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.