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El turboalimentador ABB para aumentar la potencia y rendimiento de los motores

Esko Laustela

El primer turboalimentador de gases de escape para un gran motor diesel que se construyó en el mundo salió en 1924 de la fábrica de Baden de la por entonces Brown Boveri. Desde entonces, los turboalimentadores de ABB han contribuido a elevar el nivel de potencia y rendimiento de los motores. Los turboalimentadores TPS y TPL de nueva generación, lanzados al mercado a finales de la década de 1990, no sólo mantienen esta tradición, sino que además introducen nuevas tecnologías que permitirán mejorar aún más el rendimiento de los motores y cumplir la legislación de emisiones, cada día más estricta.

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Revista ABB 3/2005

El turboalimentador ABB

os motores diesel turboalimentados son esenciales para la economía mundial. Como motores primarios de fuerza motriz o como motores auxiliares en barcos tan diversos como los superpetroleros y los transbordadores rápidos, impulsan el comercio entre las naciones y contribuyen al transporte de personas. Pero no es sólo el sector marítimo el que depende de estas máquinas de alta eficiencia: las centrales generadoras, las locomotoras y los grandes vehículos industriales están accionados en todo el mundo por motores de gas o motores diesel turboalimentados. La potencia del motor se cuadruplica

En 2004, la demanda mundial de nuevos motores diesel turboalimentados con potencia nominal superior a 500 kW fue de unos 50 gigavatios. Más de la mitad de esta potencia de motores estaba destinada a barcos de transporte marítimo, una cuarta parte a centrales eléctricas fijas y el resto a tracción y otras aplicaciones. La popularidad del motor diesel en todos estos sectores está estrechamente vinculada al turboalimentador, que aumenta hasta cuatro veces la potencia del motor. Así pues, el 75 por ciento de la potencia del motor depende de que el turbocompresor sea fiable y eficiente Cuadro 1 . La turboalimentación no sólo eleva el rendimiento de los motores diesel y de gas, ya alto de por sí, sino que también tiene grandes ventajas medioambientales. Al reducir el consumo de combustible, reduce las emisiones de gases de escape y ayuda a los usuarios finales en sus esfuerzos por satisfacer las normas vigentes más estrictas. Sin embargo, la mayor ventaja de la turboalimentación está en el aumento de la potencia del motor. El factor de aumento de potencia corresponde aproximadamente a la relación de compresión Revista ABB 3/2005

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Relación de compresión media de turbocompresores ABB para motores de 2 y 4 tiempos durante los últimos 45 años 5

Relación de compresión

L

4.5 4

del turboalimentador operando a plena carga del motor. En 1 se muestra el valor medio estadístico de la relación de compresión de los turboalimentadores ABB durante los últimos 45 años.

3.5

El salto de generación TPS/TPL

3 2.5 2 1.5 1 1960

1970

1980

1990

2000

2010

Años

¿Cómo funciona la turboalimentación? La potencia de un motor de combustión interna está determinada por la cantidad de aire y de combustible que se puede comprimir en sus cilindros (1) y por la velocidad del motor. Los turbocompresores suministran al motor aire a una presión elevada, forzando la entrada en los cilindros de una cantidad mayor de aire, que queda disponible para la combustión.

Un turboalimentador de gas de escape está impulsado, como su nombre indica, por el gas de escape del motor (2). Este gas, a una temperatura próxima a los 600°C, es dirigido a alta velocidad hacia los álabes de una turbina (3) que impulsa un rotor del compresor (4) instalado en el mismo eje. Cuando gira, el rotor aspira el aire ambiente a través de un filtro-silenciador, lo comprime y, a través de un posenfriador (5), lo envía a la entrada de aire del motor (6), desde donde pasa a los cilindros. La turboalimentación aumenta hasta cuatro veces la potencia del motor. Por consiguiente, el 75 por ciento de la potencia del motor depende de que el turbocompresor funcione eficientemente.

