1. TÍTULO DEL PROYECTO CARACTERIZACIÓN GEOMÉTRICA Y TÉCNICA DE UN TURBOCOMPRESOR DE UN VEHÍCULO MAZDA 4.5 T. 2. ANTECEDENTES Desde los años 60 algunos países industrializados construyen y comercializan microturbinas a gas para distintas aplicaciones como transporte, generación de energía, aeronáutica, entre otras. En nuestro país el desarrollo de este tipo de tecnología es muy limitado y se conocen pocos estudios relacionados con el tema, en la Universidad Tecnológica de Pereira el Grupo de Investigación en Sistemas Térmicos y Potencia Mecánica de la Facultad de Ingeniería Mecánica actualmente desarrolla el proyecto de investigación: “Diseño y construcción de una cámara de combustión para una microturbina de gas de generación de potencia en el Laboratorio de Térmicas”. 3. DEFINICIÓN DEL PROBLEMA 3.1 Planteamiento del Problema. Atendiendo a la realidad nacional evidenciada por la crisis energética de los años 90, que se caracterizó por los problemas a nivel de generación y prestación del servicio de energía eléctrica; se ha dado pie a que las políticas gubernamentales referentes al tema de la energía eléctrica entren a replantearse en torno a las nuevas alternativas para la generación y distribución de energía. Dichas alternativas se emplearán en gran medida para respaldar las centrales hidroeléctricas, que debido a diversos factores, entre los cuales se encuentran la dependencia del clima, no logran satisfacer la demanda nacional, especialmente en aquellas poblaciones más apartadas de la geografía, además de los problemas de orden público, los altos costos en las tarifas y la falta o el mal estado de la infraestructura energética, que agravan la situación en la prestación del servicio. 3.2 Formulación del Problema. Se empleará el turbocompresor de un vehículo Mazda 4.5 T para analizarlo geométrica y técnicamente con el fin de conocer todas sus características. 1 Debido a que nuestro medio carece de las tecnologías apropiadas para la construcción de la turbina y el compresor se emplearán los componentes de un turbocompresor de un vehículo Mazda 4.5 T. El trabajo de grado comprende principalmente la caracterización del turbocompresor, con lo cual se levantarán sus planos geométricos los cuales incluirán los diámetros del rotor, ángulos de entrada y salida de los álabes, espesor de los álabes y otros, y aplicando la teoría o leyes de similitud se elaborará una predicción del comportamiento del turbocompresor para diferentes puntos de operación, relaciones de compresión, revoluciones y caudales. Posteriormente, de acuerdo con los resultados obtenidos en el trabajo se elaborarán las características que en términos de generación puede ofrecer la turbina del turbocompresor. De igual forma la caracterización del turbocompresor ofrecerá las características iniciales demandadas para el compresor y la cámara de combustión de la microturbina que se desea diseñar para el laboratorio de térmicas de la Facultad de Ingeniería Mecánica de la Universidad Tecnológica de Pereira. 4. JUSTIFICACIÓN Actualmente en Colombia se ve la necesidad de desarrollar investigaciones y adaptaciones tecnológicas en el campo del sector energético debido a que la capacidad del sistema eléctrico colombiano no satisface la demanda total de la población, viéndose la necesidad de encontrar soluciones a la falta de energía eléctrica sobretodo en las regiones más apartadas de la geografía nacional donde es poco factible la cobertura del Sistema Interconectado Nacional. Una de las soluciones a dicho problema es el desarrollo de microturbinas de generación que si bien no se han desarrollado completamente, ya empiezan a comercializarse. Las microturbinas o turbogeneradores son pequeñas turbinas de combustión de eje único capaces de generar electricidad y calor; pueden ser propulsadas por medio de diferentes combustibles como gas natural, diesel, biogás, entre otros. Los elementos principales de una microturbina son un compresor, una cámara de combustión, una turbina, el sistema de generación de energía eléctrica, el sistema de control y sistema eléctrico. De igual manera las microturbinas cuentan con una serie de características importantes tales como mayor confiabilidad, bajos costos de instalación, operación y mantenimiento, son silenciosas y compactas, ofrecen altas temperaturas a la salida para procesos de cogeneración y de recuperación de calor, tienen un quemado limpio (cuando usan gas natural), proveen eficiencias térmicas competitivas mayores al 30% cuando se 2 implementan procesos de regeneración y recuperación, por lo cual constituyen una opción muy atractiva para su investigación, desarrollo e implementación. 