Evaluación de la incidencia del uso del diésel en la geometría variable
del turbo compresor en un MEC
.
RESUMEN
Para el
desarrollo de esta tesis se presentan dos softwares que van a permitir
progresar en el estudio de los
turbocompresores y en especial en las turbinas de geometría variable. En el
primer caso, se muestra el diseño
original de los álabes, que permite un conocimiento más amplio, a partir de medidas y sobre los fenómenos físicos que
ocurren en una turbina tanto en condiciones de diseño como fuera de ellas.
Por lo cual para la segunda parte del proyecto
se presenta un modelo unidimensional fluidodinámico para los álabes de geometría variable. Se realiza
el análisis desde tres estudios o métodos
distintos: analítico, experimental y a través de métodos CFD. A través de los
métodos experimental y CFD se
identifican el fluido del combustible que pasa a través de los álabes, luego a través de la modificación CAD de la
geométrica de los álabes se realizará la
validación a través de la simulación digital
CFD se optimiza el diseño,
minimizando las dimensiones de los álabes. En el procedimiento se tomará en cuenta el número de segmentos de los perfiles, que provocarán que la operación de recubrir generará una envolvente
distorsionada, para lo cual será necesario garantizar
los perfiles que tuvieran el mismo número de segmentos; además de garantizar
que algunos segmentos que eran comunes
para todos los perfiles,
tuvieran las mismas dimensiones. El
software ANSYS FLUENT contiene las amplias capacidades de modelado físico
necesarias para modelar flujo,
turbulencia, transferencia de calor y reacciones para aplicaciones industriales
que van desde flujo de aire sobre
un ala de avión hasta combustión en un horno, desde columnas de burbujas hasta plataformas petroleras, desde
flujo sanguíneo hasta semiconductor fabricación, y desde el diseño
de salas limpias
hasta plantas de tratamiento
de aguas residuales.
Palabras clave: turbina; geometría
variable; álabes; CAD; CFD.
Evaluation of the
incidence of the use of diesel in the variable geometry of the turbo compressor
in a MEC
ABSTRACT
For the
development of this thesis, two softwares are presented that will allow
progress in the study of turbochargers and especially in variable geometry
turbines. In the first case, the original design of the blades is shown, which allows a
broader knowledge, based on measurements and on the physical phenomena that occur in a turbine both under design
conditions and outside of them. Therefore, for the second part of the project,
a one-dimensional fluid
dynamic model for variable
geometry blades is presented. The analysis is carried out from three different
studies or methods: analytical,
experimental and through CFD methods. Through the experimental and CFD methods, the fuel fluid that passes through the
blades is identified, then through the CAD modification of the geometry of the blades, the validation
will be carried out through CFD digital simulation, the design is optimized. , minimizing the dimensions of the blades. In the procedure, the number of segments of the profiles will be taken into
account, which will cause the covering operation to generate a distorted envelope, for which it will be
necessary to guarantee the profiles that have the same number of segments; in addition to guaranteeing that some
segments that were common to all profiles
had the same dimensions. ANSYS FLUENT software
contains the extensive physical modeling
capabilities needed to model flow, turbulence, heat transfer, and reactions for
industrial applications ranging from
airflow over an aircraft wing to combustion in a furnace, from bubble columns to oil platforms. , from blood
flow to semiconductor manufacturing, and from clean room design to wastewater
treatment plants.
Keywords: turbine; variable geometry; blades;
DAC; CFDs.
Artículo recibido 20 mayo 2023
Aceptado para publicación: 20 junio 2023
RESUMO
Para o
desenvolvimento desta tese, são apresentados dois softwares que permitirão
avançar no estudo de
turbocompressores e principalmente em turbinas de geometria variável. No
primeiro caso, é apresentado o
projeto original das pás, o que permite um conhecimento mais amplo, baseado em medições e nos fenômenos físicos que
ocorrem em uma turbina tanto nas condições de projeto quanto fora delas. Portanto, para a segunda
parte do projeto,
é apresentado um modelo fluidodinâmico unidimensional para pás de
geometria variável. A análise é realizada a partir de três estudos ou métodos distintos: analítico,
experimental e por meio de métodos CFD. Através dos métodos experimental e CFD, é identificado o fluido combustível
que passa pelas pás, então através da
modificação CAD da geometria das pás, a validação será realizada através de
simulação digital CFD, o projeto é
otimizado. , minimizando as dimensões das lâminas. No procedimento será considerado o número de segmentos dos
perfis, o que fará com que a operação de cobertura gere um envelope distorcido, para o qual será necessário
garantir os perfis que possuam o mesmo número de segmentos; além de garantir que alguns segmentos comuns a
todos os perfis tivessem as mesmas dimensões. O software ANSYS FLUENT contém os extensos recursos de modelamiento
física necessários para modelar
fluxo, turbulência, transferência de calor e reações para aplicações industriais, desde fluxo de ar sobre uma
asa de aeronave até combustão em um forno, de colunas de bolhas a plataformas de petróleo. , de fluxo sanguíneo a semicondutores
fabricação e desde o design de
salas limpas até estações de tratamento de águas residuais.
