NASA inicijuota pažangaus turbokompresoriaus projektavimo studija (angl. Advanced Turbocharger Design Study - ATDS, sutartis NAS3-22750), kurią atliko „Garrett Turbine Engine Company“, nubrėžė gaires moderniems aviaciniams vidaus degimo varikliams. Pagrindinis tikslas buvo sukurti technologijų visumą, kuri leistų mažiems, bendrosios aviacijos orlaiviams efektyviai veikti dideliame aukštyje (iki 25 000 pėdų), užtikrinant aukštą galios tankį ir mažas specifines kuro sąnaudas (SFC).
Programos metu buvo vertinami trys pažangūs variklių konceptai, lyginant juos su baziniu TIO-540 modeliu:
RC2-32 varikliui suprojektuotas turbokompresorius turėjo pasiekti 6.15 slėgio laipsnį esant 2.2 lb/sec pataisytam srautui. Inžinerinis iššūkis buvo suderinti 80 000 rpm darbinį greitį su aukštu aerodinaminiu naudingumu (76.5% kompresoriui ir 82% turbinai).
Viena svarbiausių ATDS studijos dalių – perėjimas nuo metalinių prie keraminių turbinos rotorių. Naudojant sukepintą silicio nitridą (Si3N4), pavyko perpus sumažinti rotoriaus svorį lyginant su tradiciniais GMR235 ar INCO 713LC lydiniais. Tai tiesiogiai pagerino dinaminį atsaką (angl. transient response) ir leido sumažinti inerciją.
Antroji kritinė inovacija – dujų plėvelės guoliai (angl. Gas-Lubricated Foil Bearings). Ši technologija leido turbokompresoriui veikti nepriklausomai nuo variklio tepimo sistemos, pašalinant alyvos linijų poreikį, sumažinant gaisro riziką ir leidžiant montuoti agregatą bet kokia orientacija. Studija parodė, kad 2x2 colių guoliai užtikrina pakankamą keliamąją galią net esant 180 deg/sec suktuko (angl. spin) apkrovoms.
Naudojant UMIST Mark 12 simuliacinę programą, buvo analizuojamas išmetimo srauto pulsacijų poveikis. Nustatyta, kad mažinant išmetimo kolektoriaus tūrį ir optimizuojant turbinos vietą (pvz., montuojant už variklio), galima žymiai padidinti energijos atgavimą. Tai ypač aktualu RC2-32 ir GTSIO-420/SC varikliams, kur adiabatinis dujų plėtimasis pulsuojančiame sraute suteikia papildomą sukimo momentą rotoriui.
Norint užtikrinti ilgalaikį turbokompresoriaus patikimumą, ypač naudojant 7.3 slėgio laipsnį, kritiškai svarbu atlikti precizinį kintamos geometrijos purkštukų (VGT – Variable Geometry Turbine) kalibravimą. Neteisingas aktuatoriaus sureguliavimas sukelia nepageidaujamą „surge“ efektą, kuris mechaniškai pažeidžia kompresoriaus sparnuotės (PN: 466820-0001) briaunas dėl per didelio ašinio laisvumo. Mechanikams privalu tikrinti ašinį ir radialinį laisvumą naudojant mikrometrinius matuoklius, kad būtų išvengta kontakto su korpusu.
Dujų plėvelės guolių (Foil Bearings) sistemų priežiūra reikalauja specifinės švaros kontrolės, nes net menkiausios kietosios dalelės, pavyzdžiui, suodžiai (angl. soot), sukelia paviršiaus eroziją. Nors tradicinė alyvos koksacija (oil coking) šiame modelyje eliminuota, techninės priežiūros metu būtina atidžiai tikrinti įleidimo oro filtrų būklę, užtikrinant, kad į turbiną nepatektų pašalinių objektų (FOD – Foreign Object Damage), kurie akimirksniu sunaikintų plonus folijos sluoksnius.
Eksploatuojant tokius pažangius agregatus kaip GTSIO-420/SC, būtina periodiškai atlikti kompresoriaus korpuso (PN: 407850-0002) vidinių sienelių vizualinę inspekciją naudojant boreskopą. Tai leidžia identifikuoti terminius įtrūkimus ar keraminio rotoriaus (Si3N4 medžiaga) mikro-pažeidimus, atsiradusius dėl viršijamų temperatūrų ciklų. Esant bent menkiausiam įtarimui dėl struktūrinio vientisumo, komponentas turi būti keičiamas, nes keraminės dalys neturi plastinės deformacijos galimybės.
