Sustentación del eje del turbocompresor

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Video resumen Sustentación del eje del turbocompresor

Hay dos formas genéricas de sobrealimentar el motor térmico (gasolina, diésel o gas) para obtener más par y potencia; compresor volumétrico CV y turbocompresor TC.

El CV gira arrastrado por el motor, y parte de la energía adicional que produce se utiliza para su movimiento.

El TC utiliza la energía de los gases de escape para su funcionamiento, por lo que parece más útil, de hecho, es el más implantado en el automóvil.

El TC gira a muy altas RPM, llega en algunos casos a superar las 300.000, y está sometido a la elevada temperatura de los gases de escape.

Con la evolución de los materiales y control electrónico el TC es prácticamente un elemento más del motor actualmente, por las aportaciones de par y potencia que compensan las tecnologías para reducir la contaminación.

En este artículo nos vamos a centrar en tres sistemas de sustentación del eje del turbocompresor al girar a RPM sumamente elevadas para que no se produzcan fatigas y desgastes prematuros.

De estos sistemas de sustentación del eje del turbocompresor, dos se utilizan habitualmente en motores de automóviles, otro en motores de muy gran tamaño y se menciona uno más que no está implantado en el automóvil.

Vamos a utilizar como imágenes de base los vehículos que estimamos más adecuados a cada uno de los sistemas de sustentación del eje conceptualmente.

Hay más artículos en el blog que tratan de la sobrealimentación, los indicamos al final para quienes quieran contar con más información, también se incluyen otros enlaces de interés.

Funcionamiento; sustentación del eje del turbocompresor

Este automóvil que utilizamos como modelo del concepto de implantación de turbocompresor es un cabriolet de dos plazas, en este caso con motor longitudinal delantero de cuatro cilindros en línea y propulsión o tracción trasera:

Colector de admisión con el filtro de aire, colector de escape con el sistema de anticontaminación y silenciador
Turbocompresor TC con válvula de descarga para limitar la presión de sobrealimentación y RPM de giro del TC
Intercambiador aire – aire o aire – agua, “intercooler”, para enfriar el aire a presión y sobrecalentado en el TC

Funcionamiento del motor con turbocompresor:

Los gases de escape salen del motor a elevada velocidad e inciden sobre la turbina haciéndola girar
La turbina está unida al compresor por el eje girando en conjunto. El compresor succiona aire del filtro y lo envía a presión hacia admisión
En el recorrido desde el compresor al motor por la admisión el aire pasa por el interior del intercooler reduciendo su temperatura
La válvula de descarga abre al llegar a la máxima presión de sobrealimentación, derivando parte de los gases de escape que no inciden sobre la turbina. Cuando la presión disminuye cierra la válvula de descarga

Detalle del turbocompresor:

En el escape está la turbina y en admisión el compresor.
Ambos están unidos por el eje del turbocompresor Ej
Se representan dos apoyos de sustentación del eje del turbocompresor en el interior de la carcasa de unión de las cámaras de la turbina y compresor, St
Se ve a continuación de frente la turbina y el compresor con el eje Ej, y se resalta el concepto de sustentación del eje del turbocompresor St cuyo objetivo es evitar fricciones y desgastes, pues la velocidad de giro es extremadamente elevada, más de 250.000 RPM, y si hay contacto metal – metal el deterioro es sumamente rápido

Si se produjesen contactos del eje con el soporte o carcasa en cuyo interior gira, los desgastes serian intensos y prácticamente instantáneos.

Hay que buscar medios para reducir todo lo posible estos contactos que generan fricción y rozamiento con los efectos consiguientes.

