Journal of KONES 2007 NO 2

Journal of KONES Powertrain and Transport, Vol.14, No. 2 2007
BALANCING OF TURBOCHARGER ROTORS
Jerzy Jaskólski
Kraków University of Technology
Institute of Automobiles and Internal Combustion Engine
Warszawska 24, 31-155 Kraków, Poland
tel.:+48 12 6283684
e-mail: [email protected]
Grzegorz Budzik, Adam Marciniec
Rzeszów University of Technology,
Faculty of Mechanical Engineering and Aeronautic
Al. PowstaĔców Warszawy 8, 35-959 Rzeszów, Poland
tel.: +48 17 8651642, fax: +48 17 8651150
e-mail: [email protected], [email protected]
Abstract
The paper presents constructional and technological aspects of balancing of turbocharger rotors. Rotor system is
a basic element of a turbocharger, responsible for its correct operation. Balancing of a rotor system is very important
for decreasing the level of vibration. High level of vibration can destroy a turbocharger. Balancing it is the one of the
most important stages of the assembly process. Rotor design should guarantee light weight and high strength. Design
of a rotor has to assure grinding allowance for balancing. Removal of material is realized by machining and abrasive
machining. The lower the mass of a rotor, the smaller deceleration of the rotor system, what results in improved
dynamic characteristic of a turbocharged engine. Balancing of a rotor system assembly consists of a few stages:
balancing of a compressor rotor, balancing of a turbine impeller, balancing of a rotor system, then balancing of the
rotor system mounted in a turbocharger body. Turbochargers with rotors of a diameter above 250 mm are examined
for level of vibration on a special turbocharger test bench. Correct balancing assure fulfillment of all technical
requirements concerning vibration levels in every range of the rotor speed.
Keywords: turbocharger, construction parameters, dynamic properties, level of vibration
WYWAĩANIE WIRNIKÓW TURBOSPRĉĩAREK
Streszczenie
Artykuá przedstawia konstrukcyjne i technologiczne aspekty wywaĪania ukáadów wirujących turbosprĊĪarek.
Ukáad wirujący jest podstawowym elementem turbosprĊĪarki odpowiedzialnym za jej prawidáową pracĊ. WywaĪenie
ukáadu wirującego jest szczególnie istotne dla zmniejszenia drgaĔ, które mogą spowodowaü zniszczenie
turbosprĊĪarki, dlatego jest to jedna z najwaĪniejszych czĊĞci procesu montaĪu. Konstrukcja wirników powinna
charakteryzowaü siĊ jak najmniejszą masą przy zachowaniu parametrów wytrzymaáoĞciowych. Konstrukcja wirników
musi równieĪ zapewniaü moĪliwoĞü usuniĊcia naddatków materiaáu celem wywaĪenia ukáadu wirującego. Usuwanie
materiaáu realizowane jest poprzez obróbkĊ skrawaniem lub obróbkĊ Ğcierną. Mniejsza masa wirników zmniejsza
opóĨnienia ukáadu wirującego turbosprĊĪarki, co polepsza wáaĞciwoĞci dynamiczne doáadowanego silnika
spalinowego. WywaĪanie ukáadu wirującego skáada siĊ z kilku etapów: wywaĪanie wirnika sprĊĪarki, wywaĪanie
wirnika turbiny, wywaĪanie zespoáu wirującego, wywaĪania zespoáu wirującego w korpusie turbosprĊĪarki.
W przypadku turbosprĊĪarek o Ğrednicy wirników powyĪej 250 mm poddawane są one badaniom czĊstoĞci drgaĔ
podczas prób na hamowni. Prawidáowe wywaĪenie zapewnia speánienie wymagaĔ technicznych dotyczących
parametrów czĊstoĞci drgaĔ w zadanych zakresach prĊdkoĞci obrotowej.
