Los motores son máquinas muy inefcientes. Gran arte !e "a ener#$a que se ro!uce en e" interior !e "os motores roce!ente !e "a com%usti&n !e" com%usti%"e se ier!e or e" tu%o !e escae en 'orma !e #ases ca"ientes. En e" a(o 1)*+ un in#eniero ,ui-o ""ama!o A"'re! /c0i atent& e" rimer tur%ocomresor que uti"i-a%a "os #ases #ases !e escae ara intro!ucir aire !e 'orma 'or-a!a en e" motor. ,in em%ar#o no 'ue 0asta arios a(os más tar!e cuan!o e" tur%o se eme-& a a!otar !e 'orma 0a%itua" en "os aiones ya que a" aumentar "a a"titu! !isminu$a !isminu$a "a resi&n resi&n y !ensi!a! !ensi!a! !e" aire2 merman!o merman!o "a otencia otencia !e "os motores2 ro%"ema que so"entaron uti"i-an!o tanto comresores mecánicos como tur%ocomresores. No 'ue 0asta "os a(os 6* cuan!o e" tur%o i& a"icaci&n en e" mun!o !e" autom&i"2 autom&i"2 sin em%ar#o su conso"i!aci conso"i!aci&n &n se ro!u3o con "a ""e#a!a !e" rimer coc0e !e ro!ucci&n ro!ucci&n con motor tur%o!iese"2 tur%o!iese"2 e" Merce!es Merce!es 4**5. La tur%oa"imentaci&n encontr& en "os motores 5iese" una re"aci&n !e sim%iosis.
asta entonces "os motores 5iese" 0a%$an si!o mamotretos caros2 esa!os2 rui!ososs y oco otentes. rui!oso otentes. E" tur%o consi#ui& me3orar a"#unos !e estos asectos2 "o que ayu!& a su e7ansi&n or to!a Euroa2 0asta e" unto !e suerar or muc0o "as entas !e "os motores !e #aso"ina. 5esu8s !e este 87ito a%ruma!or !e" 5iese" en Euroa !e%i!o en #ran arte a "os tur%o tur%os2 s2 ""e# ""e#amo amoss a "a rim rimera era !8ca!a !8ca!a !e" si#" si#"o o 99I2 99I2 en "a que que "as "as normatias normatias me!ioam%ienta" me!ioam%ienta"es es 'uer-an 'uer-an ca!a e- más a conse#uir conse#uir coc0es efcientes y "imios. Esto ""ea a "os 'a%ricantes !e coc0es a mirar otra a"ternatia ara se#uir cum"ien!o "as normatias y en!er coc0es. En 1):: se uti"i-an or rimera e- motores tur%ocar#a!os tur%ocar#a!os en "a ;1 ;122 La rimera ictoria !e un motor tur%o 'ue !os a(os !esu8s. ;ueron ro0i%i!os or e" re#"amento en 1)<) 1 )<) y reintro!uci!os en e" =*1>. Gracias a" tur%o ue!en !ar otencias esec$'icas imosi%"es !e ima#inar 0asta 0ace %ien ocos a(os en mo!e"os !e entra!a a "a #ama con motores !e #aso"i #aso"ina2 na2 or encima encima !e "os 1** CV or "itro. "itro. A!emás A!emás e" uso !e tur%ocomresores aumenta "a canti!a! !e ar !isoni%"e y "o o'rece en un ran#o más am"io !e" r8#imen2 or "o que esta re"aci&n entre "os motores !e #aso"ina y "os tur%os tam%i8n es c&mo!a !e con!ucir en cruceros a me!ias IN6ENIRÍA
MECÁNICA
1
ue"tas y encima consumien!o oco.