Sustentación del eje del turbocompresor con casquillos flotantes en aceite

El coche que utilizamos como base para estas explicaciones es también un cabriolet de dos plazas, con implantación de motor longitudinal delantero de cuatro cilindros en línea y son motrices las ruedas traseras:

Se representan los colectores de admisión con el filtro de aire, los de escape con el sistema anticontaminación y silenciador, el turbocompresor con la válvula de descarga y el intercooler
Aparece el circuito de aceite del turbocompresor TC, va desde el motor al TC y retorna desde este al cárter una vez realizadas sus funciones
Se pone en marcha el motor y se ve el tránsito de los gases de escape, de admisión, funcionamiento del TC, actuación de la válvula de descarga y del intercooler
Se resalta la circulación de aceite desde el circuito de lubricación del motor al TC y el retorno de nuevo al cárter de aceite del motor

Detalle de sustentación del eje del turbocompresor TC; llega a girar a más de 250.000 RPM y se ha de evitar contactos metal – metal:

Conjunto turbina – eje – compresor
Entrada y salida de aceite al TC situadas en el soporte del eje
Segmentos de estanqueidad en los extremos del eje, para que no pase aceite hacia el escape o admisión
Casquillos flotantes; están entre el eje y la carcasa con holgura entre ambos. En estas holguras de los casquillos con la carcasa y eje hay aceite a presión, haciendo de “colchón” para que no haya fricciones, el objetivo es mantener el eje flotante en una película de aceite de forma que no llegue a entrar en contacto con la superficie exterior, carcasa, ni interior, eje
En el detalle de la izquierda se resalta la función y actuación de los casquillos flotantes

Para lograr que este efecto actúe lo mejor posible desde el arranque del motor en frío, como protección de desgastes al mantener la flotación del eje, el aceite ha de tener ciertas características y temperatura de funcionamiento.

La inclusión del turbocompresor como un elemento más del motor, ha implicado adaptar el aceite para proteger lo mejor posible, además de al motor al eje del turbo, tanto en calidad (ACEA) como en viscosidad variable (multigrado) según la temperatura (SAE).

Esta relación entre el aceite y el turbocompresor afecta especialmente al sistema de sustentación del eje mediante casquillos flotantes.

Sustentación del eje del turbocompresor con rodamientos

Hemos elegido como muestra para esta tecnología un automóvil de competición, pues encaja muy bien con las ventajas que aporta.

La implantación técnica es de motor transversal delantero de cuatro cilindros en línea y 4×4, son motrices las cuatro ruedas:

Se ven los colectores de admisión con el filtro de aire e intercooler, los de escape con el sistema anticontaminación y silenciador, el turbocompresor con la válvula de descarga y el circuito de aceite entre el motor y el turbocompresor
Con el motor en marcha se representan los flujos de circulación de los fluidos, gases de admisión, de escape y de aceite además de la actuación de la válvula de descarga

Detalle del turbocompresor para identificar como se hace la sustentación del eje:

Compresor – eje – turbina como conjunto que gira
Conductos de entrada y salida de aceite al turbocompresor
Segmentos de estanqueidad de aceite para impedir el paso de aceite hacia admisión o escape
Rodamientos de bolas entre el eje y su carcasa o soporte; el aceite lubrica la rotación de las bolas sobre la superficie circular interior asentada en el eje y la exterior que apoya en el soporte o carcasa
Se ve en detalle los rodamientos; apoyos circulares interior y exterior de las bolas y en aceite sobre el que se mueven

El rozamiento de este sistema de sustentación del eje del turbocompresor es sumamente reducido favoreciendo variaciones rápidas de velocidad de giro.

Necesita aceite para su lubricación y rodar las bolas sin fricciones, lo que permite variaciones de velocidad al acelerar sumamente rápidas al no presentar efectos de rozamientos internos al giro.

Su mayor coste limita su aplicación.

Sustentación del eje del turbocompresor con “rodamientos” electromagnéticos

Este sistema de sustentación del eje se utiliza en grandes bombas con diferentes fines, y el turbocompresor es una bomba de aire, por lo que nos ha parecido interesante incluirle en este artículo.

Para poder adaptar lo mejor posible la utilidad del sistema de sustentación electromagnética hemos elegido como muestra para esta tecnología un camión cuyo motor es de bastante cilindrada, sin que sea necesariamente el equipamiento que lleve implantado.

