turbo sobrealimentadores de abb, hitos históricos · 2018-05-09 · escape para aviones en francia...

Turbo sobrealimentadores de ABB, hitos históricosMalcom Summers

Los turbo sobrealimentadores de gases de escape de ABB funcionan a plena marcha en todo el planeta, desde los océanos hasta las alturas del Himalaya, desde el gélido Ártico hasta el cálido interior australiano. Una idea que nació hace un siglo se ha con-vertido en un producto de alta tecnología, sumamente eficiente y fiable.

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Turbo sobrealimentadores de ABB, hitos históricos

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Como muchas otras ideas innova-doras anteriores y posteriores, el

turbo sobrealimentador de gases de escape, anuncio al mundo en 1905, progresó lentamente al principio. En una patente presentada ese año, el in-geniero suizo Alfred Buechi 1 descri-bía un “motor de excitación mixta, al-tamente sobrealimentado“, que incluía un motor diesel, un compresor axial y una turbina axial montada sobre un árbol común. Mientras Buechi perfec-cionaba su idea, otros inventores em-pezaban a tener éxito en otros lugares con sobrealimentadores mecánicos. Pero Buechi también tenía competido-res directos, que seguían la misma línea. En 1920 se utilizaban pequeños turbo sobrealimentadores de gases de escape para aviones en Francia y Esta-

dos Unidos. Los turbo sobrealimenta-dores de gran potencia aún no consi-deraban económicamente viables.

El progreso en marchaLas cosas cambiaron en 1923 cuando en Alemania se publicó un informe sobre ensayos de sobrealimentación a baja presión realizados con éxito en un motor diesel de cuatro tiempos. Brown Boveri, una de las dos compa-ñías fundadoras de ABB, decidió en-tonces aplicar sus amplios conoci-mientos técnicos a la construcción de turbinas y compresores para el desa-rrollo de turbo sobrealimentadores.Ese mismo año, Swiss Locomotive and Machine Works (SLM) tenía en prue-bas un motor experimental de dos tiempos que deseaba llevar a un nivel de potencia superior consumiendo menos combustible. Brown Boveri recomendó utilizar un turbo sobreali-mentador de gases de escape para ali-mentar los soplantes de barrido; poco después, SLM encargó una máquina de ese tipo. En junio de 1924 salía de la fábrica de Brown Boveri en Baden el VT402, el primer turbo sobreali-mentador de gases de escape de gran potencia construido en el mundo 2 . El sector marítimo también estaba muy interesado. Un año antes, en 1923, el astillero alemán Vulkan había encargado dos grandes buques de pa-sajeros, cada uno de los cuales debía ser movido por 2 motores MAN so-brealimentados, de cuatro 4 tiempos y 10 cilindros. Buechi supervisó el di-seño y la construcción de los turbo sobrealimentadores. Botados en 1926, estos dos barcos fueron los primeros

de la historia marítima en tener moto-res turbo sobrealimentados.

El “Sindicato Buechi“En 1925, Buechi sacó en nombre pro-pio una nueva patente que le daría fama mundial. La pormenorización de las ventajas de la operación pulsátil para la sobrealimentación a baja pre-sión era el avance tecnológico que todo el mundo había estado esperan-do. Un año después se creó una nue-va compañía, popularmente conocida como el “Sindicato Buechi“1). Buechi se encargó de la ingeniería y de las relaciones con los clientes, Brown Boveri construiría los turbo sobreali-mentadores y SLM proporcionaría los motores diesel para ensayos y mar-chas de prueba. En 1927 se entregó a SLM turbo so-brealimentador mejor y de mayores dimensiones, el denominado VT592, para un segundo motor experimental. Los resultados fueron impresionantes. Se firmaron diversos contratos de licencia entre el sindicato y varios im-portantes fabricantes de motores. Por aquél entonces se realizaron las prime-ras marchas de prueba en locomotoras diesel-eléctricas 3 . Los turbo sobrealimentadores también eran reco-mendables para hacer más económico el funcionamiento de centrales eléctri-cas con motores diesel estacionarios.En 1932 se formularon especificacio-nes para un rango estandarizado de turbo sobrealimentadores. Se determi-naron nueve tamaños, correspondien-

1 Alfred Buechi. Su patente de 1905 es reco-nocida como el punto de partida para la tur-bo sobrealimentación de gases de escape.

2 El primer turbo sobrealimentador del mundo para un motor diesel de gran potencia, entregado en 1924

3 Este motor ALCO de 8 cilindros y 900 CV fue típico de las máquinas sobrealimentadas por Brown Boveri a finales de los años treinta (aquí con un Vox 350).

