Equa ion Chap e 1 Sec ion 1
T abajo Fin de G ado
G ado en Ingenie ía de la Ene gía
Diseño y Análisis de una Tu bina Radial
pa a el G upo de Sob ealimen ación de un
Mo o Al e na i o
Au o : Alejand o Ju ado Villa án
Tu o : P o . D . D. Da id Sánchez Ma ínez
Dep. de Ingenie ía Ene gé ica
G upo de Máquinas y Mo o es Té micos
Escuela Técnica Supe io de Ingenie ía
Uni e sidad de Se illa
Se illa, 2018
iii
P oyec o Fin de G ado
Ingenie ía de la Ene gía
Diseño y Análisis de una Tu bina Radial pa a el
G upo de Sob ealimen ación de un Mo o
Al e na i o
Au o :
Alejand o Ju ado Villa án
Tu o :
P o . D . D. Da id Sánchez Ma ínez
Ca ed á ico de Máquinas y Mo o es Té micos
Dep. de Ingenie ía Ene gé ica
G upo de Máquinas y Mo o es Té micos
Escuela Técnica Supe io de Ingenie ía
Uni e sidad de Se illa
Se illa, 2018
P oyec o Fin de G ado: Diseño y Análisis de una Tu bina Radial pa a el G upo de Sob ealimen ación de un
Mo o Al e na i o
Au o :
Alejand o Ju ado Villa án
Tu o :
P o . D . D. Da id Sánchez Ma ínez
El ibunal nomb ado pa a juzga el P oyec o a iba indicado, compues o po los siguien es miemb os:
P esiden e:
Vocales:
Sec e a io:
Acue dan o o ga le la cali icación de:
Se illa, 2018
El Sec e a io del T ibunal

ii
A mis pad es.
ix
Ag adecimien os
Tan o es e TFG como oda la ca e a son u o de es ue zo y dedicación, pe o ambién de un cúmulo de
ci cuns ancias, expe encias y, po supues o, de pe sonas que me han acompañado a lo la go de es e camino.
Me gus a ía ag adece el apoyo an es que nada a mi mad e, mi pad e, mi he mano y oda mi amilia po la
educación y los alo es que me han ansmi ido. A Ro, po aguan a me. Da las g acias ambién a odos los
p o eso es que he enido el place de dis u a en es a escuela, especialmen e al u o de es e abajo, Da id
Sánchez, po su ayuda an o académica como ex aacadémica. Y po úl imo a las pe sonas que han es ado a mi
lado du an e es os cua o años: mis compañe os; po su amis ad, po su ac i ud y po enseña me que siemp e
queda algo po ap ende .
Alejand o Ju ado Villa án
Se illa, 2018
3.1.3 RELACIÓN CINEMÁTICA DE VELOCIDADES 25
3.1.4 RELACIONES GEOMÉTRICAS RECOMENDADAS PARA EL DISEÑO 25
3.2 MAPA DE BALJE 25
4 AXSTREAM 28
4.1. FUNDAMENTOS 28
4.2. ESTRUCTURA DEL SOFTWARE 28
5 PROCESO DE PREDISEÑO DE UNA TURBINA CENTRÍPETA 32
5.1 CONDICIONES DE PARTIDA 32
5.1.1 CONDICIONES IMPUESTAS POR EL MOTOR ALTERNATIVO 33
5.1.2 RELACIONES GEOMÉTRICAS 34
5.2 DISEÑO PREELIMINAR: ESTUDIO DEL ESPACIO DE DISEÑO 36
5.1.3 EFECTOS SOBRE LA GEOMETRÍA DE LA MÁQUINA 37
Coe icien e de lujo 37
Coe icien e de ca ga 38
G ado de eacción 39
5.1.4 EFECTOS SOBRE LAS PRESTACIONES 40
Coe icien e de lujo 40
Coe icien e de ca ga 40
G ado de eacción 41
5.3 ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTO FUERA DE DISEÑO: MAPAS DE COMPORTAMIENTO 41
5.4 ESTUDIO DE LA LÍNEA MEDIA. ESTUDIO UNIDIMENSIONAL. 44
6 EVALUACIÓN DEL DISEÑO FINAL OBTENIDO 46
6.1 COMPORTAMIENTO GLOBAL 46
6.2 COMPORTAMIENTO AERO-TERMODINÁMICO. 47
6.1.1 TRIÁNGULOS DE VELOCIDAD 47
6.1.2 DIAGRAMA H-S 48
6.1.3 PÉRDIDAS 48
6.3 GEOMETRÍA FINAL 49
6.4 CURVA CARACTERÍSTICA 51
6.5 ACOPLAMIENTO CON EL TURBOCOMPRESOR 52
7 CONCLUSIONES Y DESARROLLOS FUTUROS 54
7.1 CONCLUSIONES 54
El diseño de una u bomáquina no p esen a una única solución ce ada 54
Es e abajo es solo una e apa inicial del diseño comple o de una u bomáquina eal 54
El obje i o inal se cumple: Exis e un aumen o eal de la po encia en el mo o al e na i o 55
7.2 DESARROLLOS FUTUROS 55
Uso de las he amien as “p o ile and blade design” y “ adial blade design” 55
Análisis con un CFD 56
BIBLIOGRAFÍA 58
ANEXO I: CÁLCULOS 60

x ii
ÍNDICE DE FIGURAS
FIGURA 1.1. ESCALONAMIENTO BÁSICO DE UNA TURBOMÁQUINA (SÁNCHEZ LENCERO, MUÑOZ BLANCO, & JIMÉNEZ-
ESPADAFOR AGUILAR, 2004) 12
FIGURA 1.2. CLASIFICACIÓN TURBOMÁQUINAS 14
FIGURA 1.3. TUBO DE CORRIENTE DE REFERENCIA EN UNA TURBOMÁQUINA ELEMENTAL EN DISTINTOS INSTANTES
(SÁNCHEZ LENCERO, MUÑOZ BLANCO, & JIMÉNEZ-ESPADAFOR AGUILAR, 2004) 14
FIGURA 1.4. DESCOMPOSICIÓN DE VELOCIDADES: ABSOLUTA, RELATIVA Y PERIFÉRICA EN LA ENTRADA Y LA SALIDA DEL
TUBO DE CORRIENTE (SÁNCHEZ LENCERO, MUÑOZ BLANCO, & JIMÉNEZ-ESPADAFOR AGUILAR, 2004) 15
FIGURA 1.5. LÍNEAS DE CORRIENTE DEL FLUJO ENTRE DOS ÁLABES CONSECUTIVOS (SÁNCHEZ LENCERO, MUÑOZ
BLANCO, & JIMÉNEZ-ESPADAFOR AGUILAR, 2004) 16
FIGURA 1.6. DESCOMPOSICIÓN DE LA VELOCIDAD EN SUS COMPONENTES REALTIVA Y DE ARRASTRE A LA ENTRADA Y LA
SALIDA DEL TUBO DE CORRIENTE (SÁNCHEZ LENCERO, MUÑOZ BLANCO, & JIMÉNEZ-ESPADAFOR AGUILAR, 2004)
17
FIGURA 2.1. ESQUEMA DE UNA TURBINA RADIAL CENTRÍPETA A 90º (SÁNCHEZ LENCERO, MUÑOZ BLANCO, & JIMÉNEZ-
ESPADAFOR AGUILAR, 2004) 18
FIGURA 2.2. ESQUEMA DE UNA TURBINA RADIAL CANTILEVER (SÁNCHEZ LENCERO, MUÑOZ BLANCO, & JIMÉNEZ-
ESPADAFOR AGUILAR, 2004) 18
FIGURA 2.3. DIAGRAMA H-S DE LA EVOLUCIÓN DEL FLUJO EN UNA TURBINA RADIAL CENTRÍPETA (SÁNCHEZ LENCERO,
MUÑOZ BLANCO, & JIMÉNEZ-ESPADAFOR AGUILAR, 2004) 19