Palavras-chave: turbina; geometria variável; lâminas; DAC; CFDs.
INTRODUCCIÓN
En el campo
automotriz en el Ecuador se caracteriza por no generar investigaciones ni se
produce tecnología propia,
básicamente esto genera que los países desarrollados y países en vías de desarrollo sean aún
más grandes.
El entorno
globalizado en el que se desenvuelve la industria automotriz obliga a las empresas fabricantes de vehículos a operar con un
enfoque de mejora continua de sus procesos y a buscar generar/mantener un nivel de tecnología e innovación que le permita
enfrentar de forma satisfactoria
los desafíos de un mercado con carácter fuertemente internacional. Estas
exigencias se trasladan a su vez al
segmento de fabricación de autopartes, cuyas empresas requieren importantes inversiones para contar con el capital
humano y tecnológico que le permita
satisfacer los requerimientos de las plantas
ensambladoras.
Los automóviles que utilizan turbos convencionales tienen el inconveniente de que, a bajas revoluciones del motor, el rodete de la
turbina apenas es impulsada por los gases de escape, por lo que el motor se comporta como si fuera
atmosférico. Para corregir este inconveniente se ha buscado la solución de dotar a una misma
máquina sobre la capacidad de comprimir el aire con eficacia tanto a bajas como a altas revoluciones,
para ello se han desarrollado los turbocompresores de geometría variable.
Con el propósito
de estudiar este problema en el presente estudio se usan herramientas de última generación métodos utilizados en CFD, efectuando una variación de la medida
estándar de los álabes con una
disminución de 10 mm, al efectuar la simulación utilizando los datos en las
pruebas de ciclo urbano y de carrera
que se realizará en la camioneta Amarok 2014 realizando las respectivas medidas
en el biturbo.
METODOLOGÍA
Se realizó en SolidWorks para
generar las espirales envolventes de las carcasas.
En el procedimiento se tomará en cuenta el
número de segmentos de los perfiles,
que provocarán que la operación de recubrir generará una envolvente
distorsionada, para lo cual será necesario garantizar
los perfiles que tuvieran el mismo número de segmentos; además de garantizar
que algunos segmentos que eran comunes
para todos los perfiles,
tuvieran las mismas dimensiones.
a)
Turbina
b)
Compresor
En esta
investigación el modelado en 3D como se prestar atención en la figura 18 se
efectuará en el software SolidWorks
2017, mediante el cual obtendremos el volumen del turbocompresor como se observa en la figura 26 y para el proceso
siguiente se utiliza como el dominio para el estudio en ANSYS.
Figura 1: Diseño de turbocompresor en solidwork
Software ANSYS Estudiantil
El software ANSYS
FLUENT contiene las amplias capacidades de modelado físico necesarias para modelar flujo, turbulencia, transferencia
de calor y reacciones para aplicaciones industriales que van desde flujo de aire sobre un ala de
avión hasta combustión en un horno, desde columnas de burbujas hasta plataformas petroleras, desde
flujo sanguíneo hasta semiconductor fabricación, y desde el diseño
de salas limpias
hasta plantas de tratamiento
de aguas residuales.
Simulación Turbocompresor
En la modelación
del turbo compresor se tomará en cuenta los fenómenos físicos que ocurren e interactúan simultáneamente; como, turbulencia, reacciones químicas, transferencia de calor, radiación, etc. Nos permitirá que el
programa computacional modele el flujo de fluidos, combustión y transferencia de calor
en geometrías complejas.
Cuando se habla
de combustión al interior de cámaras de combustión, generalmente, la reacción química entre el aire y el combustible que
a la postre va a generar calor tiene la connotación de turbulenta, adicional a eso, el aire y el combustible no se
mezclan previamente; por tanto, dicha combustión también se define como no premezclada.