RC2-32 galios agregatų integravimas ATDS (Advanced Turbine Drive System) sistemoje reikalavo itin didelio tikslumo valdant termodinaminę tarpusavio sąsają tarp išmetamųjų dujų energijos ir besisukančios mazgo dalies. Siekiant pasiekti nustatytą kompresoriaus slėgio santykį 6.15, inžinieriai panaudojo sudėtingą purkštukų žiedo konstrukciją (PN: 485921-0004), kuri leido plačiai moduliuoti masės srautą nesukeliant aerodinaminių nuostolių, atsirandančių dėl netinkamo veikimo taškų. Srauto lauko būdinga nestabilumas, kurį sustiprina rotacinio variklio pulsavimo charakteristikos, reikalauja, kad kintamos geometrijos pavaros kalibravimas būtų tikrinamas naudojant didelio greičio duomenų registravimo (DAQ) sistemas, galinčias stebėti trumpalaikius slėgio šuolius. Bet koks purkštuko gerklės ploto nukrypimas, viršijantis 0.5%, priverčia kompresorių patekti į dūmimo (surge) ribą, sukeliant pernelyg didelius slėgio svyravimus, kurie sklinda atgal į Si3N4 keraminį rotorių, galimai sukeldami ašmenų šaknų (PN: 466820-0001) nuovargį, nematytiną įprastais NDT (netermininės diagnostikos) metodais.
Kalbant apie patentuotų dujomis lubrikuojamų plėvelinių guolių priežiūrą, sistemos architektūra veikia kaip lankstus, savaime veikiantis hidrodinaminis guolis, kuris priklauso nuo antrinio oro išleidimo pleišto efekto. Kadangi šie guoliai neturi variklio alyvos vėsinimo ir tepimo savybių, išankstinio įtempimo (preload) nustatymai – valdomi viršutinio plėvelės ir atraminės plėvelės sluoksnių standumo – turi būti griežtai prižiūrimi laikantis OEM (Original Equipment Manufacturer) techninės priežiūros vadovo. Atliekant remonto darbus lauko sąlygomis, technikai privalo naudoti specializuotą centravimo įtaisą, kad užtikrintų, jog veleno žurnalo linija išliktų ne toliau kaip 0.0002 colio nuo tikrojo centro. Jei plėvelių paketas patiria nuolatinę deformaciją arba „nusėda“ dėl ekstremalių šilumos ciklų arba neteisėtų paleidimų be tepimo, tai sukels nedelsiantį apkrovos nešimo gebos praradimą, dėl kurio didelio greičio velenas tiesiogiai kontaktuos su plėvelės pagrindu, o tai reikalaus visos kasetės (PN: 407850-0002) keitimo.
Ilgalaikė šių didelio greičio rotorių veikimo vientisumas priklauso nuo šiluminių gradientų valdymo išjungimo ciklo metu. Skirtingai nei metalo lydiniai, sukepinti Si3N4 rotoriai yra labai jautrūs šiluminiam smūgiui, jei greitas aušinimas vyksta nevienodai. Todėl turbokompresoriaus mazge yra įmontuotas sudėtingas, termiškai izoliuotas guolio korpusas (PN: 477123-0005), skirtas sumažinti radialinį šilumos patekimą iš turbinos rato į plėvelinio guolio kasetę. Apžiūrint turbinos korpusą endoskopu (borescope), bet koks glazūros ar spalvos pasikeitimas ant paviršiaus rodo šiluminės barjerinės dangos pažeidimą, kuris tiesiogiai koreliuoja su pagreitėjusiomis plėvelinių guolių lanksčiųjų sluoksnių senėjimo procesais. Reguliarus turbinos korpuso įleidimo žiedo patikrinimas dėl erozijos – ypač meniskų tarpų (blade-tip clearance) sąsajoje – yra privalomas, nes net menki 0.005 colio tarpų padidėjimai sukels reikšmingą turbinos išsiplėtimo efektyvumo sumažėjimą, reikalaujantį elektroninio slėgio reguliatoriaus (boost controller) pakartotinio kalibravimo, kad būtų kompensuotas prarastas slėgio santykis.
