fluido operativo entra nell'ugello 10 in direzione sostanzialmente radiale dall'esterno, cioè dal canale di ingresso 6, e viene deflesso dalle palette 17 secondo l'angolo di passo di queste, verso la girante 4. Mediante lo spostamento assiale dell'elemento anulare 14, la sezione di gola è variabile da un valore massimo ad un valore minimo, che può essere pari a zero nell'assetto di massima chiusura dell'ugello 1. In uso, questa condizione comporta l'arresto del flusso di fluido operativo e può essere convenientemente utilizzata, in un sistema motore a combustione interna/ turbocompressore, nelle fasi di frenatura con il freno motore, di avviamento a freddo e di arresto di emergenza del motore.
Nella figure da 2 a 4 sono illustrate rispettive varianti di realizzazione della turbina 1, le quali sono descritte nel seguito per quanto differiscono dalla turbina 1 di figura 1, utilizzando gli stessi numeri di riferimento per identificare parti uguali o corrispondenti a parti già descritte con riferimento alla figura 1.
Nella variante di figura 2, l'anello palettate 12 è soggetto alla forza elastica di richiamo di una o più molle 25 di richiamo agenti nel verso dell'apertura dell'ugello 10, cioè in contrapposizione alla pressione di controllo pC. La molla 25 aumenta la sicurezza operativa, in quanto l'azione elastica di richiamo consente di vincere eventuali resistenze di attrito che possono verificarsi in uso. Inoltre, viene aumentato il livello della pressione di controllo pC necessaria per la chiusura dell'ugello 10, migliorando così la precisione del controllo; è infatti noto che le valvole regolatrici di pressione non operano in modo preciso a livelli di pressione bassi. Infine, un ulteriore effetto della molla 25 è quello di ridurre l'ampiezza delle oscillazioni a cui in uso l'anello palettato 12 può essere soggetto, a causa delle pulsazioni di pressione del fluido operativo, ad esempio dei gas di scarico di un motore a combustione interna.
La figura 3 illustra una variante della turbina 1 in cui la camera 15 presenta due porzioni 15a, 15b assialmente adiacenti fra loro ed aventi diversa sezione utile: una prima porzione 15a adiacente alla sezione di gola 11 dell'ugello 10 ed avente maggiore sezione utile, ed una seconda porzione 15b comunicante con la linea di controllo a fluido 21 ed avente una sezione utile sensibilmente minore.
L'elemento anulare presenta conseguentemente una struttura "a gradino" e comprende una porzione 28 scorrevole a tenuta nella seconda porzione 15b della camera 15 e definente la superficie di controllo 24, ed una porzione 29 scorrevole nella prima porzione 15a e definente la superficie di reazione 25. La porzione 29 presenta inoltre una superficie di spinta ausiliaria 30 rivolta verso la superficie di controllo 24 e soggetta alla pressione del fluido operativo nell'ugello 10 attraverso un passaggio 31. La pressione del fluido operativo agisce sulla superficie di spinta ausiliaria 30 concordemente con la pressione di controllo pC.
In questo modo, viene ridotta la portata di fluido di controllo necessaria per lo spostamento dell'anello palettato 12, il che consente di utilizzare una valvola di controllo 22 più compatta ed economica.
Nell'esempio di figura 3, la superficie di spinta ausiliaria 30 si trova radialmente all'esterno della superficie di controllo 24 e comunica con l'ugello 10 attraverso un passaggio 31 disposto a monte della sezione di gola 11 dell'ugello stesso; la superficie ausiliaria 30 risulta pertanto soggetta ad una pressione maggiore della pressione media agente sulla superficie di reazione 25. In questo modo, è possibile ridurre la risultante delle forze di pressione trasmesse dal fluido operativo all'anello 12, la quale agisce sull'anello palettato 12 in opposizione alla pressione di controllo pC, fino ad un valore sostanzialmente pari alla resistenza di attrito degli elementi di tenuta 23. Risulta pertanto sostanzialmente ridotta l'ampiezza delle oscillazioni dell'anello palettato 12 conseguente alle pulsazioni di pressione del fluido operativo.
Nella variante di figura 4, la superficie di spinta ausiliaria 30 si trova radialmente all'interno della superficie di controllo 24 e comunica con l'ugello 10 attraverso un passaggio 31 disposto a valle della sezione di gola 11 dell'ugello stesso; la superficie ausiliaria 30 risulta pertanto soggetta ad una pressione minore della pressione media agente sulla superficie di reazione 25. Questa soluzione aumenta il livello della pressione di controllo pC necessario per spostare l'anello palettato 12, e quindi consente di far operare la valvola di controllo 21 ad un livello di pressione maggiore, ottenendosi una maggiore precisione di controllo.
