Turbocompresores. ABB y la nueva familia A100

Se viene insistiendo que el tiempo del uso de combustibles fósiles para alimentar los motores de combustión interna se acaba.

Llegará la época en que la propulsión en los buques tal vez se realice de otra forma, pero hoy, la perspectiva general apunta a un aumento continuo del consumo de combustible y a unas emisiones totales mayores.

La nuevas normativas internacionales en materia de reducción de emisiones, en la industria marítima y en el sector de la generación de energía, establece unos rigurosos límites de emisión de óxidos de nitrógeno (NOx) y óxidos de azufre (SOx) por parte de los motores diésel y de gas y tiene como objetivo lograr una reducción aún mayor de las emisiones de CO2 y hollín (partículas en suspensión).

Los recursos energéticos escasos, precios de los carburantes impredecibles y una legislación en materia de emisiones más rigurosa están teniendo una influencia importante en el desarrollo de motores diésel y de gas.

Sabemos la importancia de la sobrealimentación cuando hablamos de motores y conocemos a ABB cuando hablamos de desarrollo de los turbocompresores utilizados en esos motores.

Hoy quería comentarles sobre la serie de turbocompresores A100 de ABB en cuyo diseño se han tenido en cuenta las futuras exigencias en cuanto a unos coeficientes de presión del compresor mayores y unas menores emisiones del motor.

La serie TPS de ABB

Hoy, más de 25.000 turbos de la serie TPS siguen funcionando satisfactoriamente en pequeños motores diésel de velocidad media y en grandes motores diésel y de gas de alta velocidad de potencias de entre 500 kW y 3.300 kW.

Aunque estos turbocompresores siguen siendo la elección preferida para los motores de niveles de potencia actuales, la demanda del mercado de motores con niveles de potencia y eficiencia cada vez más altos, junto a unas menores emisiones, requiere nuevos conceptos en el diseño de motores y una nueva generación de turbocompresores.

Es para estos motores avanzados, que ABB ha desarrollado la serie A100-M/H de alta presión: la serie A100-H para motores de alta velocidad y la serie A100-M de turbocompresores radiales para pequeños motores de velocidad media.

Que es un turbocompresor

Un turbocompresor es un compresor de gas accionado por los gases de escape del motor. Está diseñado para multiplicar la entrada de aire en el colector de admisión, lo que enriquece el contenido de aire de la mezcla de aire/combustible, de manera que la combustión de éste es más eficaz y genera más energía.

Hoy en día son necesarios unos coeficientes de presión del compresor elevados, no sólo para incrementar la potencia de salida, lo que tradicionalmente ha sido el principal objetivo del turbocompresor, sino para reducir asimismo de manera significativa las emisiones (1).
1-(Coeficiente de presión del compresor es la diferencia entre la presión del aire en el interior y la presión del aire en el exterior y siempre es superior a 1,0. Si la entrada del compresor es pt2 y la salida es pt3; pt3 / pt2 = coeficiente de presión del compresor).

La demanda de una mayor potencia de motor se traduce en que los aumentos de la presión efectiva, requieren unos coeficientes de presión del turbocompresor mayores, una mayor eficiencia, unos coeficientes aire/combustible optimizados y un mejor llenado de los cilindros a cargas bajas.

A los turbocompresores se les exige incrementar la eficiencia, por ejemplo, del proceso de Miller/Atkinson, que forma la base de casi todos los motores diésel y gas modernos (Innovaciones en el proceso de combustión para el motor de combustión interna de cuatro tiempos).

En los motores diésel, el turbocompresor ayuda a reducir las emisiones de NOx, mientras que, en los motores de gas se utiliza para desplazar el punto en que comienza a producirse ruido de golpeteo (2).
2-(El ruido de golpeteo se produce cuando la combustión de la mezcla de aire/combustible en el cilindro se inicia correctamente en respuesta a la ignición de la bujía, pero una o más bolsas de mezcla de aire/combustible explosionan fuera del período de combustión normal. La perturbación en el preciso momento de la ignición crea una onda de choque con un característico sonido de golpeteo metálico).

