Sliding Nozzle: turbine a geometria variabile (VGT) ad anello scorrevole

Sliding Nozzle: turbine a geometria variabile (VGT) ad anello scorrevole

Procediamo con la nostra trattazione sulla turbosovralimentazione del motore termico.
Nei precedenti articoli abbiamo definito ed approfondito il concetto di AR (Aspect Ratio), ossia quel parametro che, riferendosi alla turbina, identifica il rapporto tra la sezione trasversale d’ingresso dei gas di scarico del motore ed il raggio medio della voluta dal centro della turbomacchina. Abbiamo spiegato la funzione svolta dalla voluta e presentato i sistemi più diffusi per meglio adattare il flusso proveniente dai cilindri alle caratteristiche del gruppo di sovralimentazione ed alle esigenze del veicolo.

Facciamo ora un ulteriore passo avanti nel mondo degli impianti a geometria variabile analizzando differenti metodi per modificare l’AR delle turbine. Il miglior modo per farlo è quello di focalizzare l’attenzione sul sistema che, al giorno d’oggi, ha avuto più successo nel mondo dell’automotive: il sistema a scorrimento, noto come sliding nozzle VGT.

Schema del sistema di turbosovralimentazione a scorrimento. Il sistema di attuazione idraulica è gestisce lo scorrimento dell’anello attorno al rotore della turbina modificando l’AR in funzione delle richieste di esercizio

Comunemente utilizzato nei camion e negli autobus per via dell’ottima compatibilità con i grandi motori, ma poi largamente diffusosi anche nel settore automobilistico, consiste in un anello sul quale sono rigidamente installate una serie di pale che formano un corpo statorico posizionato attorno al rotore e libero di scorrere lungo l’asse della turbina (da cui il nome sliding nozzle). In questo modo la palettatura riesce a direzionare il flusso di gas verso il rotore mentre l’anello, spostandosi assialmente, consente di aumentare o ridurre a piacimento l’area di passaggio dei gas per meglio adattarla alle variazioni di carico imposte dal motore.

Schema dei flussi che attraversano l’Holset TURBO VGT HE400VG durante il regolare funzionamento

Il risultato è un sistema piuttosto compatto e robusto, in grado di sopportare le alte temperature dei gas di scarico dimostrando buona longevità ed ottime prestazioni: ai bassi carichi garantisce una forte pressione di spinta e senza aumentare i consumi, rivelandosi eccellente partner dell’impianto di ricircolo dei gas esausti (EGR). Tuttavia, anche questo sistema ha un punto debole che nasce dalla propria natura stessa: per ottenere la modifica dell’AR vengono combinate le geometrie di due strutture rigide, una montata sull’anello scorrevole ed una corrispondente alla palettatura del rotore. Il risultato ottenuto è un ventaglio di opzioni operative inevitabilmente limitate dalle geometrie in gioco che riducono il campo di funzionamento del gruppo di sovralimentazione.



Il capostipite dei sistemi a scorrimento è l’Holset VGT, realizzato dalla Cummins Turbo Technologies (colosso americano fondato nel 1919) per il mercato dei veicoli commerciali nell’ormai lontano 1998. Il dispositivo ha subito riscosso grande successo per via delle dimensioni estremamente ridotte: queste sono state ottenute a valle di meticolosi studi sulla geometria della cassa e dell’introduzione di un sistema di attuazione elettronico il quale, sostituendo i più vecchi ed ingombranti attuatori idraulici, offre movimentazioni più precise e performance superiori rispetto ai concorrenti del tempo, consentendo una maggiore capacità di compressione frenante durante la diminuzione del numero dei giri, utile per diminuire la tensione del freno alle ruote. La sua capacità di guidare al meglio il sistema di ricircolo dei gas combusti ha inoltre fatto registrare una sensibile riduzione della produzione di agenti inquinanti, tra cui CO2 e, soprattutto, i pericolosi ossidi di azoto (NOx), migliorando globalmente l’efficienza ed il risparmio di combustibile del 6% rispetto alla generazione precedente.


Modello 3D del motore Cummins ISB da 6.7 litri utilizzato da Ford per alcuni dei suoi autoarticolati. Costruito con 6 cilindri disposti in linea, ha un rapporto di compressione di 17.3:1 e riesce ad erogare una potenza di 350 CV a 3000 rpm.

 

Volvo D13
Modello 3D del motore Volvo D13 destinato al mercato degli autoarticolati. Viene prodotto in ben 12 varianti che lavorano in un range dai 375 ai 500 CV

Nel corso degli anni sono stati fatti numerosi tentativi volti a realizzare anelli scorrevoli equipaggiati con più gruppi di pale, ciascuno con angolazioni differenti, sì da aumentare le possibilità d’impiego. Un prototipo a due gruppi di pale è stato realizzato dal Nippon Institute of Technology. In esso, un gruppo di pale più grandi è provvisto di una regione vuota per ospitare quello con pale più piccole: la presenza di pale geometricamente diverse consente di ottenere prestazioni più performanti al variare della velocità di rotazione, dato che le pale più grandi rispondono meglio alle basse velocità mentre quelle più piccole sono più efficienti agli alti regimi. Tuttavia, questa soluzione risulta essere piuttosto difficile da impiegare per via dei grandi costi economici legati allo studio dei profili, motivo per cui spesso si preferisce rinunciare ad una maggiore versatilità a vantaggio dell’economia realizzativa.

Nel prossimo articolo della nostra trattazione concluderemo l’analisi delle turbine a geometria variabile presentando il sistema a pale rotanti, meglio noto nel settore con il nome di pivoting vanes.

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