FIGURA 2.4. TRIÁNGULOS DE VELOCIDAD EN UNA TURBINA RADIAL CENTRÍPETA A LA ENTRADA Y LA SALIDA DEL RÓTOR
RESPECTIVAMENTE (SÁNCHEZ LENCERO, MUÑOZ BLANCO, & JIMÉNEZ-ESPADAFOR AGUILAR, 2004) 20
FIGURA 2.5. ESQUEMA DE UN TURBO 21
FIGURA 2.6. GRUPO DE SOBREALIMENTACIÓN REAL (WWW.MOTORPASION.ES) 21
FIGURA 2.7. MAPA DE COMPORTAMIENTO DE UN TURBOCOMPRESOR (WWW.TURBOBYGARRET.COM) 22
FIGURA 2.8. TURBO CON DOS ESPIRALES DE ENTRADA A LA TURBINA (WWW.MOTORPASION.ES) 23
FIGURA 2.9. TURBO DE GEOMETRÍA VARIABLE (WWW.MOTORPASION.ES) 23
FIGURA 3.1. VARIACIÓN DE LOS DISTINTOS PARÁMETROS CON EL ÁNGULO DE ENTRADA AL RODETE (SÁNCHEZ
LENCERO, MUÑOZ BLANCO, & JIMÉNEZ-ESPADAFOR AGUILAR, 2004) 24
FIGURA 3.2. MAPA DE BALJE PARA TURBINAS (BALJE, 1981) 26
FIGURA 4.1. AXSTREAM: MENÚ DE NUEVO PROYECTO 28
FIGURA 4.2. AXSTREAM: BARRA DE HERRAMIENTA 28
FIGURA 4.3. AXSTREAM: MENÚ DEL ARBOL DEL PROYECTO 29
FIGURA 4.4. AXSTREAM: VISOR 29
FIGURA 4.5. AXSTREAM: MENÚ DEL DISEÑO PREELIMINAR 30
FIGURA 4.6. AXSTREAM: GENERADOR DE CURVAS Y MAPAS 31
FIGURA 5.1. AXSTREAM: VENTANA DE PARÁMETROS DE DISEÑO 32
FIGURA 5.2. AXSTREAM: VENTANA DE AJUSTES DEL MÓDULO 32
FIGURA 5.3. AXSTREAM: VENTANA DE PÁMETROS DE DISEÑO 33
FIGURA 5.4. MAPA DE DISEÑO CON LAS SOLUCIONES VÁLIDAS 36
FIGURA 5.5. GEOMETRÍA DE LA SOLUCIÓN 128 37
FIGURA 5.6. GEOMETRÍA DE LA SOLUCIÓN 170 37
FIGURA 5.8. VARIACIÓN DE LA DEFLEXIÓN DEL FLUJO A LO LARGO DE LA MÁQUINA Y TRIÁNGULO DE VELOCIDADES DE
LA SOLUCIÓN 253 38
FIGURA 5.7. VARIACIÓN DE LA DEFLEXIÓN DEL FLUJO A LO LARGO DE LA MÁQUINA Y TRIÁNGULO DE VELOCIDADES DE
LA SOLUCIÓN 241 38
FIGURA 5.9. VARIACIÓN DE LA ENTALPÍA DEL FLUIDO A LO LARGO DE LA MÁQUINA EN LA SOLUCIÓN 15 39
FIGURA 5.10. VARIACIÓN DE LA ENTALPÍA DEL FLUIDO A LO LARGO DE LA MÁQUINA EN LA SOLUCIÓN 51 39
FIGURA 5.11. RENDIMIENTO TOTAL A ESTÁTICO FRENTE A COEFICIENTE DE FLUJO DE LA TURBINA 40
FIGURA 5.12. RENDIMIENTO TOTAL A ESTÁTICO FRENTE A COEFICIENTE DE CARGA DE LA TURBINA 40
FIGURA 5.13. RENDIMIENTO TOTAL A ESTÁTICO FRENTE A GRADO DE REACCIÓN DE LA TURBINA 41
FIGURA 5.14. VENTANAS DE DISEÑO DEL EXPERIMENTO DEL EDITOR DE MAPAS 42
FIGURA 5.15. VENTANAS DE AJUSTES DEL EXPERIMENTO DEL EDITOR DE MAPAS 43
FIGURA 5.16. CURVAS DE RENDIMIENTO FRENTE A GASTO DE LAS SOLUCIONES 128 (AZUL), 75 (VERDE), 91 (AMARILLO),
115 (ROJO) Y 170 (ROSA). 43
FIGURA 5.17. VENTANA PRINCIPAL DE LA HERRAMIENTA DE CÁLCULO DE LÍNEA MEDIA 44
FIGURA 5.18. VENTANA DE AJUSTES DEL CALCULO DE LÍNEA MEDIA 44
FIGURA 6.1. VENTANA PRINCIPAL DE ÁRBOL DEL PROYECTO 46
FIGURA 6.2. TRIÁNGULOS DE VELOCIDAD A LA ENTRADA DEL ESTÁTOR (IZQUIERDA), ENTRADA DEL ROTOR (CENTRO) Y
SALIDA DEL RÓTOR (DERECHA) DEL DISEÑO FINAL 47
FIGURA 6.3. DIAGRAMA H-S DEL DISEÑO FINAL 48
FIGURA 6.4. DIAGRAMA DE SANKEY DEL BALANCE ENERGÉTICO EN LA TURBINA 49
FIGURA 6.5. ESQUEMA DE LA GEOMETRÍA DEL DISEÑO FINAL 49
FIGURA 6.6. DISTINTAS VISTAS EN 3D DEL DISEÑO FINAL 50
FIGURA 6.7. CURVA CARACTERÍSTICA DEL DISEÑO FINAL 51
FIGURA 6.8. CURVA CARACTERÍSTICA RENDIMIENTO CON ZONAS DE ISORENDIMIENTO A COLOR DEL DISEÑO FINAL 51
FIGURA 7.1. SISTEMA DE DISEÑO DE UNA TURBOMÁQUINA (CONCEPTS NREC) 54
FIGURA 7.2. VENTANA DE LA HERRAMIENTA "PROFILER AND BLADE DESIGN" 55
FIGURA 7.3. VENTANA DE LA HERRAMIENTA "RADIAL BLADE DESIGN" 56
FIGURA 7.4. ESTUDIO DE UNA TURBOMÁQUINA MEDIANTE UN CFD 56
xix
ÍNDICE DE TABLAS
TABLA 1. FICHA TÉCNICA DEL MOTOR DEL BMW 180D MODELO 2004 (WWW.MOTOR.ES) 33
TABLA 2. PARÁMETROS A INTRODUCIR PARA EL PREDISEÑO 35
TABLA 3. SOLUCIONES ESCOGIDAS PARA EL ANÁLISIS DE COMPORTAMIENTO FUERA DE DISEÑO Y SUS PARÁMETROS
MÁS REPRESENTATIVOS 42
TABLA 4. PROPIEDADES GLOBALES DEL DIEÑO FINAL 46
TABLA 5. INFORMACIÓN SOBRE LA GEOMETRÍA DEL ESTÁTOR Y DEL ROTOR DEL DISEÑO FINAL 50
xxi
No ación
α
Ángulo absolu o del lujo
β
Ángulo ela i o del lujo
c
Velocidad absolu a del lujo
Cp
Calo especí ico
D
Diáme o
ƞ
Rendimien o
𝐹

Fue za
F
Dosado
Γ
Momen o de la can idad de mo imien o
γ
Coe icien e de dila ación adiabá ica (gamma)
h
En alpía
ho
En alpía de emanso
hs
En alpía isen ópica
M
Pa
m
Masa
m󰇗
Gas o másico
N
Núme o de e oluciones po minu o
ω
Velocidad angula
PCI
Pode calo í ico supe io
p
P esión
Φ
Coe icien e de lujo
Ψ
Coe icien e de ca ga
Q
Caudal
R
G ado de eacción
Radio
RC
Relación de comp esión
RE
Relación de expansión
Rg
Cons an e de los gases ideales
ρ
Densidad
s
En opía
T
Tempe a u a
Tiempo
u
Velocidad pe i é ica
W
T abajo
We
T abajo especí ico
W󰇗
Po encia
w
Velocidad ela i a del luido

In oducción
12
12
1 INTRODUCCIÓN
1.1 Jus i icación del abajo
La indus ia au omo ilís ica es, hoy en día, una de las de mayo peso a ni el mundial. El desa ollo en es e
campo es á ac ualmen e cen ado en la educción del consumo y de las emisiones, po lo que exis e una cla a
endencia al “downsizing”. Como consecuencia, la sob ealimen ación ha expe imen ado un g an desa ollo an o
en mo o es diésel como de gasolina.