Nota1) El sindicato fue disuelto en 1941.

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tes a diámetros de compresores de 110 a 750 mm. El amplio uso de módulos y de gran número de piezas estándar permitió establecer una enor-me gama de motores. Entre otras características, el diseño incluía coji-netes de bolas de montaje externo, que simplificaban enormemente el tra-bajo de mantenimiento.

Lanzamiento del VTR..0A partir de 1940, Brown Boveri desa-rrolló una nueva gama de turbo so-brealimentadores llamados VTR, que incluían un compresor de flujo radial abierto (de aquí la R) y un rotor lige-ro, cojinetes de rodillos externos de montaje flexible y un sistema autolu-bricante. La estandarización de com-ponentes hizo posible la producción a gran escala. La introducción en el mercado de la serie VTR..0 en 1945 es un importante hito en la historia de los turbo sobrealimentadores BBC/ABB. Con una eficiencia del compre-sor del 75 % para una relación de pre-sión de 2, la serie era sólo el anuncio de lo que estaba por venir, pero el VTR..0 marcó el comienzo de una nueva era 4 .

Marcha triunfal de la turbo sobrealimentaciónDurante el período de 1945 a 1960 se duplicó la flota mercante mundial, lo que significó el triunfo definitivo de la turbo sobrealimentación. Las presio-nes de sobrealimentación aumentaron lentamente pero sin cesar durante este

período. Los turbo sobrealimentadores VTR originales podían ir equipados con un compresor de baja o de alta presión, pero este último presentaba obstáculos debido a un flujo volumé-trico restringido. El desarrollo de com-presores durante los años siguientes eliminaría esta desventaja, impulsando progresivamente la relación de pre-sión a plena carga hacia un valor 3. En los primeros años de la década de los cincuenta, el incesante perfeccio-namiento de la tecnología de turbo sobrealimentación había preparado el camino para el siguiente salto adelan-te. En octubre de 1952 fue botado el petrolero Dorthe Maersk, de 18.000 toneladas. Construido por los astille-ros daneses A. P. Møller, fue el primer barco movido por motor diesel de dos tiempos turbo sobrealimentado (B&W, de 6 cilindros). Dos turbo sobreali-mentadores VTR630 de montaje lateral elevaron la potencia del motor de 5.530 a 8.000 CV. El Dorthe Maersk fue el primer hito de la turbo sobreali-mentación marítima de dos tiempos.Durante este período se colaboró es-trechamente con varios constructores de motores, evidenciándose una vez más la importancia de la relación en-tre el fabricante original de motores y el proveedor de los turbo sobreali-mentadores. Era necesario la nueva tecnología y aclarar cómo se podía aprovechar mejor la energía del gas de escape en la operación pulsátil y especialmente cómo había que dise-ñar los tubos de escape.

A partir de 1955, Brown Boveri firmó varios importantes contratos de licen-cia, uno de ellos muy especial: en 1958 se concedió una licencia a Ishikawajima-Harima Heavy Industries (IHI, Japón) para la fabricación de turbo sobrealimentadores BBC/ABB. IHI, que por aquel entonces construía motores bajo licencia de Sulzer, conti-nuó extendiéndose por toda Asia, ase-gurando sí una posición dominante para turbo sobrealimentadores de ABB en esa región.

La construcción naval estaba en su nivel más alto, los precios del crudo eran bajos y los costes de combustible resultaban insignificantes. La industria del motor diesel estaba en auge. El VTR..0 estaba en su apogeo, con una eficiencia general del turbo sobreali-mentador en torno al 56 %. Los moto-res con turbo sobrealimentadores BBC/ABB batían una y otra vez ré-cords de potencia y eficiencia.

Introducción del VTR..1Los años cincuenta y sesenta del pasa-do siglo fueron testigos del desarrollo de nuevos compresores, más eficien-tes y con mayores relaciones de pre-sión, así como mayores caudales de paso. Se mejoró el diseño de los coji-netes y se reforzaron los montajes. En 1970 se introdujeron compresores con un caudal de paso aún mayor y se amplió la carcasa de salida de gas. También se reformó la entrada de la turbina.


4 Progreso de la tecnología de turbo sobrealimentadores de 1924 a 1945. Diseñados para el mismo tamaño de motor, el modelo VTR320 más compacto, a la izquierda, consigue una presión de sobrealimentación mucho más alta que el VT402, el modelo precedente.

