Turbo Sob Re Aliment Adores

5/16/2018 Turbo Sob Re Aliment Adores - slidepdf.com

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Turbo sobrealimentadoresde ABB, hitos históricosMalcom Summers

Los turbo sobrealimentadores de gases de escape de ABB funcionan a plena marcha

en todo el planeta, desde los océanos hasta las alturas del Himalaya, desde el gélido Ártico hasta el cálido interior australiano. Una idea que nació hace un siglo se ha con-

vertido en un producto de alta tecnología, sumamente eficiente y fiable.

SIEMPRE PIONEROS

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Turbo sobrealimentadores de ABB, hitos históricos

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Como muchas otras ideas innova-doras anteriores y posteriores, el

turbo sobrealimentador de gases de

escape, anuncio al mundo en 1905,progresó lentamente al principio. Enuna patente presentada ese año, el in-geniero suizo Alfred Buechi 1 descri-bía un “motor de excitación mixta, al-tamente sobrealimentado“, que incluíaun motor diesel, un compresor axial y una turbina axial montada sobre unárbol común. Mientras Buechi perfec-cionaba su idea, otros inventores em-pezaban a tener éxito en otros lugarescon sobrealimentadores mecánicos.Pero Buechi también tenía competido-

res directos, que seguían la mismalínea. En 1920 se utilizaban pequeñosturbo sobrealimentadores de gases deescape para aviones en Francia y Esta-

dos Unidos. Los turbo sobrealimenta-dores de gran potencia aún no consi-deraban económicamente viables.

El progreso en marchaLas cosas cambiaron en 1923 cuandoen Alemania se publicó un informesobre ensayos de sobrealimentación abaja presión realizados con éxito enun motor diesel de cuatro tiempos.Brown Boveri, una de las dos compa-ñías fundadoras de ABB, decidió en-tonces aplicar sus amplios conoci-mientos técnicos a la construcción deturbinas y compresores para el desa-rrollo de turbo sobrealimentadores.

Ese mismo año, Swiss Locomotive andMachine Works (SLM) tenía en prue-bas un motor experimental de dostiempos que deseaba llevar a un nivelde potencia superior consumiendomenos combustible. Brown Boverirecomendó utilizar un turbo sobreali-mentador de gases de escape para ali-mentar los soplantes de barrido; pocodespués, SLM encargó una máquinade ese tipo. En junio de 1924 salía dela fábrica de Brown Boveri en Badenel VT402, el primer turbo sobreali-

mentador de gases de escape de granpotencia construido en el mundo 2 .El sector marítimo también estabamuy interesado. Un año antes, en1923, el astillero alemán Vulkan habíaencargado dos grandes buques de pa-sajeros, cada uno de los cuales debíaser movido por 2 motores MAN so-brealimentados, de cuatro 4 tiempos y 10 cilindros. Buechi supervisó el di-seño y la construcción de los turbosobrealimentadores. Botados en 1926,estos dos barcos fueron los primeros

de la historia marítima en tener moto-res turbo sobrealimentados.

El “Sindicato Buechi“En 1925, Buechi sacó en nombre pro-pio una nueva patente que le daríafama mundial. La pormenorización delas ventajas de la operación pulsátilpara la sobrealimentación a baja pre-sión era el avance tecnológico quetodo el mundo había estado esperan-do. Un año después se creó una nueva compañía, popularmente conocidacomo el “Sindicato Buechi“1). Buechise encargó de la ingeniería y de lasrelaciones con los clientes, Brown

Boveri construiría los turbo sobreali-mentadores y SLM proporcionaría losmotores diesel para ensayos y mar-chas de prueba.En 1927 se entregó a SLM turbo so-brealimentador mejor y de mayoresdimensiones, el denominado VT592,para un segundo motor experimental.Los resultados fueron impresionantes.Se firmaron diversos contratos delicencia entre el sindicato y varios im-portantes fabricantes de motores. Poraquél entonces se realizaron las prime-

ras marchas de prueba en locomotorasdiesel-eléctricas 3 . Los turbosobrealimentadores también eran reco-mendables para hacer más económicoel funcionamiento de centrales eléctri-cas con motores diesel estacionarios.En 1932 se formularon especificacio-nes para un rango estandarizado deturbo sobrealimentadores. Se determi-naron nueve tamaños, correspondien-

1 Alfred Buechi. Su patente de 1905 es reco-

nocida como el punto de partida para la tur-

bo sobrealimentación de gases de escape.