IN6ENIRÍA
MECÁNICA
=
2. DEFINICIÓN DE TURBOCOMPRESORES
?n tur%ocomresor o tam%i8n ""ama!o tur%o es un sistema !e so%rea"imentaci&n que usa una tur%ina centr$'u#a ara accionar me!iante un e3e coa7ia" con e""a2 un comresor centr$'u#o ara comrimir #ases. Este tio !e sistemas se sue"e uti"i-ar en motores !e com%usti&n interna a"ternatios2 esecia"mente en "os motores !i8se". En a"#unos a$ses2 "a car#a imositia so%re "os autom&i"es !een!e !e "a ci"in!ra!a !e" motor. Como un motor con tur%ocomresor tiene una mayor otencia má7ima ara una ci"in!ra!a !a!a. Los #ases !e escae inci!en ra!ia"mente en "a tur%ina2 sa"ien!o a7ia"mente2 !esu8s !e ce!er #ran arte !e su ener#$a interna @mecánica t8rmicaB a "a misma. E" aire entra a" comresor a7ia"mente2 sa"ien!o ra!ia"mente2 con e" e'ecto secun!ario ne#atio !e un aumento !e "a temeratura más o menos consi!era%"e. Este e'ecto se contrarresta en #ran me!i!a con un en'ria!or @intercoo"erB. Este aumento !e "a resi&n consi#ue intro!ucir en e" ci"in!ro una mayor canti!a! !e o7$#eno @masaB que "a masa norma" que e" ci"in!ro asirar$a a resi&n atmos'8rica2 o%teni8n!ose más ar motor en ca!a carrera ti" @carrera !e e7ansi&nB y or "o tanto más otencia que un motor atmos'8rico !e ci"in!ra!a equia"ente2 y con un incremento !e consumo roorciona" a" aumento !e masa !e aire en e" motor !e #aso"ina. En "os !i8se" "a masa !e aire no es roorciona" a" cau!a" !e com%usti%"e2 siemre entra aire en e7ceso a" ser or inyecci&n e" suministro !e com%usti%"e a" ci"in!ro2 or e""o es en este tio !e motores en !on!e se 0a encontra!o su má7ima a"icaci&n @motor tur%o!i8se"B. Los tur%ocomresores más eque(os y !e resi&n !e so"a!o más %a3a e3ercen una resi&n má7ima !e *2=+ %ar @426=+ siB2 mientras que "os más #ran!es a"can-an "os 12+ %ar @=12:+ siB. En motores !e cometici&n se ""e#a a resiones !e 4 y < %ares !een!ien!o !e si e" motor es #aso"ina o !i8se". Como "a ener#$a uti"i-a!a ara comrimir e" aire !e a!misi&n roiene !e "os #ases !e escae2 que se !esec0ar$a en un motor atmos'8rico2 no resta otencia a" motor cuan!o e" tur%ocomresor está tra%a3an!o2 tamoco rooca 8r!i!as 'uera !e" ran#o !e tra%a3o !e" tur%o2 a !i'erencia !e otros comresores !e a!misi&n2 como "os sistemas con comresor mecánico @o"um8tricoB2 en !on!e e" comresor es acciona!o or una o"ea conecta!a a" ci#/e(a". Dam%i8n se ue!e !ecir que "os tur%ocomresores son tur%omáquinas t8rmicas que siren ara comrimir un #as se ue!en !ii!ir en !os #ruosF so"antes y tur%ocomresores. Las máquinas 0i!ráu"icas DM ara #ases se !enominan enti"a!ores. Los so"antes o tur%oso"antes son máquinas !estina!as a comrimir #enera"mente aire2 en "as que "a re"aci&n !e comresi&n es @121 Hc 4B no tienen nin#n tio !e re'ri#eraci&n incorora!a y2 en #enera"2 son !e un nico esca"onamiento. As$ or e3em"o2 ara e" aire que se reca"ienta en "os recuera!ores !e "os a"tos 0ornos2 "a so"ante tiene que imu"sar"e a una resi&n equia"ente a "a resistencia !e "a con!ucci&n2 más "a resistencia !e "as to%eras !e inyecci&n en "a -ona !e 'usi&n !e "os 0ornos2 con una re"aci&n !e comresi&n !e" or!en !e 42 uti"i-án!ose en estas circunstancias so"antes !e arios esca"onamientos2 en "os que e" aire no se re'ri#era2 ya que osteriormente 0a%r$a que reca"entar"e antes !e intro!ucir"e en e" 0orno. Las tur%oso"antes se ue!en c"asi'icar en 'unci&n !e "a re"aci&n !e IN6ENIRÍA
MECÁNICA
4
comresi&n Hc en "a 'ormaF ,o"antes !e .......F Hc J 121 a 12+ ,o"antes !e M......F Hc J 12+ a =2+ ,o"antes !e A.......F Hc J =2+ a >. E" nmero !e reo"uciones !e "os tur%oso"antes ar$a !e 4.*** a =1.*** rm.