5 Motor diesel Sulzer 9 RLA90, de dos tiempos y 32.400 CV, con tres turbo sobrealimentado-res VTR714, fabricado por IHI (Tokio)



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En 1971, todas estas mejoras se incorporaron a una nueva serie, denominada VTR..1. A partir de entonces, Brown Boveri ofrecía turbo sobreali-mentadores con una eficien-cia general de casi el 60 % pa-ra una gran variedad de apli-caciones. Hasta entonces la eficiencia había aumentado de forma continua, pero len-ta. Éste era el primer gran salto.

VTR..4, un nuevo saltoA mediados de los años se-tenta, la serie VTR..1 había explotado plenamente el con-cepto VTR original. En los ta-bleros de dibujo se estudiaba una nueva serie de turbo sobrealimentado-res con componentes diseñados com-pletamente desde cero. Después de las pruebas de prototipos, el VTR..4 fue presentado a la prensa comercial a finales de 1978 y lanzado al merca-do el año siguiente. Libre de las limi-taciones propias del primer VTR, ele-vó la eficiencia en un cinco por ciento e incluso más, y aumentó la relación máxima de presión del compresor a más de 4. Por aquel entonces, el VTR..4 contribuyó al espectacular au-mento de eficiencia térmica a plena carga de los motores de gran poten-cia, pasando del 38–40% a valores máximos del 44–46% 5 .La necesidad de una versión compacta con el mayor número posible de com-ponentes del turbo sobrealimentador VTR..4 fue satisfecha en 1980 con el VTC..4. Esta versión abría nuevas oportunidades en el mercado estado-

unidense y fue desplegada con exce-lentes resultados en locomotoras en la India y más tarde también en China. Más tarde, las cambiantes condiciones del mercado hicieron necesario desa-rrollar una versión del VTR..4 sin refri-geración.Otro avance tecnológico se produjo en 1985 con el RR..1 6 . Proyectado principalmente para motores de 4 tiempos de alta velocidad, el RR..1 es-tableció nuevos niveles de eficiencia para pequeños turbo sobrealimenta-dores, un área de negocio en la que Brown Boveri había entrado seriamen-te en 1968 con el RR150.

Durante los años siguientes, el RR..1 contribuyó a la popularidad del motor de alta velocidad en aplicaciones que abarcan desde grupos electrógenos de emergencia a vehículos todo terreno, pasando por la propulsión marítima. Diseñado para un rango de potencias

de motores de unos 500 a 1.800 kW, puede atribuírsele también el mérito por el am-plio uso de turbo sobreali-mentadores en motores de gas en Europa y Estados Unidos.

Mientras tanto, también esta-ba en curso un nuevo desa-rrollo del turbo sobrealimen-tador VTR..4: en 1989 se consiguieron eficiencias máximas cercanas al 75 % con el VTR..4E y en 1991, con el VTR..4P, se alcanza-ron relaciones de presión superiores a 4.

El salto de la generación TPS/TPLEn 1989, después de la fusión de ASEA y BBC para constituir ABB, se creó ABB Turbo Systems Ltd para diri-gir el negocio de turbo sobrealimenta-dores del nuevo grupo. El cambio de nombre coincidió con otro desarrollo: estudios de mercado realizados a me-diados de los años ochenta indicaban la necesidad de nuevos turbo sobrea-limentadores de referencia en las áreas principales de negocio. La in-dustria de construcción de motores se estaba consolidando. Menos compa-ñías, pero más fuertes e innovadoras, estaban desarrollando nuevas genera-ciones de motores diesel y de gas. Unos turbo sobrealimentadores más eficientes, capaces de conseguir mayores relaciones de presión y mayores caudales, eran esenciales para estos motores. A principios de los años noventa, ABB empezó a desarrollar una nueva gene-

7 Los buques portacontenedores constituyen un importante segmento de mercado para los turbo sobrealimentadores ABB de mayor potencia.

6 Turbo sobrealimentador RR..1 con turbina de flujo mixto y rueda de compresor con paletas de barrido inverso

Tasa de presión del compresor

1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 πC [-]

ηTC [%]

65

60

55

50Efic

ienc

ia d

el t

urbo

carg

ador

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ración de turbo sobrealimentadores compactos y más ligeros, de alto ren-dimiento, como sucesores de los modelos VTR, VTC y RR. Dos nuevas familias, la TPS y la TPL, fueron total-mente rediseñadas.