En conclusión, el conocimien o, diseño y análisis de es os g upos de sob ealimen ación, especialmen e de
sus componen es p incipales ( u bocomp eso y u bina), iene un al o alo añadido en la indus ial ac ual y
supone una g an en aja espec o a desa ollos u u os.
1.2 Tu bomáquinas é micas
1.1.1 De inición
Una máquina de luido puede de ini se como un conjun o de elemen os mecánicos que pe mi e in e cambia
ene gía mecánica con el ex e io (gene almen e a a és de un eje), a pa i de la ene gía con enida en el luido
que lo a a iesa.
Si además el luido a a iesa la máquina de o ma con inua y su olumen especí ico es a iable es amos an e
una u bomáquina é mica.
1.1.2 Pa es de una u bomáquina
Una u bomáquina cons a de di e sas pa es y acceso ios dependiendo de su ipo, aplicación y diseño. Sin
emba go, la mayo ía de las u bomáquinas compa en la ca ac e ís ica de ene pa es es á icas y o a i as; y
den o de es os conjun os se encuen an di e sos elemen os, los cuales muchas u bomáquinas compa en. Una
enume ación compe en e puede se la siguien e:
Pa es o a i as
 Ro o : O ode e, es el co azón de oda
u bomáquina y el luga donde se da el
in e cambio ene gé ico con el luido.
Es á cons i uido po un disco que
unciona como sopo e a los álabes. La
geome ía con la cual se ealizan los
álabes es undamen al pa a pe mi i el
in e cambio ene gé ico con el luido;
sob e és as eposa pa e impo an e
del endimien o global de oda la
u bomáquina y el ipo de cambio
ene gé ico gene ado (si la ene gía se á
ans e ida po cambio de p esión o
elocidad).
 Eje: Tiene la doble unción de asmi i po encia (desde o hacia la máquina) y se el sopo e sob e el que
yace el o o . En el caso de las u bomáquinas gene ado as es e siemp e es á conec ado a alguna clase
de mo o , como puede se un mo o eléc ico, o incluso una u bina como es común en
los u bo eac o es, muchas eces en e el á bol y el mo o que mue e a la u bomáquina se encuen a
Figu a 1.1. Escalonamien o básico de una u bomáquina (Sánchez
Lence o, Muñoz Blanco, & Jiménez-Espada o Aguila , 2004)
13
algún sis ema de ansmisión mecánica, como puede se un emb ague o una caja educ o a. En el caso
de las u bomáquinas mo o as, es ecuen e encon a un gene ado eléc ico al o o ex emo del á bol,
o incluso hay á boles la gos que sopo an al o o en el medio y en un ex emo se encuen a una
u bomáquina mo o a y al o o un gene ado .
Pa es ijas
Al conjun o de odas las pa es es á icas de la u bomáquina se le suele denomina es á o , es e suele es a
compues o po :
 En adas y salidas: Es as pa es son comunes en odas las u bomáquinas, pe o pueden a ia de en su
o ma y geome ía en e ellas. Exis en u bomáquinas gene ado as de doble admisión, es deci , que
ienen dos en adas di e enciadas y una salida única de luido. Es as pa es pueden cons a de una b ida
en el caso de la mayo ía de las bombas y comp eso es. El dis ibuido , es el enca gado de conduci el
luido desde la sección de en ada hacia el ode e. Po o o lado, el di uso es un elemen o que se
encuen a a la salida del ode e y que disminuye la elocidad del luido, además de acondiciona lo
hid aúlicamen e pa a su conducción.
 Álabes di ec ices: Son álabes ijos al es a o , po los cuales pasa el luido de abajo an es o después de
pasa al o o pa a ealiza el in e cambio ene gé ico. Muchas u bomáquinas ca ecen de ellos, pe o en
aquellas donde sí igu an es os son de i al impo ancia. En las u bomáquinas mo o as se enca gan de
di igi el luido en un cie o ángulo, así como acele a lo pa a op imiza el uncionamien o de la máquina.
En las u bomáquinas gene ado as se encuen an a la salida del o o . Los álabes di ec o es ambién
pueden llega a unciona como egulado es de lujo, ab iéndose o ce ándose a modo de ál ula pa a
egula el caudal que en a a la máquina.
 Cojine es y odamien os: Son elemen os que pe mi en el mo imien o del eje mien as lo man ienen
solida io a la máquina y pueden a ia de ipos y amaños.
 Sellos: Son disposi i os que impiden la salida del luido de la u bomáquina. Cumplen una unción c í ica
an o en los acoplamien os mó iles como en los odamien os. Pueden a ia de ipos y ubicación den o
una u bomáquina a o a.
1.1.3 Clasi icación
Las u bomáquinas é micas se pueden clasi ica de acue do a di e sos c i e ios:
 Según el sen ido del lujo de ene gía:
o Mo o as: El luido cede su ene gía a la máquina. Es as máquinas se conocen cómo u binas.
o Gene ado as: La máquina en ega ene gía al luido. Es as máquinas se conocen como
u bocomp eso es.
 Según la ayec o ia seguida po el luido a a és del o o :
o Radiales: La ayec o ia es p incipalmen e pe pendicula al eje. Máquinas cen í ugas o
cen ípe as según la di ección del mo imien o.
o Axiales: La ayec o ia es undamen almen e pa alela al eje de o ación.
o Mix as: Flujo diagonal espec o del eje de o ación.
 Según el cambio de p esión en el o o :
o Acción: La en alpía del luido se man iene cons an e a su paso po el o o .
o Reacción: La en alpía del luido cambia a su paso po el o o .