Profundos estudios de mercado realizados a mediados de los años ochenta mostraron la necesidad de nuevos turboalimentadores de referencia para satisfacer las cambiantes necesidades del sector de fabricación de motores. Estaba llegando a sus límites el desarrollo de las series VTR, VTC y RR, con más de 150.000 unidades en funcionamiento con excelentes resultados. Se estaban desarrollando motores avanzados que requerían turboalimentadores más avanzados. Los nuevos motores tenían que contar con mayores relaciones de compresión y mayores caudales, además de un rendimiento mayor. Al mismo tiempo, los usuarios finales demandaban más fiabilidad, mayores intervalos entre reparaciones, un mantenimiento más sencillo y una vida útil más prolongada. En consecuencia, ABB empezó a principios de los años noventa a desarrollar una nueva generación de turboalimentadores más compactos y ligeros, de alto rendimiento. Las dos nuevas familias fueron diseñadas desde cero, la TPS para motores con potencias nominales de 500 a 3.000 kW y la TPL para aplicaciones de motores con potencias desde 2.500 kW hasta las mayores potencias de la industria. Turboalimentador TPS

El TPS es una generación totalmente nueva de pequeños turboalimentadores de gran rendimiento, destinados a satisfacer las previsibles necesidades de las aplicaciones futuras de los motores diesel y de gas de alta velocidad y de los pequeños motores de velocidad media. El rendimiento de estos nuevos turboalimentadores es considerablemente 59

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mejor que el de las máquinas de tamaño y peso similar de la serie RR y sus resultados también son mucho mejores que los de las unidades VTC y las pequeñas VTR. Se desarrollaron dos compresores diferentes, la versión D para relaciones de compresión de hasta 4,2, con régimen nominal continuo máximo, y la versión E para relaciones de compresión de hasta 4,5. Un rotor con álabes principales e intermedios, y álabes en flecha en la salida 2 , garantiza grandes caudales de aire y un amplio mapa de compresión. Los rendimientos máximos posibles superan el 84 por ciento. Para la gama TPS, ABB desarrolló una turbina totalmente nueva de caudal mixto que se puede utilizar para presión constante y como turboalimentación por impulsos. La corona de tobera está disponible con un recubrimiento especial para aplicaciones con combustible pesado, de baja calidad. Una nueva envoltu-

ra de cojinetes refrigerados por aceite permite utilizar el TPS para aplicaciones de carga constante con temperaturas de entrada en la turbina de hasta 680°C. ABB ha entregado más de 12.000 turboalimentadores TPS desde que comenzó la comercialización, a finales de los noventa del pasado siglo. TPS..-F

La permanente tendencia a desarrollar motores de mayor potencia específica

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Compresor y turbina TPS..-E

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Turbocompresor TPS57-F33 sometido a pruebas en un motor diesel Wärtsilä W6L26

Emisiones de los motores y temporización Miller Los primeros años del nuevo milenio son testigos de una tendencia permanente hacia el desarrollo de motores diesel con mayores presiones medias eficaces de frenada y menor consumo de combustible. Sin embargo, esta tendencia ha estado acompañada por un estudio más profundo del impacto medioambiental del tráfico marítimo y especialmente de las emisiones de los motores diesel. Ya está definitivamente en marcha una legislación mucho más rigurosa y para cumplirla necesitaremos turboalimentadores con relaciones de compresión todavía más altas. Un aspecto inseparable de los esfuerzos de la industria por reducir las emisiones de gases es la ’temporización Miller’, es decir, el cierre temprano o retardado de la válvula de admisión. Si la salida del motor y la presión de sobrealimentación son constantes, se reduce el llenado de los cilindros y la presión y la temperatura permanecen más bajas durante todo el proceso. La temporización Miller es una de las pocas medidas que se pueden aplicar en un motor de combustión interna para reducir simultáneamente las emisiones de NOx y el consumo de combustible. Es necesaria, no obstante, una presión de sobrealimentación considerablemente más alta para reducir la temperatura en los cilindros del motor durante el proceso Miller.