Rendimiento: un factor fundamental

Durante la última década, los fabricantes de motores han logrado un importante aumento de su potencia de salida media. En el segmento de los motores de alta velocidad, por ejemplo, este aumento ha sido aproximadamente del 50%, mientras que el consumo de combustible específico se ha reducido en aproximadamente un 10% y las emisiones del motor en hasta un 80% (1).

Durante el mismo período, tomando como referencia la potencia del compresor en la etapa de diseño del motor para unos coeficientes de presión del compresor y una capacidad de flujo determinados, las exigencias técnicas impuestas en materia de rendimiento termodinámico y mecánico de los turbocompresores se han multiplicado por un factor superior a dos.

Existe una tendencia ascendente general hacia unas mayores presiones efectivas medias y unos mayores coeficientes de presión del compresor para motores diésel y de gas de alta velocidad (2). Además, los motores de gas suelen necesitar unos mayores coeficientes de presión que los motores diésel debido a sus mayores pérdidas sistémicas relacionadas con el control y a las diferencias en la gestión del combustible.

Unos coeficientes de presión a plena carga de hasta 5,8 durante el funcionamiento continuo, mediante el uso de unas ruedas compresoras de aluminio y unos elevados niveles de eficiencia, han establecido unos nuevos puntos de referencia en materia de densidad de potencia en la construcción de turbocompresores, lográndose un avance sustancial en la turbocompresión de una sola etapa.

En resumen, si un motor ha de ser energéticamente eficiente, su sistema de turbocompresión también tendrá que serlo.

Fuente ABB

La Organización Marítima Internacional (OMI) y las emisiones producidas por los motores de los barcos

Cuando se trata de la emisión de gases de efecto invernadero, el sector del transporte marítimo es uno de los que se ve más involucrado, sin embargo, junto con el transporte aéreo son los únicos que no quedaron regulados bajo el Protocolo de Kyoto, que establece niveles de emisiones de gases de efecto invernadero que los países deben alcanzar durante el período 2008-2012.

Actualmente, un 4% de las emisiones procedentes del uso de combustibles fósiles se realizan en el sector del transporte marítimo, lo que representa el doble de las generadas en el sector aéreo.

Sin embargo, la mayoría de la gente cree que es en el sector aéreo donde más emisiones se generan y por ello, sólo desde hace muy poco tiempo se han empezado a tomar medidas para reducir las emisiones de óxidos de nitrógeno y de dióxido de azufre en los barcos.

La actividad naviera es responsable por el 3% de las emisiones globales de dióxido de carbono (CO2), y ha crecido la presión para que sean recortadas antes de la crucial cumbre sobre cambio climático que se llevará a cabo en diciembre próximo, en Copenhague.

Según el Comité de Protección del Medio Marino (MECP) de la IMO, se estima que en el 2007 se emitieron en total 1.120 millones de toneladas de dióxido de carbono y se prevé que habrá habido un crecimiento del 30% cuando llegue el 2020.

Con relación al tema, la noticia de la semana pasada fue que la OMI adhirió a la adopción voluntaria de propuestas destinadas a recortar las emisiones de carbono. Los delegados de unos 90 países aprobaron las medidas técnicas y operacionales no compulsivas, para reducir las emisiones desde buques, y hacerlos ambientalmente más amigables.

Se trataron proposiciones técnicas y operacionales para reducir emisiones de los gases llamados greenhouse (GHG) de los navíos, tales como un plan de Diseño de Energía Eficiente para nuevos navíos, que intentará estimular e innovar desarrollo técnico para todos los elementos desde su fase de diseño, así como un Plan para la Administración de Energía de Navíos, para barcos tanto nuevos como ya existentes, que incorpora prácticas para una mejora en la eficiencia del combustible, como por ejemplo, un indicador que mide dicha eficiencia en los navíos.

Un vocero de la OMI explicó que dichos índices “se harán circular como guías voluntarias e interinas”. Peter Hinchliffe, director de la Cámara Naviera Internacional (ICS), que representa al 75% del sector a nivel mundial, sostuvo que las propuestas fueron un importante paso adelante, y que los armadores quieren que se conviertan en obligatorias lo antes posible.

