Nuevo sistema de turbocompresión de doble etapa de MAN Diesel & Turbo: Turbosoplantes TCX

La reducción de las emisiones en los gases de exhaustación es fundamental en el desarrollo de nuevos motores diesel de gran cilindrada y puede conseguirse a través de medidas primarias tales como el aumento de la presión media efectiva. Sin embargo, tal incremento de la presión del aire de carga no puede conseguirse eficientemente mediante una única etapa en la turbocompresión, una compresión de doble etapa y la refrigeración intermedia de los mismos es necesaria para alcanzar la presión requerida con la eficiencia deseada. MAN Diesel & Turbo acaba de desarrollar el sistema de turbocompresión de doble etapa con refrigeración intermedia utilizando la nueva serie de turbosoplantes TCX.
El sistema de MAN Diesel & Turbo incrementa la presión media efectiva y la potencia del motor al mismo tiempo que reduce las emisiones de escape.

La turbocompresión en dos etapas
El sistema de turbocompresión de doble etapa consiste en dos turbosoplantes de diferente tamaño conectadas en serie. Los gases de combustión procedentes del motor accionan la turbina de la turbosoplante más pequeña o turbosoplante de alta presión (primera etapa). Después, los gases son conducidos a la turbina de la turbosoplante de mayor tamaño, también llamada de baja presión (segunda etapa).
Por otro lado, el compresor de la turbosoplante de menor presión envía aire ambiente al compresor de la turbosoplante de alta presión previamente enfriado en el “intercooler” o refrigerador intermedio. En el turbocompresor de menor tamaño el aire de carga es comprimido de nuevo y vía otro intercooler es entregado al motor. El sistema se adapta a variaciones en las condiciones de operación, ya sea a través del
desvío de los flujos en la turbina (bypass) o mediante el sistema de regulación y control de Area Variable de Turbina (VTA según la denominación inglesa). El sistema de compresión de doble etapa incluye también bypasses adicionales para evitar efectos nocivos tales como el bombeo en el compresor.
Los caudales de trabajo en ambas turbosoplantes son muy distintos: la etapa de alta presión admite la totalidad de los gases de escape aunque sólo comprime un pequeño volumen de aire previamente comprimido en la etapa de baja presión. Por esta razón, la etapa de alta presión utiliza un compresor de menor capacidad. Por el contrario, las condiciones en que tiene lugar la compresión en la etapa de menor presión son similares a aquellas asociadas a una turbosoplante convencional de una única etapa, si bien la relación de compresión con el nuevo sistema es menor.

Turbosoplantes TCX
MAN Diesel & Turbo ha desarrollado una nueva generación de turbosoplantes – TCX especialmente diseñadas para incorporar la doble etapa. Su diseño está basado en las series TCA y TCR, muy apreciadas en el mercado, y caracterizadas por envolvente no refrigerada y cojinetes lisos de larga duración. Mientras que las turbosoplantes TCA y TCR utilizan una turbina axial y radial respectivamente, la nueva serie TCX utiliza una innovadora turbina diagonal especialmente adaptada a relaciones de compresión menores.
Una relación de compresión menor afecta a los componentes que conforman los conductos por los que circulan los gases, los cojinetes y a la envolvente de la turbosoplante por lo que su diseño es de especial importancia. En concreto, para niveles elevados de presión, las fuerzas de empuje se dejan notar en el desgaste de cojinetes. También el sellado del eje de la turbina debe responder adecuadamente a los cambios de presión. Además, la envolvente de la turbosoplante debe estar preparada para mantener la estanqueidad en las condiciones de alta presión que se alcanzan en la etapa de alta.

Desafíos
La compresión en dos etapas plantea una serie de dificultades técnicas no solo en lo que respecta al diseño propio de las turbosoplantes, sino también al conjunto del sistema de alimentación de aire de carga, sus conductos y enfriadores y al sistema de gases de escape. MAN Diesel & Turbo ha resuelto satisfactoriamente estas complicaciones diseñando un equipo compacto en el que las turbinas se disponen en configuración cruzada a 90º. El modelo de doble etapa con turbosoplantes TCX destaca por un diseño especialmente adaptado a la operación con menores relaciones de compresión en comparación con los turbocompresores convencionales de una única etapa:

– Componentes optimizados para el funcionamiento con menores relaciones de compresión.
– Menor relación de compresión en beneficio de un mejor comportamiento
dinámico.
– Dimensiones reducidas con el fin de minimizar los requerimientos de espacio y peso.
– Adaptación de las capacidades del compresor y turbina para las nuevas
condiciones requeridas a menores relaciones de compresión.
– Extensión del campo de aplicación de cada modelo y tipo de turbosoplante.