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Este obra está bajo una licencia de Creative Commons Reconocimiento-NoComercial-CompartirIgual 3.0 España.
Motores Térmicos. Turboalimentación
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indicada y ha sido obtenida de las mejores fuentes que se han podido encontrar, generalmente de reconocido prestigio. No obstante el/los
autor/es no garantizan la exactitud, exhaustividad, actualización o perfección de su contenido. Por ello no será/n responsable/s de cualquier
error, omisión o daño causado por el uso de la información contenida, no tratando con este documento prestar ninguna clase de servicio
profesional o técnico; antes bien, se ofrece como simple guía general de apoyo a la docencia. En caso de detectar algún error, rogamos nos lo
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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
4
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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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