Šiuolaikinių 2,0 l turbokompresorinių vidaus degimo variklių didelio našumo aplinkoje turbokompresoriaus rotoriaus mazgas veikia esant ekstremalioms šiluminėms ir sukimosi apkrovoms. Edgaro J. Gunterio fundamentiniai darbai rotordinamikos srityje, ypač susiję su skysčio plėvelės sąveika plaukiojančių įvorių guoliuose, suteikia esminį pagrindą suprasti dažnus šių sistemų gedimus. Šiame straipsnyje nagrinėjama rotoriaus nestabilumo mechanika, konkrečiai – alyvos sūkuriavimo (angl. oil-whirl) ir alyvos plakimo (angl. oil-whip) reiškiniai, kurie dažnai klaidingai diagnozuojami kaip paprasti mechaniniai gedimai.
Skirtingai nei fiksuotos geometrijos slydimo guoliai, plaukiojančios įvorės sukonstruotos taip, kad sudarytų dvi skysčio plėveles: vieną tarp veleno ir įvorės vidinio skersmens, kitą – tarp įvorės išorinio skersmens ir guolio korpuso. Ši dvigubos plėvelės konstrukcija veikia kaip slopinimo elementas (angl. squeeze-film damper), skirtas veleno vibracijoms slopinti. Tačiau, kai tolerancijos nukrypsta nuo specifikacijų, ši konfigūracija gali virsti iš stabilizuojančio elemento į subsinchroninio nestabilumo šaltinį.
Jei šie tarpai neatitinka originalios įrangos gamintojo (OEM) nustatytų ribų, slopinimo koeficientai pablogėja, todėl velenas gali pradėti vibruoti per anksti.
Gunterio analizė pabrėžia, kad didelio sukimosi greičio mechanizmuose tepalo plėvelė gali tapti spyruoklę primenančiu elementu. Kai veleno sūkiai pasiekia maždaug dvigubą pirmojo kritinio greičio reikšmę, sistema tampa imli „alyvos sūkuriavimui“.
Alyvos sūkuriavimas yra savaime sužadinami virpesiai, vykstantys dažniu, kuris yra šiek tiek mažesnis nei pusė sukimosi greičio (dažniausiai 0,42x – 0,48x rotoriaus apsisukimų per minutę). Didėjant rotoriaus greičiui, šis sūkuriavimo dažnis gali sutapti su rotoriaus sistemos savuoju dažniu, sukeldamas „alyvos plakimą“. Kai atsiranda alyvos plakimas, vibracijos amplitudė tampa nepriklausoma nuo rotoriaus greičio ir priklauso tik nuo alyvos plėvelės standumo bei rotoriaus mazgo savybių. Tai dažnai yra katastrofinio gedimo taškas, dėl kurio turbinos arba kompresoriaus sparnuotės susiduria su savo korpusais.
Norėdami išvengti šių gedimų, technikai turi griežtai laikytis surinkimo procedūrų ir stebėti guolių būklę. Šios techninės specifikacijos yra gautos iš standartinės OEM turbomašinų praktikos 2,0 l variklių pritaikymams:
Per didelė dėl alyvos sūkuriavimo kylanti vibracija dažnai sukelia guolio korpuso angų ovalumą. Matuojant šiuos komponentus, bet koks didesnis nei 0,005 mm (0,0002") nuokrypis nuo apvalumo reikalauja keisti guolio korpusą, nes šių didelio stiprio lydinių neįmanoma pakartotinai apdirbti.
Turbokompresoriaus kasetės (CHRA) surinkimas reikalauja tikslaus priveržimo momento, kad būtų išlaikyta rotoriaus pusiausvyra ir išvengta korpuso deformacijos:
Inžinieriai turi suprasti, kad gedimų analizė nėra išsami neištyrus tepimo sistemos. Kadangi plaukiojančios įvorės remiasi į hidrodinaminę kėlimo jėgą, bet koks alyvos slėgio sumažėjimas (ypač žemiau 2,5 bar darbinėje temperatūroje) lems ribinio tepimo sąlygas, padidėjusią trintį ir galutinį perėjimą į nestabilią sūkuriavimo būseną. Visada patikrinkite, ar alyvos tiekimo vamzdelyje nėra koksavimosi; anglies nuosėdos sumažina efektyvų skerspjūvio plotą, o tai lemia slėgio kritimą, dėl kurio išorinė plaukiojančios įvorės skysčio plėvelė patiria „badą“.
