Adecuación de un turbocompresor como turbina de reacción alimentada con biodiesel para diversas aplicaciones industriales de pequeña escala

Abstract

Los sistemas aeronáuticos de pequeña escala impulsados con turbinas de reacción, comparados con los drones eléctricos, pueden alcanzar mayores altitudes y velocidades de vuelo y navegación. Tienen aplicaciones en ciertas áreas de la industria local como el cultivo, ganadería y monitoreo. Sin embargo, son poco usados debido a su alta dificultad de construcción y diseño y a su baja oferta existente en el mercado. Para resolver este problema se realizó una adecuación de un turbocompresor automovilístico en una turbina de reacción bajo una metodología replicable y sencilla, para disminuir el costo y la dificultad inherente en su fabricación y diseño. A partir de los diferentes enunciados y principios termo físicos involucrados en el difusor, el compresor, la cámara de combustión, la turbina y la tobera se construyó su modelo matemático en el software Engineering Equation Solver. Posteriormente se construyeron los mapas de temperatura y presión, para obtener las variables de empuje, potencia y consumo específico. Enfocado hacia la protección del medio ambiente y acorde con políticas estatales, se utilizó biodiesel elaborado a partir de aceite de palma como fuente de alimentación, producto con bastante potencial y crecimiento en Colombia. Con una repercusión en el aumento del consumo específico, el empuje producido con biodiesel es bastante alto comparado con modelos similares que utilizan Jet A1. Como resultado de la adaptación se obtuvo un turborreactor de 94.438 kW de potencia, 909.5 N de empuje, velocidad de 103.8 m/s, consumo específico de 0.07635 kg/h*N y eficiencia total de 12.88%. Con este desempeño, es posible utilizar el equipo como fuente de impulsión para sistemas aeronáuticos. Sin embargo, debido a sus grandes dimensiones y peso se dificulta su montaje sobre perfiles aerodinámicos, por lo que se plantea su uso como fuente de impulsión de sistemas náuticos y como banco de ensayos en la academia.

Small-scale aeronautical systems powered by jet turbines, compared to electric drones, can reach higher altitudes and higher flight and navigation speeds. They have applications in certain areas of local industry such as farming, livestock, and monitoring. However, they are rarely used due to their high construction and design complexity and limited market availability. To solve this problem, an automotive turbocharger was converted into a jet turbine using a simple, replicable methodology to reduce the cost and inherent difficulty of manufacturing and design. Based on the different thermophysical principles and statements involved in the diffuser, compressor, combustion chamber, turbine, and nozzle, a mathematical model was built using Engineering Equation Solver software. Temperature and pressure maps were then constructed to obtain the thrust, power, and specific consumption variables. Focused on environmental protection and in accordance with state policies, biodiesel made from palm oil was used as a fuel source, a product with significant potential and growth in Colombia. This has led to an increase in specific fuel consumption, as the thrust produced with biodiesel is quite high compared to similar models using Jet A1. The result of the adaptation was a turbojet with 94,438 kW of power, 909.5 N of thrust, a speed of 103.8 m/s, a specific fuel consumption of 0.07635 kg/h*N, and an overall efficiency of 12.88%. This performance makes it possible to use the equipment as a propulsion source for aeronautical systems. However, due to its large size and weight, it is difficult to mount on aerodynamic profiles, so its use is proposed as a propulsion source for nautical systems and as a test bench in academia.