Kuriant efektyvesnius energijos gamybos būdus namų ūkiams, mikro kombinuotos šilumos ir elektros galios (micro CHP) sistemos tampa kritine technologija. Viena iš inovatyvių alternatyvų tradiciniams Stirlingo varikliams yra įprasto turbokompresoriaus naudojimas kaip mažos galios dujų turbinos. Šiame inžineriniame sprendime turbokompresorius jungiamas su degikliu ir šilumokaičiu, o generatorius montuojamas tiesiogiai ant turbinos veleno, pašalinant mechaninių nuostolių sukeliamą pavarų dėžę.
Sistemos širdis – 1 kW galios cilindrinis aukšto sūkių nuolatinių magnetų sinchroninis generatorius (alternatorius). Siekiant užtikrinti sistemos kompaktiškumą ir efektyvumą esant darbiniams sūkiams apie 125 000 rpm, buvo parinkti specifiniai komponentai:
Skirtingai nuo standartinio Brayton ciklo, kur oras suspaudžiamas prieš degimą, apverstasis Brayton ciklas veikia esant neigiamam slėgiui (vakuumui). Degimo produktai patenka į turbiną esant atmosferiniam slėgiui, o kompresorius, sumontuotas sistemos gale, siurbia dujas per turbiną ir šilumokaitį. Šis metodas yra saugesnis buitiniam naudojimui, nes bet kokio nuotėkio atveju oras būtų įsiurbiamas į vidų, o ne išmetamosios dujos išleidžiamos į patalpas. Be to, šis ciklas leidžia naudoti didesnius turbinos komponentus esant mažai galiai (1 kW), taip padidinant tūrinį naudingumo koeficientą.
Eksperimentinio testavimo metu pasiekti 36 000 rpm sūkiai. Kritinių sūkių analizė parodė vibracijos pikus ties 17 000, 28 000 ir 55 000 rpm. Pagrindiniai mechaniniai nuostoliai (apie 700 W iš 750 W bendrų nuostolių ties 32 000 rpm) yra priskiriami turbokompresoriaus alyva tepamiems guoliams (angl. plain bearings) ir oro trinties nuostoliams (angl. windage losses). Optimizuojant sistemą, būtina užtikrinti itin tikslų dinaminį balansavimą ir apsvarstyti hibridinių guolių naudojimą siekiant sumažinti trintį.
Sistemos ilgalaikiam patikimumui kritinę reikšmę turi turbokompresoriaus rotoriaus ašinis ir radialinis laisvumas (angl. axial and radial play). Naudojant 9040966399 serijos turbokompresorius, būtina griežtai kontroliuoti alyvos slėgį bei temperatūrą, kad būtų išvengta alyvos karbonizacijos (angl. oil coking) guolių korpuse. Karbonizuotos nuosėdos drastiškai didina trinties koeficientą ir provokuoja ankstyvą guolių sistemos susidėvėjimą, todėl privaloma diegti atskirą alyvos filtravimo bei aušinimo kontūrą su aukšto efektyvumo šilumokaičiu.
Integruojant kintamos geometrijos turbinos (VGT – Variable Geometry Turbine) mechanizmą, atsiveria galimybė preciziškai valdyti srauto greitį bei slėgį esant įvairioms apkrovoms. Naudojant elektroninį pavaros (angl. actuator) kalibravimą, pasiekiamas optimalus degimo efektyvumas plačiame sūkių diapazone. Tai leidžia išvengti turbinos užsiblokavimo problemų, kurias sukelia suodžių kaupimasis VGT mentelėse, ir užtikrina sklandų sistemos paleidimą bei stabdymą.
Ilgalaikės eksploatacijos metu privaloma reguliariai tikrinti kompresoriaus sparnuotės būklę dėl galimos erozijos nuo smulkių dalelių įsiurbimo. Aukšto sūkių režimuose net minimalus balanso pažeidimas sukelia rezonansinius virpesius, kurie greitai deformuoja veleno sandariklius. Rekomenduojama atlikti periodinę vibracijų spektro analizę, siekiant nustatyti pradinius guolių užsirėžimo požymius prieš jiems sukeliant katastrofinį turbinos gedimą.
Sistemos stabilumą kritinėse apsukose tiesiogiai įtakoja rotoriaus dinaminė pusiausvyra, todėl taikant 9040966399 serijos mazgus, būtina atlikti komponentų subalansavimą pagal ISO 1940-1 G0.5 klasę. Nestabili rotoriaus dinamika, pasireiškianti sub-sinchroninėmis vibracijomis (angl. oil whirl ir oil whip), kyla dėl alyva tepamų guolių („floating ring bearings“) hidrodinaminių savybių pasikeitimo kintant alyvos viskositei, todėl sistemos kūrimo stadijoje privaloma tiksliai kalibruoti alyvos tiekimo slėgį bei temperatūrinį režimą (idealiu atveju 80–95°C ribose), siekiant išvengti nepageidaujamo „skystojo filmo“ nutrūkimo ir užtikrinti ilgalaikį veleno centro stabilumą.