 Según el ipo de admisión:
o To al: El luido accede a la máquina a a és de oda la sección de en ada.
o Pa cial: Pa e de la sección de en ada no es á disponible pa a el paso del luido.
Tu binas Radiales
20
20
Po o a pa e, pa a el obse ado unido al o o (mó il):
ℎ2+𝑤2
2
2=ℎ3+𝑤3
2
2+𝑢2
2−𝑢3
2
2 ; ℎ02 =ℎ03+𝑢2
2−𝑢3
2
2
( 12 )
Aplicación de la ecuacióon de Eule :
𝑊=𝑢2𝑐𝜃2+𝑢3𝑐𝜃3 𝑜 𝑏𝑖𝑒𝑛 𝑊=𝑐2
2−𝑐3
2
2+𝑤3
2−𝑤2
2
2+𝑢2
2−𝑢3
2
2
( 13 )
El úl imo é mino de la exp esión an e io ep esen a la con ibución de las ue zas cen í ugas al abajo
desa ollado po la máquina. Es a con ibución es posi i a cuando u2 > u3, es deci cuando la u bina es cen í pe a,
como es el caso que nos ocupa.
Po úl imo, los endimien os. Tomando como e e encia la Figu a 2.3 el endimien o o al a es á ico se de ine
de la o ma:
ƞ𝑇𝐸 =ℎ01−ℎ03
ℎ01−ℎ3𝑠𝑠 =𝑊
𝑊+(ℎ3−ℎ3𝑠)+(ℎ3𝑠−ℎ3𝑠𝑠)+1
2𝑐3
2
En el caso de que la elocidad de salida no se pie da, el endimien o oma ía la o ma de endimien o o al a
o al, es deci :
ƞ𝑇𝑇 =ℎ01−ℎ03
ℎ01−ℎ03𝑠𝑠 =𝑊
𝑊+𝑃é𝑟𝑑.𝑒𝑠𝑡á𝑡𝑜𝑟+𝑃é𝑟𝑑.𝑟ó𝑡𝑜𝑟
2.3 T iángulos de elocidades
Figu a 2.4. T iángulos de elocidad en una u bina adial cen ípe a a la en ada y la salida del ó o espec i amen e (Sánchez
Lence o, Muñoz Blanco, & Jiménez-Espada o Aguila , 2004)

21
2.4 Aplicaciones
Du an e las úl imas decadas la pequeña u bina adial cen ípe a se ha u ilizado en múl iples aplicaciones.
En e es as se incluyen la u bosob ealimen ación de los mo o es de combus ión in e na al e na i os (obje o de
es udio de es e abajo), unidades de expansión en sis emas de e ige ación de a iación, unidades de expansión
en licue acción de gases y o os sis emas c iogénicos y en pequeñas u binas de gas u ilizadas pa a la gene ación
de po encia en aplicaciones espaciales. Es o es posible g acias a la g an en aja de man ene un endimien o
ela i amen e al o con amaños muy pequeños.
2.1.1 Es ado del a e de los g upos de sob ealimen ación
Como ya se comen ó en el apa ado 1.1 los g upos de sob ealimen ación, an o u bos como olumé icos,
han adqui ido una eno me impo ancia debido al g an in e és que exis e ac ualmen e en consegui mo o es
pequeños, e icien es y de bajas emisiones.
2.1.1.1 Funcionamien o
El obje i o undamen al de un g upo de sob ealimen ación es aumen a
la po encia en egada po el mo o al e na i o a base de in oduci una
mayo can idad de ai e en los cilind os o lo que es lo mismo,
inc emen ando el endimien o olumé ico de es e. Exis en dos sis emas
en la ac ualidad pa a consegui lo, comp eso es olumé icos o
u bocomp eso es.
La u bosob ealimen ación, o u bo como se conoce coloquialmen e,
consis e en dos u bomáquinas acopladas a a és de un eje. El
u bocomp eso ele a la p esión del ai e de admisión al mo o y es mo ido
po la u bina, máquina que con ie e pa e de la ene gía con enida en los
gases de escape en abajo mecánico que es u ilizado pa a mo e a a és
del eje el comp eso .
Figu a 2.6. G upo de sob ealimen ación eal (www.mo o pasion.es)
Figu a 2.5. Esquema de un u bo
Tu binas Radiales
22
22
2.1.1.2 E olución de la ecnología
En el año 1905 un ingenie o suizo llamado Al ed Büchi pa en ó el p ime u bocomp eso que u ilizaba los
gases de escape pa a in oduci ai e de o ma o zada en el mo o . No ue has a los años 60 cuando el u bo io
aplicación en el mundo del au omó il, sin emba go, su consolidación se p odujo con la llegada del p ime coche
de p oducción con mo o u bodiesel, el Me cedes 300D. La u boalimen ación encon ó en los mo o es diesel
una elación de simbiosis.
Desde en onces, los u bos han e olucionado conside ablemen e has a la ac ualidad donde p esen an
elaciones de comp esión de en e 1,2 y 4 y son capaces de agua a elocidades de gi o supe io es a 150.000
pm como se puede ap ecia en el mapa del comp eso de un modelo come cial de la emp esa Honeywell Ga e .
Figu a 2.7. Mapa de compo amien o de un u bocomp eso (www. u bobyga e .com)
Es o ha sido posible g acias a que los ab ican es han in oducido a lo la go de es os años no edades pa a
que los u bos aba quen la mayo can idad del ango de e oluciones ú iles del mo o .
Uno bas an e usado es complemen a dos u bos, en se ie o cascada (uno más g ande y o o más pequeño) o
en pa alelo (dos pequeños que al sopla jun os consiguen un e ec o pa ecido al de uno g ande). También se
u iliza bas an e el ecu so de u iliza un comp eso mecánico pa a las bajas uel as y un u bo pa a las al as,
como en algunos de los TSI de Volkswagen po pone un ejemplo ápido.
23
Pa a consegui es e e ec o con un solo u bo hay a ias posibilidades, pe o la más u ilizada es la del u bo de
geome ía a iable. Es os disponen de un sis ema de álabes mó iles en el es á o de la u bina que dependiendo
de la p esión de los gases de escape se si úan en una u o a posición, pa a aumen a la elocidad del lujo que
debe pasa a a és de la u bina y man ene a la u bina gi ando a su elocidad óp ima a cualquie égimen del
mo o .
La o a es usa una ca casa pa a la u bina con dos en adas que lle an el ai e has a la u bina a a és de dos
caminos di e en es que suel an el gas calien e en di e en es zonas de la u bina. De es a mane a una de las
espi ales guía el gas de una o ma más e icien e cuando la p esión de los gases de escape es baja y la o a cuando
es al a.
Figu a 2.8. Tu bo con dos espi ales de en ada a la u bina (www.mo o pasion.es)
Figu a 2.9. Tu bo de geome ía a iable (www.mo o pasion.es)
Diseño de u binas cen ípe as
24
24
3 DISEÑO DE TURBINAS
CENTRÍPETAS
3.1 Recomendaciones gene ales de diseño
3.1.1 Velocidad me idiana y elocidad de salida
Una p ác ica habi ual en el p ediseño de u bomáquinas es conside a la elocidad me idiana cons an e, un
pa áme o que indica como es la elocidad del luido en el sen ido p incipal de la ayec o ia. En una u bina
cen í uga, la elocidad me idiana queda ía así:
𝑐𝑟1 =𝑐𝑟2 =𝑐𝑥3 =𝑐𝑚
( 14 )
Además, se suele impone que la elocidad absolu a a la salida del ó o man enga la di ección axial, con el
obje i o de educi pé didas: 𝛼3=0
3.1.2 Ángulo de en ada del ode e
En una u bina cen ípe a, el ángulo de en ada del ode e β2 iene una g an in luencia sob e el abajo
especí ico We, g ado de eacción R, sal os en álpicos en es á o ( obe as) ΔhE y ode e ( o o ) ΔhB, y endimien o
o al a es á ico ƞ e cuando se man iene cons an e la elación u2/c 2. Podemos obse a es as a iaciones en la
siguien e igu a.