5. OBJETIVOS 5.1 Objetivo General Caracterizar el turbocompresor de un vehículo Mazda 4.5 T para implementarlo al desarrollo de una microturbina para generación de potencia eléctrica. 5.2 Objetivos Específicos Medir y obtener las características del compresor (difusor y rotor). Medir y obtener las características de la turbina (alojamiento y rotor). Elaborar los planos geométricos del turbocompresor para determinar las características geométricas y aplicarlas a la teoría de turbomáquinas. Analizar los parámetros del turbocompresor a diferentes regímenes de operación con el fin de observar su comportamiento empleando el concepto de números adimensionales. Obtener las características que en términos de generación puede ofrecer la turbina del turbocompresor. Definir las bases para el diseño de la cámara de combustión y la elección del compresor de la microturbina. 6. MARCO REFERENCIAL 6.1 MARCO CONCEPTUAL Calor: Es una forma de energía que se transfiere entre dos sistemas debido a una diferencia de temperatura. Combustible: sustancia que reacciona químicamente con otra sustancia para producir calor, o que produce calor por procesos nucleares. El término combustible se limita por 3 lo general a aquellas sustancias que arden fácilmente en aire u oxígeno emitiendo grandes cantidades de calor. Combustión: proceso de oxidación rápida de una sustancia, acompañado de un aumento de calor y frecuentemente de luz. En el caso de los combustibles comunes, el proceso consiste en una reacción química con el oxígeno de la atmósfera que lleva a la formación de dióxido de carbono (CO2), monóxido de carbono (CO) y agua, junto con otros productos como el dióxido de azufre, que proceden de los componentes menores del combustible. Compresor: Es un dispositivo que genera un vacío que permite aspirar aire atmosférico, una vez allí, el aire se acelera y pasa a la voluta del donde transforma la energía de velocidad en energía de presión y calor. Difusor: Dispositivo que transforma la energía de velocidad de un fluido en energía de presión, se caracteriza por el aumento en su sección transversal. Energía: capacidad de un sistema físico para realizar un trabajo. Gas Natural: combustible hidrocarburo gaseoso, que es una mezcla de metano y cantidades pequeñas de otros gases, algunas veces se trata como metano CH4, por simplicidad. Gases De Escape: Son los gases producto de la combustión en la cámara de combustión del motor. Múltiple De Escape: Conducto que recibe los gases de escape provenientes del cilindro y los transporta al exterior. Presión: en mecánica, fuerza por unidad de superficie que ejerce un líquido o gas perpendicularmente a dicha superficie. Reacción Química: proceso en el que una o más sustancias (reactivos) se transforman en otras sustancias diferentes (productos de reacción). Sobrealimentación: Proceso en el cual el motor es alimentado con una carga de aire de una densidad mayor, para lograr un exceso de oxígeno en el cilindro con el fin de lograr una combustión completa del combustible. Tobera: dispositivo que aumenta la velocidad de un fluido a expensas de la presión. Se caracteriza por la disminución en su sección transversal. Transferencia De Calor: en física, proceso por el que se intercambia energía entre distintos cuerpos, o entre diferentes partes de un mismo cuerpo que están a distinta temperatura. El calor se transfiere mediante convección, conducción o radiación. 4 Turbina: dispositivo que aprovecha la energía que poseen los gases provenientes de un proceso de combustión para producir potencia mecánica. Vacío: espacio absolutamente libre de materia. Volumen: en una figura tridimensional, es el número que indica la porción de espacio que ocupa. Se expresa en unidades cúbicas. 