Sáowa kluczowe: turbosprĊĪarka, parametry konstrukcyjne, wáasnoĞci dynamiczne, poziom drgaĔ
J. Jaskólski, G. Budzik, A. Marciniec
1. WstĊp
Nowoczesne turbosprĊĪarki pracują z duĪymi prĊdkoĞciami obrotowymi dochodzącymi do
200000 [obr/min], dlatego wywaĪanie wirników jest jednym z kluczowych etapów procesu
montaĪu zespoáu wirującego [2, 3].
Jedną z najczĊstszych przyczyn zaburzeĔ ruchu obrotowego ukáadu wirującego turbosprĊĪarki
są odĞrodkowe siáy bezwáadnoĞci powstające wskutek nie pokrywania siĊ osi wirowania z jedną
z gáównych centralnych osi ukáadu wirującego. Niejednakowego usytuowania tych osi naleĪy
upatrywaü przede wszystkim w niewyrównowaĪeniu mas wirujących [4,5].
Wskutek niewyrównowaĪenia pojawiają siĊ odĞrodkowe siáy bezwáadnoĞci. Siáy te stanowią
zewnĊtrzne okresowe wymuszenia i mogą wywoáywaü zjawiska rezonansu. Siáy ciĊĪkoĞci
dziaáające na wirujące elementy mogą stanowiü równieĪ Ĩródáo powstawania drgaĔ [6, 7].
Nadmierne drgania w pierwszej kolejnoĞci powodują uszkodzenia áoĪysk ukáadu wirującego,
co staje siĊ przyczyną unieruchomienia a nawet zniszczenia turbosprĊĪarki [8].
2. WywaĪanie zespoáu wirnikowego turbosprĊĪarki
WywaĪanie zespoáu wirnikowego turbosprĊĪarki skáada siĊ z dwóch zasadniczych etapów:
pierwszy etap: wywaĪanie wirnika sprĊĪarki, wywaĪanie wirnika turbiny, wywaĪanie
zespoáu wirującego,
drugi etap: wywaĪanie zespoáu wirującego w korpusie turbosprĊĪarki.
2.1. WywaĪanie wirników
Pierwszym etapem procesu wywaĪania jest kolejne wywaĪenie wirnika turbiny, wirnika
sprĊĪarki a nastĊpnie wywaĪenie caáego zespoáu poza korpusem turbosprĊĪarki. WywaĪanie tego
typu odbywa siĊ na specjalistycznych wywaĪarkach. W celu wywaĪenia wirnika sprĊĪarki naleĪy
na jednej áopatce nanieĞü biaáą farbą znak dla sensora fotokomórki. NastĊpnie wirnik naleĪy
zamocowaü na waáku pomocniczym. Waáek z wirnikiem mocuje siĊ na wywaĪarce i podáącza
napĊd (rys. 1).
Rys. 1. Wirnik sprĊĪarki zamocowany na wywaĪarce firmy Hofmann
Fig. 1. Compressor impeller fixed on Hofmann balancing machine
218
Balancing of Turbocharger Rotors
NastĊpnie naleĪy wywaĪyü wirnik turbiny. Wirnik turbiny najczĊĞciej poáączony jest na staáe
z waákiem turbosprĊĪarki (np. przez zgrzewanie tarciowe), dlatego taki zespóá jest w caáoĞci
instalowany na wywaĪarce. W przypadku ciĊĪkich wirników naleĪy stosowaü dodatkowe uchwyty
waáka (rys. 2).
Rys. 2. Wirnik turbiny zamocowany na wywaĪarce firmy Hofmann
Fig. 2. Turbine impeller fixed on Hofmann balancing machine
WywaĪone osobno elementy naleĪy poáączyü w zespóá wirnikowy, który bĊdzie dedykowany
jako caáoĞü do pracy w kompletnej turbosprĊĪarce. Zespóá podczas wywaĪania musi byü
skompletowany ze wszystkimi elementami wirującymi i zainstalowany na wywaĪarce (rys. 3). Po
zakoĔczeniu procesu wywaĪania nie wolno zmieniaü wirników.