Sin políticas de reducción de gases, las emisiones de los navíos en 2050 podrían crecer entre un 150 y un 250%.
Las decisiones del MECP sobre emisiones GHG de navíos serán publicadas en la Conferencia de Naciones Unidas en diciembre de 2009 en Copenhague, como parte de la búsqueda de un sucesor al protocolo de Kyoto, la principal arma con la que cuenta las Naciones Unidas para luchar contra el cambio climático.

Cojinetes Sputter de Mahle: Alta tecnología para motores sometidos a grandes cargas

¿Qué quiere decir sputter? ¿Cómo se fabrican? ¿Y por qué se utilizan?

Sputtering – ¿qué es eso?
En primer lugar: ¿De dónde procede este concepto? El diccionario inglés confunde: "to sputter" viene traducido como "balbucear, chisporrotear".

¿Cojinetes balbuceantes? No. "to spatter", sin embargo, ya nos acerca más a la verdad del asunto, y quiere decir "salpicar".

Pero ahora lo queremos saber con exactitud. Y, bajo "Sputtering" tenemos éxito en nuestra búsqueda: "Pulverizar" aparece aquí… y a continuación la explicación física: pulverización catódica.

¿Y qué es esto exactamente?

En un recipiente en el que hay vacío, con la excepción de una pequeña cantidad de gas noble, se encuentra un ánodo con carga positiva, un cátodo negativo provisto de una capa metálica – y el cojinete de tres componentes a someter al sputtering.

Entre el ánodo y el cátodo se instala una tensión. Los electrones son acelerados hacia el ánodo, ionizando los átomos de gas noble. Los ahora átomos positivos de gas noble son, a continuación, acelerados hacia el cátodo y eyectan por su lado átomos de la capa metálica que rodea al cátodo.

En ello se liberan también electrones secundarios, los cuales por su parte ionizan otros átomos de gas noble. De esta forma se forma una mezcla de electrones libres, iones positivos y partes neutras del gas noble, llamado plasma estacionario. Los átomos eyectados de la capa metálica de átomos se condensan entonces sobre la capa de rodamiento del cojinete en forma de recubrimiento delgado de metal, extremadamente resistente.

1. Alimentación Argón (Gas de plasma) 2. Flujo de iones 3. Flujo atómico de material (Dispersión)

¿Qué función tienen los cojinetes?

En la carcasa del motor y en la biela trabajan ejes giratorios como el cigüeñal, el eje de balancines o el árbol de compensación. Los cojinetes les prestan a éstos apoyo. Como consecuencia, los cojinetes están sometidos a una alta carga mecánica, como, por ejemplo, a presiones de encendido de hasta 200 bares.

Pero con esto no es suficiente: Los motores de combustión evolucionan constantemente, sus rendimientos específicos aumentan y se reducen sus tamaños de construcción, con la consiguiente reducción también de los espacios para los cojinetes. Al mismo tiempo, en las nuevas construcciones de motores, se prolongan sucesivamente los intervalos del cambio de aceite.

¿Qué es lo que carga especialmente a los cojinetes?

Las cargas superficiales específicas, especialmente de los cojinetes de biela y los cojinetes principales, han aumentado notablemente en los últimos años. En los motores con inyección directa diesel se tienen, por ejemplo, que controlar en los cojinetes presiones superficiales de hasta 120 N/mm2.

Los cojinetes convencionales de dos y de tres componentes, cuyas capas de rodamiento han sido aplicadas por galvanizado alcanzan aquí su límite. Los motores modernos necesitan por ello materiales de cojinetes con una resistencia a la fatiga claramente más alta y menores tasas de desgaste, especialmente en la zona de rozamiento mixto.

Al mismo tiempo se debe garantizar una resistencia frente a la corrosión, también con altas temperaturas.

Cojinetes macizos
Los cojinetes macizos están compuestos en su totalidad por metal antifricción, fabricado con aleaciones especiales.

Cojinetes de dos componentes
Los cojinetes de dos componentes se montan en motores sometidos a cargas bajas hasta medias. Dichos cojinetes constan de una capa protectora de acero, una capa intermedia y una capa de metal antifricción. Como metal antifricción se emplean principalmente aleaciones de aluminio.