RC2-32 rotacinio išmetamųjų dujų pulso profilio aerodinaminis nepastovumas reikalauja tikslaus turbinos volutos oro/tūrio (A/R) santykio ir variklio išmetimo angos laiko derinimo. ATDS kūrimo ciklo metu tyrėjai pastebėjo, kad slėgio bangos atspindys, kiekybiškai įvertintas naudojant UMIST Mark 12 modeliavimą, dažnai sukeldavo lokalizuotas Stazinės zonos turbinos įvade, konkrečiai paveikdamos volutos liežuvėlio sritį (PN: 485921-0004). Siekdami sušvelninti šį poveikį, inžinieriai įdiegė tiksliai apdirbtą purkštuko žiedo korpusą, kuriame naudojama laiptuota mentės geometrija, skirta pagreitinti srautą prieš jam atsitrenkiant į Si3N4 turbinos menes. Neatlaikius šių mentelių tolerancijos per 0,025 mm, atsiranda akustinė rezonanso, kuri sukelia aukšto ciklo nuovargį (HCF) mentelių pagrinduose. Peratliekant remontą technikai privalo patikrinti mentelių paleidimo jungtis (PN: 477123-0005) dėl bet kokio žaidimo, nes net minimalus mechaninis laisvumas sukelia kintamos geometrijos mechanizmo „medžioklę“, dėl kurios atsiranda nelineariniai trumpalaikiai slėgio šuoliai, viršijantys keraminio rotoriaus pagrindo struktūrinio vientisumo ribas.
Kalbant apie dujomis tepamą folijos guolių sistemą, pasikliavimas lanksčia slankiojančia folijos (bump-foil) sluoksniu reikalauja absoliučiai laikytis aplinkos sandarinimo protokolų, kad būtų išvengta aplinkos silicio pagrindo dalelių patekimo. Skirtingai nuo tradicinių alyvos plėvelės guolių, šios folijos veikia dėl hidrodinaminio pleišto efekto, kurį sukelia antrinis oro nupūtimas (PN: 407850-0002). Jei apžiūra atskleidžia „pakilimo“ greičio – kai velenas pereina iš slydimo kontakto į oro plėvelės plūdimą – sumažėjimą, tai rodo folijos deformaciją, kurią greičiausiai sukėlė pasikartojantys aukštos temperatūros išjungimo transientai be pakankamo atvėsimo laiko. Šių mazgų tarnavimo laiko pailginimas reikalauja stebėti žurnalo paviršiaus apdailą profilometru; paviršiaus šiurkštumas, viršijantis 0,15 mikrometro (Ra), rodo, kad apsauginė danga yra pažeista, todėl reikia visiškai pakeisti kasetę, kad būtų išvengta veleno mazgo užstrigimo.
Si3N4 keraminio rotoriaus diagnostinė priežiūra reikalauja naudoti fluorescencinio skvariojo skysčio bandymą (FPI) kartu su didelės raiškos ultragarso pulso-atspindžio bandymu, nes standartinis vizualinis endoskopinis patikrinimas (PN: 407850-0002) negali aptikti požeminių tūrio defektų. Šiluminis įtempis, ypač greitojo RC2-32 pagreitėjimo fazės metu, sukuria staigius temperatūros gradientus per rotoriaus diską, generuodamas lokalizuotus tempimo įtempius menčių-stebulės jungtyje. Nustatydami šiuos keraminius komponentus aptarnavimo zonoje, operatoriai turi palyginti šilumos partijos sekimo numerius, esančius kompresoriaus gaubte. Jei keraminė medžiaga rodo kokių nors cheminio poveikio požymių – tokių kaip paviršiaus taškeliai ar matinė spalvos pakaita – tai patvirtina išmetamųjų dujų pogarantinio apdorojimo sistemos gedimą, kuris į karštąją dalį pateko korozinių degimo šalutinių produktų. Toks degradavimas iš esmės pakeičia silicio nitrido atsparumą lūžiams, todėl būtina išmesti agregatą prieš pasiekiant nustatytą nuovargio gyvavimo ribą.