6.2 MARCO TEÓRICO 6.2.1 Definición de Turbocompresor Un turbocompresor es básicamente un dispositivo que aprovecha los gases de escape de un motor de combustión interna para soplar aire dentro de los cilindros y así incrementar la potencia y el par motor hasta en un 35 %. En un motor, la cantidad de potencia que se produce depende de cuanto combustible esta siendo quemado en los cilindros; en un motor naturalmente aspirado, la mezcla de aire y combustible es empujada dentro del motor cuando el pistón desciende en el cilindro y succiona la mezcla, con ésta configuración la mayor presión que se puede obtener en la cámara de combustión del motor es un poco menor que la presión atmosférica local, mientras que con un motor sobrealimentado, el aire esta siendo soplado dentro de la cámara de combustión con una presión, para un turbocargador típico, de 7 a 10 psi de presión máxima positiva. La proporción ideal de combustible y aire en un motor es de 14,7 : 1 (en peso) partes de aire por partes de gasolina, la cual es llamada mezcla estequiométrica y se debe tratar de mantener. Si se adiciona más aire a un motor, así mismo se debe adicionar más combustible, y si se está quemando más combustible, se genera más potencia. 6.2.2 Funcionamiento del Turbocompresor Figura 1. 5 Los motores de combustión interna aprovechan solo un 25 % de la energía del combustible, el resto se pierde por los gases de escape, por pérdidas de rozamiento mecánico y también por pérdidas de calor al tener que enfriar el motor. El turbocargador es montado directamente en la brida de salida de escape del múltiple de escape del motor donde los gases provenientes del múltiple de escape ingresan al conducto de admisión de la turbina (Fig.1) con cierta velocidad y presión, y temperatura del orden de los 900 a 1000 ºC, luego pasan a un distribuidor el cuál está provisto de canales que se van estrechando, provocando que el gas incremente su velocidad alcanzando en la salida una magnitud mayor, mientras que la presión y la temperatura disminuyen. A la velocidad de salida del distribuidor, el gas ingresa a los canales entre los álabes del rodete de la turbina donde contornea a dichos álabes y cambia de dirección. La componente tangencial de la fuerza que aparece como resultado del contorneo aerodinámico de los álabes por el gas y del cambio de dirección del movimiento, origina un par motor que hace girar el rodete a velocidades que oscilan entre 150000 y 200000 rpm. En el compresor, el aire ingresa a través de un dispositivo de entrada, al rotor en rotación, y adquiere energía potencial y cinética. La velocidad absoluta de movimiento del aire en el rotor alcanza de 300 a 350 m/s. Desde el rotor el aire pasa a un difusor donde ocurre la transformación de una forma energía cinética a potencial (energía de presión); desde el difusor, el aire ingresa al colector de aire (múltiple de admisión) y después, cuando se abre la válvula de admisión (o lumbrera), pasa al motor. 6.2.3 Componentes del Turbocompresor El turbocompresor está conformado principalmente de tres elementos: la turbina, el compresor y el cuerpo del turbocompresor. 6.2.3.1 Cuerpo del Turbocompresor El cuerpo central es un conjunto de elementos que se emplean para sostener y alojar el compresor y la turbina, dichos elementos son: a. Alojamiento de la turbina b. Alojamiento del compresor. c. Alojamiento central a. Alojamiento de la Turbina Figura2. El alojamiento de la turbina (Fig.2) es una pieza fabricada de una aleación resistente al calor como el acero de grafito esferoidal. 6 Se encuentra empernado al extremo de turbina del alojamiento central, proporcionando así un conjunto compacto y libre de vibraciones. Posee un ducto de admisión que a su vez se encuentra bridado con el múltiple de escape del motor, allí se admiten los humos de la combustión y se transportan por un canal en espiral[3] (tobera en espiral), donde los humos sufren cambios en la presión y la velocidad antes de impulsar la el rodete de la turbina. Una vez los humos de combustión han realizado el trabajo de impulsión, estos son descargados a través de un ducto dispuesto axialmente y que es colineal con el eje de la turbina. En algunas aplicaciones la carcaza o voluta de la turbina presenta distintas disposiciones, en alguna de las cuales el canal en espiral se encuentra dividido en dos (impulso dividido) con el fin de lograr un mejor cebado del conjunto de rotación. Además el alojamiento debe cumplir los siguientes requerimientos: Resistencia Térmica Resistencia a la oxidación Resistencia al impacto b. Alojamiento del Compresor Figura3. El alojamiento del compresor (Fig.3) está fabricado principalmente de fundición de aleación de aluminio empleando diferentes técnicas de fundición. Se encuentra ubicado en el extremo de compresor del alojamiento central por medio de pernos o por abrazaderas. Se encuentra conformado por un ducto de admisión axial, el cual aspira aire atmosférico y posteriormente es impulsado por el rodete (compresor) debido a la fuerza centrífuga a través de un difusor en espiral que permite que el aire adquiera ciertas propiedades en la presión y la velocidad a la salida. El alojamiento debe cumplir los siguientes requerimientos: Resistencia al impacto Facilidad de mecanizado c. Alojamiento Central El alojamiento central es el cuerpo del turbocompresor, en el se alojan el sistema de rodamientos que soportan el eje común entre el compresor y la turbina, también se encuentra el sistema de lubricación y refrigeración; además de soportar el alojamiento de la turbina y del compresor. 7 El sistema de lubricación es alimentado por una línea de aceite bombeado desde el motor, por lo menos cada 3000 millas (4828,03 km) debe cambiarse el aceite para evitar la coquización de éste y el taponamiento de las líneas, por lo cual se recomienda emplear aceites sintéticos que requieren cambiarse cada 6000millas (9656,06 km). El sistema de refrigeración es empleado en algunos turbocompresores para mantener fresco el alojamiento central, se emplea agua como fluido de refrigeración lo que permite que la temperatura del aire disminuya y se aumente la densidad de éste en la voluta del compresor. El sistema de rodamientos debe ser resistente al calor, al hollín que pueda generarse por la quema del aceite cuando no se tiene un sistema de refrigeración, a la contaminación, a los aditivos que posee el aceite. El alojamiento de los rodamientos es fabricado con aleaciones de cobre y latón, además debe tener un diseño óptimo tanto en los ajustes y las tolerancias como en los acabados superficiales, con el fin de permitir un alto desarrollo en la velocidad de operación. La mayoría de los turbocompresores poseen un tipo de rodamientos denominados flotantes, debido a que entre las superficies en contacto eje-rodamiento-carcaza el aceite se deposita formando una película protectora que reduce notablemente las perdidas por fricción entre los elementos, lo que permite que el rodamiento gire aproximadamente a la mitad de la velocidad de rotación del eje, reduciendo por lo tanto el desgaste y prolongando la vida útil del turbocompresor. 6.2.3.2 La Turbina Figura4. La turbina es uno de los elementos más importantes del turbocompresor, ya que su función es la de aprovechar la energía que poseen los gases de combustión del motor y accionar un compresor que se encuentra ubicado al otro lado del eje que la soporta. El material del cual está fabricada la turbina depende de la velocidad circunferencial y de la temperatura de los gases quemados. Para la temperatura media del gas de 700ºC y más elevada, los rodetes de la turbina se fabrican de aleación de níquel. Para proporcionar al turbocompresor elevada susceptibilidad tienden a emplear rodetes con el menor diámetro exterior posible y, como consecuencia, con el mínimo momento de inercia. Cuando la turbina es pequeña la respuesta es más rápida y el rendimiento es mejor a menores revoluciones (turbina de baja), mientras que si la turbina es más grande, el rendimiento será mejor a mayores revoluciones (turbina de alta). 8 Uno de los materiales más empleados para fabricar turbinas es el inconel, el cual sufre cambios en su estructura a una temperatura aproximada de 1000ºC, cuando se está a plena carga. La turbina debe cumplir los siguientes requerimientos: Resistencia a la fatiga. Resistencia a las altas temperaturas. Resistencia a la fluencia lenta (creep). Resistencia a la corrosión. 