Figu a 3.1. Va iación de los dis in os pa áme os con el ángulo de en ada al ode e (Sánchez Lence o, Muñoz Blanco, &
Jiménez-Espada o Aguila , 2004)
25
De las cu as ep esen adas en la igu a an e io se desp ende que, a igualdad de abajo especí ico, gas o
másico y elocidad de gi o, esul an ode es de mayo diáme o con álabes cu ados hacia delan e. Es e ipo de
ode e no se u iliza en la p ác ica, siendo los más ecuen es los de álabes adiales o ec os (β2=0).
3.1.3 Relación cinemá ica de elocidades
En el caso eó ico de una u bina ce ípe a con álabes adiales y salida axial que abaja sin icción y con
ecupe ación de la elocidad de salida, el abajo especí ico de la u bina ald á:
𝑊𝑒=𝑢2
2
( 15 )
Es e abajo especí ico coincidi a con el sal o isen ópico de la u bina. De iniendo la elocidad cs de la o ma:
ℎ01−ℎ03𝑠𝑠 =1
2𝑐𝑠2
( 16 )
Se puede es ablece que:
𝑢2
2= 1
2𝑐𝑠2
( 17 )
Y en consecuencia la elación cinemá ica eó ica que hace máximo el endimien o o al a o al ale:
𝑢2
𝑐𝑠=0,707
( 18 )
En la p ác ica, debido a i e e sibilidades, los máximos endimien os o al a o al y o al a es á ico se ob ienen
gene almen e pa a elaciones cinemá icas 𝑢2
𝑐𝑠 en e 0,65 y 0,72.
3.1.4 Relaciones geomé icas ecomendadas pa a el diseño
Las elaciones óp imas en e los dis in os adios en una u bina cen ípe a son las siguien es:
𝑟2
𝑟3𝑒 ≅1,4−2,2
( 19 )
𝑟3𝑒
𝑟3𝑖 ≅3
( 20 )
𝑟1
𝑟2≅1,2
( 21 )
3.2 Mapa de Balje
Se a a de un mé odo expe imen al desa ollado po el es adounidense O.E. Balje que pe mi e conoce
in o mación ú il pa a el p ediseño de una u bomáquina u ilizando elaciones de semejanza a a és de
pa áme os adimensionales. Es os son la elocidad especí ica ωs y el diáme o especí ico ds, que se de inen de
la siguien e o ma:

Diseño de u binas cen ípe as
26
26
𝜔𝑠=𝜔√𝑄
𝛥ℎ𝑠
3/4
( 22 )
𝑑𝑠=𝑑·𝛥ℎ𝑠
1/4
√𝑄
( 23 )
Figu a 3.2. Mapa de Balje pa a u binas (Balje, 1981)
Sabiendo que la u bomáquina es una u bina adial y que el endimien o se encon a á en o no a 80-90 %,
se ob iene lo siguien e:
Velocidad especí ica: ωs = 0,6
Diáme o especí ico: ds = 60
Es os alo es se án de g an u ilidad ya que p opo ciona an una buena es imación de la elocidad de gi o y el
diáme o de la máquina, alo es que pos e io men e se án necesa ios pa a comenza el p oceso de p ediseño en
AxSTREAM.
27
AxSTREAM
28
28
4 AXSTREAM
4.1. Fundamen os
AxSTREAM es un paque e de p og amas diseñados po la emp esa es adounidense de ingenie ía So InWay
Inc. pa a el diseño concep ual de u binas y comp eso es y la ealización de cálculos e modinámicos de
u bomáquinas exis en es en ope ación an o den o como ue a de las condiciones de diseño. El á ea de
aplicación del so wa e AxSTREAM aba ca an o el diseño y el ediseño indus ial de u bomáquinas y como
aplicaciones en campos educa i os.
El mé odo de esolución aplicado po el p og ama consis e en busca una geome ía álida an o en la en ada
como en la salida de la u bomáquina, dados unos pa áme os de en ada pa a pos e io men e a ina la solución
escogida comp obando cúal se ía el compo amien o de esa geome ía exac a an e las condiciones impues as al
comienzo u o as condiciones de e minadas.
4.2. Es uc u a del so wa e
Al accede al so wa e, como mues a la siguien e igu a, lo p ime o que es e o ece es la elección del ipo
de u bomáquina, si se a a ealiza un p ediseño o el es udio de un p oyec o ya exis en e, el luido de abajo, el
modelo de pé didas y las unidades en las que se a a ealiza el p oyec o.
Figu a 4.1. AxSTREAM: Menú de nue o p oyec o
Una ez se hagan odas las elecciones pe inen es es posible accede a odo el menú de he amien as o ecido
po el p og ama como se mues a en la siguien e igu a:
Figu a 4.2. AxSTREAM: Ba a de he amien a
29
Los cua o p ime os iconos co esponden como en cualquie o o so wa e come cial a las opciones de ab i
un nue o p oyec o, ab i uno ya exis en e, gua da el p oyec o ac ual e imp imi el p oyec o.
El quin o icono co esponde al Á bol del p oyec o, se a a de un ni el in e io al p ediseño de la máquina
que gua da oda la in o mación ela i a a cualquie solución alidada con an e io idad. Desde es e luga es
posible edi a cualquie a de los múl iples pa áme os que componen la máquina sin al e a la in o mación
gua dada en el p ediseño.
Figu a 4.3. AxSTREAM: Menú del a bol del p oyec o
El sex o icono co esponde al Viso que pe mi e obse a la geome ía de la máquina y sus medidas, además
de la a iación de los di e en es pa áme os a lo la go de la máquina en dis in as secciones.
Figu a 4.4. AxSTREAM: Viso
P oceso de p ediseño de una u bina cen ípe a
36
36
Una ez in oducidos odos es os pa áme os en la abla del p og ama, se p odece a busca soluciones
pulsando el bo ón “sea ch” (con o ma de suma o io). T as unos segundos, se ob ienen 287 soluciones álidas
mos adas en el espacio de diseño.
Figu a 5.4. Mapa de diseño con las soluciones álidas
5.2 Diseño p eelimina : Es udio del espacio de diseño
Una ez p oducido el espacio de diseño, es posible ealiza una discusión sob e cuáles son las mejo es
soluciones posibles. Pa a ello, se ecu e al uso de los p incipales pa áme os adimensionales ap endidos en la
asigna u a de u bomáquinas é micas: Coe icien e de lujo Φ, coe icien e de ca ga Ψ y g ado de eacción R.
Es os se de inen de la siguien e o ma:
- Coe icien e de lujo: Relación en e la elocidad axial y la pe i é ica.
𝜙=𝑐𝑥
𝑢
( 30 )
- Coe icien e de ca ga: Relación en e el abajo y la elocidad pe i é ica al cuad ado. Indica como de
ca gada ae odinámicamen e es á una máquina.