2 El primer turbo sobrealimentador del mundo para un motor diesel

de gran potencia, entregado en 1924

3 Este motor ALCO de 8 cilindros y 900 CV fue típico de las

máquinas sobrealimentadas por Brown Boveri a finales de los años

treinta (aquí con un Vox 350).

Nota1) El sindicato fue disuelto en 1941.



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tes a diámetros de compresores de110 a 750 mm. El amplio uso demódulos y de gran número de piezas

estándar permitió establecer una enor-me gama de motores. Entre otrascaracterísticas, el diseño incluía coji-netes de bolas de montaje externo,que simplificaban enormemente el tra-bajo de mantenimiento.

Lanzamiento del VTR..0 A partir de 1940, Brown Boveri desa-rrolló una nueva gama de turbo so-brealimentadores llamados VTR, queincluían un compresor de flujo radialabierto (de aquí la R) y un rotor lige-

ro, cojinetes de rodillos externos demontaje flexible y un sistema autolu-bricante. La estandarización de com-ponentes hizo posible la producción agran escala. La introducción en elmercado de la serie VTR..0 en 1945 esun importante hito en la historia delos turbo sobrealimentadores BBC/ ABB. Con una eficiencia del compre-sor del 75 % para una relación de pre-sión de 2, la serie era sólo el anunciode lo que estaba por venir, pero el VTR..0 marcó el comienzo de una

nueva era4

.

Marcha triunfal de la turbosobrealimentaciónDurante el período de 1945 a 1960 seduplicó la flota mercante mundial, loque significó el triunfo definitivo de laturbo sobrealimentación. Las presio-nes de sobrealimentación aumentaronlentamente pero sin cesar durante este

período. Los turbo sobrealimentadores VTR originales podían ir equipadoscon un compresor de baja o de alta

presión, pero este último presentabaobstáculos debido a un flujo volumé-trico restringido. El desarrollo de com-presores durante los años siguienteseliminaría esta desventaja, impulsandoprogresivamente la relación de pre-sión a plena carga hacia un valor 3.En los primeros años de la década delos cincuenta, el incesante perfeccio-namiento de la tecnología de turbosobrealimentación había preparado elcamino para el siguiente salto adelan-te. En octubre de 1952 fue botado el

petrolero Dorthe Maersk, de 18.000toneladas. Construido por los astille-ros daneses A. P. Møller, fue el primerbarco movido por motor diesel de dostiempos turbo sobrealimentado (B&W,de 6 cilindros). Dos turbo sobreali-mentadores VTR630 de montaje lateralelevaron la potencia del motor de5.530 a 8.000 CV. El Dorthe Maersk

fue el primer hito de la turbo sobreali-mentación marítima de dos tiempos.Durante este período se colaboró es-trechamente con varios constructores

de motores, evidenciándose una vezmás la importancia de la relación en-tre el fabricante original de motores y el proveedor de los turbo sobreali-mentadores. Era necesario la nuevatecnología y aclarar cómo se podíaaprovechar mejor la energía del gasde escape en la operación pulsátil y especialmente cómo había que dise-ñar los tubos de escape.

A partir de 1955, Brown Boveri firmó varios importantes contratos de licen-cia, uno de ellos muy especial: en

1958 se concedió una licencia aIshikawajima-Harima Heavy Industries(IHI, Japón) para la fabricación deturbo sobrealimentadores BBC/ABB.IHI, que por aquel entonces construíamotores bajo licencia de Sulzer, conti-nuó extendiéndose por toda Asia, ase-gurando sí una posición dominantepara turbo sobrealimentadores de ABB en esa región.

La construcción naval estaba en sunivel más alto, los precios del crudo

eran bajos y los costes de combustibleresultaban insignificantes. La industriadel motor diesel estaba en auge. El VTR..0 estaba en su apogeo, con unaeficiencia general del turbo sobreali-mentador en torno al 56 %. Los moto-res con turbo sobrealimentadoresBBC/ABB batían una y otra vez ré-cords de potencia y eficiencia.

Introducción del VTR..1Los años cincuenta y sesenta del pasa-do siglo fueron testigos del desarrollo

de nuevos compresores, más eficien-tes y con mayores relaciones de pre-sión, así como mayores caudales depaso. Se mejoró el diseño de los coji-netes y se reforzaron los montajes. En1970 se introdujeron compresores conun caudal de paso aún mayor y seamplió la carcasa de salida de gas.También se reformó la entrada de laturbina.


4 Progreso de la tecnología de turbo sobrealimentadores de 1924 a 1945. Diseñados para el

mismo tamaño de motor, el modelo VTR320 más compacto, a la izquierda, consigue una

presión de sobrealimentación mucho más alta que el VT402, el modelo precedente.