6.2.3.3 El Compresor Es un elemento que al ser impulsado por el par generado en la turbina (Fig.5), genera un vacío que permite aspirar aire atmosférico, una vez allí, el aire se acelera y pasa a la voluta del compresor donde transforma la energía de velocidad en energía de presión y calor, posteriormente es descargado en el múltiple de admisión del motor. El compresor gira por encima de las 100000 rpm lo cual permite un alto grado de impulso al aire. Es necesario calcular la forma de los álabes y el tamaño del compresor de manera que produzca una sobrepresión útil a la requerida por el motor. El compresor es fabricado comúnmente de una aleación de fundición de aluminio, pero para aplicaciones en donde la presión es alta, la temperatura puede sobrepasar el punto de fluencia del aluminio, por lo que algunas casas constructoras emplean como material la fundición de titanio. De igual forma el compresor debe cumplir los siguientes requerimientos: Figura5. Resistencia a la fatiga. Resistencia a las altas temperaturas. Resistencia a la fluencia lenta (creep). Resistencia a la corrosión. 6.2.3.4 Otros Dispositivos del Turbocompresor Además de los elementos anteriormente nombrados, se encuentran también algunos dispositivos igualmente importantes ya que permiten controlar algunos parámetros como la presión y la temperatura del turbocompresor, entre los que se encuentran: Válvula “Wastegate” Interenfriador 9 a. Válvula “Wastegate” Es una válvula que se emplea para controlar la sobrepresión que se produce por los gases de escape en la voluta de la turbina, lo que provoca que ésta gire a altas revoluciones, y a su vez, al mover el compresor, este comprima mucho más aire del que se necesita, traduciéndose en daños al motor. La válvula regula la cantidad de gases que requiere la turbina, por medio de una cápsula manométrica que actúa con un determinado valor de presión que es tomado en el múltiple de admisión; la válvula se cierra cuando la velocidad del compresor se estabiliza. b. Interenfriador Después de que el aire es comprimido en el compresor del turbo, éste aumenta su temperatura final y por lo tanto su densidad disminuye provocando que la cantidad de masa de aire que ingresa en el cilindro del motor sea menor. Para disminuir la temperatura del aire después de que sale del turbo, se emplea un intercambiador de calor que puede ser de enfriamiento por aire o por agua. El enfriamiento del aire antes de ingresar a los cilindros mejora el rendimiento energético ya que se aprovecha mejor el poder calorífico del combustible y además reduce el desgaste del motor ya que al disminuir la temperatura del aire se evita que las válvulas se quemen al igual que se evita el autoencendido del combustible ya que la presión del aire también disminuye. 7. MÉTODO O ESTRUCTURA DE LA UNIDAD DE ANÁLISIS Dentro del desarrollo del proyecto de caracterización de un turbocompresor la toma de mediciones geométricas es el paso más importante para llevar a cabo el proyecto, por lo cual será necesario recurrir a las normas técnicas que la gobiernan la presentación de trabajos en el campo del dibujo técnico. Como el proyecto comprende la elaboración de planos con todos los parámetros geométricos del turbocompresor algunas de las normas que se emplearán son las siguientes: Norma NTC 1777:2001: Esta norma especifica los principios generales de presentación, los cuales se aplicarán a dibujos técnicos, siguiendo los métodos de proyección ortográfica. Norma NTC 1914:2001: Esta norma ofrece una guía, a partir de reglas y recomendaciones adecuadas, para la ejecución y uso práctico de títulos relacionados con la identificación, administración y comprensión de planos técnicos y documentos afines. 10 Norma NTC 19600:1996: Esta norma establece los principios generales de dimensionamiento aplicables en todos los campos (es decir, mecánico, eléctrico, ingeniería civil, arquitectura, etc.). es posible que en algunas áreas técnicas específicas, las reglas y convenciones generales no cubran todas las necesidades de las prácticas especializadas adecuadamente. En tales casos pueden establecerse reglas adicionales en normas específicas a estas áreas. Sin embargo, deben seguirse los principios generales de esta norma para facilitar el intercambio de dibujos y para asegurar la coherencia de los dibujos en un sistema amplio relacionado con varios campos técnicos. Norma NTC 1993:1996: Esta parte de la norma especifica métodos para representar roscas de tornillos y partes roscadas en dibujos técnicos. 