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domingo, 9 de septiembre de 2012

ANALISIS CFD DEL MOTOR MARINO MAN 7S50MC

Los motores de dos tiempos diesel MAN B&W de la serie MC fueron introducidos a principios de la década de los años 80 del siglo pasado. Su principal aplicación es la propulsión de todo tipo de buques buques, de tamaños medios y grandes. Éstos motores también han sido empleados en aplicaciones terrestres, principalmente en plantas de producción de potencia eléctrica. 

Sección de un motor de dos tiempos lento MAN B&W


Una ventaja de los motores MAN B&W de la serie MC es que incorporan el barrido uniflujo, mucho más eficiente que el que empleaban los antiguos competidores que llevaban el barrido en lazo o transversal  (como eran  los Sulzer RND, MAN KSZ, entre otros). Otra ventaja es que su válvula de escape le proporciona una distribución de la carga asimétrica.

Los motores de dos tiempos en general presentan un inconveniente que tiene una gran influencia en el desarrollo de su ciclo de funcionamiento, este problema viene motivado por el hecho de tener que realizar las cuatro fases del ciclo de funcionamiento (expansión, escape, admisión y compresión) en una sola vuelta del cigüeñal, por tanto los periodos necesarios para cada una de las fases son necesariamente más cortos que en un motor de cuatro tiempos. De todas ellas, las etapas más críticas son el escape-admisión, que es cuando se renueva la carga dentro del cilindro, es por ello que en el diseño del motor es sumamente importante que dichas etapas se lleven a cabo de forma óptima, para que el motor pueda desarrollar buenas prestaciones.

Diagrama presión-volumen de un motor de dos tiempos.

El proceso de desplazamiento de los gases quemados fuera del cilindro, y el llenado con carga de aire fresco, recibe el nombre de “barrido”, y su adecuada realización tiene una influencia decisiva no solo en el consumo de combustible, sino también en la potencia y en la contaminación. 

En la siguiente figura se indica la circulación de aire (color rojo) y gases de escape (color azul). 

Esquema de barrido y renovación de la carga del motor MAN S50MC

Tal y como se puede observar en la figura anterior, el aire entrante se utiliza para expulsar fuera o barrer los gases de escape y mientras tanto llenar el espacio con aire fresco. Durante el proceso, una cantidad de aire externo es usado para limpiar el cilindro de gases de combustión. El aire entrante a presión dentro del cilindro se llama aire de barrido, y las lumbreras a través de los que entrase son llamadas lumbreras de admisión o de barrido. El barrido de los motores de dos tiempos se caracteriza por dos problemas típicos: las pérdidas por short-circuit y mixing. Short-circuit (cortocircuito) consiste en expulsar parte de la carga de aire fresco directamente al escape y Mixing (mezcla) consiste en que hay una pequeña cantidad de gases residuales que permanecen atrapados sin ser expulsados, los cuales se mezclan con parte de la carga de aire fresco. A fin de reducir estos problemas, el aire de barrido que entra dentro del cilindro a partir de las lumbreras de admisión debe estar perfectamente dirigido. 

La siguiente figura, obtenida mediante un análisis CFD, muestra la distribución de velocidades del flujo en el interior del cilindro durante la renovación de la carga.

Distribución de velocidades del flujo durante el barrido. Imagen obtenida con OpenFOAM.

Lumbreras de barrido del motor MAN B&W S50MC

En el motor estudiado, el aire fresco entre en el cilindro a través de las lumbreras de admisión situadas en la camisa del cilindro, los gases de escape se eliminan a través de una sola válvula de escape en la culata de cilindro. Con el sistema de barrido uniflujo, las pérdidas de cortocircuito son casi insignificantes, pero el problema de la sustitución completa de los gases quemados por la carga fresca es un parámetro importante para los ingenieros de diseño de motores. 

La principal dificultad para el diseño de un motor es que hay demasiadas variables involucradas: geometría de la cabeza del pistón, y diseño de lumbreras de admisión y escape, tiempos de apertura y cierre de lumbreras, relación de compresión, la composición del combustible, y presiones de aire de barrido y de escape, entre otros. Un estudio detallado es necesario para abarcar todos estos factores. Aunque hoy en día existe una amplia gama de sofisticadas técnicas experimentales para estudiar los motores, la Mecánica de Fluidos Computacional (CFD) ofrece una herramienta alternativa para examinar el proceso de barrido y renovación de la carga en motores de dos tiempos (y también de cuatro tiempos). 

El análisis CFD proporciona información completa sobre el fenómeno en el interior del cilindro y la influencia de multitud de factores. En el campo de los motores marinos medianas y grandes, el análisis CFD es especialmente útil porque un prototipo experimental es extremadamente costoso y la construcción de un modelo a escala a veces no es suficientemente preciso. 

La siguiente figura muestra las fracciones másicas de gases de escape (color azul) y aire (color rojo) para un recorrido desde 90º hasta 270º de ángulo de cigüeñal.

Evolución de las fracciones másicas de aire y gases durante el barrido, análisis CFD realizado con OpenFOAM

El motor MAN B&W 7S50MC cuenta con 7 cilindros en línea, con un diámetro de cilindro de 500 mm y una carrera de 1910 mm, suma una cilindrada total de 375 litros y desarrolla una potencia máxima de 9.988 kW a 127 rpm. Cada cilindro posee en su parte baja 16 lumbreras de admisión y en la culata posee una gran válvula de escape para permitir la exhaustación de los gases quemados. 

Parámetro
Valor
Tipo de motor
Diesel, dos tiempos
Sistema de barrido
Uniflujo
Sobrealimentación
Turbocompresor
Cilindrada (cm3)
375.028
Diámetro (cm)
500
Carrera (cm)
1910
Presión media efectiva (bar)
19
Velocidad (rpm)
127
Número de cilindros
7
Potencia (kW)
9988



Para llevar a cabo el estudio CFD se ha utilizado el sowftware libre OpenFOAM porque al ser un código abierto permite una completa manipulación de las ecuaciones gobernantes. Lo cual es indispensable para llevar a cabo este tipo de análisis de un motor real por ser necesario ajustar multitud de parámetros que definen de forma precisa el funcionamiento del motor, lo cual además sería muy complicado de llevar a cabo con otro tipo de programas comerciales.

Para conocer con más detalle la realización de un estudio CFD del sistema de barrido de un motor de dos tiempos lento les recomendamos que lean el artículo “Computational Fluid Dynamics Analysis of theScavenging Process in the MAN B&W 7S50MC Two-Stroke Marine Diesel Engine” publicado en la prestigiosa revista norteamericana Journal of Ship Research, una de las publicaciones con mayor factor de impacto del mundo en su sector, con una clasificación tipo A según la base de datos JCR (Journal Citation Reports).

Los resultados obtenidos con CFD se muestran en el siguiente vídeo:





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Referencias:

[1] MAN Diesel & Turbo - HOMEPAGE

[5Grupo de Innovaciones Mariñas de la Universidad de La Coruña

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