5 Motor diesel Sulzer 9 RLA90, de dos tiempos

y 32.400 CV, con tres turbo sobrealimentado-

res VTR714, fabricado por IHI (Tokio)





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En 1971, todas estas mejorasse incorporaron a una nuevaserie, denominada VTR..1. A

partir de entonces, BrownBoveri ofrecía turbo sobreali-mentadores con una eficien-cia general de casi el 60 % pa-ra una gran variedad de apli-caciones. Hasta entonces laeficiencia había aumentadode forma continua, pero len-ta. Éste era el primer gransalto.

VTR..4, un nuevo salto A mediados de los años se-

tenta, la serie VTR..1 habíaexplotado plenamente el con-cepto VTR original. En los ta-bleros de dibujo se estudiaba unanueva serie de turbo sobrealimentado-res con componentes diseñados com-pletamente desde cero. Después delas pruebas de prototipos, el VTR..4fue presentado a la prensa comerciala finales de 1978 y lanzado al merca-do el año siguiente. Libre de las limi-taciones propias del primer VTR, ele- vó la eficiencia en un cinco por ciento

e incluso más, y aumentó la relaciónmáxima de presión del compresor amás de 4. Por aquel entonces, el VTR..4 contribuyó al espectacular au-mento de eficiencia térmica a plenacarga de los motores de gran poten-cia, pasando del 38–40% a valoresmáximos del 44–46% 5 .La necesidad de una versión compactacon el mayor número posible de com-ponentes del turbo sobrealimentador VTR..4 fue satisfecha en 1980 con el VTC..4. Esta versión abría nuevasoportunidades en el mercado estado-

unidense y fue desplegada con exce-lentes resultados en locomotoras en laIndia y más tarde también en China.Más tarde, las cambiantes condicionesdel mercado hicieron necesario desa-rrollar una versión del VTR..4 sin refri-geración.Otro avance tecnológico se produjoen 1985 con el RR..1 6 . Proyectadoprincipalmente para motores de 4

tiempos de alta velocidad, el RR..1 es-tableció nuevos niveles de eficienciapara pequeños turbo sobrealimenta-dores, un área de negocio en la queBrown Boveri había entrado seriamen-te en 1968 con el RR150.

Durante los años siguientes, el RR..1contribuyó a la popularidad del motorde alta velocidad en aplicaciones queabarcan desde grupos electrógenos deemergencia a vehículos todo terreno,pasando por la propulsión marítima.Diseñado para un rango de potencias

de motores de unos 500 a1.800 kW, puede atribuírseletambién el mérito por el am-

plio uso de turbo sobreali-mentadores en motores degas en Europa y EstadosUnidos.

Mientras tanto, también esta-ba en curso un nuevo desa-rrollo del turbo sobrealimen-tador VTR..4: en 1989 seconsiguieron eficienciasmáximas cercanas al 75 %con el VTR..4E y en 1991,con el VTR..4P, se alcanza-

ron relaciones de presiónsuperiores a 4.

El salto de la generación TPS/TPLEn 1989, después de la fusión de ASEA y BBC para constituir ABB, secreó ABB Turbo Systems Ltd para diri-gir el negocio de turbo sobrealimenta-dores del nuevo grupo. El cambio denombre coincidió con otro desarrollo:estudios de mercado realizados a me-diados de los años ochenta indicabanla necesidad de nuevos turbo sobrea-

limentadores de referencia en lasáreas principales de negocio. La in-dustria de construcción de motores seestaba consolidando. Menos compa-ñías, pero más fuertes e innovadoras,estaban desarrollando nuevas genera-ciones de motores diesel y de gas.Unos turbo sobrealimentadores máseficientes, capaces de conseguirmayores relaciones de presión y mayores caudales, eran esencialespara estos motores. A principios de los años noventa, ABBempezó a desarrollar una nueva gene-

7 Los buques portacontenedores constituyen un importante segmento de mercado para los turbo sobrealimentadores ABB de mayor potencia.

6 Turbo sobrealimentador RR..1 con turbina de flujo mixto y rueda de

compresor con paletas de barrido inverso

Tasa de presión del compresor

1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 πC

[-]

η TC

[%]

65

60

55

50 E f i c i e n c i a d e l t u r b o c a r g a d o r



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ración de turbo sobrealimentadorescompactos y más ligeros, de alto ren-dimiento, como sucesores de los

modelos VTR, VTC y RR. Dos nuevasfamilias, la TPS y la TPL, fueron total-mente rediseñadas.

