Design e função de um turboalimentador: Turbina

Desde Alfred Büchi, as funções básicas de um turboalimentador por gás de escape não mudaram significativamente. Um turboalimentador por gás de escape é composto por um compressor e uma turbina, que estão conetados por um eixo comum. A turbina fornece, acionada pelos gases de escape do motor, a energia de acionamento para o compressor. Para os turboalimentadores normalmente são usados compressores radiais e turbinas centrípetas.

Turboalimentador: Design e função

Tipos de construção e função

A turbina de um turboalimentador normalmente é composta por um rotor e a carcaça. A turbina converte o gás de escape do motor em energia mecânica para acionar o compressor. O gás de escape, que é restringido pela área da seção transversal de vazão da turbina, resulta em queda de pressão e temperatura entre a admissão e a 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 efetuada apenas na direção axial. Nas turbinas radiais, a vazão de gás é centrípeta, ou seja, em uma direção radial de fora para dentro, e a descarga de gás é efetuada na direção axial.

Em rotores com diâmetro até 160 mm são usadas somente turbinas radiais. Isso corresponde a uma potência do motor de aproximadamente 1000 kW por turboalimentador. A partir de 300 mm são usadas somente turbinas axiais. Entre esses dois valores, ambas variações são possíveis.

Por isso, em motores de veículos de passageiros e veículos comerciais, assim como em motores industriais, praticamente só há turbinas radiais. Nas quantidades maiores aqui aqui existentes, a turbina radial é também menos cara no fabrico do que a turbina axial. Como a turbina radial é a mais aceita, a seguinte descrição limita-se à sua função.

Na voluta de turbinas radiais ou centrípetas, a pressão dos gases de escape é convertida em energia cinética e estes na circunferência do rotor são direcionados, a velocidade constante, para o rotor da turbina. A conversão da pressão em energia cinética é efetuada nas turbinas de gás num anel de guia com pás. Nos turboalimentadores por gás de escape conseguiu-se realizar esta conversão na carcaça da turbina sem anel de guia. Assim é melhorado o comportamento de vazão da turbina e, ao mesmo tempo, a redução da rentabilidade é mínima. A conversão de energia cinética em energia rotativa para o eixo ocorre no rotor da turbina. O rotor está 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, a performance da turbina aumenta quando mais gases de escape são acumulados antes da turbina em consequência de uma maior velocidade do motor. A performance da turbina também melhora no caso de uma elevação na temperatura dos gases de escape causada 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 consequência 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 ajustadas. A ampliação do perfil resulta em maior área da seção transversal de vazão da turbina. Os fabricantes de turboalimentadores também oferecem, dentro de uma série, rotores de turbinas do mesmo diâmetro com contornos diferentes que foram fabricados com base num rotor em bruto de 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. Nestes mapas são mostrados os parâmetros de vazão em relação à razão de pressão da turbina. Para se poder representar o comportamento de vazão geral, ou seja, independentemente da pressão de admissão e da temperatura de admissão, é definido um parâmetro de vazão baseado na teoria de semelhança que considera estas duas grandezas.

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.

Turbina de duas entradas

A turbina é raramente submetida à pressão constante de gases de escape. Em motores de veículos comerciais turboalimentados com pulso, as turbinas de duas entradas permitem que os pulsos de gases de escape sejam usados de modo praticamente ideal. Com as pulsações é obtida uma razão de pressão mais elevada na turbina em menor tempo. Assim, por meio do aumento da 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 consequência 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.

Turboalimentador com turbina de duas entradas

Turboalimentador com turbina de duas entradas

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.

Carcaça da turbina refrigerada a água

Turboalimentador com carcaça da turbina refrigerada a água para aplicações navais

Turboalimentador com carcaça da 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, as carcaças de turbina para turboalimentadores refrigeradas a água ou as carcaças com material isolante são usadas para aplicações navais.