IN6ENIRÍA
MECÁNICA
>
Los tur%ocomresores son máquinas t8rmicas que comrimen #ases con re"aciones !e comresi&n mayor2 y or e""o tienen incorora!a re'ri#eraci&n2 a no ser que su !estino aconse3e "o contrario2 como suce!e en "os tur%ocomresores !e "as tur%inas !e #as. Danto "os tur%oso"antes como "os tur%ocomresores ue!en ser ra!ia"es o centr$'u#os2 !ia#ona"es @semia7ia"es o !e Ku3o mi7toB y a7ia"es. La eo"uci&n !e "os tur%ocomresores 0ace osi%"e su a"icaci&n a resiones ca!a e- más e"ea!as2 con #ran!es cau!a"es2 "o#rán!ose máquinas !e mayor otencia unitaria y !e me3or ren!imiento. ?no !e "os 'actores que más 0an inKui!o en "a inesti#aci&n !e "a me3ora !e ren!imientos en "os tur%ocomresores 0a si!o e" !esarro""o esectacu"ar !e "a tur%ina !e #as en "os "timos a(os2 ya que e" tur%ocomresor 'orma arte inte#ra" !e !ic0a máquina "a otencia neta !e una tur%ina !e #as es i#ua" a "a otencia ti" !esarro""a!a or "a tur%ina2 menos "a otencia a%sor%i!a or e" tur%ocomresor2 or "o que "a me3ora !e" ren!imiento !e" tur%ocomresor es !e #ran inKuencia en e" !esarro""o !e "a tur%ina !e #as. ,i "os cau!a"es !e aire o !e #as son re"atiamente e"ea!os2 y "as resiones no son e7cesias2 e" tur%ocomresor a enta3a a "os comresores a"ternatios y rotatios !e !es"a-amiento ositio. Las enta3as !e "os tur%ocomresores en comaraci&n con "os comresores a"ternatios sonF Construcci&n comacta Vo"umen !e máquina re!uci!o ,e#uri!a! !e 'uncionamiento y mantenimiento rácticamente nu"o Carencia !es#aste
!e
Monta3e senci""o Marc0a e7enta i%raciones
!e
Carencia !e i%raciones con!uctos !e #as
en "os
Em"eo !e motores e"8ctricos norma"es2 ara su accionamiento eque(o consumo !e corriente e"8ctrica en e" arranque Carencia !e ro%"emas !e me-c"a !e" aceite !e "u%ricaci&n con e" #as2 etc Las mayores !i'icu"ta!es encontra!as en e" !esarro""o !e "os tur%ocomresores a7ia"es roienen !e" roceso !e '"u3o2 ya que cuan!o un Kui!o se ace"era rái!amente en un con!ucto e7erimenta una 8r!i!a mo!era!a !e "a resi&n !e remanso2 mientras que si e7erimenta una IN6ENIRÍA
MECÁNICA
+
rái!a !ece"eraci&n2 !a "u#ar a #ra!ientes a!ersos !e resi&n2 que se ue!en tra!ucir en !esren!imientos !e "a caa "$mite !e "a corriente y en consecuencia roocar #ran!es 8r!i!as. or e""o2 ara "imitar "as 8r!i!as !urante "a !i'usi&n2 "a re"aci&n !e !ece"eraci&n !e" Ku3o a tra8s !e "as coronas !e á"a%es tiene que mantenerse en a"ores %a3os2 circunstancia que im"ica e" que ara una re"aci&n !e comresi&n !a!a2 un tur%ocomresor a7ia" ten#a muc0os esca"onamientos.
IN6ENIRÍA
MECÁNICA
6
1. #ases !e escae
=. Aire
4. En#rase
Dur%ocomresor @corte "on#itu!ina"B. En ro3o2 estátor !e 'un!ici&n y rotor !e "a tur%ina. En a-u" estátor !e a"uminio y rotor !e" comresor.
IN6ENIRÍA
MECÁNICA
:
3.
CLASIFICACIÓN DE LOS TURBOCOMPRESORES
Los tur%ocomresores se c"asifcan2 se#n "a !irecci&n !e" Ku3o2 en "os tres tios si#uientesF Ra!ia"es 5ia#ona"es @semia7ia"es2 ra!ioa7ia"es & !e '"u3o mi7toB y A7ia"es.
