Wyważanie turbosprężarek

Fot. Schenck

Doważarka wysokoobrotowa 110MBRS

Jedyną godną polecenia metodą naprawy uszkodzonych turbosprężarek jest kompleksowa ich regeneracja. Jej integralną częścią musi być zawsze bardzo staranne wyważenie wszystkich elementów wirujących.

Turbosprężarki prawidłowo eksploatowanych silników samochodów osobowych nie wymagają częstych napraw. W ciężkich pojazdach użytkowych pracują bezawaryjnie, osiągając przebiegi rzędu 800 000 – 1 000 000 km. Przyczyną ich ewentualnych wcześniejszych awarii są z reguły błędy w zakresie eksploatacji i serwisowania silników lub uszkodzenia innych układów współpracujących bezpośrednio z turbosprężarkami.

Naprawa

Naprawy turbosprężarek przeprowadzane być powinny zgodnie z procedurami podanymi przez ich producentów w instrukcjach serwisowych, ze szczególnym uwzględnieniem tolerancji wymiarów elementów współpracujących. Konieczne jest również stosowanie podczas wymiany uszkodzonych lub zużytych części oryginalnych zestawów naprawczych, pochodzących od producenta danego modelu turbosprężarki lub zamienników dobrej jakości.

Sam proces naprawczy przebiega w następujących, kolejnych etapach:

wymontowanie całego urządzenia z pojazdu,
całkowita rozbiórka turbosprężarki na części składowe,
mycie i czyszczenie (piaskowanie) wszystkich elementów,
kontrola i ocena wymiarów określonych w instrukcji producenta,
wymiana elementów z pełnym wykorzystaniem zestawu naprawczego (podstawowego lub z wirnikiem i kołem kompresji, jeśli to konieczne),
precyzyjne wyważenie zespołów wirujących oraz wysokoobrotowe doważenie zmontowanego rdzenia,
montaż końcowy,
kontrola i ewentualna regulacja ciśnienia doładowania.

Przyczyny i skutki niewyważenia

Terminem „niewyważenie” określa się w przypadku elementu wirującego brak „równowagi” w rozmieszczeniu jego masy względem geometrycznej osi obrotu. Stan ten podczas pracy urządzenia generuje siły poprzeczne, zależne od prędkości obrotowej według znanego wzoru obliczania siły odśrodkowej:

Fodśr= mV2/r

Występująca w tym przypadku siła poprzeczna jest oczywiście siłą odśrodkową. Generuje ją jednak nie cała masa elementu, lecz różnica mas rozmieszczonych przeciwlegle po obu stronach osi obrotu. Prędkość liniowa V jest związana z prędkością obrotową zgodnie z zależnością:

V = S/t = n2pr

gdzie: S – oznacza drogę pokonywaną w czasie t, a n – prędkość obrotową (1/t), czyli liczbę obwodowych odcinków 2pr przebywanych w jednostce czasu, zaś r jest odległością środka wspomnianej różnicy mas od osi obrotu.

W praktyce sił generowanych przez nierównomierności masy wirującego elementu jest wiele, lecz dają się one sprowadzić do pojedynczych wypadkowych. To one właśnie są przyczyną wibracji występujących w układach kinematycznych i powodują w konsekwencji przyspieszone zużycie łożyskowań i sprężyste odkształcenia wałów, skutkujące z czasem ich zmęczeniowym zniszczeniem.

Rodzaje niewyważenia

Teoretycznie niewyważenia wirujących elementów (pokazane na załączonych schematach za pomocą strzałek) dają się podzielić na trzy podstawowe rodzaje: statyczny, momentowy i dynamiczny. W praktyce mamy do czynienia z wszystkimi równocześnie, lecz zastosowany podział ułatwia zrozumienie istoty zachodzących zjawisk oraz racjonalny wybór metody ograniczania ich negatywnych skutków.

Schematyczne przykłady niewyważenia (od lewej): statycznego, momentowego i dynamicznego

^{Rys.: Schematyczne przykłady niewyważenia (od lewej): statycznego, momentowego i dynamicznego}

Niewyważenie statyczne może być powodowane niejednorodnością kształtu elementu wirującego lub niejednorodnością jego masy przy zachowaniu symetrii wymiarów. Wirnik obarczony taką wadą, podparty poziomo na dwu pryzmach pomiarowych, wykazuje tendencję do przyjmowania jednej tylko pozycji spoczynkowej: z usytuowaniem najcięższego miejsca w najniższej części obwodu.


^{Rys.: Wyważarka dynamiczna}	^{Rys.: Kontrola wału z turbiną i kołem kompresji}

Jeśli w wirniku występują dwa miejsca niewyważenia w pozycjach kątowych różniących się dokładnie o 180°, nie można ich wykryć uprzednio wspomnianą metodą przez brak stałej pozycji spoczynkowej. Drgania poprzeczne pojawiają się w takim układzie dopiero przy wyższych prędkościach obrotowych, gdy para sił tworzy moment. Dlatego mówimy wówczas o niewyważeniu momentowym.


^{Rys.: Kompletny rdzeń turbosprężarki}	^{Rys.: Końcowe wyważanie rdzenia turbosprężarki za pomocą doważarki}

W rzeczywistości wirniki mają wręcz nieskończoną liczbę niewyważeń statycznych i momentowych, rozmieszczonych w sposób przypadkowy wzdłuż osi rotacji. Taki stan niewyważenia może być określony jedynie w trakcie rotacji i dlatego nazywany jest dynamicznym. Ewentualnej korekcie poddaje się nie poszczególne zakłócenia równowagi, lecz wypadkowe sił przez nie generowanych.

Kontrola wyważenia

Ze względu na znaczne prędkości obrotowe rozwijane przez wirniki turbosprężarek proces ich wyważania przebiega dwustopniowo. Najpierw za pomocą wyważarki dynamicznej wykrywa się i eliminuje niewyważenia statyczne, dynamiczne i momentowe poszczególnych elementów obrotowych, a potem cały zmontowany już rdzeń turbosprężarki poddaje finalnemu testowi i doważeniu na skomputeryzowanej, wysokoobrotowej doważarce przy prędkościach od 100 do nawet 200 tys. obr./min w zależności od typu turbosprężarki.

Firma Schenck RoTec produkuje od ponad 125 lat wyważarki dynamiczne oraz zajmuje pozycję światowego lidera w produkcji i doskonaleniu wszelkich tego rodzaju urządzeń.