Construction du turbocompresseur

Un turbocompresseur se compose d'une roue de compresseur et d'une roue de turbine à gaz d'échappement couplées par un arbre plein et qui sert à augmenter la pression d'air d'admission d'un moteur à combustion interne. La turbine à gaz d'échappement extrait l'énergie des gaz d'échappement et l'utilise pour entraîner le compresseur et surmonter la friction. Dans la plupart des applications de type automobile, le compresseur et la roue de turbine sont du type à écoulement radial. Certaines applications, telles que les moteurs diesel à vitesse moyenne et basse, peuvent utiliser une roue de turbine à écoulement axial au lieu d'une turbine à écoulement radial. L'écoulement des gaz à travers un turbocompresseur typique avec compresseur à écoulement radial et roues de turbine est illustré à la figure 1 [Schwitzer 1991].

Figure 1. Construction du turbocompresseur et flux de gaz

(Source : Schwitzer)

Centre-Logement.L'arbre commun turbine-compresseur est supporté par un système de palier dans le boîtier central (boîtier de palier) situé entre le compresseur et la turbine (Figure 2). L'ensemble roue d'arbre (SWA) fait référence à l'arbre auquel sont attachés les roues du compresseur et de la turbine, c'est-à-dire l'ensemble rotatif. L'ensemble rotatif du boîtier central (CHRA) fait référence au SWA installé dans le boîtier central mais sans les boîtiers de compresseur et de turbine. Le boîtier central est généralement moulé en fonte grise, mais l'aluminium peut également être utilisé dans certaines applications. Les joints empêchent l'huile de traverser le compresseur et la turbine. Les turbocompresseurs pour les applications à haute température des gaz d'échappement, tels que les moteurs à allumage commandé, peuvent également incorporer des passages de refroidissement dans le boîtier central.

Figure 2. Vue en coupe du turbocompresseur

Vue en coupe d'un turbocompresseur à gaz d'échappement pour un moteur à essence montrant la roue de compresseur (à gauche) et la roue de turbine (à droite). Le système de palier se compose d'un palier de butée et de deux paliers lisses entièrement flottants. Notez les passages de refroidissement.

(Source : BorgWarner)

Roulements de turbocompresseur

Roulements.Le système de palier du turbocompresseur semble de conception simple, mais il joue un rôle clé dans un certain nombre de fonctions critiques. Certains des plus importants incluent : le contrôle du mouvement radial et axial de l'arbre et des roues et la minimisation des pertes par friction dans le système de roulement. Les systèmes de roulements ont reçu une attention considérable en raison de leur influence sur la friction du turbocompresseur et de son impact sur le rendement énergétique du moteur.

À l'exception de certains gros turbocompresseurs pour moteurs à basse vitesse, les roulements qui supportent l'arbre sont généralement situés entre les roues en position de surplomb. Cette conception de rotor flexible garantit que le turbocompresseur fonctionnera au-dessus de sa première et éventuellement de sa deuxième vitesse critique et peut donc être soumis à des conditions dynamiques de rotor telles que le tourbillon et les vibrations synchrones.

Scellés.Les joints sont situés aux deux extrémités du boîtier de roulement. Ces joints représentent un problème de conception difficile en raison de la nécessité de maintenir de faibles pertes par frottement, des mouvements relativement importants de l'arbre dus au jeu des roulements et des gradients de pression défavorables dans certaines conditions.

Ces joints servent principalement à maintenir l'air d'admission et les gaz d'échappement hors du boîtier central. Les pressions dans les systèmes d'admission et d'échappement sont normalement plus élevées que dans le boîtier central du turbocompresseur qui est généralement à la pression du carter du moteur. En tant que tels, ils seraient principalement conçus pour sceller le boîtier central lorsque la pression dans le boîtier central est inférieure à celle des systèmes d'admission et d'échappement. Ces joints ne sont pas destinés à être le principal moyen d'empêcher l'huile de s'échapper du boîtier central dans les systèmes d'échappement et d'air. L'huile est généralement empêchée d'entrer en contact avec ces joints par d'autres moyens tels que des déflecteurs d'huile et des déflecteurs rotatifs.

Les joints de turbocompresseur sont différents des joints à lèvres souples que l'on trouve normalement dans les équipements rotatifs fonctionnant à des vitesses et des températures beaucoup plus basses. Le joint de type segment de piston est un type qui est souvent utilisé. Il se compose d'un anneau en métal, semblable en apparence à un segment de piston. Le joint reste immobile lorsque l'arbre tourne. Les sceaux de type labyrinthe sont un autre type parfois utilisé. En général, les joints d'arbre du turbocompresseur n'empêcheront pas les fuites d'huile si le différentiel de pression s'inverse de sorte que la pression dans le boîtier central est plus élevée que dans les systèmes d'admission ou d'échappement.

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