Cojinetes de tres componentes
En los motores sometidos a cargas mayores se emplean principalmente cojinetes de tres componentes. Dichos cojinetes constan de una capa protectora de acero, una capa de rodamiento, una capa barrera y una capa de deslizamiento.

Los cojinetes tipo Sputter son una versión especial de los cojinetes de tres componentes que, gracias a un proceso de producción especial (sputtering), tienen una dureza y resistencia al desgaste claramente superiores.

¿Por qué el cojinete Sputter es la solución correcta?

Un cojinete Sputter es un cojinete de tres componentes, en que la capa de rodamiento no ha sido aplicada por galvanizado, sino por pulverización por rayos catódicos o Sputtering.

Dicho método de recubrimiento funciona sólo en un alto vacío. Con ayuda de alta tensión se arrancan partículas finísimas de un cátodo dispensador y se proyectan sobre la superficie de rodamiento del cojinete. El recubrimiento es de grano fino, finamente disperso y se adhiere extraordinariamente sobre el material de base.

Debido al fino tamaño del granulado, la capa así obtenida muestra una considerable dureza, un alto límite elástico y excelentes propiedades de desgaste.

¿Dónde se emplean los cojinetes sputter?

En los cojinetes sometidos a altas cargas, las parejas de cojinetes están siempre compuestas de un cojinete sputter y un cojinete convencional de tres componentes.

En el sitio sometido a una mayor carga, se emplea el cojinete sputter, en el otro lado, el cojinete de tres componentes que es más blando. En el cojinete de biela, por lo tanto, se monta el cojinete sputter en la dirección de la barra, el cojinete de tres componentes en dirección de la tapa del cojinete.

En el cojinete principal esto es justamente al revés. Aquí se coloca el cojinete sputter en la tapa del cojinete y el cojinete de tres componentes en dirección del bloque de motor.

¿Por qué se combinan siempre por pares los cojinetes sputter y los cojinetes de tres componentes?

Un motivo son los altos costes de fabricación del recubrimiento sputter. Allí donde sólo se dan cargas bajas, éstos no son necesarios y por ello no se montan. El segundo motivo es la extrema dureza del recubrimiento sputter, la cual no permite la captación de suciedades del aceite de motor. El cojinete de tres componentes más blando, sin embargo, aloja posibles partículas de suciedad en su capa de rodamiento galvanizada, haciéndolas con ello inofensivas para el motor.

Fuente: Mahle

Rolls Royce presenta un nuevo diseño para buques off-shore

Durante la exposición Norshipping 2009, llevada a cabo en Oslo, Rolls Royce presentó el buque UT 790 CD, un innovador diseño para ser utilizado en la exploración y producción offshore en aguas más alejadas y a profundidades mayores mientras que al mismo tiempo se ven mejoradas las condiciones de seguridad y se minimiza el impacto sobre el medioambiente”, declaró Svein Kleven, Gerente de Diseño Offshore de Rolls Royce.

El diseño del barco le permite que en lugar de montarse y navegar sobre las olas, las penetra, manteniendo constante la velocidad, sin importar el estado de mar.

Este diseño exclusivo de un casco perforador permite al barco marchar a una velocidad constante de servicio sin reparar en las condiciones del mar, lo que genera una reducción en el consumo de combustible y a su vez mejora la comodidad de la tripulación.

En casos extremos de altura de olas, el agua será visible en el castillo de proa mucho antes de que la situación se vuelva crítica, dándole al capitán el suficiente anticipo como para que pueda reducir la potencia para mantener un generoso margen de seguridad.

Esta tecnología ha probado la eliminación de los golpes, lo cual permite un andar tranquilo inclusive en condiciones meteorológicas extremas.

A velocidades de 14 nudos y en condiciones de tormentas violentas (olas de 9 metros de altura), las pruebas realizadas en los tanques de testeo demostraron que no existía agua sobre el nivel de la cubierta del castillo de proa.

El UT 790 CD presentado en Oslo es un barco de aguas profundas con uso de ancla. El barco cumple con todas las regulaciones existentes tales como el SOLAS 2009 y los códigos y regulaciones de las naves con propósitos especiales (Special Purpose Vessel)

Fuente: MARINELINK