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.