Il turbocompressore, un componente chiave nell'ingegneria dei motori a combustione interna, è un sistema meccanico progettato per fornire alimentazione extra al motore, recuperando parte dell'energia dai gas di scarico e utilizzandola per aumentare le prestazioni. Questa tecnologia, benché complessa nel suo meccanismo, offre benefici sostanziali in termini di potenza e capacità di accelerazione, rendendola particolarmente rilevante nell'ambito dei gruppi elettrogeni, dove l'efficienza e la capacità di erogare potenza in modo costante sono fattori critici.
Principi di Funzionamento del Turbocompressore
Il turbocompressore è costituito dall'accoppiamento tra una turbina centripeta, denominata lato "caldo" o lato di scarico, e un compressore centrifugo, noto come lato "freddo" o lato di aspirazione. Entrambi gli elementi sono caratterizzati da una girante dedicata, o impeller, capace di ruotare ad alta velocità all'interno di un alloggiamento a forma di chiocciola.
La turbina riceve i gas di scarico ad alta temperatura, ricchi di energia cinetica ed entalpia, e li trasforma in energia meccanica. Questa energia meccanica è poi impiegata per mettere in rotazione il compressore. La girante del compressore, all'interno della sua struttura a chiocciola (spesso costruita in lega di titanio o alluminio), trascinata dalla rotazione della turbina, comprime l'aria e la immette nel collettore d'aspirazione. Questo processo permette di fornire ai cilindri del motore un volume d'aria maggiore di quanto ne potrebbero aspirare se il motore fosse semplicemente aspirato.
Un maggiore quantitativo di aria compressa nella camera di scoppio consente l'immissione di una maggiore quantità di miscela aria/benzina o aria/gasolio, assicurando così maggiori prestazioni in termini di potenza e capacità di accelerazione. Inoltre, proprio in virtù di tale potenza, i gas di scarico sono costretti a uscire più velocemente, incrementando ulteriormente la velocità di rotazione del turbocompressore e conferendo una potenza sempre maggiore al propulsore. Questo ciclo virtuoso di recupero energetico e aumento di potenza è alla base dell'efficacia dei sistemi turbocompressi.
Come funziona il Turbo?
Componenti Aggiuntivi e Ottimizzazione del Sistema
Per ottimizzare il funzionamento del turbocompressore e mitigarne alcuni inconvenienti, sono stati sviluppati diversi componenti e configurazioni.
La Valvola Pop-Off (o Blow-Off)
La valvola pop-off, anche detta blow-off, è situata tra il turbocompressore e la valvola a farfalla. Si apre totalmente in fase di rilascio del pedale dell'acceleratore. In questo momento, la valvola a farfalla è chiusa, ma le giranti del turbo continuano a ruotare per effetto dell'inerzia rotazionale, facendo sì che il compressore continui a comprimere e a sospingere l'aria verso la valvola a farfalla. La valvola pop-off non è necessaria nei motori a ciclo Diesel, in quanto privi del corpo farfallato.
Quando la pop-off si apre, quest'aria sfiata verso l'esterno o verso un tubo di ritorno. Esistono due tipologie principali di valvole pop-off:
- A sfiato interno (o a "ricircolo", o a "by-pass"): Sul lato di aspirazione del turbo, l'aria compressa in eccesso viene convogliata a monte del compressore tramite un tubo (o manicotto) collegato allo scarico della valvola stessa. La massa d'aria ripasserà dalla presa di bocca (cioè dalla sezione di ingresso) del compressore, fatto che limiterà anche il fenomeno del turbo-lag.
- A sfiato esterno (o sfiato libero): Questa tipologia vale solo, sul lato di aspirazione del turbo, per la pop-off e sfoga l'aria direttamente nell'atmosfera.
Intercooler: Raffreddamento dell'Aria Compressa
L'aria compressa dal turbocompressore subisce un aumento di temperatura. Per aumentare la densità dell'aria a parità di volume e, di conseguenza, la quantità di ossigeno disponibile per la combustione, l'aria passa attraverso un radiatore chiamato intercooler. Questo componente provvede a raffreddare l'aria prima che confluisca nei condotti di aspirazione, determinando un ulteriore aumento della pressione e un miglioramento dell'efficienza della combustione.
Configurazione dei Sistemi Turbocompressi
Il sistema turbocompressore può anche essere costituito da più turbocompressori organizzati in vario modo, oppure si può associare uno o più turbo a un compressore meccanico per ottenere benefici specifici.