Debut del TPSDesde la comercialización de los pri-meros turbo sobrealimentadores en 1968, el mercado de motores diesel y de gas, de alta y media velocidad, ha ido cambiando rápidamente. Así pues, ABB empezó a desarrollar una genera-ción completamente nueva de peque-ños turbo sobrealimentadores, con cuatro tamaños de carcasa, para aten-der las necesidades previsibles de este sector. Se desarrollaron inicialmente dos compresores, consiguiendo rela-ciones de presión de hasta 4,5 y efi-ciencias máximas superiores al 84 %. Diversos avances en el sector de los motores diesel y de gas dieron origen, también a mediados de los noventa, a una versión del TPS con geometría de turbina variable (VTG). Un turbo so-brealimentador “ajustable“ parecía la solución ideal para motores diesel con los sistemas de escape de conducto único, cada vez más extendidos, así como para motores de gas, que exi-gen un control preciso de la relación aire-combustible, la llamada “regula-ción lambda“.

Lanzamiento del TPLLa familia de turbo sobrealimentado-res TPL fue desarrollada para grandes y modernos motores diesel y de gas, con potencias de 2.500 kW en adelan-te. Para esta gama, los ingenieros de ABB diseñaron nuevas turbinas axia-

les, un nuevo e innovador montaje de cojinetes y dos nuevas etapas de com-presores centrífugos. El primero de los turbo sobrealimen-tadores TPL de nueva generación que se comercializó fue el TPL..-A. Desa-rrollado para motores diesel y de gas de cuatro tiempos en el rango de potencias de 2.500 a 12.500 kW, tuvo un éxito abrumador poco después de su lanzamiento comercial en 1996. Cinco tamaños de carcasa cubren los requisitos de aplicaciones que abarcan desde motores marinos principales y auxiliares hasta centrales eléctricas de motores diesel y de gas estacionarios. Tres años después, ABB lanzaba el primero de sus turbo sobrealimenta-dores TPL..-B, desarrollados princi-palmente para los grandes motores marinos diesel de dos tiempos, con una potencia nominal de 5.000 a 25.000 kW (por turbo sobrealimenta-dor), construidos para grandes buques transatlánticos 7 .

Inicialmente, se consideró que 4 tama-ños de carcasa eran suficientes para satisfacer la demanda del mercado a medio plazo. Sin embargo, más tarde se decidió desarrollar un quinto turbo sobrealimentador aún más potente (TPL91) para tener en cuenta los pla-nes de los constructores navales, que querían construir buques portaconte-nedores “post-Panamax“ todavía ma-yores. Una vez más, los ingenieros de ABB tuvieron que dar lo mejor de sí mismos: tenían que diseñar un turbo sobrealimentador para motores con potencias de salida de más de 100.000 caballos al freno que, sin embargo, debía ser compacto. Esto se consiguió

diseñando un nuevo rotor, más corto, y una nueva turbina y difusor de pre-sión constante. El montaje del motor se hizo también más sencillo mediante un depósito de aceite integrado 8 .

Nuevo turbo sobrealimentador para el mercado de tracciónEl TPL fue también la base para el TPR, un nuevo turbo sobrealimenta-dor para vehículos ferroviarios lanza-do por ABB en 2002. Diseñado espe-cíficamente para satisfacer la demanda de una potencia y robustez extraordi-narias, además de un mejor comporta-miento medioambiental en aplicacio-nes de tracción, incluye una turbina integral de alta eficiencia, una cubier-ta mejorada de admisión de gas, de entrada única, y una singular fijación de apoyo.

La relación de presión aumenta una vez másLa tendencia permanente del desarro-llo de motores hacia una mayor po-tencia específica está acompañada hoy día por una urgente necesidad de reducir emisiones, lo que ha llevado a que la mayoría de los motores más modernos incorporen alguna versión del llamado ciclo de Miller2). Para éstos y otro motores avanzados del

9 Turbo sobrealimentador TPS..-F8 Conjunto del turbo sobrealimentador TPL91-B

Nota2) El principio básico subyacente en el proceso Miller

es que la carrera de compresión efectiva puede

hacerse más corta que la carrera de expansión

desplazando adecuadamente la sincronización de

la válvula de entrada. Si se mantienen constantes la

potencia del motor y la presión de sobrealiment-

ación, esto reducirá el llenado de los cilindros y ba-

jará la presión y la temperatura en ellos, reduciendo

en consecuencia las emisiones.