El interior
de la cámara la distribución de temperaturas no es homogénea, las propiedades termodinámicas como el calor específico,
la conductividad térmica y viscosidad del gas de escape cambian una manera vertiginosa de un punto a otro y deberá
calcular de una manera confiable en cada
sector, de acuerdo al grado de precisión que se desee.
Con los valores
obtenidos se desarrollará el respectivo análisis para obtener los valores de
frontera para realizar la simulación
del flujo del turbo, para lo cual se va a dibujar la geometría del turbo en el software SOLID Works y la simulación de flujo en CFD.
Con el análisis
de dinámica de fluidos computacional (CFD) permitirá una simulación rápida y eficaz del flujo de fluidos y de la
transferencia de calor, se puede calcular fácilmente las fuerzas de fluidos
y comprender el impacto de un líquido en el rendimiento del turbocompresor.
CFD simulará el
paso de fluidos líquidos en el turbocompresor. La investigación que se
realizará será compleja, se va a
obtener el cálculo de transferencia de calor, mezclas, y flujos inestables y comprensibles para lograr el
diseño del turbocompresor.
Por medio de
software especializado para dibujo asistido por computadora se realiza el
modelado en 3 dimensiones de los
componentes del turbocompresor, detallando los álabes de tanto del compresor y del
turbo, mirar la figura 19.
Figura 21: Modelo 3D del turbocompresor, derecha turbo, izquierda compresora
Para realizar el
análisis computacional por medio de dinámica de fluidos CFD, se debe generar el volumen finito por donde el aire va fluir
tanto en el compresor como en la turbina, en la figura 20 se puede visualizar los volúmenes finitos
de los dos componentes representados como elementos sólidos.
Para poder
generar el movimiento de los álabes se generan 2 elementos independientes en
cual se debe distinguir entre el
volumen estático y el volumen rotatorio.
Figura 3: Volúmenes
finitos, superior aire-turbo, inferior-compresor
Utilizando el
software de ingeniería asistida por computadora CAE se genera llama de
elementos finitos, para este estudio
tenemos una malla tetraédrica de elementos de tipo 3D. Para controlar la calidad
de malla se utiliza el índice Skewness,
el cual nos indica que cuando tenemos para
elementos de mala calidad son los valores aproximados a 1, y valores buena calidad
con valores se aproximan a 0.
En la figura 04
se puede observar que para la simulación se ha creado una
calidad de malla Skewness en rojo
max 0.96
Figura 4: Índice de calidad
de malla Skewness en rojo max 0.96
Creamos un set de
nodos para asignar la entrada y la salida de fluido para este caso aire, como
se indica en la figura 05.
Figura 5: En rojo entrada y salida de fluido
Ejecución de las pruebas
Para realizar
las pruebas se establecen en un ciclo de conducción
con variaciones de velocidades, las que determinan una diferenciación del
flujo de entrada de aire y salida del turbocompresor. Se establecerán las condiciones que determinan la ruta de prueba y el modo de manejo Eco-Driving se determinará la geometría variable de los
álabes en el turbo que nos servirán para realizar esta investigación. Se efectúa
la preparación del vehículo para las pruebas
Ejecución de pruebas
Se efectuaron
cinco pruebas en las cuales se realizó todo el ciclo de prueba que se
estableció y se obtuvieron los datos
que son necesarios de las variaciones de flujo de aire en diferentes
velocidades y aplicando la técnica de conducción Eco-Driving.
RESULTADOS
Caso 1 Carretera
Como se puede
observar en el gráfico se realiza una comparación entre los álabes, existe un
margen de diferencia del punto
máximo con 55.10%, el trabajo realizado en la presión se efectuó en el alabe de 10 y con un mínimo del 73.72% que
actúa una menor presión en el álabe de 10, observar en la figura 36.
Figura 6: Análisis de presión alabe de
10 y reducción de 10 mm de
profundidad
Comparación de la
presión en el turbo con una máxima del 57.10% de diferencia actuando una mayor presión en el alabe de 12 con
reducción de 10 mm y una mínima
presión del 72.52% existente presión mínima en el alabe de 12 con reducción de 10 mm, observe en la figura 37.
Figura 7: Analizar la presión del álabe de 10 y reducción de 10 mm de profundidad
Caso 2. Carretera
Existe una
diferencia en presiones de máxima que se observe en la simulación con un
porcentaje de diferencia del 59.61%
con un trabajo mayor en el alabe de 10, una mínima presión de 66.33% que se
hace presente en el alabe de 10, como se observa en la figura 38.
