¿Por qué el escape fluye hacia adentro a través de un turbocompresor radial?

Este tiene que luchar contra la fuerza centrífuga en lugar de aprovecharla.

De hecho, lo opuesto es verdad. La disposición que se muestra en realidad ayuda a extraer energía, quizás de manera contraria a la intuición. Un ejemplo típico de este arreglo es la turbina Francis.

Una entrada de alta velocidad de flujo más alta velocidad tangencial, alimentada a través de una salida de baja velocidad de flujo/velocidad tangencial baja, creará el máximo diferencial de energía para la extracción. Y eso describe el flujo hacia adentro.

Hay algunas maneras de ver esto. Una es observar la velocidad de salida del fluido. En un compresor, está bien si el fluido tiene algo de velocidad sobrante, ya que se convertirá en presión estática cuando se frene por la ley de Bernoulli. Para una turbina, la velocidad de salida debe ser lo más baja posible, ya que la energía cinética del flujo de escape es energía 'desperdiciada'. Por lo tanto, tiene sentido ubicar la salida en el radio interior de la turbina, donde el componente de velocidad radial es más bajo.

Otra forma de verlo es la presión. La fuerza centrífuga crea un gradiente de presión a través de la turbina en dirección radial. A medida que un "paquete" de aire se mueve hacia adentro, su presión disminuye. Por conservación de la energía, esto debe significar que está gastando trabajo en su entorno. La turbina extrae este trabajo realizado del paquete de aire que se mueve en su interior.

Otra explicación intuitiva involucra a un patinador sobre hielo que retrae sus brazos en una pirueta (o un oficinista aburrido en una silla giratoria). Por conservación del momento angular, su velocidad angular aumenta. A un paquete de aire le "gustaría" aumentar su velocidad angular, pero esto se mantiene fijo por la turbina que gira a una velocidad fija. Por lo tanto, el paquete de aire debe ralentizarse al moverse hacia adentro y, como resultado, ejerce una presión sobre el álabe de la turbina que se encuentra frente a él.

La elección entre flujo axial, centrífugo o mixto se realiza en función de las condiciones de flujo, con un diferencial de presión baja de flujo alto que favorece el diseño axial y un flujo más bajo o un diferencial de presión más alto que favorece la configuración radial, como se muestra. Un diseño más compacto significa menos etapas de turbina o compresor, lo que da como resultado un mayor diferencial de presión en la etapa única. Por lo tanto, se prefiere una configuración radial.

Parece contrario a la intuición organizar el flujo como se ha hecho en los turbocompresores, pero esta disposición es el mejor compromiso para aprovechar la energía cinética de los gases de escape de un motor alternativo.

Los objetivos de diseño son

• tamaño compacto
• pequeña contrapresión
• simplicidad de construcción (costo de construcción y mantenimiento)
• capacidad de utilizar materiales y técnicas de fabricación "tradicionales".

La carcasa de la turbina está formada de tal manera que disminuye de tamaño a medida que gira alrededor de la rueda de la turbina. Por lo tanto, los gases de escape que viajan a través de la cámara finalmente (bastante rápido de hecho) se quedan sin espacio y son empujados hacia la salida de escape por los siguientes pulsos de escape.

Como tal, los gases de escape no necesitan vencer o luchar contra las fuerzas centrífugas, ya que la carcasa proporciona un camino que guía los gases.

Esta disposición, en lugar de invertir el flujo, permite un perfil de rueda de turbina más simple y menos crítico, y una eficiencia mucho mayor en todo el rango de caudal (iirc, trato de desenterrar la referencia) En comparación con una turbina axial, esta construcción es menos eficiente, pero también es mucho más simple y compacto, que supera con creces la eficiencia más pequeña.