Un banco de flujo de aire es un dispositivo utilizado para probar las cualidades aerodinámicas internas de un componente del motor y está relacionado con el más conocido túnel de viento .
Se utiliza principalmente para probar los puertos de admisión y escape de las culatas de los motores de combustión interna . También se utiliza para probar las capacidades de flujo de cualquier componente, como filtros de aire , carburadores , colectores o cualquier otra pieza que se requiera para el flujo de gas. Un banco de flujo es una de las herramientas principales de los fabricantes de motores de alto rendimiento, y la determinación de los puertos de las culatas sería estrictamente un éxito o un fracaso sin él.
Un banco de flujo consta de una bomba de aire de algún tipo, un elemento de medición , instrumentos de medición de presión y temperatura como manómetros y varios controles. La pieza de prueba está conectada en serie con la bomba y el elemento de medición y se bombea aire a través de todo el sistema. Por lo tanto, todo el aire que pasa a través del elemento de medición también pasa a través de la pieza de prueba. Debido a que se conoce el caudal volumétrico a través del elemento de medición y el flujo a través de la pieza de prueba es el mismo, también se conoce. El caudal másico se puede calcular utilizando los datos conocidos de presión y temperatura para calcular las densidades del aire y multiplicando por el caudal volumétrico.
La bomba de aire utilizada debe ser capaz de suministrar el volumen requerido a la presión requerida. La mayoría de las pruebas de flujo se realizan a 10 y 28 pulgadas de presión de agua (2,5 a 7 kilopascales ). Aunque otras presiones de prueba funcionarán, los resultados tendrían que convertirse para compararlos con el trabajo de otros. La presión desarrollada debe tener en cuenta la presión de prueba más la pérdida a través del elemento dosificador más todas las demás pérdidas del sistema. Cuanto mayor sea la precisión del elemento dosificador, mayor será la pérdida. Un volumen de flujo de entre 100 y 600 pies cúbicos por minuto (0,05 a 0,28 m³/s ) serviría para casi todas las aplicaciones, dependiendo del tamaño del motor bajo prueba.
Se puede utilizar cualquier tipo de bomba que pueda proporcionar la diferencia de presión y el volumen de flujo requeridos. El más utilizado es el compresor de tipo centrífugo de compresión dinámica , que es familiar para la mayoría por usarse en aspiradoras y turbocompresores , pero los tipos de compresores de flujo axial de múltiples etapas , similares a los que se usan en la mayoría de los motores a reacción , también podrían funcionar, aunque no habría necesidad de los costos adicionales y las complejidades involucradas, ya que generalmente no requieren un caudal tan alto como un motor a reacción, ni están limitados por las consideraciones de resistencia aerodinámica que hacen que un compresor axial de diámetro estrecho sea más efectivo en motores a reacción que un compresor centrífugo de flujo de aire igual. También se podrían usar tipos de desplazamiento positivo, como compresores de pistón , o tipos rotativos, como un soplador Roots , con disposiciones adecuadas para amortiguar las pulsaciones en el flujo de aire (sin embargo, otros tipos rotativos, como los compresores de tornillo doble , son capaces de proporcionar un suministro constante de fluido comprimido). La relación de presión de una sola paleta de ventilador es demasiado baja y no se puede usar.
Existen varios tipos posibles de elementos de medición en uso. Los bancos de flujo generalmente utilizan uno de tres tipos: placa de orificio , medidor Venturi y tubo de Pitot/estático , todos los cuales ofrecen una precisión similar. La mayoría de las máquinas comerciales utilizan placas de orificio debido a su construcción simple y la facilidad de proporcionar múltiples rangos de flujo. Aunque el Venturi ofrece mejoras sustanciales en la eficiencia, su costo es más alto.
Las condiciones del flujo de aire se deben medir en dos lugares, a lo largo de la pieza de prueba y a lo largo del elemento de medición. La diferencia de presión a lo largo de la pieza de prueba permite la estandarización de las pruebas de una a otra. La presión a lo largo del elemento de medición permite calcular el flujo real a través de todo el sistema.
La presión a través de la pieza de prueba se mide normalmente con un manómetro de tubo en U , mientras que, para una mayor sensibilidad y precisión, la diferencia de presión a través del elemento de medición se mide con un manómetro inclinado. Un extremo de cada manómetro está conectado a su respectiva cámara de distribución, mientras que el otro está abierto a la atmósfera.
Normalmente, todos los manómetros de banco de flujo miden en pulgadas de agua, aunque la escala del manómetro inclinado generalmente se reemplaza con una escala logarítmica que lee en porcentaje del flujo total del elemento de medición seleccionado, lo que hace que el cálculo del flujo sea más simple.
También se debe tener en cuenta la temperatura, ya que la bomba de aire calentará el aire que pasa a través de ella, lo que hará que el aire que fluye a través de ella sea menos denso y más viscoso. Esta diferencia se debe corregir. La temperatura se mide en la cámara de distribución de la pieza de prueba y en la cámara de distribución del elemento dosificador. Luego, se aplican factores de corrección durante los cálculos de flujo. Algunos diseños de bancos de flujo colocan la bomba de aire después del elemento dosificador para que el calentamiento por la bomba de aire no sea una preocupación tan grande.