𝛹=𝑊𝑒
𝑢2
( 31 )
- G ado de eacción: Relación en e la expansión que iene luga en el ó o y el sal o en álpico o al.
𝑅=ℎ2−ℎ3
𝑊𝑒
( 32 )

37
5.1.3 E ec os sob e la geome ía de la máquina
Dis in os alo es de es os pa áme os a ec an no solo al compo amien o de la máquina sino isiblemen e a
su geome ía como se puede e a con inuación con ayuda del iso del p og ama.
Coe icien e de lujo
El coe icien e de lujo Φ, es una medida de la elación en e la elocidad axial y la elocidad pe i é ica de la
máquina. Geomé icamen e es o epe cu e de oma di ec a en la longi ud inal del diseño.
Se escogen dos soluciones de endimien o simila , pe o con alo es de coe icien e de lujo muy dis in os:
 SOLUCIÓN 128  Φ=0,535
Figu a 5.5. Geome ía de la solución 128
 SOLUCIÓN 170  Φ=1,345
Figu a 5.6. Geome ía de la solución 170
Se comp ueba que la solución 170 iene un Φ y una elocidad axial mayo y po an o p esen a meno
longi ud axial, 17 mm. La solución 128 con un Φ mucho meno iene una geome ía menos o zada, de 23 mm
de la go.
P oceso de p ediseño de una u bina cen ípe a
38
38
Coe icien e de ca ga
El coe icien e de ca ga Ψ mide cuán o abajo es capaz de con e i la u bomáquina en unción de la
elocidad pe i é ica al cuad ado. En o as palab as, es e pa áme o mide la de lexión del lujo den o de la
máquina, siendo mayo el abajo especí ico de es a cuan o mayo sea Ψ.
Se eligen dos soluciones con dis in os coe icien es de ca ga:
 SOLUCIÓN 253  Ψ=6,11
Figu a 5.7. Va iación de la de lexión del lujo a lo la go de la máquina y iángulo de elocidades de la solución 253
 SOLUCIÓN 241  Ψ=12,35
Figu a 5.8. Va iación de la de lexión del lujo a lo la go de la máquina y iángulo de elocidades de la solución 241
Se puede ap ecia an o en las g á icas como en los ángulos como la solución 241 p esen a una de lexión
del lujo en el o o mucho mayo que en la solución 253. Es e hecho esul a en un mayo abajo especí ico,
pe o ambién en mayo es pé didas.
39
G ado de eacción
El g ado de eacción R, mide cómo es el sal o en álpico en ó o espec o del o al. Se seleccionan dos
soluciones que se di e encien ampliamen e en es e pa áme o:
 SOLUCIÓN 15  R=0,282
Figu a 5.9. Va iación de la en alpía del luido a lo la go de la máquina en la solución 15
 SOLUCIÓN 51  R=0,785
Figu a 5.10. Va iación de la en alpía del luido a lo la go de la máquina en la solución 51
Se puede ap ecia cla amen e como la solución 15, con un g ado de eacción mayo es capaz de expandi
mucho más en su o o , cuya geome ía es mucho más p onunciada al ene una en ada es echa y una salida
amplia. El caso con a io se da en la solución 51 donde es el es a o el que se enca ga de con e i la g an pa e
de la ene gía con enida en el gas, p esen ando un o o con una geome ía con meno a iación.
P oceso de p ediseño de una u bina cen ípe a
40
40
5.1.4 E ec os sob e las p es aciones
Es os pa áme os adimensionales ienen angos de alo es óp imos en unción de la na u aleza de la
máquina que se es é diseñando. Sali se de es os alo es educe cla amen e sus p es aciones, especialemen e en
una u bina cen ípe a, su endimien o o al a es á ico. Pa a ello se han il ado las soluciones con un endimien o
mayo o igual a 0,70 y se han ep esen ado en un plano X-Y en e a los p incipales pa áme os adimensionales.
Coe icien e de lujo
Figu a 5.11. Rendimien o o al a es á ico en e a coe icien e de lujo de la u bina
Se puede ap ecia como el endimien o de la u bomáquina aumen a con la disminución del coe icien e de
lujo. Es o es debido a que, a medida que aumen a la elocidad absolu a del gas c se p oduce un aumen o de las
pé didas po icción con las pa edes de la máquina, dispando un calo que se pie de y disminuyendo de esa
o ma el endimien o inal. Tenemos po an o alo es óp imos en o no a Φ=0,60.
Coe icien e de ca ga
Figu a 5.12. Rendimien o o al a es á ico en e a coe icien e de ca ga de la u bina
41
Las p es aciones de la máquina no se en excesi amen e a ec adas con espec o a una a iación del
coe icien e de ca ga, lo que a icina que es os diseños end an un ango amplio de abajo. No obs an e, a pa i
de alo es de Ψ mayo es de 10, la de lexión del lujo se ac ecen a an o que p o oca un aumen o en las pé didas
po pe il.
G ado de eacción
Figu a 5.13. Rendimien o o al a es á ico en e a g ado de eacción de la u bina
En es e caso exis e un ango óp imo a pa i de R > 0,50. La azón es que en las u binas cen ípe as es mejo
ca ga el o o debido a la exis encia de las ue zas cen í ugas que p opo cionan una ayuda ex a como se explicó
en el apa ado 2.1.
5.3 Es udio del compo amien o ue a de diseño: Mapas de compo amien o
Las discusiones ealizadas en el apa ado an e io mues an las mejo es soluciones en el pun o de diseño de
cada máquina. Sin emba go, es necesa io ealiza un es udio del compo amien o de es os diseños ue a de es as
condiciones ya que un g upo de sob ealimen ación se e some ido a un amplio ango de a iación de gas os,
empe a u as y p esiones debido a la a iación de las e oluciones a las que abaja el mo o al e na i o.
Po ello, se han escogido una se ie de soluciones óp imas con un endimien o o al a es á ico
ap oximadamen e simila y se comp oba á su capacidad a abaja con un ango amplio de gas os en e 0,015 y
0,1 kg/s. Las soluciones escogidas son las mos adas en la siguien e abla, acompañadas de sus pa áme os más
ep esen a i os:

P oceso de p ediseño de una u bina cen ípe a
42
42
Tabla 3. Soluciones escogidas pa a el análisis de compo amien o ue a de diseño y sus pa áme os más ep esen a i os
Sol. 128
Sol. 75
Sol. 91
Sol. 115
Sol. 170
𝑾󰇗 (W)
6291
6160
6237
6683
7398
ƞ e
0,8770
0,8799
0,8769
0,8697
0,8360
𝒎󰇗 (kg/s)
0,0418
0,0410
0,0415
0,0438
0,0488
Φ
0,535
0,576
0,691
0,996
1,344
Ψ
6,75
7,52
10,0
10,9
12,56
R
0,718
0,696
0,618
0,608
0,558
D2 (mm)
88,09
87,25
89,51
88,99
89,16
Con la ayuda de la he amien a de mapas de AxSTREAM, se seleccionan las soluciones desde el espacio de
diseño y se incluyen en el diseño del expe imen o. Una ez ahí se escoge el endimien o como unción obje i o
y el gas o como unción a iable, del cuál se ep esen a án 30 pun os den o del in e alo elegido. Pos e io men e
en ajus es de pa áme os se le da a cada diseño un colo dis in o pa a ob ene una g á ica de mayo cla idad.