Radial
Diagonal
Axial
3.1. LOS TURBOCOMPRESORES RADIALES y DIAGONALES Los tur%ocomresores ra!ia"es y !ia#ona"es se !enominan tur%ocomresores centr$'u#os en "os tur%ocomresores !ia#ona"es su teor$a 'un!amenta" !i'iere !e "a !e "os tur%ocomresores ra!ia"es. E" !ise(o esec$fco !e" ro!ete !e !o%"e curatura2 caracter$stico !e "as tur%omáquinas !ia#ona"es2 es aná"o#o a" em"ea!o en "as %om%as 0e"icocentr$'u#as. E" tur%ocomresor !ia#ona" ue!e suministrar un cau!a" = 4 eces mayor que un tur%ocomresor !e" mismo !iámetro con un ren!imiento un + mayor. ,e uti"i-a ara 0umos2 #as !e a"to 0orno2 "antas !e !esu"'uri-aci&n2 in!ustrias !e ro!uctos 'armac8uticos y a"imenticios2 tne"es !e aireaci&n2 etc.B Comaraci&n !e "os tur%ocomresores centr$'u#os y "os a7ia"es E" tur%ocomresor centr$'u#o tiene "as si#uientes enta3as so%re e" tur%ocomresor a7ia"F Mayor ro%uste- y2 or tanto2 mayor se#uri!a! en "a e7"otaci&n Menor nmero esca"onamientos
!e
Mayor 'aci"i!a! !e a"o3amiento !e "os sistemas !e re'ri#eraci&n interme!ia Mayor -ona !e esta%i"i!a! !e 'uncionamiento2 or "o que resecta a" 'en&meno !e %om%eo
3.2 AXIAL Los tur%ocomresores a7ia"es se ue!en construir más comactos2 a0orran!o o"umen y eso2 ya que no necesitan cana"es ara !iri#ir e" Ku3o !es!e "a eri'eria a "a entra!a !e" ro!ete si#uiente como "os tur%ocomresor ra!ia"es2 or "o que tienen menos 8r!i!as y me3or ren!imiento @un 1* sueriorB que e" tur%ocomresor ra!ia". E" tur%ocomresor a7ia" o'rece "as si#uientes enta3as con re"aci&n a" tur%ocomresor ra!ia"F IN6ENIRÍA
MECÁNICA
<
Me3or ren!imiento ara un mismo #asto másico y resi&n2 mayor nmero !e reo"uciones E" tur%ocomresor a7ia" tiene menor o"umen2 menor suerfcie 'ronta"2 y menor eso ara i#ua"!a! !e #asto másico y !e re"aci&n !e comresi&n. Esta enta3a es e7ceciona"mente imortante en aiaci&n2 e 0ist&ricamente constituy& e" est$mu"o ara "a eo"uci&n !e" tur%ocomresor a7ia" con !estino a "os tur%orreactores "a enta3a se 0ace atente en e" camo !e "as re"aciones !e comresi&n e"ea!as y #ran!es otencias or esta ra-&n2 "os
IN6ENIRÍA
MECÁNICA
)
tur%ocomresores !e "os motores Dur%ina !e #as !e #ran otencia sue"en ser a7ia"es y "os !e "os motores Dur%ina !e #as !e eque(a otencia2 ra!ia"es. Aunque e" tur%ocomresor a7ia" tiene me3or ren!imiento que e" ra!ia"2 es muc0o más sensi%"e a "as ariaciones !e "a car#a su ren!imiento !isminuye más rái!amente a" ariar "as con!iciones !e 'uncionamiento con re"aci&n a" unto !e !ise(o2 "a cura !e ren!imiento en 'unci&n !e" #asto másico !e" tur%ocomresor ra!ia" es más "ana @0ori-onta"B que "a !e" tur%ocomresor a7ia".
I.
TABLA DE RENDIMIENTOS EN UN TURBOCOMPRESOR
11.
