Las turbinas de los turbocargadores , consisten
principalmente por la rueda turbina y por el caracol turbina . Su función principal
es la de convertir la energía proveniente de los gases de escape del motor en energía
mecánica que será utilizada por el compresor para realizar el trabajo.
Los gases de escape son restringidos por el área de cruce seccional de la turbina ocasionado
una caída de presión y temperatura de
los gases entre la entrada y la salida de la turbina. Esta caída de presión es
transformada en energía cinética para hacer girar la rueda.
Existen dos tipos de turbinas: flujo axial y flujo radial.
En el caso de tipo radial el flujo cruza la rueda solo en dirección axial.
Para el caso de las turbinas de tipo radial, el gas entra de
manera centrípeta en una dirección radial a la rueda, y abandona la turbina de
manera axial.
Las turbinas axiales tiene
una mayor eficiencia que las radiales, con un costo de fabricación bajo.
Sin embargo cuando se requieren dimensiones de rueda pequeños la eficiencia de
las ruedas de tipo axial decrece, porque existen muchas pérdidas de flujo y
lograr reducir esas pérdidas resulta más costoso que hacer un ejemplar de tipo
radial. Por esta razón es común ver las turbinas de los turbocargadores de tipo
radial.
1.-Turbina tipo axial
2.-Turbina tipo radial
Características de operación
El comportamiento de las turbinas está determinado por el
flujo específico en la región de entrada, en la transición entre la carcasa y
el rotor.
En el caso de rotores pequeños y áreas pequeñas, el gas obtendrá
mayor energía, como resultado la turbina demandara más gases de escape al motor
incrementando la presión radio.
Existen mapas que muestran el comportamiento experimental de
las turbinas, como se muestra a continuación.
Mapa de turbina.
El mapa del la turbina muestra el flujo de masa (curvas verdes) y la eficiencia de la turbina (curvas rojas) para varias velocidades.
Es importante que tanto turbina así como compresor estén coordinados, de lo contrario el turbocargador no llegara a el objetivo establecido.
Usualmente nos referimos a los turbocargadores
conforme a nuestra experiencia o la experiencia de amigos, conocidos, o porque
vimos en Internet que funciona. Sin embargo existen métodos mas precisos
para la correcta selección de un turbocargador a nuestro proyecto.
Es importante para el desarrollo de la selección,
conocer las características de operación, así como la interpretación de los
mapas que representan a cada compresor de los tubocargadores.
Esta sección tendrá como objetivo el explicar las
características de los mapas de compresores para posteriormente realizar un
ejercicio de selección.
Compresor:
Los
compresores de los turbocargadores son generalmente de tipo centrífugo, el cual
está compuesto esencialmente por tres componentes:
1.-Rotor
2.-Caracol
3.-Difusor
Rotor: Es el encargado de hacer el trabajo mecánico del
compresor. Cuando gira a velocidades considerables, el compresor induce aire
proveniente del medio, lo hace pasar por sus canales a alta velocidad y los
expulsa radial mente para que continúe el proceso en el caracol, lo que genera energía
en el flujo (energía cinética) a la vez se genera presión dinámica.
Caracol: Es el encargado de dirigir el fluido hacia el
difusor, procurando hacerlo con la menor pérdida posible de energía.
Difusor: Por sus propiedades termodinámicas es el encargado
de convertir la energía cinética del flujo en presión estática, reduciendo la
velocidad de flujo .
Ciclo completo del compresor:
Aire es succionado a la entrada del caracol a altas
velocidades, para después ser expulsado en una dirección radial. El flujo será direccionado
desde el rotor hasta el difusor por medio del caracol. Por su parte el difusor
es el encargado de reducir esa velocidad mencionada, en gran parte sin
pérdidas, convirtiendo esa energía en presión y temperatura del fluido (aire).
Ciclo de compresión
Características
de Operación
El
comportamiento de un compresor de este tipo, es generalmente definido por
mapas, en los cuales se relaciona la presión radio y la tasa de flujo de masa.
Para asegurar
una estabilidad del flujo, los mapas se limitan por la velocidad del compresor,
la línea limite de bombeo (surge line) y por una línea de estrangulamiento
llamada (choke line).
Presión radio.
Es definida como la división entre la presión
absoluta a la salida del compresor, entre la presión absoluta de entrada Pr=
Pentrada/ Psalida
La presión absoluta es igual a la presión de
lectura, más la presión atmosférica por ejemplo:
Tenemos en el reloj de boost una presión de
10psia por lo que nuestra presión absoluta será 10 + 14.7 psia = 24.7 psia
donde la presión atmosférica a nivel del mar es de 14.7psia.