Debut del TPSDesde la comercialización de los pri-meros turbo sobrealimentadores en1968, el mercado de motores diesel y de gas, de alta y media velocidad, haido cambiando rápidamente. Así pues, ABB empezó a desarrollar una genera-ción completamente nueva de peque-ños turbo sobrealimentadores, con

cuatro tamaños de carcasa, para aten-der las necesidades previsibles de estesector. Se desarrollaron inicialmentedos compresores, consiguiendo rela-ciones de presión de hasta 4,5 y efi-ciencias máximas superiores al 84 %.Diversos avances en el sector de losmotores diesel y de gas dieron origen,también a mediados de los noventa, auna versión del TPS con geometría deturbina variable (VTG). Un turbo so-brealimentador “ajustable“ parecía lasolución ideal para motores diesel con

los sistemas de escape de conductoúnico, cada vez más extendidos, así como para motores de gas, que exi-gen un control preciso de la relaciónaire-combustible, la llamada “regula-ción lambda“.

Lanzamiento del TPLLa familia de turbo sobrealimentado-res TPL fue desarrollada para grandes y modernos motores diesel y de gas,con potencias de 2.500 kW en adelan-te. Para esta gama, los ingenieros de ABB diseñaron nuevas turbinas axia-

les, un nuevo e innovador montaje decojinetes y dos nuevas etapas de com-presores centrífugos.

El primero de los turbo sobrealimen-tadores TPL de nueva generación quese comercializó fue el TPL..-A. Desa-rrollado para motores diesel y de gasde cuatro tiempos en el rango depotencias de 2.500 a 12.500 kW, tuvoun éxito abrumador poco después desu lanzamiento comercial en 1996.Cinco tamaños de carcasa cubren losrequisitos de aplicaciones que abarcandesde motores marinos principales y auxiliares hasta centrales eléctricas demotores diesel y de gas estacionarios.

Tres años después, ABB lanzaba elprimero de sus turbo sobrealimenta-dores TPL..-B, desarrollados princi-palmente para los grandes motoresmarinos diesel de dos tiempos, conuna potencia nominal de 5.000 a25.000 kW (por turbo sobrealimenta-dor), construidos para grandes buquestransatlánticos 7 .

Inicialmente, se consideró que 4 tama-ños de carcasa eran suficientes parasatisfacer la demanda del mercado a

medio plazo. Sin embargo, más tardese decidió desarrollar un quinto turbosobrealimentador aún más potente(TPL91) para tener en cuenta los pla-nes de los constructores navales, quequerían construir buques portaconte-nedores “post-Panamax“ todavía mayores. Una vez más, los ingenieros de ABB tuvieron que dar lo mejor de sí mismos: tenían que diseñar un turbosobrealimentador para motores conpotencias de salida de más de 100.000caballos al freno que, sin embargo,debía ser compacto. Esto se consiguió

diseñando un nuevo rotor, más corto, y una nueva turbina y difusor de pre-sión constante. El montaje del motor

se hizo también más sencillo medianteun depósito de aceite integrado 8 .

Nuevo turbo sobrealimentador para elmercado de tracciónEl TPL fue también la base para elTPR, un nuevo turbo sobrealimenta-dor para vehículos ferroviarios lanza-do por ABB en 2002. Diseñado espe-cíficamente para satisfacer la demandade una potencia y robustez extraordi-narias, además de un mejor comporta-miento medioambiental en aplicacio-

nes de tracción, incluye una turbinaintegral de alta eficiencia, una cubier-ta mejorada de admisión de gas, deentrada única, y una singular fijaciónde apoyo.

La relación de presión aumentauna vez másLa tendencia permanente del desarro-llo de motores hacia una mayor po-tencia específica está acompañadahoy día por una urgente necesidad dereducir emisiones, lo que ha llevado a

que la mayoría de los motores másmodernos incorporen alguna versióndel llamado ciclo de Miller2). Paraéstos y otro motores avanzados del

9 Turbo sobrealimentador TPS..-F8 Conjunto del turbo sobrealimentador TPL91-B

Nota2) El principio básico subyacente en el proceso Miller

es que la carrera de compresión efectiva puede

hacerse más corta que la carrera de expansión

desplazando adecuadamente la sincronización de

la válvula de entrada. Si se mantienen constantes la

potencia del motor y la presión de sobrealiment-

ación, esto reducirá el llenado de los cilindros y ba-

jará la presión y la temperatu ra en el los, reduciendo

en consecuencia las emisiones.



