Desenvolvimento, Combinação e Teste
Desenvolvimento
Visto que os turboalimentadores precisam atender diversos requisitos em relação à altura e largura do mapa, características de eficiência, momento de inércia do rotor e condições de uso, novos tipos de compressor e turbina são continuamente desenvolvidos para diversas aplicações de motores. Além disso, regulamentações regionais distintas sobre a emissão de gases poluentes resultam em diversas soluções técnicas.
Os rotores do compressor e da turbina têm influência máxima sobre as características operacionais do turboalimentador. Esses rotores são projetados por meio de programas computadorizados que permitem o cálculo tridimensional das vazões de ar e gases de escape. O esforço do rotor é simultaneamente otimizada pelo método de elementos finitos (FEM), e a durabilidade é calculada com base nos ciclos reais de funcionamento do motor.
Modelo CAD de um turboalimentador para veículo comercial a diesel
Apesar da atual avançada tecnologia computadorizada e programas detalhados de cálculos são os testes que finalmente decidem sobre a qualidade dos novos componentes aerodinâmicos. O ajuste minucioso e a verificação de resultados são, assim, realizados em bancos de ensaios para turboalimentadores.
Combinação
Os componentes vitais de um turboalimentador são a turbina e o compressor. Ambos são turbomáquinas que, com a ajuda de leis de modelagem, podem ser fabricados em diversos tamanhos com características similares. Assim, por meio de aumento e redução, estabelece-se a faixa de operação do turboalimentador, permitindo a disponibilidade do tamanho ideal para os vários tamanhos do motor. Além disso, os requisitos variam segundo cada tamanho de motor, e nem sempre é possível usar a mesma geometria da carcaça ou rotor.
A similaridade do modelo e o princípio do design modular, contudo, permitem o desenvolvimento de turboalimentadores individualmente projetados para cada motor. Isso começa com a seleção do compressor apropriado com base na curva característica da pressão de alimentação exigida. Teoricamente, a curva de carga total deve ser tal que a eficiência do compressor atinge o máximo na faixa principal de funcionamento do motor. A distância em relação à linha de sobrecarga deve ser suficientemente grande.
A combinação termodinâmica do turboalimentador é implementada por meio do equilíbriode energia e fluxo de massa. O ar fornecido pelo compressor e o combustível que chega ao motor constituem a taxa do fluxo de massa da turbina. Em operação de regime constante, as potências do compressor e da turbina são idênticos (condição de rotor livre). O cálculo de correspondência é iterativo, baseado nos mapas da turbina e do compressor, bem como nos dados mais importantes do motor.
O cálculo de correspondência pode ser bastante exato quando usamos programas computadorizados para a simulação calculada do turboalimentador e motor. Esses programas incluem balanceamento de material, energia e massa para todos os cilindros e tubos conectados. O turboalimentador entra no cálculo sob a forma de mapas. Além disso, esses programas incluem várias equações empíricas para descrever inter-relações que são difíceis de expressar analiticamente.
Teste
O turboalimentador tem que funcionar durante o mesmo tempo e com a mesma confiabilidade que o motor. Antes de ser liberado para produção em série, ele precisa passar por inúmeros ensaios. Esta bateria de testes inclui ensaios de componentes individuais do turboalimentador, no banco de ensaios do turboalimentador e no motor. Alguns ensaios desta bateria complexa de testes são detalhados a seguir.
Teste de retenção
Se o rotor da turbina ou do compressor explode, suas peças restantes não devem penetrar a carcaça da turbina ou do compressor. Para conseguir isto, o conjunto formado pelo rotor da turbina e eixo é acelerado até uma rotação tão alta que o respectivo rotor explode. Após a explosão, avalia-se a segurança de retenção da carcaça. A rotação de explosão, geralmente, é 50 % acima da rotação máxima permitida.
Ensaio de Fadiga de Baixo Ciclo
Trata-se de um teste de carga do rotor da turbina ou do compressor resultando na destruição do componente. É usado para determinar os limites de resistência do material do rotor. Instala-se o rotor da turbina ou do compressor em um banco de ensaios de supervelocidade; acelera-se o rotor por meio de um motor elétrico até que a velocidade de ponta especificada seja alcançada e depois reduzida. Com base nos resultados e na curva S/N (tensão-número de ciclos até a ruptura) do componente, a vida útil esperada pode ser calculada para cada ciclo de carga.
Mensuração dinâmica do rotor
O movimento rotacional do rotor é influenciado pelas forças de trepidação do gás sobre a turbina. Por meio de seu desbalanceamento residual e das vibrações mecânicas do motor, ele é estimulado a vibrar. Portanto, grandes amplitudes podem ocorrer dentro da folga do mancal e levar a instabilidades, sobretudo quando as pressões do óleo lubrificante são muito baixas e suas temperaturas muito elevadas. Na pior das hipóteses, isso resultará em contato metálico e desgaste mecânico anormal.
O movimento do rotor é medido e registrado por transmissores sem contato, localizados na área de sucção do compressor por meio do método de correntes parasitas (de Focault). Em todas as condições e pontos de operação, as amplitudes do rotor não devem exceder 80 % dos valores máximos possíveis. O movimento do rotor não pode mostrar nenhuma instabilidade.
Teste de Partida/Parada
A diferença de temperatura no turboalimentador entre os gases no lado quente da turbina e na admissão fria do compressor pode chegar a 1000 °C em uma distância de apenas alguns centímetros. Durante o funcionamento do motor, o óleo lubrificante passando pelo mancal refrigera a carcaça central para que não ocorra nenhuma temperatura crítica nos componentes. Depois que o motor parar, sobretudo após cargas elevadas, o calor pode acumular-se na carcaça central, resultando no coqueamento do óleo lubrificante. Portanto, é de fundamental importância determinar as temperaturas máximas dos componentes nos pontos críticos, para evitar a formação de resina e óleo carbonizado na área do mancal do lado da turbina e no anel de segmento.
Depois que o motor parar, mede-se o aumento de calor do turboalimentador. Após um determinado número de ciclos, inspecionam-se os componentes do turboalimentador. Somente quando as temperaturas máximas permissíveis dos componentes não forem excedidas e as quantidades de óleo carbonizado em torno do mancal forem pequenas, é que se considera o resultado do ensaio como sendo bom.
Teste cíclico de resistência
Durante o funcionamento do motor, expõe-se o wastegate a cargas mecânicas e térmicas elevadas. Durante o teste do wastegate, essas cargas são simuladas no banco de ensaios.
A verificação de todos os componentes e a determinação das taxas de desgaste são incluídas no teste cíclico. Neste teste, o turboalimentador funciona no motor durante várias centenas de horas em diversos pontos de carga. As taxas de desgaste são determinadas por medições detalhadas dos componentes individuais, antes e depois do teste.