Diseño y función de un turbocompresor
Turbina
Diseño y función
La turbina del turbocompresor, formada por una rueda de turbina y una caja de turbina, convierte los gases de escape del motor en energía mecánica para acciona el compresor.
Los gases, que quedan restringidos por la zona de sección transversal del flujo de la turbina, experimentan una caída de presión y temperatura entre la toma y la salida. La turbina convierte esta caída de presión en energía cinética para accionar la rueda de la turbina.
Existen dos tipos principales de turbinas: de flujo axial y radial. En el tipo de flujo axial, el flujo a través de la rueda sólo se produce en la dirección axial. En las turbinas de flujo radial, la entrada de flujo de gases es centrípeta, es decir, en dirección radial de fuera adentro, mientras que la salida se produce en dirección axial.
Con ruedas de hasta 160 mm aproximadamente de diámetro, sólo se utilizan turbinas de flujo radial. Esto equivale a una potencia de motor de unos 1000 kW por turbocompresor. A partir de 300 mm en adelante, sólo se emplean turbinas de flujo axial. Entre estos dos valores, ambas variantes son posible.
Como la turbina de flujo radial es el tipo más generalizado en aplicaciones de automoción, la siguiente descripción se limita al diseño y función de este tipo de turbina.
En la cámara espiral (voluta) de dichas turbinas radiales o centrípetas, la presión de los gases de escape se convierte en energía cinética y los gases de escape de la circunferencia de la rueda son dirigidos a velocidad constante a la rueda de la turbina. La conversión energética de energía cinética en potencia de eje se produce en la rueda de la turbina, que está diseñada de forma que para cuando los gases lleguen a la salida de la rueda, la pr áctica totalidad de la energía cinética ya esté transformada.
Características de funcionamiento
El rendimiento de la turbina aumenta a medida que aumenta la caída de presión entre la toma y la salida, es decir, cuando se retienen más gases en entrada de la turbina como resultado de un régimen más alto del motor, o en el caso de un aumento de temperatura de los gases de escape, debido a una mayor energía de estos.
El funcionamiento característico de la turbina viene determinado por la sección transversal de flujo específica, la sección transversal de la garganta, en la zona de transición del canal de entrada a la cámara espiral (voluta). Al reducir la sección transversal de la garganta, se contienen más gases de escape en entrada de la turbina y aumenta el rendimiento de ésta como resultado del incremento en la relación de presiones. Por lo tanto, si se reduce la sección transversal de flujo, aumentan las presiones de sobrealimentación.
La zona de sección transversal de flujo de la turbina se puede modificar cambiando la carcasa de la turbina.
Además de la zona de la sección transversal de flujo de la carcasa de la turbina, la zona de salida en la toma de la rueda también afecta a la capacidad de flujo de masa de la turbina. El mecanizado del contorno de fundición de la rueda de una turbina permite ajustar la zona se sección transversal y, por ende la presión de sobrealimentación. Una ampliación del contorno incrementa la zona de sección transversal de flujo de la turbina.
Las turbinas de geometría variable cambian la sección transversal de flujo entre el canal de la voluta y la toma de la rueda. La zona de salida a la rueda de la turbina cambia por acción de unos portaálabes variables o un anillo deslizante que recubre la parte de la secci ón transversal.
En la práctica, las características de funcionamiento de las turbinas con turbocompresor de gases de escape se describen mediante planos en los que se muestran los parámetros de flujo trazados como función de la relación de presiones en la turbina.
El plano de la turbina refleja las curvas de flujo de masa y el rendimiento de la turbina a distintas velocidades. Para simplificar el plano, las curvas de flujo de masa, así como el rendimiento, pueden representarse mediante una curva promedio.
Para un rendimiento general elevado del turbocompresor, la coordinación de los diámetros del turbocompresor y de la rueda de la turbina es de vital importancia. La posición del punto de funcionamiento en el plano del compresor determina la velocidad del turbocompresor. El diámetro de la rueda de la turbina debe ser tal que permita maximizar el rendimiento de la turbina en este rango de funcionamiento.
Turbocompresor con turbina de doble entrada
La turbina apenas se somete a una presión de escape constante. En motores diesel comerciales turboalimentados por impulsos, las turbinas de doble entrada permiten optimizar los impulsos producidos por los gases de escape, ya que se alcanza una relación de presiones en la turbina más alta en menos tiempo. Así, al incrementar la relación de presiones, aumenta el rendimiento, mejorando el crítico intervalo de tiempo cuando un flujo de masa elevado y más eficiente circula a través de la turbina. Como resultado de este mejor aprovechamiento de la energía producida por los gases de escape, mejoran las características de presión de sobrealimentación del motor y, por ende, también el funcionamiento del par motor, especialmente a bajas velocidades del motor.
Para evitar que los distintos cilindros interfieran entre sí durante los ciclos de intercambio de carga, se conectan tres cilindros a un colector de gases de escape. Las turbinas de doble entrada permiten entonces que se insufle el caudal de gases de escape por separado a través de la turbina.
Carcasas de turbina refrigeradas por agua
Turbocompresor con carcasa de turbina refrigerada por agua para aplicaciones marina
En el diseño de turbocompresores también deben tenerse en cuenta los aspectos de seguridad. En las salas de máquinas de los barcos, por ejemplo, deben evitarse las superficies calientes debido a los riesgos de incendio. Por tanto, en aplicaciones marinas se emplean carcasas de turbina con turbocompresor refrigeradas por agua o carcasas revestidas de material aislante.