Edgaro J. Gunterio tyrimai pabrėžia, kad turbokompresoriaus gedimas retai būna vieno taško mechaninis lūžis, veikiau tai – dinaminė skysčio plėvelės standumo ir rotoriaus masės sąveika. Griežtai laikantis nurodytų radialinių tarpų ir užtikrinant švarų, aukšto slėgio tepimą, rotoriaus plakimo ir subsinchroninio sūkuriavimo riziką galima žymiai sumažinti, taip pailginant didelio našumo 2,0 l turbokompresorių sistemų eksploatavimo laiką.
Be pagrindinės rotoriaus dinamikos, perėjimui nuo hidrodinaminio tepimo prie subsinkroninio nestabilumo didelės įtakos turi „efektyvusis klampumas“, kuris yra tiesioginė lokalizuoto šlyties įtempio ir terminės degradacijos funkcija. Didelės galios aplikacijose, tokiose kaip BorgWarner K04-064 arba Garrett GT28 serijos, slankiojanti įvorė veikia kaip nelinearis Sūkuriuojančio Slopinimo Slopintuvas (SFD), kur energijos išsklaidymas priklauso nuo išorinio sluoksnio Sommerfeldo skaičiaus. Kai alyvos temperatūra viršija 120°C, klampumo kritimas sumažina guolio gebėjimą slopinti kūgio formos virpėjimą (conical mode whirl), kuris ypač destruktyvus VGT (kintamos geometrijos turbinos) sistemose, kuriose purkštukų žiedo tarpas yra mažesnis. Jei SFD yra apeinamas dėl alyvos aeracijos arba per didelio anglies nuosėdų susidarymo žiedinėje ertmėje, sistema praranda kritinį slopinimo koeficientą, priversdama veleną patirti didelio dažnio orbitos precesiją, kuri dažnai pasireiškia kaip akustinis „ūžesys“ prieš mechaniniam kontaktui įvykstant sandariklio labirinte.
Komponentų parinkimo tikslumas yra gyvybiškai svarbus, nes turbinos rato sukimosi masės pasiskirstymas, ypač Inconel 713C lydiniuose, naudojamuose tokiuose agregatuose kaip IHI IS20 arba Honeywell MGT serijos, lemia specifinį greitį, kuriuo prasideda alyvos lazdavimas (oil whip). Perrenkant šiuos kasetinius mazgus, radialinis tarpas turi būti kalibruojamas ne tik veleno trauklės atžvilgiu, bet ir atsižvelgiant į specifinio rato-veleno mazgo dinaminį elgesį. Jei neatsižvelgiama į guolio korpuso, dažnai liejamo iš Ni-resist ar didelio silicio kiekio aliuminio, šiluminės plėtimosi koeficientą, tai lems dinaminio tarpų užsidarymą esant didžiausiai IKG (išmetamųjų dujų temperatūrai). Technikai turi naudoti tikslius oro matuoklius, kad patikrintų, ar guolio korpuso kiaurymė išlaiko tobulą cilindrinį profilį, nes net 0,005 mm kūgumas ar asimetrija gali sukelti fazės poslinkį skysčio plėvelės slėgio pasiskirstyme, efektyviai padarant slankiojančios įvorės stabilizavimo slopinimą neveiksmingu ir pagreitinant susidėvėjimą ant traukos apykaklės (thrust collar face).
