Sulla misura delle curve prestazionali dei sistemi di ... - Presentazione

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tazione è risultato pari a 50 K sulla curva isovelocità a 140000 giri/min ed a soli 16 K a 70000 giri/min. 3 DEFINIZIONE DELLE CURVE CARATTERISTICHE DI TURBINA 3.1 Aspetti generali I parametri utilizzati per la rappresentazione delle curve prestazionali di una turbina di sovralimentazione fanno usualmente riferimento a grandezze pseudoadimensionali che consentono di descrivere le prestazioni della macchina indipendentemente dai valori dai parametri termodinamici all’ingresso (sezione 3). Tale procedura è particolarmente utile al fine di poter confrontare misure condotte su banchi a freddo ed a caldo, nonché rilievi su motore, per i quali i livelli di pressione e temperatura all’entrata della turbina sono spesso variabili. Tenendo conto del fatto che, soprattutto per motivi impiantistici, la geometria del circuito di scarico a valle della turbina non consente di realizzare un efficace recupero dell’energia cinetica del flusso all’uscita dalla macchina (Capobianco, 1984), è usuale fare riferimento a livelli statici dei parametri di interesse allo scarico (sezione 4). Alla luce di tali considerazioni, le grandezze generalmente utilizzate sono: - fattore di velocità di rotazione della turbina: M t TT 3 - fattore di portata della turbina: t pT 3 p - rapporto di espansione della turbina (total-to-static): TS p N t Per quanto riguarda il rendimento della macchina, a causa delle notevoli difficoltà connesse con la valutazione diretta dell’efficienza isentropica a partire da misure dei parametri termodinamici nelle sezioni di ingresso ed uscita (Capobianco, 1985), è usuale fare riferimento alla cosiddetta efficienza “termomeccanica” (’t) che include le perdite di natura meccanica del turbosovralimentatore e può essere valutata con migliore affidabilità senza ricorrere a misure di temperatura del fluido all’uscita della macchina. Si ha: ' t t TS mTC n T T 3 Pc TT M h Le turbine per la sovralimentazione di MCI automotive sono generalmente dotate di uno specifico dispositivo per la regolazione ed il controllo della portata evolvente allo scopo di migliorare le condizioni di accoppiamento fra la turbomacchina ed il motore volumetrico e conseguire andamenti della caratteristica meccanica di coppia del propulsore più idonei ad un’applicazione veicolistica. Tale sistema di regolazione della portata può essere costituito da un dispositivo di by-pass di una porzione dei fumi (valvola waste-gate) o da un sistema statorico della turbina a geometria variabile. Prescindendo da considerazioni connesse all’efficienza della macchina in condizioni di regolazione della portata e dalle problematiche connesse all’applicabilità di tali sistemi nel caso dei MCI ad accensione comandata o per compressione, risulta di fondamentale importanza disporre di curve caratteristiche parametrizzate rispetto alla posizione dell’organo di regolazione (Capobianco e Marelli, 2007). Sfortunatamente, tale informazione viene solo in alcuni casi fornita dal costruttore del turbogruppo nel caso di turbine a geometria variabile (e per lo più con una discretizzazione di larga massima di tale parametro) e generalmente non è disponibile nel caso di macchine dotate di valvola waste-gate. La posizione assunta dall’organo di regolazione della portata può essere espressa come percentuale dello spostamento complessivo dell’astina di comando tra le posizioni di completa apertura e chiu- t T 3 st S 4 8
sura del dispositivo ovvero attraverso l’angolo di rotazione dell’alberino che aziona il dispositivo di regolazione; tuttavia quest’ultimo metodo, specialmente per sistemi a geometria variabile, non è sempre facilmente implementabile. 3.2 Caratteristiche di portata La sperimentazione su un banco prova dedicato ad alta flessibilità consente di estendere notevolmente la definizione delle caratteristiche di portata della turbina; a titolo di esempio, in Fig.5 è riportato il risultato della mappatura della macchina motrice del turbogruppo oggetto di sperimentazione condotta sul banco prova del DIMSET-ICEG, estesa a differenti livelli di apertura della valvola waste-gate, espressa attraverso l’angolo di rotazione del relativo alberino (WG). Pur nell’ambito di una sperimentazione a freddo, si osserva la notevole estensione delle curve misurate, conseguita attraverso il controllo della pressione all’ingresso del compressore accoppiato e la conseguente modulazione della portata assorbita dalla macchina operatrice. A titolo di confronto, sulla curva isovelocità a Nt = 5500 giri/(minK) è evidenziato il range di rapporto di espansione considerato nelle mappe fornite dal costruttore del turbogruppo. Dall’esame della Fig.5 si osserva il notevole incremento della portata complessivamente evolvente nella macchina in conseguenza dell’apertura della valvola waste-gate. Tale aspetto è evidenziato nella Fig.6 in cui, ad Nt costante, è riportato l’incremento di portata (rispetto alla situazione di completa chiusura del dispositivo di bypass) misurato per i diversi livelli di apertura della valvola waste-gate considerati, per tre valori del rapporto di espansione. Si osserva come la pendenza delle curve sia decisamente maggiore in corrispondenza delle più piccole aperture dell’organo di regolazione, confermando la non linearità della risposta di tale dispositivo (Capobianco e Marelli, 2006a). Dall’esame complessivo delle curve caratteristiche di portata rappresentate in Fig.5 si osserva inoltre la modesta dipendenza di tale parametro dal fattore di velocità di rotazione. Tale comportamento è accentuato nelle piccole macchine motrici radiali di ultima generazione caratterizzate da diametri della girante estremamente ridotti (32.4 mm nel caso in esame) e da una conformazione del canale 2.00 1.60 1.20 0.80 0.40 F T [kg*K 0.5 /(s*bar)] 2000 3000 4000 0.00 1.00 1.20 1.40 1.60 1.80 2.00 2.20 2.40 5500 Range curva costruttore rpm Nt 7000 K a WG = 60° a WG = 20° a WG = 8° a WG = 0° Fig. 5 – Caratteristiche di portata della turbina di sovralimentazione del gruppo IHI-RHF3 e TS 9
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