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va emparejada con una urgente necesidad de reducir las emisiones, lo cual ha llevado a que la mayoría de los motores modernos incorporen una versión del llamado ciclo Miller Cuadro 2 . Para estos motores de avanzada tecnología, y también para los motores del futuro, ABB ha desarrollado tres nuevas series. La primera, denominada TPS..-F33 3 fue comercializada en 2000/2001; dos años después le siguió la TPS..-F32 y en 2004 se lanzó al mercado la TPS..-F31. Estas series, basadas en la plataforma TPS..-D/E, consiguen relaciones de compresión a plena carga de hasta 4,75, 5,0 y 5,2 respectivamente, con un rotor compresor de aluminio. Con cuatro tamaños de envoltura cubren el rango de potencias de 500 a 3.300 kW de los motores. Las nuevas etapas de compresión desarrolladas para el TPS..-F permitieron un incremento del 15% en los caudales que pueden conseguirse con un determinado tamaño de rotor. Esto se consiguió diseñando el compresor con el mismo enfoque que se había aplicado en el TPL. En lugar del ‘ajuste’ convencional, en el cual el tamaño del álabe se ajusta para obtener los caudales requeridos, se dividió para cada turboalimentador la zona de flujo volumétrico en tres zonas llamadas de diseño. Se formularon objetivos de rendimiento para cada una de estas zonas con objeto de garantizar un diseño óptimo del compresor dentro de los límites físicos de cada una. El TPS..-F fue también el primer turboalimentador de ABB en el que se aplicó la tecnología de recirculación, una abertura de sangrado en torno al rotor del compresor que, al mejorar el campo de flujo, aumenta el margen de sobrepresión. El efecto de esta abertura es ampliar la anchura del mapa del compresor sin afectar al alto rendimiento del mismo. TPS con geometría variable de turbina

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Corona de tobera variable de un turbocompresor TPS57 VTG

Diversos requisitos especiales de los mercados de motores diesel y de gas condujeron, también a mediados de los años noventa, a una versión del TPS con geometría de turbina variable (VTG). Una razón fue la creciente popularidad de los sistemas de escape de conducto único para motores diesel. El uso de turboalimentadores convencionales con estos sistemas tiende a dificultar el funcionamiento en carga parcial, empeora la respuesta a la carga y aumenta las emisiones de partículas y de humo. El gran aumento de rendimiento de los motores de gas también se debe a la mayor eficiencia y a la presión bmep (presión media eficaz de frenada), a la Revista ABB 3/2005

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capacidad para operar a gran altura y al control de las proporciones aire-combustible. Sin embargo, no era posible utilizar sin más turboalimentadores convencionales con estos motores de gas. Las posibles soluciones iban desde la instalación de una válvula de descarga o de un mecanismo regulador de la admisión hasta una adaptación especial del turbocompresor, pero todas ellas tenían inconvenientes. La demanda de un turbocompresor que resolviera el problema se hizo especialmente fuerte en el segmento comercial de entre 1.000 y 3.000 kW. Se consideró que la geometría variable de turbina 4 sería la solución ideal para ambos tipos de motor. Además de que evita las pérdidas propias de una válvula de descarga, un turboalimentador con VTG es más flexible en las aplicaciones en condiciones operativas o ambientales variables. El control preciso de la relación aire-combustible, la ‘regulación lambda’, se consigue con una innovadora corona de tobera que permite variar el área eficaz de la turbina sin reducir significativamente la eficiencia de la misma. Las holguras para los álabes móviles de la tobera se reducen casi a cero mediante resortes que empujan los álabes contra la pared opuesta de la envoltura.

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Turbocompresor TPL80

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El trasbordador rápido Cataluña de la compañía Buquebus, con ocho turbocompresores TPL65A en cuatro motores Caterpillar, batió en 1998 el récord de velocidad de travesía trasatlántica.