Figu a 5.14. Ven anas de diseño del expe imen o del edi o de mapas
43
Figu a 5.15. Ven anas de ajus es del expe imen o del edi o de mapas
Una ez ajus ados odos los pa áme os co ec amen e, se a ec úa el cálculo median e el bo ón del suma o io.
El esul ado es el siguien e:
Figu a 5.16. Cu as de endimien o en e a gas o de las soluciones 128 (azul), 75 ( e de), 91 (ama illo), 115 ( ojo) y 170 ( osa).
Se obse a cla amen e como unas soluciones sopo an mucho mejo las a iaciones en el gas o espec o a
o as. Las cu as con el coe icien e de lujo más al o, 115 (en ojo) y 170 (en osa), p esen an un g an endimien o
pa a gas os pequeños, pe o caen d ás icamen e a pa i del pun o diseño. Las o as cu as p esen an un
compo amien o acep able en un ango amplio siendo la solución 75 (en e de) la que iene la cu a más plana
de odas y, po an o, el diseño más óp imo. Es in e esen e esal a que es a solución e a ya po de ec o la elegida
como “bes solu ion” po el p og ama.
P oceso de p ediseño de una u bina cen ípe a
44
44
5.4 Es udio de la línea media. Es udio unidimensional.
T as es udia cúal en la mejo solución an o den o como ue a del pun o de diseño en los apa ados 5.2 y
5.3 se ha llegado a la conclusión que el mejo diseño pa a aplica a un g upo de sob ealimen ación es la solución
75. Sin emba go, como se p esen ó en la Tabla 3, las condiciones nominales de la solución 75 no son las que se
p esen a on al p incipio del p ediseño. Es po ello que se necesi a e ina la geome ía de es e diseño. Pa a ello
se ecu e al diseño de la linea media (mean-line design).
Es a he amien a, a di e encia del buscado de soluciones, u iliza la geome ía de una solución ya exis en e
(ob enida en el es udio del espacio de diseño) y es udia el compo amien o de la misma pa a unas condiciones
de con o no (ope ación) de e minadas, que pueden coincidi o no con las o iginales del diseño. De es e modo se
ob ienen las p es aciones eales de dicho diseño en el caso de in e és.
P ime o se impone el gas o al nominal, 0,045 kg/s. Seguidamen e, en ajus es se cambia el modo de cálculo
pa a que encuen e la p esión dado un gas o y se escoge la opción de minimiza incidencia. Es a opción libe a
la es icción sob e el ángulo del álabe a la en ada (única ca ac e ís ica geomé ica que puede cambia espec o
del diseño o iginal) de modo que el diseño ob enido p opo cione las mejo es p es aciones posibles, incluido un
amplio ango de ope ación.
Figu a 5.17. Ven ana p incipal de la he amien a de cálculo de línea media
Figu a 5.18. Ven ana de ajus es del calculo de línea media
T as ello, se p ocede a calcula y, inalmen e, a gua da los da os en el á bol del p oyec o de o ma que
se puedan consul a odos los pa áme os del diseño inal ob enido.
45
E aluación del diseño inal ob enido
52
52
Cabe des aca en la Figu a 6.6 la cla a in luencia de la elocidad de gi o en la elación de expansión de la
u bina y como ninguna de las cu as de elocidad de gi o cons a e alcanza el bloqueo (lími e en el gas o másico).
En cuan o a la Figu a 6.7 se e como el endimien o máximo se encuen a en el pun o de nominal de ope ación
y a pa i de ahí el endimien o disminuye sua emen e g acias al amplio ango de uncionamien o de es e diseño.
6.5 Acoplamien o con el u bocomp eso
Una pa e impo an e a ene en cuen a del diseño inal es su co ec o acomplamien o con la o a
u bomáquina de su co espondien e g upo de sob ealimen ación, el u bocomp eso .
Pa a ealiza un acomplamien o o “ma ching” adecuado exis en dos soluciones posibles:
- Comp eso sigue u bina
En es e caso, es la u bina la que impone el abajo disponible pa a el comp eso y el núme o de uel as al
que debe gi a es e, siendo 120201 pm pa a es e diseño. Pa a conoce cual debe se el abajo especí ico
consumido po el comp eso bas a con supone un endimien o mecánico en el eje, po ejemplo, de 0,98.
𝑊𝑒,𝐶 =𝑊𝑒,𝑇 · ƞ𝑚𝑒𝑐 =160318,8·0,98=157112,4 𝑘𝐽/𝑘𝑔
( 34 )
- Tu bina sigue comp eso
Es el mé odo más u ilizado. El comp eso impone el abajo especí ico y el núme o de uel as del eje que
acopla ambas máquinas.
Pa a ealiza el “ma ching” es a ez se ía necesa io un comp eso ya diseñado pa a un g upo de
sob ealimen ación, que bien pod ía se el desa ollado en el T abajo de Fin de G ado “Diseño y análisis de un
u bocomp eso pa a el g upo de sob ealimen ación de un mo o al e na i o” de Juan Muda a Acebedo, el cual
ha seguido la misma me odología que es e abajo.
Una ez conocido el abajo especí ico y el núme o de uel as de dicho comp eso , se busca ía una solución
óp ima o se ajus a ía la ya escogida a pesa de que es a pe die a algo de endimien o, lo cual no es un p oblema
g a e ya que la u bina p esen a mayo endimien o que el comp eso en la mayo ía de casos.

53
Conclusiones y desa ollos u u os
54
54
7 CONCLUSIONES Y DESARROLLOS
FUTUROS
7.1 Conclusiones
El diseño de una u bomáquina no p esen a una única solución ce ada
Como se ha podido comp oba a lo la go de es e abajo, el diseño de una máquina é mica como puede se
una u bina adial pa a una aplicación y unas condiciones de e minadas no iene una única solución álida, sino
que iene un amplio abanico de posibles opciones. En el p oceso de p ediseño han su gido has a 287 posibles
pa a las condiciones de es udio. Es en ese pun o cuando es necesa io aplica los conocimien os adqui idos en
u bomáquinas pa a, apa i de los pa áme os p incipales de una u bomáquina, disceni cúal es el diseño más
a o able pa a la aplicación en cues ión.
Es e abajo es solo una e apa inicial del diseño comple o de una u bomáquina eal
La me odología seguida du an e es e abajo ha sido el diseño unidimensional o de linea media de una u bina
median e el so wa e AxSTREAM de So InWay, sin emba go, es a es solo la p ime a o segunda e apa (si se
incluyen unos p ime os cálculos median e mé odos adicionales) del diseño eal de una u bomáquina.
Como mues a la siguien e igu a de Concep s NREC, una emp esa simila a So InWay dedicada al diseño
de u bomáquinas, en el p oceso de diseño de una u bomáquina exis en a ias e apas pos e io es a es e
p ediseño.
Figu a 7.1. Sis ema de diseño de una u bomáquina (Concep s NREC)
55
En e es os p ocesos se encuen an el p ediseño idimensional, el análisis de elemen os ini os pa a ob ene
in o mación sob e las ensiones mecánicas y las ib aciones en la máquina, el modelado del lujo en 3D con un
CFD, es udios dinámicos en el ó o y la ob ención de un p o o ipo median e he amien as de dibujo y diseño
asis ido. Todo ello cons an emen e ealimen ado pa a ob ene un mayo g ado de op imización.
