Diseño y función de un turbocompresor
Sistema de rodamientos
Sistema de rodamientos del turbocompresor
(modelo recortado)
El eje del turbocompresor y el conjunto de la rueda de la turbina giran a velocidades de hasta 300.000 rpm. La vida del turbocompresor debe corresponderse con la del motor, que podría ser de 1.000.000 km para un vehículo comercial. Sólo los rodamientos de manguito especialmente diseñados para turbocompresor pueden satisfacer estos exigentes requisitos a un coste razonable.
Sistema de rodamientos radial
Con un rodamiento de manguito, el eje gira sin fricción sobre una película de aceite contenida en el cilindro de rodamiento. El suministro de lubricante del turbocompresor procede del circuito de aceite del motor. El sistema de rodamientos está diseñado de forma que los casquillos flotantes de latón, que giran a la mitad de la velocidad del eje aproximadamente, queden situados entre la carcasa central fija y el eje giratorio. De este modo dichos rodamientos de alta velocidad pueden adaptarse de forma que no se produzca contacto metálico alguno entre el eje y los rodamientos en ninguno de los puntos de funcionamiento. Además de su función lubricante, la película de aceite en las separaciones de los rodamientos también sirve de amortiguación, contribuyendo así a estabilizar el conjunto de la rueda de la turbina y el eje. Estas separaciones optimiza la capacidad de soporte de carga hidrodinámica y las características de amortiguación de los rodamientos. La selección del espesor del aceite lubricante para las separaciones interiores viene determinado por la resistencia del rodamiento, mientras que las separaciones exteriores se diseñan en función de la amortiguación de los rodamientos. Las separaciones de los rodamientos son de tan solo unas centésimas de milímetro.
El sistema de rodamiento de una sola pieza es una forma especial de sistema de rodamientos de manguito. El eje gira dentro de un casquillo fijo, que se limpia de aceite desde fuera. La separación exterior de los rodamientos puede diseñarse específicamente para la amortiguación de rodamiento, dado que no se produce ningún giro.
Sistema de rodamientos de empuje axial
Ni los rodamientos de casquillo plenamente flotante ni el sistema de rodamientos de casquillo fijo de una sola pieza soportan fuerzas en dirección axial. Como las fuerzas gaseosas que actúan en dirección axial sobre el compresor y las ruedas de la turbina tienen cargas distintas, el conjunto del eje y la rueda de la turbina se desplaza en dirección axial. El rodamiento axial, rodamiento de superficie deslizante con recubrimientos cónicos, absorbe dichas fuerzas. Dos pequeños discos que se fijan al eje actúan como superficie de contacto. El rodamiento axial se fija en la carcasa central. Una placa deflectora de lubricante evita que éste penetre en la zona de estanqueidad del eje.
Drenaje de lubricante
El aceite lubricante fluye al interior del turbocompresor a una presión aproximada de 4 bar. Al efectuarse el drenaje del lubricante a baja presión, el diámetro del conducto de drenaje de lubricante debe ser mucho mayor que el del conducto de entrada de lubricante. Siempre que sea posible, el flujo de lubricante que pasa a través del rodamiento debe ser en dirección vertical descendente. El conducto de drenaje de lubricante debe retornar al cárter por encima del nivel de lubricante del motor. Toda obstrucción que se produzca en el conducto de drenaje de lubricante produce una contrapresión en el sistema de rodamientos. El lubricante pasa entonces por las juntas de estanqueidad hacia el interior del compresor y la turbina.
Estanqueidad
La carcasa central debe estar sellada contra los gases de escape calientes de la turbina y contra las fugas de lubricante procedentes de la carcasa central. Hay unos aros instalados en ranuras del eje del rotor en los extremos de turbina y compresor. Dichos aros no giran, sino que permanecen sujetos con firmeza a la carcasa central. Este tipo de sellado sin contacto, que constituye un tipo de sello de laberinto, hace que sea más difícil que se produzcan fugas de lubricante debido a los múltiples cambios de dirección que experimenta el flujo lo que garantiza que solamente se escapan hacia el interior del cárter pequeñas cantidades de gases de escape.
Turbocompresor para aplicaciones en turismos de gasolina con carcasa de rodamiento refrigerada por agua
Los motores de gasolina, en los cuales las temperaturas de los gases de expulsión son entre 200 y 300ºC más altas que en los motores diesel, suelen ir equipados con carcasas centrales refrigeradas por agua. Cuando el motor está en funcionamiento, la carcasa central se integra en el circuito de refrigeración del motor. Tras pararse el motor, el calor que queda se expulsa utilizando un pequeño circuito de refrigeración que funciona mediante una bomba eléctrica de agua controlada por un termostato.