Se pueden instalar manómetros adicionales para utilizar con sondas manuales, que se utilizan para explorar las condiciones de flujo local en el puerto.
El banco de caudal de aire puede proporcionar una gran cantidad de datos sobre las características de una culata o de cualquier pieza que se esté probando. El resultado de mayor interés es el caudal volumétrico. Es el volumen de aire que fluye a través del puerto en un tiempo determinado. Se expresa en pies cúbicos por minuto o metros cúbicos por segundo/minuto.
La elevación de la válvula se puede expresar como una dimensión real en pulgadas decimales o mm. También se puede especificar como una relación entre un diámetro característico y la elevación L / D. El más utilizado es el diámetro de la cabeza de la válvula. Normalmente, los motores tienen una relación L / D de 0 hasta un máximo de 0,35. Por ejemplo, una válvula de 1 pulgada de diámetro (25 mm) se elevaría un máximo de 0,350 pulgadas. Durante la prueba de flujo, la válvula se ajustaría a L / D 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 y las lecturas se tomarían sucesivamente. Esto permite la comparación de las eficiencias de los puertos con otros tamaños de válvulas, ya que la elevación de la válvula es proporcional en lugar de absoluta. Para la comparación con pruebas realizadas por otros, el diámetro característico utilizado para determinar la elevación debe ser el mismo.
Los coeficientes de flujo se determinan comparando el flujo real de una pieza de prueba con el flujo teórico de un orificio perfecto de igual área. Por lo tanto, el coeficiente de flujo debe ser una medida aproximada de la eficiencia. No puede ser exacto porque la relación L / D no indica el tamaño mínimo real del conducto.
Un orificio con un coeficiente de flujo de 0,59 haría fluir la misma cantidad de fluido que un orificio perfecto con el 59% de su área o el 59% del flujo de un orificio perfecto con la misma área (las placas de orificio del tipo mostrado tendrían un coeficiente de entre 0,58 y 0,62 dependiendo de los detalles precisos de construcción y la instalación circundante). [1]
El coeficiente de válvula/puerto no es dimensional y se obtiene multiplicando un área física característica del puerto por las cifras de flujo a granel y comparando el resultado con un orificio ideal de la misma área. Es aquí donde las normas de banco de flujo de aire difieren de la dinámica de fluidos o la aerodinámica en general. El coeficiente puede basarse en el diámetro interior del asiento de la válvula, el diámetro exterior de la cabeza de la válvula, el área de la garganta del puerto o el área de cortina abierta de la válvula. Cada uno de estos métodos es válido para algún propósito, pero ninguno de ellos representa el área mínima real para la válvula/puerto en cuestión y cada uno da como resultado un coeficiente de flujo diferente. La gran dificultad de medir el área mínima real en todas las diversas elevaciones de válvula impide usar esto como una medición característica. Esto se debe a que el área mínima cambia de forma y ubicación a lo largo del ciclo de elevación. Debido a esta falta de estandarización, los coeficientes de flujo del puerto no son coeficientes de flujo "reales", que se basarían en el área mínima real en la trayectoria del flujo. El método que se elija depende del uso que se pretenda dar a los datos. Cada aplicación de simulación de motores requiere su propia especificación. Si el resultado se va a comparar con el trabajo de otros, entonces se deberá seleccionar el mismo método.
Mediante el uso de instrumentación adicional (manómetros y sondas), se puede trazar un mapa detallado del flujo a través del puerto midiendo varios puntos dentro del puerto con sondas. Con estas herramientas, se puede trazar un mapa del perfil de velocidad en todo el puerto, lo que brinda información sobre lo que está haciendo el puerto y qué se podría hacer para mejorarlo.
El caudal másico por minuto o segundo es de menor interés, ya que la prueba no se realiza con un motor en funcionamiento, que se vería afectado por ella. Es el peso del aire que fluye a través del puerto en un tiempo determinado. Se expresa en libras por minuto/hora o kilogramos por segundo/minuto. El caudal másico se deriva del resultado del caudal volumétrico al que se aplica una corrección de densidad.
Con la información recopilada en el banco de flujo, se puede estimar de manera aproximada la curva de potencia del motor y la dinámica del sistema mediante la aplicación de varias fórmulas. Sin embargo, con la llegada de un software de simulación de motores preciso, resulta mucho más útil utilizar datos de flujo para crear un modelo de motor para un simulador.
