Modelo CAD de um turboalimentador para veículo comercial a diesel

O objetivo do “turbomatching” é portanto, identificar um conjunto ótimo de compressor e turbina, para uma determinado motor e aplicação, baseado nos requisitos e “targets” de performance do motor, porém ainda obedecendo os limites operacionais e de projetos.
Embora geralmente os cálculos levem em consideração os aspectos termodinâmicos, performance e emissões do motor, alguns fatores adicionais como o “layout” de instalação e complexidades operacionais, como a altitude do local, devem ser considerados na escolha do turboalimentador “ótimo”.

Função da Turbina
- Colocar o compressor no ponto de operação necessário ao motor
- Transformar de modo eficinete, com menores perdas possíveis, as energia dos gases de escape (cinética+térmica) em energia mecânica, para acionar o compressor.



Função do Compressor
- Fornecer vazão de ar necessária ao motor, para a obtenção da relação “A/F” (ar/combustível) ou λ (lambda) requerido para uma boa combustão e promover EGR quando necessário.
- Suprir a vazão de ar, na pressão requerida pelo motor, de modo eficiente.
- Realizar o trabalho com menor gasto de energia, o mais próximo do processo ideal (isentrópico).

Múltiplas combinações de Compressor e Turbina podem fornecer as condições requeridas para um motor. A escolha final desta combinação, ainda depende da performance, custos, consumo de combustível, tempo de resposta em transiente, emissão de poluentes, complexidade etc.

O “matching” deve selecionar um Compressor que melhor se ajusta ao “envelope” ou faixa de utilização do motor, obedecendo aos limites de utilização, e da Turbina que possa acionar este Compressor nestas condições. Em geral é selecionado o compressor que apresenta as melhores eficiências, dentro da região de maior utilização do motor. Também são recomendados os compressores que possam fornecer determinada vazão de ar, com as menores velocidades periféricas, visando limitar o nível de tensões (stress). Após o “matching”, os limites de utilização também devem ser checados, incluindo a vida útil para LCF “Low Cycle Fatigue” e HCF “High Cycle Fatigue”.


Testes e Validações

Antes da liberação para a produção seriada, o turboalimentador deve passar por inúmeros testes e qualificações. Estas qualificações incluem ensaios de componentes individuais do turboalimentador, e também do conjunto montado, em banco de ensaios como o “gas stand” e no motor. Alguns ensaios desta bateria complexa de testes são detalhados a seguir.

Teste de Explosão e Contenção.
Se o rotor da turbina ou do compressor explodem, suas peças restantes devem ser contidas pelas carcaças da turbina ou do compressor. Para esta qualificação, o conjunto eixo e rotor da turbina é acelerado até uma rotação alta o suficiente (normalmente 50% acima da rotação máxima permitida para a aplicação), para que ocorra a explosão do rotor. Após a explosão, avalia-se a eficiencia na de contenção dos fragmentos pela carcaça.

Ensaio de LCF “Low Cycle Fatigue” (Fadiga de Baixo Ciclo)
Trata-se de um teste de carga ciclica no rotor da turbina ou do compressor até resultar na falha do componente por fadiga. É usado para determinar os limites de vida do rotor, qunto à fadiga, em determinadas condiçõe de utilização. Materiais diferentes ou componentes fabricados em diversos processos podem ser testados e comparados entre si.
O rotor da turbina ou do compressor são instalados em um banco de ensaios cíclicos de alta velocidade; o rotor é acelerado por meio de um sistema composto por motor elétrico com reduções, até que a velocidade máxima especificada seja alcançada e depois reduzida. Este ciclo é repetido até acumular ciclos de fadiga até a ruptura. Com base nos resultados e na curva S/N (tensão-número de ciclos até a ruptura) do material, a vida útil esperada pode ser calculada para cada condição de utilização.

Qualificação do sistema de mancais através dos testes de “Shaft Motion” (Movimento do eixo e dinâmica do conjunto rotativo ou “Rotordynimics)
O movimento rotacional do rotor é influenciado pelas forças atuando no rotor da turbina, pelos gases de escape, de forma irregular, descontinua e pulsante. O conjunto eixo e rotor da turbina é excitado e levado a vibrar, devido ao seu desbalanceamento residual e também pelas vibrações mecânicas provenientes do motor eseus componentes. Grandes amplitudes de movimento podem ocorrer , mesmo limitado às folgas internas e externas do mancal do eixo, e levar a instabilidades, sobretudo quando as pressões do óleo lubrificante são muito baixas e suas temperaturas muito elevadas. Em condições críticas isso resultará em quebra do filme de óleo e contato metal-metal, com o desgaste prematuro dos componentes.
O movimento do rotor é medido e registrado por sensores sem contato, que utilizam método de correntes parasitas, e localizados na entrada do compressor. Os componentes são desbalanceados até os limites especificados individualmente, e montados em diversas condições, quanto à orientação dos vetores de desbalanceamento. Em todas as condições e pontos de operação, as amplitudes do movimento não devem exceder uma certa porcentagem dos valores máximos possíveis (limitado pelas folgas dos mancais) e não entrar em instabilidade, para ser considerada como qualificada.


Teste de “Start/Stop” (Partida/Parada)
A diferença de temperatura no turboalimentador entre o lado quente na turbina (gases de escape) e no lado frio no compressor (admissão de ar) pode chegar a 1000 °C em uma distância de apenas alguns centímetros. Durante o funcionamento, o óleo lubrificante do motor refrigera a região dos mancais, carcaça central e o eixo para manter a temperatura dentro dos limites aceitáveis, evitando a deterioração, queima e carbonização do próprio óleo e danificando os outros componentes.
Depois da parada do motor, sobretudo após cargas elevadas, de forma súbita (hot shutdown) cessa a circulação do óleo lubrificante, elevando rápidamente a temperatura, na carcaça central, mancais e eixo, resultando na formação de “verniz” e carbonização do óleo lubrificante, em diferentes níveis. É fundamental portanto determinar as temperaturas máximas medidas nos componentes nos pontos críticos, para evitar a formação de verniz e óleo carbonizado nas áreas de trabalho dos mancais e no anel de pistão. Depois da parada brusca do motor, a temperatura em várias regioões criticas do turboalimentador são medidas e registradas até a sua estabilização. Após um determinado número de ciclos, os componentes do turboalimentador são inspecionados e analisados dimensionamente e a estrutura do material checada. O processo de qualificação, e o resultado são considerados satisfatórios somente quando as temperaturas máximas permissíveis nos componentes não forem excedidas e as quantidades de óleo carbonizado em torno do mancal forem consideradas pequenas o suficiente para a aceitação.