Gra'ica !e ren!imiento a7ia" y ra!ia"
@Canti!a! másicaB E" tur%ocomresor a7ia" en comaraci&n con e" tur%ocomresor centr$'u#o o'rece "a enta3a !e mayor otencia ara una misma secci&n transersa"2 or "o que en un ai&n !ota!o !e tur%orreactor con tur%ocomresor a7ia" tiene un coe'iciente !e arrastre menor2 en i#ua"!a! !e otencia2 que e" !ota!o !e tur%ocomresor centr$'u#o. As$ se e7"ica que ocas máquinas 0ayan conoci!o un !esarro""o tan esectacu"ar como e" tur%ocomresor a7ia" !es!e "a atente !e arsons en 1)*1 0asta e" tur%ocomresor a7ia" actua". Los rimeros tur%ocomresores a7ia"es se construyeron a"re!e!or !e 1)** or ,ir C0ar"es arsons ten$an una %a3a re"aci&n !e comresi&n2 as$ como ren!imientos muy mo!estos2 !e" or!en !e" ++2 or "o que se a%an!onaron en 'aor !e "os tur%ocomresores centr$'u#os !e arios esca"onamientos or su más a"to ren!imiento2 !e" :* a" <*. asta e" a(o 1)=6 no se emren!ieron más !esarro""os !e tur%ocomresores a7ia"es2 en que A. A. GriOit0 esta%"ece "os rinciios %ásicos !e su teor$a !e" erf" aero!inámico2 ara e" !ise(o !e "os á"a%es !e "os tur%ocomresores y tur%inas. Los tur%ocomresores actua"es so%reasan ren!imientos !e" )*2 con re"aciones !e comresi&n mayores !e 4*. IN6ENIRÍA
MECÁNICA
1
4. FUNCIONAMIENTO EN MOTORES DIESEL Y OTTO 4.1 DIESEL: En "os motores !i8se" e" tur%ocomresor está más !i'un!i!o !e%i!o a que un motor !i8se" tra%a3a con e7ceso !e aire a" no 0a%er mariosa2 or una arte esto si#ni'ica que a i#ua" ci"in!ra!a unitaria e i#ua" r8#imen motor @rmB entra muc0o más aire en un ci"in!ro !i8se". or otra arte2 y esto es "o más imortante2 "as resiones a"can-a!as a" fna" !e "a carrera !e comresi&n y so%re to!o !urante "a carrera !e tra%a3o son muc0o mayores @>* a <* %aresB que en e" motor !e cic"o Ptto @motor !e #aso"inaB @1+=+ %aresB. Esta a"ta resi&n2 necesaria ara a"can-ar "a a"ta temeratura requeri!a ara "a autoinKamaci&n o autoi#nici&n !e" #as&"eo2 es e" ori#en !e que "a 'uer-a !e "os #ases !e escae2 a i#ua" r8#imen2 ci"in!ra!a unitaria y car#a requeri!a a" motor sea muc0o mayor en e" !i8se" que en "a #aso"ina. 4.2 GASOLINA: En 8ocas recientes "a so%rea"imentaci&n en motores a #aso"ina se 0a isto más !i'un!i!a como una t8cnica ara sacar roec0o !e "os motores !e %a3a ci"in!ra!a. Esto con e" fn !e no mermar e" !eseme(o a ra$- !e "as e7i#encias !e consumos más re!uci!os. Casi siemre es simi"ar e" 'uncionamiento que en "os motores !i8se"2 sin em%ar#o aqu$ "a so%rea"imentaci&n 3ue#a un ae" muy imortante !e%i!o a que !e%e ser rea"i-a!a !e manera recisa con canti!a!es e7actas con már#enes !e error !e Q *.+* cmQ4 2 en este caso a" 0a%er una mariosa en e" m"ti"e !e a!misi&n !e aire2 se !e%e re#u"ar "a roorci&n !e aire y com%usti%"e en e" sistema !e inyecci&n2 as$ como ca"cu"ar e" a"or !e "a re"aci&n !e comresi&n con e" fn !e ma7imi-ar e" !eseme(o y me3orar e" consumo. In!irectamente estos motores ue!en 'uncionar a mayor a"titu! sin tener una merma si#ni'icatia !e otencia. 5e" mismo !een!e !e "a e"oci!a! a "a que se e7u"san "os #ases !e escae2 "os cua"es a su e- !een!en !e "as RM !e" mismo motor2 casi siemre e" mismo ten!rá un !eseme(o &timo en re#$menes !e ran#o me!io @!e 4*** a +*** rmB2 a su e- tam%i8n esto !een!e !e "a resi&n !e so"a!o !e" mismo2 que en autom&i"es comunes casi siemre es ca"i%ra!a en unos ocos %ares o si2 mientras que en e0$cu"os !e cometencia siemre !een!erán !e más ,I o ares !e%i!o a "as e7i#encias mayores "as cua"es ue!en ariar. Los e0$cu"os !e Ra""y or e3em"o en ocasiones !e%en !een!er !e "acas restrictoras en e" mismo tur%o ara mantener una ci'ra !e otencia are3a2 a!emás !e mecanismos esecia"es que manten#an e" mismo #iran!o a toe sin imortar e" ra"ent$ o "a carrera !e" ace"era!or2 con e" 'in !e que se ten#a "a otencia necesaria tanto en 2 como en Dorque @arB "o cua" a su e- causa esas ""amatias ""amara!as y e7"osiones !e "os mismos e0$cu"os as$ como su tono caracter$stico !e motor. +.