Figura 8: Observar la presión del álabe de 10 y reducción de 10 mm de profundidad
El grafico
siguiente se realiza un trabajo de presión entre los álabes de 12 y con una
reducción de 10 mm de profundidad
existe una diferencia en la máxima del 65% con mayor presencia en el alabe de 12, como
una mínima presión del 60.16% que actúa en el
alabe de 12, figura 39.
Figura 9: Análisis de presión del álabe
de 12 y reducción de 10 mm de profundidad
Caso 1. Urbano
Se obtiene los
datos en los álabes de 10 y reducción con una máxima de 49.33910 Pa en la simulación de 10 álabes, mínima de
17.74780Pa, en la simulación de reducción de 10mm se obtiene los siguientes datos
máxima presión de 33.71590Pa, mínima 33.45010Pa. Observar la figura
42.
Figura 10: Simulación álabes de 12 y reducción de 10 mm
Como se observa
en la gráfica 43 tenemos un máximo de 33.70158 Pa, mínima 33.56970Pa estos datos se consiguen en los álabes de 12, en
el álabe de 12 con reducción máximo 47.53720 Pa y actuando una mínima de -97.85620Pa.
Figura 11: Observar álabes de 12 y reducción de 10 mm
Caso 2. Urbano
En la simulación
de 10 álabes se consigue un máximo de 45.17010Pa, mínima 26.22960, en la reducción de 10 mm se logra los datos
siguientes máximo 37.520Pa, mínima de 37. 28720Pa. Como se mira en la figura 12.
Figura 12: Estudio de álabes de 10 y reducción de 10 mm
Se obtienen los datos máximos en los álabes
de 12. 3747238Pa, mínima 37.36668Pa y en la reducción de
10 mm se consigue máximo
21.4782000Pa,
mínimo -43.6056000Pa. Observar la figura 13.
Figura 13: Observar los álabes de 12 y reducción
de 10 mm
DISCUSIÓN
Comparación de resultados de velocidad ciclo urbano
Turbo con 8
álabes, reducción de 10 mm, 10 álabes, reducción de 10 mm, 12 álabes y
reducción de 10mm.
Observar en la
figura 108 se ejecuta un balance con el álabe original teniendo como resultado
una velocidad máxima en el rediseño
del turbo (f) se obtiene una mayor velocidad en ciclo urbano, desenvolviendo el turbo sus rpm en forma
que el motor mec ejecuta su evolución según la distancia recorrida.
Figura 14: Designación al turbo con diferentes geometrías
|
Denominación
|
Descripción
|
Número de álabes
|
Medida del Álabe
|
|
(a)
|
Turbo original
|
8
|
33mm
|
|
(b)
|
Turbo 1
|
8
|
23mm
|
|
(c)
|
Turbo 2
|
10
|
33mm
|
|
(d)
|
Turbo 3
|
10
|
23mm
|
|
(e)
|
Turbo 4
|
12
|
33mm
|
|
(f)
|
Turbo 5
|
12
|
23mm
|
Figura 15: Promedio de velocidad en ciclo urbano
Comparación de resultados de velocidad ciclo
carretera
Se realiza una
comparación con el turbo original en ciclo de carretera y se presta atención a
un valor máximo de velocidad
que actúa sobre el álabe (f).
Figura 16: Promedio de velocidad en ciclo carretera
Se analizó los
datos logrados en los distintos rediseños de álabes con respuesta a la simulación se puede
observar a simple vista que el álabe que mejor ha contribuido con la
investigación fue el rediseño del álabe (f) dando como resultado un máximo en los ciclos urbano y carretera reaccionando a los datos obtenidos en las pruebas dinámicas.
Comparación de resultados de presión ciclo urbano Presión
máxima
Se obtiene en la
simulación de los álabes una presión máxima de salida del turbo que corresponde
al rediseño del alabe (f), actuando
de mejor manera en el ciclo de
manejo. Con una presión mínima que ejerce en el turbo original
en comparación con el máximo se obtiene
un excelente funcionamiento del turbo en la presión de salida.
Figura 17: Promedio de presión
máxima ciclo urbano
Conflicto de Interés
El desarrollo de
este proyecto de investigación surgió con idea del autor principal y luego con
los colaboradores en la cual
consideramos que dentro del grupo no existe ningún tipo de conflicto e interés.
Se asume la auditoría de esta investigación al grupo con la dirección
de la persona encargada en la resolución de todo el proyecto.
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