La figura 5 è un grafico nel quale sono confrontate le caratteristiche di controllo C3 e C4 delle turbine secondo le soluzioni di figura 3 e, rispettivamente, di figura 4. Il grafico riporta la pressione di ingresso alla turbina pT (pressione nel canale di ingresso 6 a monte dell'ugello 10) in funzione della pressione di controllo pC nella linea 21. Dal grafico risulta evidente che la pressione di ingresso alla turbina pT (in ordinate) dipende in modo lineare dalla pressione di controllo pC (in ascisse), per il principio dell'equilibrio delle forze agenti sull'anello palettato 12 sopra esposto. Risulta inoltre evidente come il livello di pressione di controllo pC, a parità di pressione di ingresso turbina pT, sia maggiore nel caso di figura 4.
La figura 6 illustra una diversa forma di attuazione di una turbina secondo la presente invenzione, indicata nel suo complesso con 35.
La turbina 35 differisce dalle turbine 1 descrìtte per il fatto di comprendere un ugello 36 costituito da una coppia di anelli palettati 37, 38 i quali sono assialmente affacciati fra loro e delimitano assialmente la sezione di gola 11.
Gli anelli palettati 37, 38 comprendono, ciascuno, un elemento anulare 39, 40 ed una pluralità di palette 41, 42 rigidamente collegate al rispettivo elemento anulare 39, 40 ed estendentisi verso l'elemento anulare 40, 39 dell'altro anello palettato 38, 37.
Le palette 41, 42 sono rastremate sostanzialmente a cuneo, in modo che le due pluralità di palette 41, 42 possano compenetrarsi l'una nell'altra.
L'anello palettato 37 è fisso all'involucro 3 della turbina 35; l'anello palettato 38 è mobile assialmente rispetto all'anello 37 in modo da variare la sezione di gola 11 dell'ugello 36.
Secondo l'invenzione, l'elemento anulare 40 dell'anello palettato 38 è disposto scorrevole a tenuta in una camera 45 anulare ricavata nell'involucro 3 e costituisce un pistone anulare di un attuatore pneumatico 20 per il controllo della sezione di gola 11 dell'ugello 36. La posizione assiale dell'anello palettato 38 è pertanto direttamente controllabile variando la pressione nella camera 45, in modo del tutto analogo a quanto descritto per le turbine 1.
Le palette 41, 42 sono conformate in modo da combaciare le une con le altre in un assetto di chiusura completa dell'ugello 36, nel quale l'anello palettato 38 è nella posizione di massimo avanzamento assiale ed è disposto a contatto con l'anello palettato 37. Le palette 41, 42 (figura 7) sono disposte in direzione sostanzialmente tangenziale sui rispettivi elementi anulari 39, 40 e presentano, in una sezione ottenuta con un cilindro di asse A, un profilo triangolare, preferibilmente a dente di sega.
Preferibilmente, le palette 41, 42 sono delimitate da rispettivi fianchi 46, 47 di forma complementare fra loro, ad esempio piani, i quali sono atti a cooperare fra loro per definire una posizione angolare prefissata dell'anello palettato 38 mobile rispetto all'anello palettato 37 fisso, sotto l'azione dinamica esercitata dal fluido operativo sulle palette 42 dell'anello palettato 38 mobile.
Da un esame delle caratteristiche delle turbine 1, 35 realizzate secondo la presente invenzione sono evidenti i vantaggi che essa consente di ottenere.
In particolare, il comando diretto a fluido dell'organo di controllo della sezione di gola della turbina consente di evitare il ricorso ad attuatori esterni e a relativi cìnematismi dì trasmissione. Si ottiene così una turbina a geometria variabile più semplice, economica e compatta; risulta inoltre aumentata l'affidabilità, in quando sono ridotti i rischi di guasti al cinematismo di trasmissione; il controllo della pressione di ingresso della turbina, che è uno dei parametri più importanti nel controllo dei motori sovralimentati, risulta infine particolarmente semplice, affidabile e preciso.
Risulta infine chiaro che alle turbine 1, 35 descritte possono essere apportate modifiche e varianti che non escono dall'ambito di tutela delle rivendicazioni .