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Álabe de turbina TPL..-A con entrelazado alámbrico

Turboalimentadores TPL

El concepto TPL fue desarrollado como plataforma para grandes motores modernos diesel y de gas, con potencias de 2.500 kW o superiores. Para esta familia, ABB desarrolló una nueva serie de turbinas axiales con las longitudes de álabes y los ángulos de posición necesarios para cubrir el rango completo de caudales volumétricos. Una característica singular del concepto TPL es el nuevo bloque de cojinete con disco de empuje flotante. También se desarrollaron dos nuevas etapas distintas de compresores centrífugos para garantizar el rango completo de las relaciones de compresión requeridas por los modernos motores turboalimentados. El diseño aerodinámico optimizado del compresor TPL, al igual que el del compresor TPS, dispone de un rotor difusor con álabes principales e intermedios para altos caudales, así como álabes en flecha a la salida del rotor para obtener un amplio mapa de compresión. También desarrolló una extensa gama de cárteres de admisión de las turbinas, que incluyen conexiones opcionales de válvulas de descarga, para permitir el uso de TPL con todos los sistemas de turboalimentación actualmente en uso 5 .

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Turbocompresor TPL..-B

TPL..-A – el equipo motor de cuatro tiempos

La serie TPL..-A fue desarrollada para cubrir el campo de aplicación de modernos motores diesel y de gas de cuatro tiempos, de velocidad media y alta, con potencias de 2.500 kW a 12.500 kW. Los miembros de esta serie se utilizan fundamentalmente como motores principales de pequeños barcos 6 , motores auxiliares en barcos grandes, o en centrales eléctricas fijas. Se dispone de dos etapas de compresión. La primera ofrece una relación de compresión de 4,2 con altas capacidades específicas de caudal y altos rendimientos; la segunda está destinada a aplicaciones que requieren relaciones de compresión de hasta 4,5. Con los turboalimentadores se pueden conseguir rendimientos máximos por encima del 68 %. Las turbinas de mayor tamaño, las TPL..-A, llevan un entrelazado alámbrico a través de sus álabes 7 para amortiguar la vibración causada por los sistemas de turboalimentación por impulsos usuales en muchos motores de cuatro tiempos utilizados hoy día. ABB desarrolló una turbina integral de una sola pieza para los tamaños más pequeños. TPL..-B, elevador de presión para motores de dos tiempos

Lanzados en 1999, los turboalimentadores TPL..-B fueron desarrollados principalmente para los modernos motores diesel de dos tiempos, de grandes dimensiones, para uso marítimo. Están disponibles en cinco tamaños de carcasa, para motores con potencias de 5.000 a 25.000 kW por turboalimentador. En noviembre de 2004 se instalaron en Corea tres unidades del mayor tamaño de esta serie, el modelo TPL91-B 8 , en el motor 12K98ME MANB&W, el más potente del mundo controlado electrónicamente, para realizar pruebas oficiales del motor a plena carga (potencia al freno 93.360 CV) 9 . Puesto que los sistemas de turboalimentación de presión constante utilizados por los motores de dos tiempos sólo producen impulsos de escape débiles, las condiciones de admisión para la turbina TPL..-B permanecen constantes. Por consiguiente, no hay necesidad de entrelazado alámbrico, una característica que contribuye a aumentar de dos a tres puntos el ya alto rendimiento de la turbina. No obstante, el diseño de ‘cuerda ancha’ de la turbina del turbocompresor TPL..-B garantiza una alta resistencia mecánica. Hasta hoy se han entregado ya más de 1.100 unidades TPL..-B, lo que hace un total de 15 gigavatios de potencia de motores turboalimentados. 61

El turboalimentador ABB

leo, que se encuentra en un nivel desconocido durante años, está obligando a revisar el papel tradicional del turboalimentador como economizador de combustible, pero además hace que el desarrollo de los motores diesel persiga mayores presiones de sobrealimentación y mayores rendimientos. Los modernos turboalimentadores ABB, de la más avanzada tecnología, contribuyen de forma muy importante a alcanzar estos objetivos, así como a reducir el impacto medioambiental del tráfico marítimo, algo muy necesario actualmente. Objetivos de desarrollo para el futuro

