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Motores Térmicos. Turboalimentación

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Capítulo 5: Proceso de compresión real. Compresores. (½ hora).

Autor: Antonio Lecuona Neumann

Contenido

5.1.- Proceso de compresión. Rendimiento.

5.2.- Curvas características de turbocompresores

5.3.- Análisis del funcionamiento

5.4.- Morfología funcional de turbocompresores centrífugos

5.5.- Resumen y preguntas de autoevaluación.

5.6. Temas adicionales.

MACI = Motor alternativo de combustión interna. MCIA en algunos textos.

MEP = Motor de encendido provocado (Otto o de gasolina) = MIF.

MEC = Motor de encendido por compresión (Diésel o de gasóleo) = MIE.

1

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5.1.- Proceso de compresión. Rendimiento.

• Hipótesis;

• Flujo inerte, irreversible por efecto de la viscosidad, y adiabático por la escasa superficie de contacto y el corto tiempo de residencia, entre P2 y P3.

• Flujo estacionario a la entrada y a la salida. No hay fugas de masa.

• Para evaluar las irreversibilidades del compresor (c) se admite un

rendimiento total a total (dado que el trabajo necesita la entalpía total) tt,c

en comparación con la evolución isentrópica (s) entre las mismas presiones

totales.

Entalpíade

remansoo total

3 2 0fl t th h

, , , , ,,

3 , 2,

3 23 2

, 3 , 2

/

Trabajo específico:

tt c fl c s fl c fl stt c

fl fl fl t s ttt c

t tfl t t

fl s t s t

m h h

h hh h

h h

W W

W

s

h

2t

3t,s

3t P3t

P2t 3,s

3

2

c

3 , 2 ( 1)// Relaciónde presiones

, , 22 3 , 2, ,

, ,

3 2

( / 1)1

/

c ct s tT T

p s c tt t s tfl c tt c

tt c tt c

t t

mc Tmh h h

P P

W• Gas ideal caloríficamente perfecto

h = cpT+cte. Potencia consumida:

(5.3)

(5.2)

2

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5.1.- Proceso de compresión. Rendimiento (cont.). • Condiciones de remanso de una corriente con velocidad V:

Sea una evolución adiabática y estacionaria hasta el reposo (remasamiento completo):

Si añadimos evolución reversible isentrópica:

• Solo es necesario corregir las condiciones estáticas a las de remanso para número de Mach M > 0,5 aprox.

2

2

2

1cte. 12

gicp /

Velocidad del sonido:

t

t

p

p v

g

h h

h c T MT

c c Ma

a R

T

T

V

V

1tt

P

P T

T

Temperatura

de remanso

Presión de

remanso

3

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5.2.- Curvas características de turbocompresores. • Proporcionan en una misma gráfica la relación de compresión

de un compresor πc como función de parámetros corregidos con unas condiciones de referencia:

1.Un régimen corregido (∝ número de Mach a la entrada):

2.Un caudal másico corregido (∝ parámetro de caudal):

• … generalmente con aire, flujo estacionario y Tref 300 K.

• El intervalo operativo de caudal para un cierto ncor está limitado:

• Por un caudal mínimo que ocasiona funcionamiento inestable, caída de y de , indicado con línea de trazos y denominado “bombeo”.

• Por un caudal máximo de bloqueo sónico, caída de y de .

• Por un régimen máximo.

• A mayor tamaño del compresor, más se desplaza a la derecha el intervalo operativo.

2

2

ref tcor

t ref

P Tm m

P T

2

ref

cor

t

Tn n

T

Zona de sobre-

régimen

nc,cor = 150 krpm

140 krpm

130 krpm

120 krpm

110 krpm

95 krpm

80 krpm

56 krpm

tt,,c

1,0

1,2

1,4

1,6

1,8

2,0

2,2

2,4

2,6

2,8

mcor [kg/s]

0,05 0,10 0,15 0,20

Figura 5.3

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5.3.- Análisis del funcionamiento. • La relación de presiones πc es muy creciente con el régimen de giro.