Rys. 3. Wirniki turbiny i sprĊĪarki zamocowane na wywaĪarce firmy Hofmann
Fig. 3. Turbine and compressor impeller fixed on Hofmann balancing machine
219
J. Jaskólski, G. Budzik, A. Marciniec
Proces wywaĪania polega na doáączaniu do wirnika odpowiednich mas w zaleĪnoĞci od
wskazaĔ przyrządów pomiarowych. Na podstawie poáoĪenia doáączonych do wirnika mas oraz ich
wartoĞci okreĞlane są miejsca Ğciągania naddatków materiaáu.
2.2. WywaĪanie zespoáu wirującego w korpusie turbosprĊĪarki
Drugim etapem jest wywaĪanie zespoáu wirującego w korpusie turbosprĊĪarki. Do tego celu
moĪe posáuĪyü wywaĪarka M2 firmy Turbo Manufacturing Italy (rys. 4). WywaĪarka tego typu
wyposaĪona jest szereg urządzeĔ pomiarowych i instalacji dodatkowych, do których m.in. naleĪą
ukáad smarowania áoĪysk w korpusie turbosprĊĪarki z podgrzewaniem oleju, uchwyty mocujące
korpus, ukáad napĊdowy (na sprĊĪone powietrze).
Rys. 4. WywaĪarka M2 firmy Turbo Manufacturing Italy
Fig. 4. Balancing machine type M2 - Turbo Manufacturing Italy
Przed rozpoczĊciem wywaĪania korpus turbosprĊĪarki naleĪy przymocowaü do wywaĪarki,
nastĊpnie podáączyü przewody olejowe i wáączyü grzaákĊ w celu uzyskania odpowiedniej
temperatury oleju (50y80qC). CiĞnienie oleju podczas pracy ukáadu powinno wynosiü 0,1y0,15
[MPa]. Na wirniku turbiny naleĪy wykonaü znak (póákola czarne i biaáe) sáuĪący do odczytu
prĊdkoĞci obrotowej. Na wirniku sprĊĪarki naleĪy wykonaü znak biaáą farbą dla lokalizacji miejsca
niewywaĪenia. DyszĊ powietrza napĊdzającego naleĪy umieĞciü tak, aby strumieĔ skierowany byá
po stycznej do obwodu najwiĊkszej Ğrednicy wirnika turbiny. Takie ustawienie pozwala na
uzyskanie najwiĊkszych prĊdkoĞci obrotowych wirników przy najmniejszym zuĪyciu powietrza.
Przed przystąpieniem do badaĔ sprawdzana jest równieĪ prawidáowoĞü pracy sensora fotokomórki.
Przygotowane w ten sposób stanowisko jest gotowe do wywaĪania kolejno wirnika sprĊĪarki
i turbiny.
3. Konstrukcja wirnika – miejsca usuwania naddatków materiaáowych
Kontrukcja wirnika sprĊĪarki i turbiny musi uwzglĊdniaü miejsca usuwania mateiaáu w celu
wywaĪenia ukáadu. Materiaá z wirników usuwany za pomocą obróbki ubytkowej (wiercenia,
frezowania, szlifowania). Istnieje wiele miejsc usuniĊcia naddatków materiaáu. Miejsca te
oznaczone biaáą linią przedstawia rysunek 5 - wirnik sprĊĪarki (rys. 5a,b), turbiny (rys. 5c, d).