El obje i o inal se cumple: Exis e un aumen o eal de la po encia en el mo o al e na i o
Como se ha comen ado p e iamen e, la inalidad del g upo de sob ealimen ación es inc emen a la po encia
de un mo o al e na i o. Po an o, es in e esan e e alua cúal ha sido es e inc emen o conseguido ecu iendo a
la ecuación que de ine la po encia de un mo o al e na i o.
𝑊󰇗=𝑃𝐶𝐼· ƞ𝑒· 𝑚󰇗 · 𝐹
( 35 )
Sabiendo que la po encia inicial e a de 122 CV (90,97 kW), de la ecuación 15 ob enemos el gas o sin
sob ealimen a , m󰇗 𝑆𝑖𝑛 𝑆𝐴 =0,0314 𝑘𝑔/𝑠 y suponiendo un endimien o e ec i o del mo o , ƞ𝑒 de 0,35 y un
PCI=43 MJ/kg co espondien e al diésel, se ob iene el dosado, F = 0,1926.
Aplicando la ecuación 32 al mo o sob ealimen ado se iene la nue a po encia: 𝑊󰇗= 130,44 𝑘𝑊
T as una p ime a ap oximación y sin en a en conside aciones ecnológicas sob e mo o es al e na i os con
es e p ediseño el mo o inc emen a ía su po encia de 122 CV a 175 CV, lo que supone un aumen o del 43% su
po encia.
7.2 Desa ollos u u os
Uso de las he amien as “p o ile and blade design” y “ adial blade design”
Du an e el desa ollo de es e p ediseño se ha abajado con la máquina de o ma global. Sin emba go, el
so wa e p esen a unas he amien as que pe mi en la edición y es udio de las cascadas de álabes de o ma
sepa ada.
La p ime a mencionada, “p o ile and blade desing” se cen a en los pe iles ae odinámicos de la máquina y
posibili a cambia pa áme os es udiados en la asigna u a de u bomáquinas como el paso, la solidez, la cue da
del álabe, el espeso , los ángulos de me al o los ac o es de pé didas.
Figu a 7.2. Ven ana de la he amien a "p o ile and blade design"
Conclusiones y desa ollos u u os
56
56
La o a he amien a “ adial blade desing” a a el concep o de la cascada de álabes en una máquina adial
pe mi iendo cambia en e o os pa áme os el ipo de álabe (cilind ico o de cuchillo) o el núme o de alabes de
la cascada.
Figu a 7.3. Ven ana de la he amien a " adial blade design"
Se ía in e esan e an o pa a el diseño ealizado en es e abajo como pa a o os diseños ealiza un análisis de
como a ec an los pa áme os sob e álabes y cascadas an es mencionados al igual que se han es udiado los
pa áme os globales de la máquina, y de esa o ma conoce como a ec a un cambio en esos alo es y selecciona
los óp imos pa a la máquina.
Análisis con un CFD
Como se ha comen ado en el apa ado 7.1
es e diseño no es á inalizado y un posible
desa ollo del abajo pod ía se el análisis de la
geome ía ob enida en es e p ediseño median e
un CFD (Compu a ional Fluid Dynamics). Es a
he amien a calcula ía los lujos p ima ios y
secunda ios den o de la máquina pe mi iendo
conoce con un mayo g ado de exac i ud el
compo amien o eal del conjun o, así como
odas sus pé didas.
Es e es udio se pod ía ealiza an o desde
so wa es come ciales como Fluen o Flow 3D
o el que inco po a el mismo paque e de
AxSTREAM, llamado AxCFD calcula ion.
Figu a 7.4. Es udio de una u bomáquina median e un CFD
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Bibliog a ía
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BIBLIOGRAFÍA
Á l a ez G., Á. Pa es de una u bomáquina.
Balje, O.E. (1981). Tu bomachines: A Guide o Design, Selec ion and Theo y.
G upo Mo o es Te micos de Se illa. Apun es de la asigna u a Mo o es de combus ión in e na
al e na i os de GIE.
Mo o .es.
Mo o pasion.com.
Sa nchez Lence o, T., Mun oz Blanco, Á., & Jime nez-Espada o Águila , F. J. (2004). Tu bomáquinas
é micas. Se illa: Sí n esis.
Sa nchez Ma í nez, D. Apun es de la asigna u a Tu bomáquinas Té mica de GIE.
Tu bobyga e .com.
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Anexo I: Cálculos
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ANEXO I: CÁLCULOS
DESARROLLO 1:
Pa a ob ene la densidad, se esuel e el conduc o de admisión a pa i de las condiciones ex e io es
(𝑝𝑎𝑡𝑚 ,𝑇𝑎𝑑𝑚). Se calcula p ime o el pun o co espondien e a la en ada del comp eso .
𝑝01 =𝑝𝑎𝑡𝑚 − ∆𝑝𝑓𝑖𝑙𝑡𝑟𝑜 =1 𝑏𝑎𝑟− 0,05 𝑏𝑎𝑟=0,95 𝑏𝑎𝑟
( 36 )
𝑝𝑎𝑑𝑚 =𝑝01·𝑅𝐶=1,9 𝑏𝑎𝑟
( 37 )
𝑇01 ≅𝑇𝑎𝑑𝑚 =298 𝐾
( 38 )
Pa a calcula la p esión a la salida del comp eso es necesa io supone un alo ap oximado de la RC apo ada
po el comp eso del g upo de sob ealimen ación. Un alo acep able puede se RC = 2. A pa i de la exp esión
de su endimien o y una isen ópica se ob iene la empe a u a.
ƞ𝑐=𝑇𝑎𝑑𝑚,𝑠− 𝑇01
𝑇𝑎𝑑𝑚−𝑇01 ≅0,75
( 39 )
𝑇𝑎𝑑𝑚,𝑠
𝑇01 =𝑅𝐶𝛾−1
𝛾→ 𝑇𝑎𝑑𝑚,𝑠 =363,26 𝐾
( 40 )
Conocidos odos los pa áme os, se calcula la densidad en la admisión y inalmen e el gas o.
𝜌𝑎𝑑𝑚 =𝑝𝑎𝑑𝑚
𝑇𝑎𝑑𝑚·𝑅𝑔=1,719 𝑘𝑔/𝑚3
( 41 )
DESARROLLO 2:
El caudal se ob iene a a és del gas o y la densidad:
𝑄= 𝑚󰇗
𝜌01 =0,079 𝑚3/𝑠
( 42 )
𝜌01 =𝑝01
𝑇01·𝑅𝑔=0,61 𝑘𝑔/𝑚3
( 43 )
Pos e io men e se calcula el sal o isen álpico p esen e en la u bina a a es de las ecuaciones undamen ales
de máquinas é micas:
𝛥ℎ𝑠=𝐶𝑝 ( 𝑇01−𝑇03,𝑠𝑠)=168,4 𝑘𝐽/𝑘𝑔
( 44 )
𝑇03,𝑠𝑠 =𝑇01·(𝑝03
𝑝01)𝛾−1
𝛾=908,9 𝐾
( 45 )
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DESARROLLO 3:
El abajo especí ico de la u bina esul a de la ecuación del endimien o de es a y o os alo es ya conocidos.
ƞ𝑇=𝑇01− 𝑇03
𝑇01−𝑇03,𝑠𝑠 ≅0,90→ 𝑇03 =925,3 𝐾
( 46 )
Conocida la di e encia de empe a u as, se mul iplica po Cp y se ob iene el abajo especí ico.
𝑊𝑒,𝑇 =𝐶𝑝 ( 𝑇01−𝑇03)=150,9 𝑘𝐽/𝑘𝑔
( 47 )