• El bombeo se debe a un desprendimiento de la corriente en algún punto del turbocompresor, originando zonas de recirculación y el fracaso del guiado efectivo de la corriente por las superficies de rotor y de estator, a causa de incidencia excesiva de la corriente al álabe. Pueden producirse rotura de álabes pues el flujo puede convertirse en fuertemente pulsante (el compresor bombea).

• Afortunadamente, la curva relación de compresión – caudal que resulta del hermanamiento del grupo turbo con el motor puede inscribirse en el intervalo estrecho de funcionamiento del compresor, pero puede producirse el bombeo en algún momento del funcionamiento, lo cual ha de evitarse, Fig. 5.4.

• La zona de bloqueo sónico supone una caída de rendimiento, en contraste con las turbinas, en las que cae poco, Cap. 7, por lo que pueden funcionar éstas en bloqueo.

• Las pérdidas de πc y de rendimiento al aproximarse al bloqueo a ncor = cte aumen por una incidencia de la corriente a los álabes muy negativa.

• La información contenida en el mapa de curvas características puede resumirse en dos ecuaciones que expresan la relación de presiones y del rendimiento función de (en este caso) los dos pseudo-parámetros dimensionales de caudal y de régimen, alternativos a los parámetros corregidos:

-1 1/2 -1 1/2

2 2

, ,

2 22 2

Pseudo-parámetro Pseudo-parámetrode caudal dimensional de régimen dimensional[g s K bar ] [rpm K ]

, ; , ; Ecs. de límites.c t c tc c

tt c c tt c c

t tt t

m T m Tn n

P PT T

(5.8)

5

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• La “carga” de motor puede ser representada de forma

aproximada por la πtt,c resultante del acople con el motor. Son

líneas horizontales en el mapa; más arriba al subir la carga;

es decir, la πtt,e crece al crecer la carga.

• Plena carga típica se indica con línea roja.

• Muestra una rápida subida de πtt,c

para n1 < n < n2 y una estabilización

a regímenes mayores.

5.3.- Análisis del funcionamiento (cont.). • Para inscribir en el mapa de un compresor la característica de un motor, usamos la ecuación del

caudal másico de un motor:

,

1

, , ,

,0

,

2

3

4

4

1; grado de admisión, si exi

2: ;

1: 1

1

:

ste

mariposa. Depende de grado de ci

Ec. 1.4bis

Ec. 1.5

F

1; de

ig

erre.

. 3.3

[ ]

ad

a ad v e ad

g ad

ad a

v e v e b

ad c

tt c

ad t

in

t

in

ad

t

t

Pnm Q

R T

T rn

T r

P

P

P

P

P

P

T

2

gradaciones en el posenfriador

que ocasionan una caída de presión de

remanso.

Simplificando a posenfriador térmicamente

perfecto, colector de admisión adiabático y

EGR imperceptible: ad atm tT T T

1

, ,

,0

3

2

2

1 2

, 12 11

1[ ]a

v e b

in g a

ta

d c

t ct

t

rQ n

R T rn

T

Pn

nn

m

T

n1 n2 n3

• El intervalo de régimen y carga

operativos del motor ha de caer

dentro del mapa.

• n1 origina bombeo y malos

rendimientos, a bajo régimen y

carga media; es lo más peligroso.

• n2 es correcto.

• n3 origina bloqueo. Figura 5.4

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5.3.- Análisis del funcionamiento (cont.)..

• Una tendencia actual es aumentar la relación de presiones sin necesidad ir a dos escalones. Ejemplo:

Mapa de un compresor de turboalimentación

centrífugo de última generación marca ABB de la

serie A100/H con rotor de aluminio para motores

Diesel (menores temperaturas de escape que los

MEP por ser FR menor, ver Cap. 4). Muestra las

elevadas relaciones de presiones alcanzables con

un solo escalón centrífugo y con rendimientos

isentrópicos elevados, relativamente amplios

márgenes de caudal y de sobre-velocidad. Se ha

añadido la línea azul que se recorre al variar la

carga (load) a régimen constante de un motor Diésel

arrastrando un generador eléctrico y con un

hermanamiento óptimo.