La determinación de la velocidad del aire es una parte útil de las pruebas de flujo. Para un flujo incompresible (por debajo de 230 ft/s o 70 m/s, esta ecuación arroja un error inferior al 1 % correspondiente a una presión de prueba de 12" de agua o 306 mm de agua), se calcula de la siguiente manera:
Para un conjunto de unidades inglesas
Dónde:
Para unidades SI
Dónde:
Esto representa la velocidad más alta del aire en la trayectoria de flujo de un puerto de forma normal, en o cerca de la sección de área mínima ( a través del asiento de la válvula a valores bajos de L/D, por ejemplo ). Esto no se aplicaría a otras formas, como un tubo Venturi, donde la velocidad local en la garganta puede ser mucho mayor que la indicada por la caída de presión en todo el sistema. (Cuando se utiliza un tubo de Pitot para medir velocidades (adiabáticas) superiores a 230 ft/s o 70 m/s, el error debido a la compresibilidad aumenta progresivamente con esta fórmula desde el 1 % hasta aproximadamente el 26 % a Mach 1)
Una vez calculada la velocidad, se puede calcular el volumen multiplicando la velocidad por el área del orificio por su coeficiente de flujo.
Un banco de caudal puede proporcionar datos de caudal que guardan una estrecha relación, aunque no perfecta, con el rendimiento real del motor. Hay una serie de factores limitantes que contribuyen a la discrepancia.
En un banco de flujo se prueban los puertos bajo una diferencia de presión constante, mientras que en el motor real la diferencia de presión varía ampliamente durante todo el ciclo. Las condiciones de flujo exactas que existen en la prueba del banco de flujo solo existen fugazmente, si es que existen, en un motor en funcionamiento real. Los motores en funcionamiento hacen que el aire fluya en fuertes ondas en lugar de la corriente constante del banco de flujo. Esta aceleración/desaceleración de la columna de combustible/aire provoca efectos que no se tienen en cuenta en las pruebas del banco de flujo.
Este gráfico, generado con un programa de simulación de motores, muestra cuán ampliamente varían las presiones en un motor en funcionamiento en comparación con la presión de prueba constante del banco de flujo.
( Tenga en cuenta , en el gráfico, que, en este caso, cuando se abre la válvula de admisión, la presión del cilindro es superior a la atmosférica (casi un 50 % superior o 1,5 bar o 150 kPa). Esto provocará un flujo inverso hacia el puerto de admisión hasta que la presión en el cilindro caiga por debajo de la presión del puerto).
El coeficiente del puerto puede cambiar un poco en diferentes diferenciales de presión debido a cambios en el régimen del número de Reynolds que conducen a una posible pérdida de similitud dinámica . La presión de prueba del banco de flujo se realiza normalmente a 10 a 28 pulgadas de agua (2,5 a 7 kPa), mientras que un motor real puede tener una diferencia de presión de 190 pulgadas de agua (47 kPa).
Las pruebas de flujo en banco utilizan solo aire, mientras que un motor real normalmente utiliza aire mezclado con gotitas de combustible y vapor de combustible, lo que es significativamente diferente. El combustible que se evapora al pasar por el conducto de admisión tiene el efecto de agregar gas y reducir la temperatura de la corriente de aire a lo largo del conducto y dar como resultado un caudal de salida ligeramente superior al caudal que ingresa al conducto de admisión. Un conducto por el que fluye bien el aire seco puede hacer que las gotitas de combustible se salgan de la suspensión, lo que provoca una pérdida de potencia que no se indica únicamente con las cifras de caudal.
Los puertos y válvulas de gran tamaño pueden mostrar caudales elevados en un banco de flujo, pero la velocidad puede reducirse hasta el punto de arruinar la dinámica de los gases de un motor real. Los puertos demasiado grandes también contribuyen a la pérdida de combustible.
Un motor en funcionamiento está mucho más caliente que la temperatura ambiente y la temperatura en las distintas partes del sistema varía ampliamente. Esto afecta el flujo real, los efectos del combustible y los efectos de onda dinámica en el motor que no existen en el banco de flujo.
La proximidad, la forma y el movimiento del pistón, así como el movimiento de la propia válvula, alteran significativamente las condiciones de flujo en un motor real que no existen en las pruebas de banco de flujo.
El flujo simulado en un banco de flujo no tiene prácticamente ninguna similitud con el flujo en un puerto de escape real. En este caso, incluso los coeficientes medidos en los bancos de flujo son inexactos. Esto se debe a las presiones y temperaturas muy altas y de amplio rango. En el gráfico anterior se puede ver que la presión en el puerto alcanza los 2,5 bares (250 kPa ) y la presión del cilindro en la apertura es de 6 bares (600 kPa) y más. Esto es mucho más que las capacidades de un banco de flujo típico de 0,06 bares (6 kPa).
El flujo en un puerto de escape real puede ser fácilmente sónico, con flujo estrangulado e incluso flujo supersónico en algunas zonas. La temperatura muy alta hace que la viscosidad del gas aumente, todo lo cual altera drásticamente el número de Reynolds.
A lo anterior se suma el profundo efecto que los elementos posteriores tienen en el flujo del puerto de escape, mucho más que los elementos anteriores que se encuentran en el lado de admisión.
El tamaño del puerto de escape y la información sobre el caudal pueden considerarse imprecisos, pero existen ciertas pautas que se utilizan para crear una línea de base para un rendimiento óptimo. Esta línea de base, por supuesto, se ajusta y calibra aún más mediante un dinamómetro .