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futuro, ABB ha desarrollado la familia TPS..-F 9 . Tres nuevas series cubren el rango de potencias de motores de 500 a 3.300 kW y consiguen relacio-nes de presión a plena carga de hasta 5,2 con una rueda de compresor de aleación de aluminio.

El TPS..-F fue también el primer turbo sobrealimentador de ABB en integrar la tecnología de recirculación: una canalización de purga en torno a la rueda del compresor que, al mejorar el campo de flujo, aumenta el margen de sobrecarga. El efecto de esta cana-lización es ampliar la anchura del mapa sin comprometer la elevada efi-ciencia del compresor.

Un turbo sobrealimentador para motores avanzados de cuatro tiemposEl nuevo milenio ha visto al mercado de motores de cuatro tiempos seguir solicitando insistentemente más po-tencia y menos emisiones. Por consi-guiente, ABB decidió utilizar la plata-forma modular del TPL para introducir nuevos componentes y tecnologías innovadoras en una nueva serie, la TPL..-C, que abastece especialmente a este mercado de futuro 10. Desarrollado para motores avanzados diesel y de gas de cuatro tiempos, de media velocidad, en el rango de po-tencias de 3.000 a 10.000 kW (por turbo sobrealimentador), el TPL..-C ofrece dos turbinas diferentes: una para sistemas de presión casi constan-te y de carga de impulsos, y otra es-pecíficamente para sistemas de pre-sión casi constante. Una característica innovadora del compresor es la refri-geración opcional por aire, que am-plía el campo de aplicación para rue-das de aleación de aluminio, ofrecien-do a los usuarios una alternativa eco-nómica a las ruedas motrices de tita-nio cuando se requieren relaciones de presión muy altas.

Un siglo de progresoDurante los 100 años transcurridos desde la patente de Buechi de 19053), el turbo sobrealimentador de gases de escape ha sido indispensable para la industria de motores diesel y de gas. La inversión en investigación y desa-rrollo a lo largo de las décadas ha traído avances excepcionales en tec-nología y diseño. Así lo documenta el progreso, demandado y conseguido,

en el rendimiento del turbo sobreali-mentador a lo largo de los años 11. La continua mejora de eficiencia de los turbo sobrealimentadores y moto-res siempre ha dependido de la estre-cha cooperación entre ABB y los prin-cipales constructores de motores. Esta cooperación establece los objetivos de desarrollo y con toda probabilidad se hará más y más estrecha a medida que crezcan las exigencias al “sistema de turbo sobrealimentación“ y no sim-plemente al turbo sobrealimentador como componente. Los turbo sobrealimentadores TPS y TPL de ABB, de avanzada tecnología, son dignos sucesores de las series VTR y RR, que tan buenos resultados han dado. Con un mercado que sigue exigiendo mayores presiones de so-brealimentación y más eficiencias, en buena parte por su contribución a reducir las emisiones de los motores, el futuro pertenece a los turbo sobrea-limentadores que combinan estas cua-lidades con un rendimiento máximo y con largos períodos de tiempo entre revisiones.

Malcolm Summers

ABB Turbo Systems Ltd.

Baden, Suiza

[email protected]

Nota3) Si desea leer la historia completa del turbo sobreali-

mentador BBC/ABB, lea la edición del centenario

de la Revista Turbo, nº 2/2005, publicada por ABB

Turbo Systems.



Cuadro La turbo sobrealimentación sobrealimentación

La potencia de un motor de combustión

interna está determinada por la cantidad de

aire y combustible que puede comprimirse

en sus cilindros y por la velocidad del mo-

tor. Los turbo sobrealimentadores suminis-

tran al motor aire a alta presión, forzando

que en los cilindros entre más aire dis-

ponible para la combustión.

El gas de escape del motor, a unos 600°C

de temperatura, es dirigido a alta velocidad

a las paletas de una turbina que impulsa la

rueda de un compresor montada en el mis-

mo eje. Al girar, la rueda aspira aire a través

de un filtro-silenciador, lo comprime y lo

envía por un postenfriador al depósito de

aire, desde donde pasa a los cilindros.

10 El turbo sobrealimentador TPL76..-C ha sido desarrollado para motores avanzados de cuatro tiempos.

11 Progreso en el rendimiento de los compresores para turbo sobrealimen-tadores ABB desde 1960 (plena carga, con compresor de aluminio)

Flujo volumétrico

Rel

ació

n de

pre

sión

del

com

pres

or

1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 7.00 V298 [m3/s]

πC [-]

5.5

5.0

4.5

4.0

3.5

3.0

2.5

2.0

1.5

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