Características de operación de los turbocargadores (compresores)

Selección de turbocargadores.

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.

 

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Turbos de geometría variable

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 compresor  que 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 de incidencia sobre los álabes  de 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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