Analisi tecnica F1: il turbocompressore

Il regolamento dell’era turbo-ibrida della Formula 1 ha portato nuovamente alla ribalta la tecnica della sovralimentazione mediante turbocompressore del motore termico.
La sovralimentazione è stata una scelta quasi obbligata, a causa del perseguimento della filosofia del downsizing (diminuzione delle cilindrate) accoppiata alla filosofia dell’ibrido, al fine di continuare a mantenere la potenza del propulsore elevata.

Power unit F1
Power unit. 📸 Renault Sport Formula One Team

L’aumento di potenza è dovuto essenzialmente all’aumento della pressione, e conseguentemente alla densità dell’aria. Ciò comporta l’ammissione in camera di combustione di masse maggiori di comburente, che possono reagire correttamente con masse maggiori di combustibile, condizione necessaria per i propulsori ad accensione comandata quali sono quelli di Formula 1.
Questo mix di fattori consente di ottenere picchi di pressioni maggiori, un coefficiente di riempimento maggiore e conseguentemente si avrà un incremento di potenza perché mediamente la pressione del singolo ciclo (P.M.E. pressione media effettiva) sarà maggiore. Anche il rendimento termodinamico (efficienza) del propulsore subirà un incremento, ma ciò esula dalla trattazione di questo articolo.

Il turbocompressore qui analizzato è una turbo-macchina composta da due elementi: il compressore e la turbina. Sia compressore che turbina sono calettati al medesimo alberino unitamente all’MGU-H (generalmente il motogeneratore è interposto fra compressore e turbina, ma può anche essere collocato dietro la turbina) e sono quindi vincolati a ruotare alla stessa velocità angolare di 125.000 RPM.
Vediamo nel dettaglio i due componenti:

  • il compressore è del tipo a singolo stadio, esso ammette la carica fresca con flusso assiale e attraverso una girante centrifuga opportunamente svergolata che ruota a velocità angolari elevate comprime e invia il fluido all’esterno della girante radialmente; l’aria compressa viene raccolta nella chiocciola e inviata agli scambiatori di calore al fine di abbassare le temperature prima dell’immissione in camera di combustione. I materiali utilizzati per gli elementi rotanti del compressore sono Alluminio, Titanio e leghe dell’Acciaio; i materiali utilizzati per la chiocciola del compressore sono Alluminio e leghe del Magnesio.
  • la turbina è del tipo a singolo stadio, ammette i gas esausti della combustione attraverso il distributore radialmente, attraversandola essi cedono parte della loro entalpia ed energia cinetica all’alberino del turbogruppo che la converte in energia meccanica di rotazione. Tale energia meccanica di rotazione è poi sfruttata dalla girante del compressore per incrementare la pressione dell’aria alla mandata. I fumi escono dalla turbina assialmente attraverso un unico condotto avente una sezione compresa fra i 7500 mm² e 14000 mm². I materiali utilizzati per il rotore e il distributore sono leghe del Cobalto, dell’Acciaio e del Nickel.

    Turbocompressore, MGU-H
    Turbocompressore e MGU-H. Foto: Mercedes AMG F1

Al fine di limitare la velocità di rotazione del turbogruppo ai 125.000 RPM e migliorare la risposta ai carichi medio-bassi, parte dei gas di scarico deve bypassare la turbina attraverso la valvola wastegate:  la sezione del condotto di bypass dei gas di scarico deve essere compresa fra i 1590 mm² e i 2375 mm². Sono ammesse due valvole wastegate, purché le sezioni di passaggio siano identiche e in ogni caso la loro somma deve cadere nell’intervallo di valori prima discusso.
Non sono permesse turbine a geometria variabile di alcun tipo (che garantirebbero prontezze maggiori), ciò è comunque giustificato dalla presenza dell’MGU-H che consente di limitare già abbondantemente il fenomeno del turbo-lag.

L’alberino è vincolato a ruotare attraverso un contatto di rotolamento sulla carcassa del turbogruppo: questo contatto deve essere opportunamente lubrificato, attraverso un film d’olio, al fine di evitare che esso si porti a temperature elevate provocando il grippaggio.

Gli studi effettuati dagli ingegneri per migliorare il turbocompressore, si basano essenzialmente sulla ricerca estrema dei profili da conferire alle palettature e ai condotti statorici attraversati dalla carica fresca e dal gas esausto e sulla riduzione delle masse, sopratutto quelle rotanti.

 



Analisi tecnica F1: il turbocompressore
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Giovanni Li Calsi

Laureato in Ingegneria Meccanica presso l'Università degli Studi di Palermo. Attualmente impegnato nella prosecuzione della specialistica nello stesso corso.