Karbonizacijos procesai turbokompresoriaus centrinėje dalyje (CHRA) dažnai sukelia kietųjų dalelių kaupimąsi, kurios veikia kaip abrazyvas, deformuojantis tikslius sandarinimo žiedus ir sukelia vadinamąjį „blow-by“ efektą. Siekiant maksimaliai padidinti sistemos resursą, rekomenduojama naudoti pilnai sintetinę alyvą su dideliu „Total Base Number“ (TBN) rodikliu, o karterio ventilacijos sistemoje integruoti specializuotus alyvos garų atskyrimo separatorius, kurie neleidžia karterio dujoms su nešvarumais patekti atgal į turbokompresoriaus įsiurbimo traktą, taip apsaugant sparnuotę nuo ankstyvosios erozijos.
Kintamos geometrijos turbinos (VGT) mechanizmo strigimas eksploatuojant mikro-CHP įrenginius dažniausiai yra susijęs su nepakankamu šiluminiu ciklų valdymu. Naudojant elektroninį pavaros (actuator) kalibravimą, privaloma suprogramuoti „valymo“ ciklus, kurių metu VGT mentelės periodiškai pervedamos į kraštutines pozicijas, taip mechaniškai pašalinant suodžių nuosėdas nuo mentelių atraminių paviršių. Šis inžinerinis sprendimas užtikrina pastovų geometrijos atsako laiką ir išvengia slėgio šuolių („surge“), kurie esant aukštiems sūkiams gali sukelti momentinį turbinos sparnuotės mechaninį pažeidimą dėl ašinių jėgų perkrovos.
Inžinieriai, integruojantys didelio greičio nuolatinių magnetų sinchroninius generatorius (PMSG), tiesiogiai ant Garrett tipo turbokompresorių, tokių kaip GT2560R ar panašių agregatų, naudojančių 9040966399 serijos CHRA, velenų, turi spręsti hidrofilinio žurnalinio guolio sistemos sukuriamą parazitinę trintį. Skirtingai nuo standartinių automobilių pritaikymų, kai alyvos srautas yra suprojektuotas trumpalaikiam apkrovos ciklui, stacionarios mikrokogeneracijos (CHP) operacijos reikalauja stabilios būsenos, didelių apsisukimų dažnių terminės pusiausvyros. Norint išvengti subsonginio nestabilumo atsiradimo, ypač „alyvos plakimo“, kai veleno virpėjimo dažnis užsifiksuoja sukimosi greičio subharmonikoje, tepimo sistemoje turi būti naudojamas specializuotas slėginis alyvos tiekimo kontūras su integruotu termostatiniu apėjimu. Palaikant tiekiamo alyvos temperatūrą griežtai 85°C–95°C diapazone, dinaminė viskozė išlieka optimizuota palaikyti skysčio plėvelės standumą, reikalingą slopinti harmonines vibracijas, atsirandančias 17 000–55 000 aps./min. pereinamųjų slenksčių metu, nustatytų dažninės reakcijos analizės metu.
Inversinio Braytono ciklo naudojimas reikalauja tvirtos sandarinimo strategijos, siekiant išvengti masinio srauto nuotėkio ir kompresoriaus pusės užteršimo, ypač veikiant vakuume turbinos išleidimo angoje. Standartiniai dinaminiai stūmokliniai žiediniai sandarikliai, tokie kaip 14,5 mm skersmens sandarikliai, randami tipiniuose T25 karkasuose, yra linkę mirgėti, kai slėgio diferencialas per guolio korpusą tampa labai neigiamas. Perėjimas prie specializuotų anglies paviršiaus sandariklių arba labirintinių sandariklių su aktyviu buferinių dujų įpurškimu gali žymiai sumažinti dujų nupūtimą iš karterio arba alyvos miglos pernešimą į generatoriaus oro tarpą. Be to, diegiant VGT mechanizmus – tokius kaip Honeywell VNT serijos pavaros – pagrindinis gedimo būdas yra terminio sukelto mentės valdymo žiedo kokėjimas. Būtina įdiegti programuojamą „pavara perbraukimo“ (actuator sweep) ciklą kas 50 veikimo valandų, per kurį kintamos geometrijos antgaliai pereina nuo 0% iki 100% darbo ciklo, siekiant pašalinti mikroskopines suodžių nuosėdas, kurios kitu atveju užfiksuotų unisono žiedą ir sukeltų perkrovimo įvykį, galintį sutrupinti turbinos ratą dėl didžiulių inercinių apkrovų, atspindinčių per veleną.
Mechaninis vientisumas esant didelėms centrifugalinėms apkrovoms reikalauja tikslaus rotorinio-veleno mazgo dinaminio balanso patikrinimo, pranokstančio standartines automobilių remonto dirbtuvių galimybes. Mazgai turi atitikti ISO 1940-1 G0.5 balansavimo specifikacijas, kad būtų sumažinta radialinė nuokrypis generatoriaus oro tarpe, kur tolerancijos dažnai yra mažesnės nei 0,5 mm, siekiant maksimalizuoti galios tankį. Jei vibracijos spektrinė analizė paleidimo metu aptinka padidėjusius smailiukus menčių praėjimo dažniu arba veleno sukimosi dažniu, tai dažnai rodo mikro-dalelių purvo migraciją žurnalinio guolio alyvos plėvelėje, sutrikdančią pleišto geometriją. Rekomenduojama naudoti pilnai sintetines PAO pagrindo alyvas su aukštu bendru bazine skaičiumi (TBN > 12), siekiant slopinti lako ir glazūros susidarymą, kuris paprastai kaupiasi guolių vidiniuose skersmenyse, o tai tiesiogiai keičia guolio tarpą ir blogina sistemos gebėjimą atsispirti sukimosi nestabilumui, būdingam itin didelio greičio turbomašinoms.