Sistemi Bi-Turbo o Twin-Turbo
In alcune configurazioni, si utilizza un sistema doppio, dove un turbocompressore piccolo garantisce una risposta veloce all'acceleratore a regimi medio-bassi, pur avendo una ridotta capacità di portata d'aria di alimentazione. L'altro turbocompressore, di dimensioni medio-grandi, offre una risposta più lenta a regimi medio-bassi, ma con portate d'aria di alimentazione notevoli a pieno carico. Queste unità vengono utilizzate in momenti diversi, e l'intero funzionamento dei turbocompressori è legato alla gestione dei flussi di scarico e alla loro azione sulle giranti delle turbine. Questa procedura permette di avere un funzionamento molto lineare del sistema di sovralimentazione, con una risposta più rapida al comando del gas. Un esempio storico di tale approccio è la Maserati Biturbo.
Sovralimentazione Mista (Turbo + Compressore Volumetrico)
In alcuni casi, come quello dell'unità che utilizzava un sistema di sovralimentazione con un compressore volumetrico e un turbocompressore operanti in serie, si cerca di combinare i vantaggi di entrambe le tecnologie. Il compressore volumetrico, ad esempio, può partire subito fin dal regime di minimo, e la sua azione di pompaggio dell'aria (se di tipo a lobi) aumenta proporzionalmente con i giri del motore, mitigando il "turbo-lag" ai bassi regimi.
Twin Scroll Turbo
Il Twin Scroll Turbo, o semplicemente Twin Scroll, è un sistema in cui un singolo turbocompressore funziona con due canali di gas di ingresso, anziché uno solo come nei normali turbo o "monoturbo". Il turbocompressore ha due ingressi per i gas di scarico e due ugelli, uno più piccolo e più angolato per una risposta più rapida e uno più grande meno angolato per massimizzare le prestazioni. Ciò permette di migliorare l'ingresso dei gas di scarico nella turbina e di aumentarne al contempo pressione e potenza.
Il carter di ingresso è sdoppiato, pertanto i collettori di scarico dei cilindri confluiscono a coppie. Questo fa sì che il flusso d'ingresso dei gas sia più efficiente. I gas di scarico, dovendo attraversare un condotto a sezione dimezzata nella stessa unità temporale, si muovono più velocemente e con maggiore forza, determinando una minore inerzia ai bassi giri.
Turbocompressore a Geometria Variabile (TGV)
Concettualmente identico al turbocompressore classico, la differenza più grande nel turbo a geometria variabile è insita nella girante motrice o di scarico. La girante della turbina è, infatti, circondata da un anello di palette statoriche che sono a incidenza variabile. Il movimento di tali palette statoriche, controllato dalla centralina elettronica o tramite un depressore, consiste nella variazione del loro angolo d'incidenza rispetto alle palette rotanti della girante motrice.
In funzione del regime di rotazione, queste palette vengono chiuse o aperte per favorire la velocità o la portata dei gas esausti, a seconda dei regimi di funzionamento del motore. Ciò porta a una maggiore flessibilità e adattabilità di comportamento rispetto al turbocompressore a geometria fissa. Sfruttando l'incidenza variabile delle palette statoriche sul lato caldo di scarico, un turbo a geometria variabile consente di ottenere la stessa bassa inerzia di un turbo di piccole dimensioni e una portata d'aria di alimentazione elevata (e, quindi, potenza elevata del motore) di un turbo di grandi dimensioni. Questa soluzione permette al turbocompressore di garantire un'apprezzabile sovralimentazione ai bassi regimi e di evitare di raggiungere un numero di giri troppo elevato agli alti.
Cenni Storici del Turbocompressore
Il concetto di turbocompressore è stato ideato dall'ingegnere svizzero Alfred Büchi, che depositò il brevetto il 16 novembre 1905. L'applicazione concreta dell'invenzione di Büchi si è vista alla fine della Prima Guerra Mondiale, quando General Electric scelse il turbocompressore per il motore Liberty V-12, un dispositivo aeronautico che rappresentava il primo gruppo di sovralimentazione di sempre.
Negli anni '20, la sovralimentazione si estese dall'impiego aereo a quello navale, con i motori diesel di alcune grandi imbarcazioni che iniziarono a sfruttare questa tecnologia. Anche i treni beneficiarono del turbocompressore in quel periodo.
Gli anni '50 segnarono una prima rivoluzione stradale in Europa, con i motori diesel dei camion che iniziarono a ospitare sistemi di sovralimentazione. Nel 1962, la F-85 Jetfire V-8 Oldsmobile divenne la prima automobile di serie dotata di turbocompressore, con Garrett, un nome che sarebbe diventato quasi sinonimo di Turbo, a realizzare il turbocompressore per questo veicolo, contribuendo alla nascita di un nuovo modo di intendere i motori endotermici.
