Desarrollo, adaptación y realización de pruebas
Desarrollo
Como los turbocompresores tienen que satisfacer diversas exigencias relativas a
alto y ancho de plano, características de eficacia, momento de inercia del
rotor y condiciones de uso, se encuentran en continuo desarrollo nuevos tipos de
turbinas y compresores destinados a distintas aplicaciones de motores. Además,
las distintas legislaciones regionales relativas a emisiones conducen al desarrollo
de soluciones técnicas diversas.
Son el compresor y las ruedas de la turbina los elementos que ejercen mayor influencia
sobre las características de funcionamiento del turbocompresor. Dichas ruedas
están diseñadas utilizando programas informáticos que permiten
el cálculo tridimensional de los flujos de aire y gases de escape. La resistencia
de las ruedas se optimiza de forma simultánea utilizando el método
de elemento finito (FEM), calculándose la durabilidad en base a ciclos de
conducción realistas.
Modelo de turbocompresor con montaje mediante CAD
Pese a los avances experimentados por la tecnología informática actual
y los detallados programas de cálculo, es la realización de pruebas
el procedimiento que tiene la última palabra en la decisión relativa
a la calidad de los nuevos componentes aerodinámicos. El ajuste preciso y
la verificación de resultados se realiza por tanto en bancos de pruebas de
turbocompresores.
Adaptación
Los componentes básicos del turbocompresor son la turbina y el compresor.
Ambos elementos son máquinas turbo que, con la ayuda de la normativa legal
de creación de modelos, pueden fabricarse en distintos tamaños con
características parecidas. Así, mediante reducción y ampliación,
se establece la gama de turbocompresores, permitiendo que el tamaño óptimo
de bastidor del turbocompresor se encuentre disponible para distintos tamaños
de motores. No obstante, la capacidad de efectuar transferencias a otros tamaños
de bastidores se encuentra restringida ya que no se pueden establecer escalas dimensionales
de todas las características. Además, las exigencias varían
según el tamaño de cada motor, por lo que no siempre es posible utilizar
las mismas geometrías de rueda o carcasa.
El principio de diseño modular y la similitud de modelos, no obstante, permite
el desarrollo de turbocompresores que se adaptan a las medidas individuales de cada
motor. Este proceso comienza con la selección del compresor adecuado en base
a la curva característica de presión de admisión que se precise.
Lo ideal debe ser que la curva de carga total sea tal que la eficacia del compresor
se encuentre en su nivel máximo dentro del rango principal de funcionamiento
del motor. La distancia hasta la línea de sobrecarga debe ser suficientemente
grande.
La adaptación termodinámica del turbocompresor se realiza mediante
equilibrios de flujo de masa y energía. El aire que emite el compresor y
el combustible que se suministra al motor constituyen el caudal másico. En
funcionamiento en régimen permanente, las salidas de potencia de la turbina
y el compresor son idénticas (estado de rueda libre). El cálculo de
adaptación es iterativo, basado en planos de turbina y compresor, así
como en los datos más importantes del motor.
El cálculo de adaptación puede ser muy preciso al utilizar programas
informáticos para efectuar la simulación calculada de motor y turbocompresor.
Dichos programas incluyen equilibrios de masa, energía y material para todos
los cilindros y todas las conducciones que se conecten. El turbocompresor entra
en el cálculo en forma de planos. Además, dichos programas incluyen
varias ecuaciones empíricas que describen interrelaciones que son de difícil
expresión de forma analítica.
Pruebas
El turbocompresor tiene que funcionar con la misma fiabilidad y duración
que el motor. Antes de que un turbocompresor salga a producción en serie
tiene que superar varias pruebas. En dicho programa de pruebas se incluyen pruebas
de componentes individuales del turbocompresor, pruebas en el banco de pruebas de
turbocompresor y una prueba en el motor. Algunas pruebas de este complejo programa
se describen a continuación de forma detallada.