Didelių greičių rotoriaus dinamikos stabilizavimas tokiuose agregatuose kaip „BorgWarner 53047109904“ (K04-064) labai priklauso nuo skysčio plėvelės nelinijinių slopinimo charakteristikų palaikymo. Kai sistema veikia šalia trečiojo priekinio kritinio greičio – dažnai viršijančio 100 000 aps./min. – rotorius patenka į režimą, kai potencialios energijos pasiskirstymas reikšmingai keičiasi tarp kūginio ir lenkimo režimų. Jei plūduriuojančios įvorės vidinis skersmuo (ID) dėl lokalizuoto trinimo viršija vardinę 0,005 mm toleranciją, vidinės alyvos plėvelės Sommerfeldo skaičius sumažėja, taip destabilizuodamas sinchroninį orbitą. Tai pasireiškia apsisukimo dažnio poslinkiu nuo subsinchroninio 0,4x diapazono link natūralaus veleno dažnio, priversdama pereiti nuo stabilaus ribinės ciklo judėjimo prie didelės amplitudės, nelinijinio svyravimo. Ekstremaliais atvejais šis spektrinis poslinkis sukelia „alyvos sukibimo“ (oil whip) būseną, kai guolio jėgos viršija aliuminio-stario (AlSn20Cu) lydinio, paprastai naudojamo tose įvorėse, nuovargio ribą, todėl sparčiai plinta paviršiaus mikroįtrūkimai ir įvyksta visiškas tepimo sutrikimas.
Ašinės apkrovos kelio tikslumas yra nepriklausomas nuo reikalavimų naudoti „Garrett G-Series“ arba „Honeywell MGT-series“ korpusus, ypač atsižvelgiant į alyvos deflektoriaus, traukos poveržlės ir guolio korpuso paviršiaus sąveiką. Pernelyg didelis ašinis tarpas – dažnai atsirandantis dėl traukos guolio hidrodinaminio pleišto degradacijos – pastumia rotoriaus mazgą į sritį, kurioje radialiniai guoliai nebegali išlaikyti savo ekscentrinės padėties korpuso atžvilgiu. „VAG 2.0L TSI“ platformose elektroninio išmetamųjų dujų išleidimo slopintuvo (e-actuator) integravimas reikalauja, kad VNT (kintamo antgalio turbinos) mentės orientacija būtų puikiai sinchronizuota su trumpalaikiu slėgio poreikiu; lėta slopintuvo kalibracija gali sukelti staigius išmetamųjų dujų atgalinio slėgio šuolius, kurie akimirksniu sumažina traukos guolio apkrovą. Šis trumpalaikis ašinio stabilumo praradimas priverčia veleną pasislinkti iš centro radialinių įvorių viduje, staigiai nutraukiant gniuždymo plėvelės slopintuvo (squeeze-film damper) susidarymą ir sukeliant nedelsiantį subsinchroninį nestabilumo režimą, kuris pasireiškia kaip būdingas korpuso „ūžesys“ arba, jei nepašalinamas, didelio dažnio „trupčiojimas“, kuris nuolat deformuoja guolio korpuso angą.
Inžinieriai, atlikdami defektų analizę tokiuose agregatuose kaip „IHI IS20“, turi teikti pirmenybę alyvos padavimo kanalo geometrijos vientisumui, nes bet koks srauto skerspjūvio pokytis keičia slėgio pasiskirstymą per įvorės išorinį skersmenį (OD). Anglies nuosėdos – arba koksavimas – žiedinėje erdvėje tarp plūduriuojančios įvorės ir guolio korpuso efektyviai sukuria standų sąlytį, aplenkiant būtiną slopinimą, reikalingą gniuždymo plėvelės efektui. Tai ypač problemiška sistemose, naudojančiose aukšto slėgio, didelio greičio alyvos tiekimą; kylantis slėgio kritimas per išorinę plėvelę, paprastai suprojektuotas 1,5–2,0 baro deltai esant darbinėms temperatūroms, sumažina alyvos svyravimo pradžios slėgio slenkstį. Šio parametro patikrinimas reikalauja naudoti specializuotą hidraulinę diagnostikos įrangą, siekiant užtikrinti, kad alyvos slėgis prie CHRA įleidimo liktų OEM nurodytame 2,8–3,5 baro rėžyje esant maksimaliai variklio apkrovai. Jei slėgis nukrenta žemiau šio slenksčio, atsirandantis ribinio tepimo režimas sukelia veleno kaiščio nukrypimą nuo įvorės centro, inicijuodamas divergencinę, nelinijinę orbitos precesiją, kuri neišvengiamai lemia katastrofišką rato ir korpuso kontaktą.