Design e Função de um Turboalimentador
Turbina
Design e função
A turbina do turboalimentador, que consiste em um rotor e carcaça, converte o gás de escape do motor em energia mecânica para acionar o compressor.
O gás, que é restringido pela área da seção transversal de vazão da turbina, resulta em queda de pressão e temperatura entre a admissão e saída. Esta queda de pressão é convertida pela turbina em energia cinética para mover o rotor da turbina.
Há dois tipos principais de turbinas: radial e axial. No tipo axial, a vazão pelo rotor é apenas na direção axial. Nas turbinas radiais, o fluxo de gás é centrípeto, ou seja, em uma direção radial de fora para dentro, e a descarga de gás na direção axial.
Em rotores com diâmetro de até 160 mm, usam-se apenas turbinas radiais. Isso corresponde a uma potência do motor de aproximadamente 1000 kW por turboalimentador. A partir de 300 mm, usam-se apenas turbinas axiais. Entre esses dois valores, ambas variações são possíveis.
Como a turbina radial é a mais aceita em aplicações automotivas, a seguinte descrição limita-se ao seu design e função.
Na voluta de turbinas radiais ou centrípetas, a pressão dos gases de escape é convertida em energia cinética e este na circunferência do rotor é direcionado, a velocidade constante, para o rotor da turbina. A transferência de energia cinética para o eixo ocorre no rotor da turbina, que é projetado para que quase toda energia cinética seja convertida quando o gás chegar à saída do rotor.
Características operacionais
A performance da turbina melhora quando a queda de pressão entre a admissão e a saída aumenta, ou seja, quando mais gases de escape são acumulados antes da turbina em conseqüência de uma maior velocidade do motor ou no caso de uma elevação na temperatura dos gases de escape causado pela maior energia destes.
O comportamento característico da turbina é determinado pela área específica de vazão, a seção transversal da garganta, na área de transição do canal de admissão até a voluta. Ao reduzir a seção transversal da garganta, mais gases de escape são retidos antes da turbina e sua performance aumenta em conseqüência da elevação na razão de pressão. Uma seção transversal de vazão menor, portanto, resulta em pressões de alimentação mais elevadas.
A área da seção transversal da vazão da turbina pode ser facilmente variada mudando-se a carcaça da turbina.
Além da área da seção transversal de vazão da carcaça da turbina, a área de descarga na admissão do rotor também influencia a capacidade de escoamento de massa da turbina. A usinagem do perfil fundido do rotor de uma turbina permite que a área da seção transversal e, portanto, a pressão de alimentação sejam ajustados. A ampliação do perfil resulta em maior área da seção transversal de vazão da turbina.
Turbinas com geometria variável mudam a seção transversal de vazão entre o canal da voluta e a admissão do rotor. A área de saída para o rotor da turbina é alterada por palhetas direcionais ou anéis deslizantes variáveis, cobrindo uma parte da seção transversal.
Na prática, as características operacionais de turbinas com turboalimentador por gás de escape são descritas por mapas mostrando os parâmetros de vazão em relação à razão de pressão da turbina. O mapa da turbina mostra as curvas de fluxo de massa e a eficiência da turbina para diversas velocidades. Para simplificar o mapa, as curvas de fluxo de massa, assim como a eficiência, podem ser representadas por uma curva média.
Para uma alta eficiência geral do turboalimentador, a coordenação dos diâmetros do rotor da turbina e do compressor é de vital importância. A posição do ponto de operação no mapa do compressor determina a velocidade do turboalimentador. O diâmetro do rotor da turbina tem que ser tal que sua eficiência seja maximizada nesta faixa operacional.
Turboalimentador com turbina de duas entradas
A turbina é raramente submetida à pressão constante de gases de escape. Em motores comerciais a diesel turboalimentados com pulso, turbinas de duas entradas permitem que os pulsos de gases de escape sejam otimizados porque uma razão de pressão mais elevada na turbina é obtida em menor tempo. Assim, por meio do aumento na razão de pressão, a eficiência se eleva, melhorando o importantíssimo intervalo de tempo quando um fluxo de massa elevado, mais eficiente está passando pela turbina. Em conseqüência desta melhor utilização da energia dos gases de escape, as características da pressão de alimentação do motor e, portanto, o comportamento do torque melhoram, sobretudo nas baixas rotações do motor.
Para impedir que os diversos cilindros interfiram um com o outro durante o ciclo nas trocas de gases, os cilindros são ligados a coletores de escape separados. Turbinas de duas entradas permitem que a vazão dos gases de escape seja alimentada separadamente através da turbina.
Carcaças de turbinas refrigeradas a água
Turboalimentador com carcaça de turbina refrigerada a água para aplicações navais
Aspectos de segurança também precisam ser considerados no design do turboalimentador. Em salas de motores de navios, por exemplo, as superfícies quentes devem ser evitadas por causa do risco de incêndios. Portanto, carcaças de turbina para turboalimentadores refrigeradas a água ou carcaças com material isolante são usadas para aplicações navais.