El turboalimentador TPL..-C

Máquinas de alta tecnología en

Las continuas mejoras de rendimiento de los turboalimentadores y motores han dependido siempre de la estrecha cooperación y del intercambio de información entre ABB y los principales constructores de motores. Con toda probabilidad, esta cooperación, que define los objetivos de desarrollo, se irá haciendo más y más estrecha a medida que las exigencias se dirijan al ‘sistema de turboalimentación’ y no simplemente al turboalimentador como componente. Dos de las posibilidades más importantes para responder a estas exigencias serán los componentes de turboalimentador ajustables o la turboalimentación multi-etapa. Como siempre ha hecho hasta ahora, ABB pondrá a disposición de sus clientes los resultados de sus avanzadas simulaciones que prometan avances en el desarrollo de los turbocompresores con ventajas para ambas partes.

condiciones extremas Aunque los turboalimentadores TPL..-A/B Los turboalimentadores de ABB se satisfacen los requisitos de casi todas las utilizan en todos los mares del mundo. aplicaciones de motores, el mercado de Operan en el interior de Australia, en el cuatro tiempos ha seguido demandando Antártico, sumergidos en submarinos y a más potencia y menos emisiones. ABB altitudes de 4.000 metros sobre el nivel ha introducido nuevos componentes, tecdel mar. Por consiguiente, las temperanologías innovadoras y avanzadas caracturas de entrada de aire pueden ser tan terísticas de diseño en una nueva serie, altas como 55°C o tan bajas como la TPL..-C, que satisface esta necesidad. –50°C. Los turboalimentadores han de Los factores que impulsan el desarrollo operar con fiabilidad para inclinaciones de este turboalimentador totalmente nuegrandes y soportar grandes oscilaciones vo fueron, por consiguiente, además de de carga sin que se sobrecargue el comlas consideraciones económicas y operapresor. Además, la turbina del turbotivas, las normas fijadas por la Organizacompresor ha de resistir los gases de ción Marítima Internacional y el Banco escape, calientes y corrosivos, produciMundial, entre otros, que exigen reducir dos por gasóleos de tipos muy diversos. Ni que decir tiene que hay que seguir las emisiones de partículas y de NOx. La Los turboalimentadores de gas de escaavanzando. Los usuarios finales exigirán optimización del proceso de combustión pe fabricados por ABB operan fiableuna mayor reducción de las emisiones de y el sistema de turboalimentación son mente y con alto rendimiento en todas los motores diesel a medida que las cruciales para este fin. estas condiciones. El precio del petrónormas internacionales se hagan más esLas características del turboalimentador trictas. Y, dado que es poco TPL..-C responden a las deprobable que los precios de mandas de los futuros moto9 Hyundai Heavy Industries (Corea), pruebas del motor MAN B&W los combustibles varíen mucho res diesel y de gas de cuatro 12K98ME, el más potente del mundo controlado electrónicamente, con de su alto nivel actual, serán tiempos, de media velocidad, tres unidades TPL91-B y en condiciones de plena carga (93.360 CV). los constructores de motores, y en el rango de potencias de con ellos el fabricante del tur3.000 a 10.000 kW por turbobocompresor, los que garantialimentador. Las dos etapas cen el rendimiento máximo de compresión disponibles para estos para los turboalimentadores ‘animales de tiro’ de la econoTPL..-C tienen el mismo disemía mundial. ño básico que las utilizadas en la serie TPS..-F. Estas etapas de los compresores de nueva generación F permiten aumentar significativamente el rendimiento, la relación máxima de presión y la capacidad específica de admisión, Esko Laustela esta última en hasta el 15% ABB Turbo Systems Ltd. para una relación de compreBaden, Suiza sión de 4,5. [email protected] 62

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