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futuro, ABB ha desarrollado la familiaTPS..-F 9 . Tres nuevas series cubrenel rango de potencias de motores de500 a 3.300 kW y consiguen relacio-nes de presión a plena carga de hasta5,2 con una rueda de compresor dealeación de aluminio.

El TPS..-F fue también el primer turbosobrealimentador de ABB en integrar

la tecnología de recirculación: unacanalización de purga en torno a larueda del compresor que, al mejorarel campo de flujo, aumenta el margende sobrecarga. El efecto de esta cana-lización es ampliar la anchura delmapa sin comprometer la elevada efi-ciencia del compresor.

Un turbo sobrealimentador paramotores avanzados de cuatro tiemposEl nuevo milenio ha visto al mercadode motores de cuatro tiempos seguirsolicitando insistentemente más po-tencia y menos emisiones. Por consi-guiente, ABB decidió utilizar la plata-forma modular del TPL para introducirnuevos componentes y tecnologíasinnovadoras en una nueva serie, la

TPL..-C, que abastece especialmentea este mercado de futuro 10.Desarrollado para motores avanzadosdiesel y de gas de cuatro tiempos, demedia velocidad, en el rango de po-tencias de 3.000 a 10.000 kW (porturbo sobrealimentador), el TPL..-Cofrece dos turbinas diferentes: unapara sistemas de presión casi constan-te y de carga de impulsos, y otra es-pecíficamente para sistemas de pre-sión casi constante. Una característicainnovadora del compresor es la refri-geración opcional por aire, que am-plía el campo de aplicación para rue-das de aleación de aluminio, ofrecien-do a los usuarios una alternativa eco-nómica a las ruedas motrices de tita-nio cuando se requieren relaciones depresión muy altas.

Un siglo de progresoDurante los 100 años transcurridosdesde la patente de Buechi de 19053),el turbo sobrealimentador de gases deescape ha sido indispensable para laindustria de motores diesel y de gas.La inversión en investigación y desa-rrollo a lo largo de las décadas hatraído avances excepcionales en tec-nología y diseño. Así lo documenta elprogreso, demandado y conseguido,

en el rendimiento del turbo sobreali-mentador a lo largo de los años 11.La continua mejora de eficiencia delos turbo sobrealimentadores y moto-res siempre ha dependido de la estre-cha cooperación entre ABB y los prin-cipales constructores de motores. Estacooperación establece los objetivos dedesarrollo y con toda probabilidad sehará más y más estrecha a medida

que crezcan las exigencias al “sistemade turbo sobrealimentación“ y no sim-plemente al turbo sobrealimentadorcomo componente.Los turbo sobrealimentadores TPS y TPL de ABB, de avanzada tecnología,son dignos sucesores de las series VTR y RR, que tan buenos resultadoshan dado. Con un mercado que sigueexigiendo mayores presiones de so-brealimentación y más eficiencias, enbuena parte por su contribución areducir las emisiones de los motores,el futuro pertenece a los turbo sobrea-limentadores que combinan estas cua-lidades con un rendimiento máximo y con largos períodos de tiempo entrerevisiones.

Malcolm Summers

ABB Turbo Systems Ltd.

Baden, Suiza

[email protected]

Nota3) Si desea leer la historia completa del turbo sobreali-

mentador BBC/ABB, lea la edición del centenario

de la Revista Turbo, nº 2/2005, publicada por ABB

Turbo Systems.



Cuadro La turbo sobrealimentación

sobrealimentación

La potencia de un motor de combustión

interna está determinada por la cantidad de

aire y combustible que puede comprimirse

en sus cilindros y por la velocidad del mo-

tor. Los turbo sobrealimentadores suminis-

tran al motor aire a alta presión, forzando

que en los cilindros entre más aire dis-

ponible para la combustión.

El gas de escape del motor, a unos 600°C

de temperatura, es dirigido a alta velocidad

a las paletas de una turbina que impulsa la

rueda de un compresor montada en el mis-

mo eje. Al girar, la rueda aspira aire a través

de un filtro-silenciador, lo comprime y lo

envía por un postenfriador al depósito de

aire, desde donde pasa a los cilindros.

10 El turbo sobrealimentador TPL76..-C ha sido desarrollado para

motores avanzados de cuatro tiempos.

11 Progreso en el rendimiento de los compresores para turbo sobrealimen-

tadores ABB desde 1960 (plena carga, con compresor de aluminio)

Flujo volumétrico

R e l a c i ó n d e p r e s i ó n d e l c o m p r e s o r

1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 7.00 V298

[m3 /s]

πC

[-]

5.5

5.0

4.5

4.0

3.5

3.0

2.5

2.0

1.5

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