8. DISEÑO METODOLÓGICO 8.1 Fuentes Primarias y Secundarias a. Primarias: asesoría por parte de los profesores de la Facultad. b. Secundarias: textos relacionados con turbocompresores, teoría de turbomáquinas y leyes de similitud. 8.2 Instrumentos de recolección de datos Planos Tecnológicos Catálogos (si se cuentan con ellos) Internet 8.3 Instrumentos de Medición Calibrador pie de rey, micrómetro, medidor de ángulos y radios. Máquina de medición por coordenadas de la Facultad de Ingeniería Mecánica. 8.4 Herramientas Computacionales. AutoCAD Solid Works EES 11 9. ESQUEMA TEMÁTICO PROVISIONAL Capítulo 1: Introducción Capítulo 2: Características y principios de operación de los turbocompresores comerciales e industriales. 2.1 Describir brevemente la operación de los turboalimentadores. 2.2 Principios de operación y funcionamiento del turbo en el motor. 2.3 Exceso de aire que provee el turbo (caudal de aire). 2.4 Introducción a los principios de números adimensionales de máquinas térmicas y curvas características de los turbocompresores. Capítulo 3: Caracterización metrológica. 3.1 Toma de medidas. 3.2 Levantamiento de planos. 3.3 Modelo en 3D. Capítulo 4: Modelamiento de los componentes del turbo (turbina y compresor). 4.1 Modelamiento de los componentes del turbo (turbina y compresor), utilizando ecuación de continuidad, primera ley, ecuación de Euler. Capítulo 5: Recomendaciones constructivas y de ensamble. 5.1 Planos finales. 5.2 Modelo 3D. 5.3 Recomendaciones de ensamble. 5.4 Criterios de aceptación del turbo del proyecto. Capítulo 6: Conclusiones y recomendaciones Capítulo 7: Referencias bibliográficas 10. PERSONAS QUE PARTICIPAN EN EL PROYECTO El proyecto cuenta con la asesoría de profesores de la Facultad de Ingeniería Mecánica de la Universidad Tecnológica de Pereira. 12 Director: Juan Esteban Tibaquirá G. IM, MSc. Profesor asistente. Facultad de Ingeniería Mecánica. Universidad Tecnológica de Pereira. Asesores: Carlos Alberto Romero. IM, MSc. Profesor Titular. Facultad de Tecnologías Escuela de Tecnología Mecánica. Universidad Tecnológica de Pereira. Carlos Alberto Orozco H. IM, MSc. Profesor Titular. Facultad de Ingeniería Mecánica. Universidad Tecnológica de Pereira. 11. RECURSOS DISPONIBLES Materiales Turbocompresor de Mazda 4.5 T Herramientas e instrumentos de medición de laboratorios y talleres de la Facultad de Ingeniería Mecánica de la Universidad Tecnológica de Pereira. Documentación de la biblioteca Jorge Roa Martínez y del centro de documentación de la Facultad de Ingeniería Mecánica de la Universidad Tecnológica de Pereira. Apuntes personales. Resma de papel. Tinta de impresora. Institucionales Sala de cómputo de la Facultad de Ingeniería Mecánica de la Universidad Tecnológica de Pereira. Talleres y laboratorios de la Facultad de Ingeniería Mecánica de la Universidad Tecnológica de Pereira. 13 12. CRONOGRAMA El cronograma de actividades comprenderá el primer y segundo semestre del año 2004 como lo muestra el siguiente diagrama. Tema/Fecha Mar Abr May Jun 2004 Jul Agos Sept Oct Nov Dic Revisión Bibliográfica Anteproyecto Capítulo 1 Capítulo 2 Capítulo 3 Capítulo 4 Capítulo 5 Capítulo 6 13. BIBLIOGRAFÍA [1] JÓVAJ, M.S. Motores de Automóviles, Editorial MIR, 655 páginas, Moscú, 1982. [2] INSTITUTO COLOMBIANO DE NORMAS TÉCNICAS. Compendio de Dibujo Técnico. Bogotá, Colombia: ICONTEC, 2002, 354 páginas. [3] GONZÁLEZ, Oscar. Turbocompresores. www.monografías.com/trabajos 6/turbo/turbo.htm [4] BONG, Duane. Turbochargers. www.visionengineer.com/mech/turbochargers.shtml [5] HOLSET TURBOCHARGERS. www.holset.co.uk/flash/index.html [6] LERMA, Héctor Daniel. Metodología de la Bogotá,Colombia:Ediciones ECOE, Segunda Edición, Julio 2002. Investigación. [7] CARRERA, Ubaldo Jerónimo. Desarrollo Tecnológico de las Microturbinas y Barreras para la Difusión de la Generación Distribuida. http://www.ameeeconomiaenergetica.com/files/Ubaldo.doc [8] VSOROV. Manual de Motores Diesel, Editorial MIR, 587 páginas, Moscú, 1980. [9] HARMAN, RICHARD T C. Gas Turbine Engineering Applications, cycles and characteristics. London, England: The Macmillan Press Ltd, 1981. 14