Fuente: http://www.abb.com/product/seitp324/dd75bd60ef893f55c1257608004afa8c.

aspx?productLanguage=us&country=ES Accedido el 14 de mayo de 2013

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5.4.- Morfología funcional de turbocompresores centrífugos. • La entrada (azul) de gases es axial y la

salida del rotor es radial con álabes

inclinados hacia atrás en su salida.

• Le sigue un estator-difusor radial de

paredes paralelas (D), sin álabes. Con

álabes en algunos casos.

• Una vez recuperada la energía cinética

en aumento de presión se colecta el

caudal periféricamente por medio de

una voluta o caracol (V).

• El rotor se construye en aluminio o

titanio fundidos o mecanizados.

• El equilibrado dinámico es fundamental.

• Se ajustan a cada motor partiendo de

modelos base a los que se modifica

ligeramente el rotor y estator “trimming”.

Véase.

• Ejemplo1 Ejemplo 2 Ejemplo 3

• Ejemplo 4 Ejemplo 5

Fuente: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/7/76/Turbocharger.jpg accedido el 13 de mayo de 2013.

Sistema de recirculación

anti - bombeo

Figura 5.5

8

D

V

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5.5.- Resumen y preguntas de autoevaluación

• Los turbocompresores centrífugos de un único escalón muestran relaciones de presiones suficientes, apropiadas para la turboalimentación y fuertemente creciente con su régimen de giro.

• Los elevados rendimientos en turbocompresores (hasta 0,81) solo son posible en torno a la relación de compresión y régimen de diseño y entre dos caudales, el de bombeo y el de bloqueo sónico.

5.1 El calentamiento que imprime el compresor al aire que lo atraviesa ¿crece con

la relación de presiones?

SI

5.2 El calentamiento que imprime el compresor al aire que lo atraviesa ¿crece con

el rendimiento del compresor?

NO

5.3 Calcule la temperatura de salida de un compresor de rendimiento 70% cuando

la de entrada son 35 ºC y relación de presiones 3,0.

197 ºC

5.4 Calcule la temperatura de remanso si la temperatura estática del aire

es de 15 ºC y el número de Mach es 0,6

36 ºC

5.5 ¿A que velocidad corresponde esta corriente si a = 340 m/s) 204 m/s

5.6 En los MEC (Diésel) ¿puede ser < 1? NO

5.7 El compresor y la turbina en la Fig. 5.5 ¿tienen aproximadamente el mismo

diámetro de rotor?

SI

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5.6.- Temas adicionales • El retraso en la reacción del turbo en motores de automoción ha llevado al empleo de la

sobrealimentación mecánica, haciendo uso de un compresor volumétrico arrastrado por el motor. Incluso hay motores que incluyen esto además de un grupo turbo p. e. sistema “twin charger” de VW. Más información. El sobrealimentador se usa a bajo régimen de giro y es apartado del circuito a partir de un cierto régimen, cuando el turbo ya puede “soplar” suficientemente.

• Existen kits de sobrealimentación consistentes en un compresor centrífugo movido eléctricamente y con control electrónico, habiéndose denominado “eboost”. Esta palabra se usa también para grupos turbo que disponen entre compresor y turbina de un motor-generador eléctrico que permite agregar potencia a bajo régimen y en aceleraciones y detraerla para cargar baterías cundo obra energía en el turbo. No es comercial actualmente.

• El bombeo o “surge” se suele manifestar cuando el motor opera a plena carga y a régimen bajo. Puede ser evitado con sistemas de recirculación de gases en la entrada del compresor, ver Fig. 5.5.

• Una de las más frecuentes causas de deterioro de un grupo turbo consiste en detener el motor de un automóvil inmediatamente tras operar a gran potencia. El calor acumulado en las tuberías de escape evapora y descompone el aceite del cojinete liso sobre el que se apoya el grupo, gripándose al arrancar.

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