Ahora para calcular la presión radio, tenemos Pr
= 24.7/14.7 = 1.68, sin embargo no basta con este resultado,habrá que restarle
perdidas por los diferentes componentes del sistema.
Caudal o tasa
de flujo másico
Es la masa de
aire por unidad de tiempo que cruza por el turbocompresor y llega al motor, comúnmente
expresado en libras por minuto (lb/min), o también en pies cúbicos por minuto (CFM
o ft³/min). Para convertir el volumen por unidad de tiempo a tasa de flujo másico
basta con multiplicarlo por la densidad del aire.
Limites de Mapas
Límite de bombeo
(Surge Line)
El ancho del
mapa del compresor es limitado por la parte izquierda por la línea de límite de
bombeo. Esto básicamente se refiere al estancamiento del flujo a la entrada del
compresor con muy pequeño caudal y muy alta presión radio. El flujo no puede
entrar al área de succión del rotor (alabes) y trae como consecuencia que el
proceso de descarga del compresor se interrumpa. El flujo de aire por la
diferencia de presión existente, entra en sentido contrario del proceso, hasta
que la presión vuelve a ser estable y cierto volumen de flujo es alcanzado. El
flujo inestable construye una frecuencia que se puede detectar por un sonido
particular como el mostrado den el video.
Esta situación generalmente es originada por una mala selección de un turbo. Puede ocasionar severos daños en el turbocompresor y el motor.
Limite de
estrangulamiento (Choke line)
El caudal máximo
de nuestro compresor normalmente está limitado por el área de entrada del
mismo. Cuando la velocidad del flujo alcanza velocidades sónicas (velocidad del
sonido) no es posible incrementar el caudal con forme a la velocidad y el flujo
se vuelve inestable, porque un flujo a velocidades sónicas se manifiesta como
un flujo incompresible.
Características de los mapas de compresor.
Limite por velocidad máxima
Este límite es conocido también como limite
por esfuerzo y se basa específicamente en el diseño de geometría y materiales
de los rotores.
La velocidad permisible de los alabes a la
salida del rotor usualmente es de 520m/s. Una velocidad superior a esta ocasiona
menor tiempo de vida del compresor.
Es importante saber identificar las características de los mapas, para poder hacer una correcta elección de nuestro turbocargador.
En los turbos standar, la admisión de los gases de escape se
hace por medio de un colector cuya sección es invariable. Esto hace que exista
un determinado tiempo de respuesta de nuestro turbocompresor, lo cual nos lleva
que en ocasiones sobre todo a bajo y a medio régimen del motor que el compresor
apenas gira a una velocidad para proporcionar un caudal y presión pequeño, que
se traduce en una respuesta más lenta en
nuestro motor.
Después de que el motor incrementa el régimen, los gases de
escape incrementan la velocidad de giro de nuestra turbina proporcionando un
mayor flujo de aire proveniente del compresorque alimenta a los cilindros y desarrolla mayor potencia.
Un turbo
compresor grande, con mayor área de entrada de gases, es más eficaz en un alto régimen
del motor y proporcionan mayor potencia, pero al tener el rodete mayor tamaño,
tienen mucha inercia. Esto ocasiona que tarde en alcanzar una velocidad de giro
considerable por lo que falta respuesta del motor a bajas y medias
revoluciones, y nos resulta un motor un tanto perezoso.
Los turbocargadores pequeños a diferencia de los grandes, no
tienen tanta inercia y empujan casi desde ralentí, pero se ve limitado por sus
condiciones de tamaño y no entregan mucha sobrepresión limitando sus
prestaciones.
Para conjugar las cualidades de los dos sistemas hoy en día
los productores de tubocargadores han desarrollado un sistema con compuertas móviles
con forma de ala, que giran alrededor de un eje y se van situando en un anillo
exterior de la turbina, cambiando el ángulo de las compuertas.
Esto modifica no solamente el área de paso de los gases de
escape, sino también su angulo deincidencia sobre los álabesde la turbina. De esta manera es posible
disponer de un ajuste inmediato del caudal de los gases de escape incidentes en
la turbina, otorgándoles mayor velocidad y, con ello, se reduce notablemente la
inercia o retraso del turbocargador en
una recuperación o aceleración.
Por esta razón los turbocargadores con geometría variable
brindan un mayor empuje de aire comprimido a nuestro motor a bajas rpm y a
altas revoluciones abren las compuertas para reducir la velocidad de gases,
haciendo el sistema estable.
En la actualidad este tipo de tecnología es muy común en los
motores a diesel, sin embargo se están adaptando en sistemas a gasolina, como
en el caso de Porsche 911.
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