Claims (1)
- RIVENDICAZIONI 1.- Turbina (1, 35) a geometria variabile comprendente un involucro (3), una girante (4) supportata girevolmente entro il detto involucro (3), il detto involucro (3) definendo un canale (6) di ingresso per un fluido operativo a forma di voluta circondante la detta girante (4), ed un ugello (10, 36) palettato anulare a geometria variabile interposto radialmente fra il detto canale (6) e la detta girante (4) e comprendente un organo di controllo (14, 40) mobile assialmente per controllare il flusso del detto fluido operativo dal detto canale (6) alla detta girante (6) variando una sezione di gola del detto ugello (10, 36), caratterizzata dal fatto che il detto organo di controllo (14, 40) è realizzato come un pistone anulare di un attuatore a fluido (20), la detta turbina comprendendo una linea (21) di controllo a fluido, il detto organo di controllo (14, 40) essendo azionato direttamente tramite una pressione di controllo attraverso la detta linea (21) di controllo a fluido. 2.- Turbina secondo la rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che il detto organo di controllo (14) comprende una superficie di controllo (24) soggetta alla detta pressione di controllo ed orientata assialmente in modo tale da muovere il detto organo di controllo (14) verso un assetto chiuso in risposta ad un aumento della detta pressione di controllo . 3.- Turbina secondo la rivendicazione 2, caratterizzata dal fatto che il detto organo di controllo (14) comprende una superficie di reazione (25) soggetta alla pressione del fluido operativo nel detto ugello (10) ed orientata assialmente in una direzione opposta a quella della detta superficie di controllo (24). 4.- Turbina secondo la rivendicazione 2 o 3, caratterizzata dal fatto che il detto organo di controllo (14) comprende almeno una superficie ausiliaria (30) orientata assialmente nella stessa direzione della detta superficie di controllo (24) ed alloggiata in una camera ausiliaria (15a), e mezzi di collegamento (31) per alimentare detto fluido operativo dal detto ugello (10) alla detta camera ausiliaria (15a). 5.- Turbina secondo la rivendicazione 4, caratterizzata dal fatto che la detta superficie ausiliaria (30) è disposta radialmente all'esterno rispetto alla detta superficie di controllo (24), detti mezzi di collegamento (31) comunicando con il detto ugello (10) a monte della detta sezione di gola (11) dell'ugello (10). 6.- Turbina secondo la rivendicazione 4, caratterizzata dal fatto che la detta superficie ausiliaria (30) è disposta radialmente all'interno rispetto alla detta superficie di controllo (24), detti mezzi di collegamento (31) comunicando con il detto ugello (10) a valle della detta sezione di gola (11) dell'ugello (10). 7.- Turbina secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto che il detto organo di controllo (14) è assialmente libero, in modo tale che la posizione assiale del detto organo di controllo (14) sia definita dall'equilibrio delle forze di pressione agenti sullo stesso. 8.- Turbina secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 6, caratterizzata dal fatto di comprendere mezzi elastici (25) per spingere il detto organo di controllo (14) verso un assetto di apertura del detto ugello (10). 9.- Turbina secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto che il detto organo di controllo è un elemento anulare (14) provvisto di una pluralità di palette (17) estendentisi assialmente, il detto involucro (3) presentando una rottura altrettanto domanda pluralità di fenditure (18) per alloggiare le dette palette (17) in un assetto chiuso o parzialmente chiuso del detto ugello (10). 10.- Turbina secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 8, caratterizzata dal fatto che il detto ugello (36) palettato anulare a geometria variabile comprende un primo anello palettato (37) ed un secondo anello palettato (38) affacciati fra loro, ciascuno dei detti anelli palettati (37, 38) comprendendo un elemento anulare (39, 40) ed una pluralità di palette (41, 42) rigidamente collegate al detto elemento anulare (39, 40) ed estendentisi verso l'elemento anulare (40, 39) dell'altro anello palettato (38, 37), dette palette (41,42) essendo rastremate sostanzialmente a cuneo in modo che le due pluralità di palette (41,42) possano compenetrarsi l'una nell'altra, almeno uno (40) dei detti elementi anulari (39, 40) essendo mobile assialmente rispetto all'altro elemento anulare (39) e costituendo il detto organo di controllo. 11.- Turbocompressore per un motore a combustione interna, caratterizzato dal fatto di comprendere una turbina (1) a geometria variabile secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti. 12.- Metodo di controllo della pressione di ingresso turbina in un motore a combustione interna sovralimentato mediante un turbocompressore (2), detta turbina (1) a geometria variabile comprendendo un involucro (3), una girante (4) supportata girevolmente entro il detto involucro (3), il detto involucro (3) definendo un canale (6) di ingresso per un fluido operativo a forma di voluta circondante la detta girante (4), ed un ugello (10, 36) palettato anulare a geometria variabile interposto radialmente fra il detto canale (6) e la detta girante (4) e comprendente un organo di controllo (14, 40) mobile assialmente per controllare il flusso del detto fluido operativo dal detto canale (6) alla detta girante (6) variando una sezione di gola del detto ugello (10, 36), in cui il detto organo di controllo (14, 40) è realizzato come un pistone anulare di un attuatore a fluido (20) e la detta turbina comprende una linea (21) di controllo a fluido per il detto organo di controllo (14, 40), il metodo comprendendo la fase di fornire una pressione di controllo attraverso la detta linea di controllo a fluido (21) in modo tale da azionare direttamente il detto organo di controllo (14, 40). 13.- Turbina geometria variabile, sostanzialmente come descritta ed illustrata nei disegni allegati.
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