Il Gruppo Elettrogeno: Funzionamento e Importanza
Un gruppo elettrogeno è una macchina composta da un motore a combustione termica che, grazie a un generatore elettrico, produce elettricità continua o alternata in maniera indipendente. Si tratta di una macchina definita anche come "stand-alone", in grado di raggiungere da sola lo scopo per il quale è stata costruita. I gruppi elettrogeni si distinguono per potenza e dimensioni variabili, ma anche in base al tipo di carburante utilizzato. I modelli a benzina sono più piccoli, portatili e con potenza inferiore, adatti soprattutto all'uso domestico o all'aria aperta. Quelli a diesel sono più potenti e con dimensioni maggiori, usati spesso in ambito industriale, nei cantieri e durante gli eventi.
La potenza di un gruppo elettrogeno è determinata dal connubio tra il motore termico e l'alternatore elettrico. Il motore termico è responsabile del movimento rotatorio, mentre l'alternatore è in grado di trasformare quest'energia in corrente elettrica. Il combustibile, caricato sul gruppo elettrogeno attraverso il serbatoio apposito o collegato direttamente alla rete pubblica, alimenta un motore a scoppio che, a sua volta, trasforma l'energia termica prodotta dalla combustione in parte in energia meccanica e in parte sotto forma di calore dissipato.
Tutte le componenti devono essere unite in modo compatto per avere un dispositivo versatile e facile da trasportare in diverse situazioni. La caratteristica principale rimane comunque quella di garantire un utilizzo prolungato e un rifornimento adeguato per ogni tipologia di apparecchio.
Dimensionamento del Gruppo Elettrogeno in Presenza di Motori Elettrici
Il dimensionamento di un gruppo elettrogeno per alimentare motori elettrici, o qualsiasi altro dispositivo ad alto assorbimento durante l'avviamento, è un'operazione complessa che richiede un'attenta analisi di diversi fattori, ben oltre la semplice potenza nominale del motore.
Variabili Cruciali nel Dimensionamento
Le variabili principali da considerare includono:
- Sequenza di avviamento o contemporaneità di avviamento e relativi tempi di inserzione: È fondamentale conoscere l'ordine in cui i motori elettrici verranno avviati e se ci saranno avviamenti simultanei, così come i tempi di accensione.
- Tipologia di avviamento: Se l'avviamento è stella-triangolo oppure diretto.
- Caduta di tensione durante l'avviamento: Un fattore critico che incide sulla richiesta di potenza dal gruppo elettrogeno.
Durante l'avviamento, la corrente assorbita da un motore asincrono può essere da 4 a 8 volte superiore alla corrente assorbita a regime nel caso di un avviamento diretto. Questo implica che l'alternatore deve fornire una potenza apparente N volte superiore a quella fornita a regime di potenza nominale.
La priorità è determinare la corrente effettivamente assorbita dal motore quando è a regime, un dato rilevabile dalla targa del motore. È imprescindibile avere a disposizione tutti i dati del motore elettrico da alimentare; in assenza della targa identificativa, il motore non deve essere alimentato in quanto non rispetta la normativa, rendendo impossibile un dimensionamento corretto.
Errori Comuni e Considerazioni Approfondite
Uno degli errori più comuni è basare il dimensionamento esclusivamente sulla potenza apparente dell'alternatore, dimenticando che questo preleva la sua potenza attiva direttamente dal motore termico. Il fattore di potenza di un motore asincrono all'avviamento è circa la metà di quello nominale, il che dimezza la potenza attiva necessaria per l'avviamento.
L'avviamento stella-triangolo riduce la potenza richiesta al generatore a un terzo rispetto a quella indicata per l'avviamento diretto, ma non risolve tutti i problemi di avviamento con gruppo elettrogeno. È una scelta progettuale da valutare caso per caso, considerando anche altri fattori legati all'impianto alimentato. Con l'avviamento soft-start, la corrente di avviamento generalmente non supera il doppio della corrente nominale del motore elettrico, riducendo la corrente richiesta al gruppo elettrogeno, ma non annullandola. Contrariamente al luogo comune, un avviatore statico non elimina la necessità di un dimensionamento dedicato del generatore.
