Turbos de geometría variable

Podríamos decir «el tamaño no importa» lo cual no es del todo cierto, vamos a analizar que es lo que realmente hace un turbocompresor.

El turbo compresor tiene como misión aprovechar la energía residual de los gases de escape, tanto en presión como en temperatura para introducir mas aire dentro del cilindro, consiguiendo con este fin una mejora volumétrica, el efecto seria como manejar una mayor cilindrada, con los rozamientos de una cilindrada inferior.

Gráficamente podemos intuir que una mayor temperatura permite liberar la energía, ya que mantienen la presión mas elevada mientras dura la expansión. Esta transformación energética de térmica a mecánica se produce en lo que se llama la turbina, cuando se pretende alimentar un motor de una determinada cilindrada, el volumen de aire que hay que introducir será función de las revoluciones, si en número de revoluciones es fijo, se hace relativamente fácil, calcular cual seria el turbo mas apropiado, el rendimiento de estas turbinas varia no solo en función de tamaño sino de su diseño, aunque una turbina grande consigue mayores transformaciones de energía a mas altos caudales.

El famosos retraso del turbo, esos segundos tan importantes para el funcionamiento uniforme y el manejo de caudales apropiados para regímenes medios, que por otro lado son los mas adecuados en un uso normal, llevaron el tamaño de las turbinas a una reducción de las mismas, esto motiva que cuando el régimen sube, para conseguir la zona de máxima potencia, se haga difícil que esta transformación se produzca, escapando los gases con mucha de su energía, y en consecuencia no se obtenga las presiones de alimentación para altos regímenes, esto es lo que se dio en llamar turbos de bajo soplado, donde el aporte de par era alto en regímenes medios, pero no conseguía llegar a mantenerlo a altas vueltas, por lo que la potencia no era elevada.

De lo anterior deducimos, que aunque un turbo grande se maneja mejor en las transformaciones de energía de grandes caudales, se fue desechando a favor de turbos mas pequeños, donde su funcionamiento era mas apropiado a el uso cotidiano del automóvil, y donde básicamente había que diseñarlos con el fin de que la transformación de energía se hiciese con menos espacio.

No es cuestión de complicar aún mas la explicación, pero se hace necesario que se entienda un concepto. Hay dos tipo de turbinas de ACCIÓN y REACCIÓN, en las de acción la conversión de la energía de presión a velocidad se genera en los alabes fijos (Distribuidor), y es el fluido una vez acelerado, y con menos presión, el que impacta sobre los alabes del la turbina (rodete) donde aquí ceden su energía arrastrando la misma.

Las de Reacción en donde el salto de presión a velocidad del fluido se produce por igual en distribuidor y turbina, sin entrar en mas particularidades, un ejemplo seria, el de una manguera, donde al aplicar el dedo en su punto aceleramos el fluido, aprovechando la presión del mismo, este fluido aplicado sobre un objeto es capaz de moverlo, eso seria una turbina de acción, la de reacción, podemos usar un molinillo, al que si soplamos, la disposición de sus aspas, permite que cambiando la dirección del fluido se induce un efecto de reacciona que mueve la rueda del mismo. Volviendo al turbo, en las maquinas soplantes, la voluta hace las veces de distribuidor, puesto que al final de la misma el fluido mediante unos alabes que lo hacen converger se acelera, el fluido abandona este y se introduce en el rodete. En el rodete la disposición de sus alabes ( turbina) genera la aceleración del fluido nuevamente a la vez que su arrastre.

En un turbo tradicional esta disposición de los alabes tanto en distribuidor como en rodete es fija, y la capacidad de aumentar la conversión de energía no existe, de ahí que cuando se genere un caudal excesivo, sea preciso que se dote al motor de una válvula de descarga que evite que parte de los gases atraviese el turbo, impidiendo de esa forma una sobrepresión que pueda llegar a romper el motor.

Y entonces… ¿Qué es la geometría variable?

En un turbo de geometría variable el mayor salto de energía se produce en el distribuidor, justo en la entrada de los gases de la voluta al rodete, estos alabes, no tiene una disposición fija, sino que pueden orientarse, para que estrechando el paso los gases, estos se aceleren mas, y lleguen a la turbina con mas velocidad.

Si retomamos la manguera, y el caudal de la boca es pequeño, estrechando su punta, aceleraremos el fluido y conseguiremos llegar, incluso mover algunas hojas del jardín. Ahora, si aumentamos la presión de la manguera (mas caudal) no necesitaremos estrechar la boca, sino que el fluido saldrá con fuerza suficiente para llegara a cierta distancia y la cantidad de hojas que se moverá será mayor, si no pusiéramos el dedo en la boca, solo podríamos usar la manguera con un determinado caudal.

Volviendo al turbo, con esto conseguimos que cuando el caudal es pequeño estrechando el paso de los alabes de la geometría del distribuidor, obtenemos una gran velocidad, esta entra en la turbina y arrastra al rodete. La energía no es mucha, porque el volumen es pequeño, pero al ser el turbo pequeño este se mueve con facilidad, y comprime el aire de admisión todo lo que su energía le permite.

Cuando el caudal sea elevado, (alto régimen) no se precisa hacer converger a los alabes tanto, ya que la velocidad de los mismos generan el efecto en el rodete.

Esto hace innecesario la presencia de válvula de descarga, (aunque puede montarse), ya que en caso de aumentar la presión el distribuidor se orienta para que los gases entren en el rodete con toda su energía (sin el cambio a velocidad), y este no debe tener capacidad (por diseño) para transformarla, por lo que lo atravesaran y saldrán por el escape con mucha de la misma.

El accionamiento de la geometría se hace de la misma manera que se hacía con la válvula de descarga, con una membrana y la presión del colector (aunque en determinados motores se usa un motor), solo que está gobernado por la centralita, para que su funcionamientos sea mas progresivo.

De ahí que cuando nos falle la geometría, el comportamiento es parecido a una válvula de descarga abierta, pérdida notoria de potencia.

Ahora, si el fallo de la misma si se genera en otro punto, presenta un comportamiento del turbo, menos progresivo, solo adaptado a un régimen, siendo peor antes y después del mismo.

El porque falla, hay que ver que al igual que la válvula de descarga se podía poner, en casi cualquier sitio, siempre que circunvalara el rodete, el distribuidor se tiene que situar justo a la entrada del mismo, y las temperaturas que se consiguen son muy elevadas, como a fin de cuentas es una pieza móvil ( es una corona que rodea todo el rodete) la posibilidad de fallos es elevada. Que hacer pues, tener cuidado, mas que con uno normal, que para eso da la ventajas de la geometría variable, la deposición de carbonilla, que tanto se menciona, no es improbable, pero el encendido y apagado del motor, no debe retirar la carbonilla, en todo caso un cambio en la carga que genere una sobrepresión, el tan traído y llevado apagado y encendido, parece mas un defecto en la gestión, mas que en el accionamiento, aunque eso es mas una suposición en base a como funciona.