220
Balancing of Turbocharger Rotors
Rys. 5. Miejsca zdejmowania materiaáu: a), b) wirnik sprĊĪarki, c), d) wirnik turbiny
Fig. 5. Place of remove material: a), b) compressor impeller, c), d) turbine impeller
4. Badania stanowiskowe turbosprĊĪarki
Ostateczna kontrola poprawnoĞci dziaáania turbosprĊĪarki i prawidáowego wywaĪenia
przeprowadzana jest na stanowisku hamownianym przez pomiar czĊstoĞci drgaĔ [1]. W przypadku
turbosprĊĪarek o Ğrednicy wirników powyĪej 250 mm pomiary tego typu są warunkiem odbioru
technicznego. Prawidáowe wywaĪenie zapewnia speánienie wymagaĔ technicznych dotyczących
parametrów czĊstoĞci drgaĔ w zadanych zakresach prĊdkoĞci obrotowej. Rysunek 6 przedstawia
wyniki badaĔ stanowiskowych czĊstoĞci drgaĔ wáasnych turbosprĊĪarek C0-45 w zakresie
prĊdkoĞci obrotowej 0y42000 [obr/min]. TurbosprĊĪarki C0-45 speániające kryteria odbioru
technicznego moĪna podzieliü na dwie grupy: pierwsza grupa to turbosprĊĪarki pracujące
w dolnych zakresach drgaĔ (adop ” 0,8g), druga to pracujące w górnych zakresach drgaĔ
(adop”1,5g).
Rys. 6. Poziom drgaĔ turbosprĊĪarek C0-45 w funkcji prĊdkoĞci obrotowej
Fig. 6. Level of vibration of turbochargers C0-45 in rpm function
5. Wnioski
Istnieje wiele przyczyn przekroczenia dopuszczalnych drgaĔ turbosprĊĪarek. NajczĊstszą
przyczyną nadmiernych drgaĔ są niewyrównowaĪone ukáady wirujące. NiewyrónowaĪenie moĪe
pojawiü siĊ z nastĊpujących przyczyn:
nieprawidáowego montaĪu turbosprĊĪarki po wywaĪeniu ukáadu wirującego,
nierównomiernego zuĪycia áopatek w wyniku korozji i erozji,
pojawienia siĊ ciaá obcych i zanieczyszczeĔ w wirnikach turbiny i sprĊĪarki,
221
J. Jaskólski, G. Budzik, A. Marciniec
uszkodzenia áopatek wirników,
osáabienia poáączenia pomiĊdzy waákiem w wirnikiem sprĊĪarki,
odksztaácenia termicznego wywoáanego naprĊĪeniami wewnĊtrznymi lub niejednorodnoĞcią
materiaáu wirników turbiny i sprĊĪarki.
Proces wywaĪania ukáadu wirującego turbosprĊĪarki jest niezwykle istotny dla jej wáaĞciwego
dziaáania. Prawidáowy proces montaĪu i szczegóáowa kontrola jakoĞci pozwalają uniknąü
uszkodzeĔ turbosprĊĪarek. Przedstawione powyĪej przyczyny powstawania drgaĔ wynikają
gáównie z nieprawidáowej eksploatacji doáadowanego silnika.
Literatura
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
[7]
[8]
Budzik, G., Mazurkow A., Research Of Dynamic Properties of Turbochargers C0-45,
Journal of KONES Powertrain and Transport, Vol. 13, No. 3, pp. 41-46, Warszawa 2006.
KiciĔski, J., Dynamika wirników i áoĪysk Ğlizgowych, Wydawnictwo Instytutu Maszyn
Przepáywowych PAN, GdaĔsk 2005.
Kowalewicz, A., Doáadowanie silników spalinowych, Wydawnictwo Politechniki
Radomskiej, Radom 1998.
KordziĔski, C., ĝrodulski, T., Silniki spalinowe z turbodoáadowaniem, Wydawnictwa
Naukowo – Techniczne, Warszawa 1970.
Mysáowski, J., Doáadowanie silników, Wydawnictwa Komunikacji i àącznoĞci, Warszawa
2006.
OczoĞ, K. E. (red.), Roraty Fluid-Flow Machines, Oficyna Wydawnicza Politechniki
Rzeszowskiej, Rzeszów 1998.
Santos, I. F., Nicolettii, R., Scalabrin, A., Feasibility of applying active lubrication to reduce
vibration in industrial compressors, Proc. Of ASME Turbo Expo 2003, June 16-19,
GT2003-38225, USA, Atlanta 2003.
Walczyk, Z., KiciĔski, J., Dynamics of Turbosets, Technical University of GdaĔsk Publisher,
GdaĔsk 2001.
222