Prueba de contención
Si revienta un compresor o rueda de turbina, las piezas restantes de la rueda no
deben penetrar en el compresor o en la carcasa de la turbina. Para conseguirlo,
el conjunto del eje y la rueda de la turbina se acelera a una velocidad tan alta
que revienta la rueda respectiva. Tras reventar, se evalúa la seguridad de
contención de la carcasa. La velocidad de explosión suele ser un 50%
superior a la máxima velocidad permisible.
Prueba de fatiga en ciclo corto (prueba LCF)
La prueba LCF constituye una prueba de carga del compresor o de la rueda de la turbina
que provoca la destrucción del componente. Se utiliza para determinar los
límites de carga material de la rueda. El compresor o la rueda de la turbina
se colocan en un banco de pruebas de desarrollo de velocidades excesivas. La rueda
se acelera con un motor eléctrico hasta alcanzar la velocidad punta especificada
reduciéndose a continuación dicha velocidad. En base a estos resultados
y la curva S/N del componente, se puede calcular una estimación de vida útil
para cada ciclo de carga.
Medición dinámica del rotor
El movimiento giratorio del rotor se encuentra afectado por las fuerzas gaseosas
de la turbina que emiten vibraciones. Por su propia falta de equilibrio residual
y por las vibraciones mecánicas del motor, se efectúa la estimulación
del rotor para que vibre. Pueden producirse, por tanto, grandes amplitudes dentro
la separación de los rodamientos que hagan que se produzcan inestabilidades,
sobre todo cuando las presiones del aceite lubricante son demasiado bajas y demasiado
altas las temperaturas del aceite. En el peor de los casos, puede producirse contacto
entre metales y un desgaste mecánico anormal.
El movimiento del rotor se mide y registra mediante transductores que no ejercen
contacto ubicados en la zona de succión del compresor utilizando el método
de corrientes de Foucault. En todos los estados y en todos los puntos de funcionamiento,
las amplitudes del rotor no deben superar el 80% de los valores máximos posibles.
El movimiento del rotor no debe mostrar ninguna inestabilidad.
Prueba de arranque-parada
La caída de temperatura del turbocompresor entre los gases del lado caliente
de la turbina y la entrada fría del compresor puede llegar a los 1000 ºC
en una distancia de pocos centímetros. Cuando el motor está en funcionamiento,
el aceite lubricante que pasa por el rodamiento enfría la carcasa central
por lo que no se producen temperaturas críticas en los componentes. Tras
apagarse el motor, en especial desde cargas altas, se puede acumular calor en la
carcasa central produciéndose la carbonización del aceite lubricante.
Es, por tanto, de importancia fundamental determinar las temperaturas máximas
de los componentes en los puntos críticos para evitar la formación
de laca y aceite carbonizado en la zona del rodamiento del extremo de la turbina
y en el aro.
Tras apagar el motor en el punto de funcionamiento a plena carga, se mide la acumulación
de calor n el turbocompresor. Tras un número de ciclos especificado, se efectúa
la inspección de los componentes del turbocompresor. Sólo cuando las
temperaturas máximas permisibles de los componentes no se superan y se observa
que las cantidades de aceite carbonizado que se acumula alrededor del rodamiento
son escasas, se considera que esta prueba ha sido superada.
Prueba de resistencia cíclica
Cuando el motor está en funcionamiento, la válvula
de descarga se encuentra expuesta a altas cargas mecánicas y térmicas.
Durante la realización de la prueba de válvula de descarga, dichas
cargas se simulan en el banco de pruebas.
La verificación de todos los componentes y la determinación de los
índices de desgaste se incluyen en la prueba de ciclo. En dicha prueba, se
pone el turbocompresor a funcionar en el motor durante varios cientos de horas a
distintos puntos de carga. Los índices de desgaste se determinan a través
de mediciones detalladas de cada componente con anterioridad a la realización
de pruebas y una vez que se han ejecutado éstas.