El camión que se ve en la imagen tiene motor longitudinal delantero con seis cilindros en línea, y son motrices las ocho ruedas de los dos ejes traseros, gemelas de dos en dos:

Con el motor en funcionamiento se ve el paso de los gases de admisión desde el filtro de aire al motor pasando por el compresor e intercooler, los gases de escape salen del motor haciendo girar a la turbina, y siguen al exterior atravesando el sistema de anticontaminación y silenciador, la válvula de descarga actúa para no superar la presión de sobrealimentación preconizada. No se representa el circuito de aceite
Aparece la batería que está conectada con el turbocompresor, ahora veremos para qué

Detalle del turbocompresor con levitación magnética del eje:

Eje con núcleo de hierro
Turbina, eje y compresor
Electroimán acoplado al soporte o carcasa del eje. Recibe electricidad de la batería generando fuerzas magnéticas
Rodamientos magnéticos; generan un campo electromagnético sobre el eje que se mantiene suspendido, levitando, sin ningún contacto físico en su rotación
Segmentos de estanqueidad en los extremos del eje para que no pasen gases de admisión o escape al interior del soporte o carcasa donde está el eje y demás componentes
Aparece abajo a la izquierda de frente el eje en reposo y a continuación se pone en marcha el motor, haciendo que se genere magnetismo para sustentar el eje, que levita en el interior de los rodamientos magnéticos sin fricciones

Este sistema de sustentación del eje es adecuado para ejes y complementos de mucho peso e inercia.

Para determinados usos o como complemento se puede hacer que el bobinado interior conforme un motor eléctrico capaz de hacer girar el eje, como funcionamiento normal o de ayuda al motor en determinadas situaciones, sería un turbocompresor eléctrico complementario al movido por los gases de escape, que podría intervenir en los primeros instantes de aceleración desde parado.

En este caso la sustentación del eje se podría hacer de diferentes formas, según sean los objetivos.

Los tres sistemas de sustentación del eje del turbocompresor

Como resumen vemos los tres sistemas de sustentación del eje del turbocompresor explicados:

Casquillos flotantes

Hay cierta holgura entre el casquillo el eje por el interior y el soporte o carcasa por el exterior, y estas zonas están llenas de aceite a presión del circuito de lubricación del motor
Al girar la turbina y el compresor unidos por el eje, se forma un colchón de aceite alrededor de los casquillos flotantes en las holguras interior con el eje y exterior con el soporte o carcasa, no hay fricción con el casquillo por su interior con el eje, no están en contacto, e igualmente con el soporte exterior o carcasa por la misma razón
Para que el aceite haga esta función de colchón ha de tener ciertas características de calidad (ACEA) y grado térmico (SAE) desde el arranque en frío del motor y en usos muy exigentes
Hay situaciones en las que puede haber defectos de sustentación del eje con fricciones más o menos intensas entre eje, casquillo y soporte o carcasa, comentamos dos; durante el arranque en frío y calentamiento del motor, y también al parar el motor rápidamente sin dar tiempo a que el turbocompresor baje a sus RPM mínimas
Esta es la tecnología más utilizada en el automóvil

Rodamientos

La placa circular exterior de los rodamientos está fijada al interior del soporte o carcasa del eje
La placa circular interior de los rodamientos está acoplada al eje
Al girar el eje las bolas rotan en aceite sobre las superficies circulares exterior e interior
No hay rozamiento al rodar las bolas en aceite, ni holguras
El tiempo de respuesta al acelerar se reduce
Se utiliza esta tecnología en motores muy prestacionales y de competición

Levitación magnética

Se generan fuerzas electromagnéticas mediante un electroimán
El eje queda sustentado por levitación al estar en un campo electromagnético
No hay contacto ni fricción durante el giro
Esta tecnología es adecuada para ejes de turbocompresores, bombas y otros sistemas que tengan mucha inercia, muy elevada velocidad de giro o cambios bruscos e intensos de RPM

Hay otra posibilidad técnica de sustentación del eje del turbocompresor, u otros elementos, con exigencias similares a la levitación magnética que no se ha incluido, es la sustentación con “rodamientos” de aire en la que se logra que no haya contactos del eje mediante presión de aire en su entorno.