Sistemi a geometria variabile per le turbine dei motori turbo.

Sistemi a geometria variabile per le turbine dei motori turbo.

Turbocompressori a flusso variabile (VFT): volute a geometria variabile (VVT) e Dual Entry.

Procediamo con la nostra trattazione sulla turbosovralimentazione del motore termico.
Nel precedente articolo sono stati presentati i vantaggi prodotti dall’introduzione dei sistemi turbo con tecnologie a geometria variabile, grazie alle quali è possibile modificare l’Aspect Ratio (AR) all’ingresso della turbina in funzione delle richieste del motore.

Un efficace sistema per modificare l’AR è quello di realizzare un dispositivo tale da poter modificare la geometria della voluta. Quest’ultima è quel componente nel quale vengono convogliati i gas di scarico del motore e direzionati verso la girante, la quale elabora la portata in ingresso trasformandone l’energia cinetica e l’entalpia in energia meccanica. In questo modo essa viene resa disponibile all’albero condiviso con il compressore, il quale viene così movimentato.
L’efficienza di una turbina e la qualità del flusso in uscita sono fortemente influenzati dalla traiettoria curva descritta dai gas di scarico durante l’attraversamento della voluta. Pertanto, la sua geometria svolge una funzione determinante sulla resa dell’intero apparato.

VVT con flap
Schema di una VVT. Il setto mobile è in posizione chiusa (A) ai bassi regimi; quando la portata aumenta il setto si apre dando accesso al settore esterno della voluta. Ai massimi carichi si apre completamente per avere la massima sezione di attraversamento (B).

 

Voluta a geometria variabile (VVT)
Nota come Variable Volute Turbocharger (VVT), si tratta di una voluta il cui canale di ingresso è diviso in due settori comunicanti tra loro attraverso un setto mobile (flap) incernierato in una delle due estremità. Entrambi i settori sono direzionati verso il rotore: il primo, ossia quello più interno, è sempre attraversato dai gas, mentre il secondo viene reso accessibile dal setto mobile quando la portata supera una certa soglia prestabilita. Una valvola di controllo attiva il sistema, solitamente ad azionamento idraulico o, nei motori più moderni, elettronico.
Questo sistema rende modulabile l’AR a monte del turbocompressore, consentendo al sistema di rispondere alle variazioni di carico e rendendolo piuttosto versatile alle varie esigenze che si presentano durante l’esercizio.

 

Voluta Dual Entry
Essendo ormai noto che tutti i motori turbo moderni sfruttano la tecnologia ad impulsi, la voluta Dual Entry (a doppia entrata) nasce dalla volontà di mantenere separati i flussi pulsanti provenienti dal motore in modo da evitarne il più possibile la reciproca interferenza.

Tale necessità si evidenzia maggiormente nei motori a multi-cilindro, i quali spesso portano la turbina ad operare in condizioni di off-design, ossia fuori dalle condizioni ideali di progetto.
In risposta, sono state proposte numerose soluzioni realizzative, ma quelle che hanno avuto più successo possono essere classificate in due macro categorie: le Double Entry e le Twin Entry.

Nelle prime la voluta viene separata in due canali, uno più interno ed uno più esterno, che si evolvono seguendo la circonferenza del profilo in maniera tale che ciascun flusso possa alimentare un particolare settore della girante.

Voluta Twin Entry
Schema di una voluta di tipo Twin Entry

Nelle Twin Entry, invece, la turbina viene divisa secondo la propria meridiana e la chiocciola ha un singolo divisore lungo il suo intero perimetro in modo tale che ciascun flusso alimenta l’intera girante. A differenza delle VVT, le volute Dual non presentano setti mobili che modificano le geometrie dei canali di attraversamento.

 

Le due tecnologie condividono il medesimo scopo: preservare l’energia contenuta nei gas di scarico e, al contempo, impedire l’interferenza degli impulsi. Tuttavia, la seconda ha storicamente avuto più successo della prima per diverse ragioni: dalle analisi condotte durante numerosi test è emerso che le turbine di tipo Twin sono generalmente più performanti rispetto alle Double, nonostante quest’ultime riescano a raggiungere picchi di efficienza maggiori; a questo si aggiunge che le Twin Entry vantano di una maggiore semplicità realizzativa e di costi nettamente inferiori, motivo per cui sono state selezionate dai costruttori per la produzione dei noti motori Twin-scroll.

Questi saranno oggetto di studio del prossimo articolo della nostra trattazione: verranno analizzati i principi di funzionamento evidenziandone vantaggi e svantaggi, confrontandoli con i tradizionali impianti single-scroll.

Mini Twin-scroll
Motore Mini con sistema Twin-scroll.

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