Il Ruolo del Turbocompressore nel Dimensionamento
Un dettaglio da non trascurare è che il dimensionamento del gruppo elettrogeno, a prescindere dal carico (motore elettrico o altro dispositivo ad alto assorbimento), si calcola sempre considerando la potenza netta del motore senza il turbocompressore. Questo perché, all'avviamento del Diesel, i gas di scarico utilizzati dal turbo, al momento dell'azionamento a vuoto, non hanno ancora la potenza necessaria per azionare il turbocompressore.
La Caduta di Tensione
Un dimensionamento corretto dovrebbe prendere in considerazione la caduta di tensione durante l'avviamento. Una tensione ridotta porta il motore elettrico ad assorbire maggiore potenza dal gruppo elettrogeno. Seguendo le linee guida sopra riportate, all'avviamento di un motore elettrico la caduta di tensione risulterà essere intorno al 20% o 30%.
L'elevata corrente per un breve periodo di tempo causa sull'impedenza interna dell'alternatore una caduta di tensione importante ai morsetti dell'alternatore stesso. La caduta di tensione deve essere sempre limitata in maniera tale da consentire l'avvio del motore e di tutte le altre masse rotanti senza compromettere il corretto funzionamento degli utilizzatori collegati al gruppo elettrogeno.
Nel caso sia necessario avviare una batteria di più motori elettrici di grande potenza, per evitare di dover selezionare un gruppo elettrogeno di eccessiva potenza, si possono progettare avviamenti temporizzati di uno o più motori per volta. È fondamentale considerare che se, oltre a uno o più motori elettrici, il generatore alimenta utenze di diverso tipo, queste potrebbero non essere compatibili con le tolleranze dei motori elettrici in termini di caduta di tensione e oscillazione di frequenza. Queste considerazioni si applicano a tutte le apparecchiature azionate da un motore elettrico, comprese pompe, elettropompe, ventilatori, aspiratori, ecc.
Turbine a Gas per Gruppi Elettrogeni: Innovazione e Vantaggi
Le turbine a gas, in particolare quelle di Capstone Green Energy, di cui IBT Group è distributore esclusivo per il mercato italiano, rappresentano una soluzione all'avanguardia per i sistemi energetici cogenerativi con microturbine a gas. Queste turbine convertono l'energia di combustione in energia elettrica tramite il generatore e recuperano energia termica dai fumi di scarico.
La tecnologia oil-free, di origine aeronautica, offre numerosi vantaggi: dalla modulazione del carico elettrico dallo 0 al 100% alla ridotta emissione di inquinanti in atmosfera (NOx < 18mg/Nmc e CO < 50 mg/Nmc, le più basse oggi disponibili), dalle basse vibrazioni ed emissioni sonore fino ai bassi costi di manutenzione, con la garanzia di 8.600 ore/anno continuative. Questa tipologia di impianto è particolarmente indicata per le strutture che necessitano di modulare la propria potenza elettrica in base ai picchi stagionali o giornalieri di consumo e, per questo motivo, trova ampio utilizzo, ad esempio, nei settori alberghiero, ospedaliero, cartario, food&beverage e tessile.
La turbina a gas, frutto dell'esperienza maturata nell'industria aeronautica, richiama quella impiegata nel motore di un turbo-jet. Al suo interno, la turbina Capstone presenta solo una parte in movimento (ovvero, l'albero su cui sono calettati turbina e compressore) che 'poggia' su dei cuscinetti ad aria (air-bearings) in grado di sostenere l'albero della turbina in rotazione senza contatto meccanico. L'assenza di liquidi di raffreddamento, di vibrazioni e di olio lubrificante, non richiede inoltre il conseguente smaltimento di olio esausto, e rappresenta una drastica riduzione sia dei costi di manutenzione sia dei fermi impianto necessari per la stessa. Inoltre, i momenti di attrito, che si verificano solo nella fase di avviamento ed arresto della macchina, sono "stress-free" in quanto ammortizzati da una struttura di supporto progettata appositamente che garantisce durabilità e funzionalità delle parti meccaniche.
Il modulo Turbina Capstone è di tipo monostadio, caratterizzato da una sezione di compressione aria calettata sull'albero turbina e da un generatore con rotore a magneti permanenti. Nella fase di avviamento, la turbina è posta in rotazione dal generatore elettrico funzionante da motore fino a che il sistema non raggiunge la velocità di autosostentamento. A questo punto, nella camera di combustione viene inviata la miscela di combustibile ed aria necessaria al funzionamento della turbina stessa; così facendo, questa aumenterà la sua velocità di rotazione, fino al raggiungimento della potenza nominale. Inoltre, il recuperatore permette di aumentare la temperatura dell'aria in ingresso alla camera di combustione, ottenendo un maggior rendimento del modulo turbine.
Come funziona il Turbo?
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