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Type: Tese
Title: Metodologias de caracterização de falhas no compressor centrífugo de turbocompressores automotivos
Authors: Oscar Ricardo Sandoval Rodríguez
First Advisor: Ramón Molina Valle
First Co-advisor: José Guilherme Coelho Baêta
First Referee: Ramón Molina Valle
Second Referee: Jose Guilherme Coelho Baeta
Third Referee: Fabricio José Pacheco Pujatti
metadata.dc.contributor.referee4: Fernando Antonio Rodrigues Filho
metadata.dc.contributor.referee5: Rogerio Jorge Amorim
Abstract: O motor de combustão interna é a tecnologia mais difundida no setor automotivo, determinando fatores como a mobilidade e o planejamento urbano. A turboalimentação é uma das tecnologias mais utilizadas para atender os regulamentos internacionais quanto a emissões e consumoespecíficodecombustível,omercadoprojetacrescimentoemtodasasregiõesmundiais, principalmente nos mercados emergentes. Nesse cenário, a tecnologia da turboalimentação exigemétodoscomputacionaisqueaumentemaconfiabilidadedossistemas. Nestetrabalhosão desenvolvidas e aplicadas três metodologias para caracterizar dois tipos de falha no compressor centrífugo de um turbocompressor automotivo. Uma falha refere-se ao desbaste do rotor do compressor devido ao impacto de objetos estranhos e a outra, ao desbaste devido a grandes desbalanceamentos,àfaltadelubrificaçãoeàerosãopelasmoléculasdeáguapresentesnarecirculação de gases de exaustão de baixa pressão. Quatro compressores centrífugos Garrett TA31 foram utilizados para comparar as mudanças que ocorrem após a falha através da metodologia termodinâmica, rotodinâmica e acústica. Na metodologia termodinâmica foram utilizadas duas técnicas para caracterizar as falhas do rotor do compressor. A primeira técnica foi denominada de caracterização geométrica, pois visou identificar as alterações nos mapas termodinâmicos através de parâmetros geométricos. Também, foi utilizada a caracterização através dos índices de desempenho. Na metodologia rotodinâmica, foi caracteriza a vibração da carcaça do compressor em todo o regime de funcionamento, analisando-se as amplitudes e as frequências utilizandoatransformadadiscretadeFourier. Nametodologiaacústica,foiutilizadoummétodo de medição experimental da irradiação externa do compressor centrifugo, em conjunto a uma técnicadedecomposiçãodeondasacústicasquequantificaosníveisdeintensidadeirradiada. O resultado da caracterização pela técnica geométrica apresentou que as pequenas mudanças nos pontos de funcionamento foram identificas pelos índices geométricos, principalmente os que apresentaram tendências de variação quando o desbaste era maior. Por outra parte, os índices dedesempenhomostraramquefoipossíveldeterminarasalteraçõesdageometriadorotorcompressor inclusive pela medição de grandezas estáticas. Quanto à metodologia rotodinâmica, os trêseixosdacarcaçadocompressorapresentarammodificaçõesquantoemamplitudeefrequência referentes à modificação do rotor, principalmente na região da frequência sub-síncrona. Por suavez,ametodologiaacústicaapresentoupequenasmodificaçõesdevidoaodesbastedorotor. Finalmente, este trabalho demonstra que foi possível desenvolver ferramentas computacionais que permitam avaliar continuamente o estado de desempenho do compressor centrífugo, seja pela medição das características de temperatura e pressão do ponto de operação, ou pelo sinal de aceleração do conjunto, pois em cada uma dessas metodologias foram observadas grandes variações quando comparadas ao estado novo do componente.
Abstract: Internal combustion engines are one of the most widespread technologies in the automotive sector as it impacts factors such as mobility and urban planning. Turbocharging is an effective method in terms of attending international regulations towards emissions and specific fuel consumption, thus it is expected that this technique will spread around the world, specially in emergent countries. In this scenario, turbocharging demands computational methods that improve systems reliability. In this work three methodologies are developed and applied with the goalofidentifytwotypesoffailureinthecentrifugalcompressorofanautomotiveturbocharger. One failure is related to the compressor’s wheel thinning related to the impact of some foreign object entering, whereas the other to lubrication delay or fault and the erosion caused by water molecules present in the re-circulation of low pressure exhaust gases. Four centrifugal compressors Garrett TA31 were used to compare changes that happen after the failure, these comparisons made with the aid of thermodynamic, rotordynamic and acoustic methodologies. In the thermodynamic methodology two techniques were used to identify the compressor’s wheel degradation. The first technique is called geometric characterization, as it aimed in identifying changes in the thermodynamic maps by using geometric parameters. The second technique is called "health state"indices. In the rotordynamic methodology, the vibration of the compressor housingthroughouttheoperationwascharacterizedbyanalyzingitsamplitudesandfrequencies from its discrete Fourier transformation. In the acoustic methodology, an experimental measurementmethodoftheexternalradiationofthecentrifugalcompressortogetherwithanacoustic wave decomposition technique that quantifies its radiated noise was made. The outcome of the geometrictechniqueshowedthatsmallchangesintheoperationalpointswereidentifiedbygeometricindices,mainlytheoneswhichpresentedtendenciesofvariationwithagreaterthinning. On the other hand, "health state"indices showed that it was possible to determine degradation in the wheel compressor’s geometry even when static quantities were measured. Regarding the rotordynamic methodology, the three axis of the compressor’s housing presented changes in amplitudes and frequencies when failure wheel occurs, specially in the sub-synchronous frequencyrange. Ontheotherhand,theacousticmethodologypresentedsmallvariations. Finally, this work shows that it was possible to develop computational methods that allow the continual assessment of the centrifugal compressor performance, either by measuring temperature and pressure in the operational point or by the acceleration signal of the set, as in each of these methodologies great changes were observed when compared to the state of a new component.
Subject: Engenharia mecânica
Automóveis - Motores - Turbocompressores
Falha de sistema (Engenharia)
Termodinâmica
language: por
metadata.dc.publisher.country: Brasil
Publisher: Universidade Federal de Minas Gerais
Publisher Initials: UFMG
metadata.dc.publisher.department: ENG - DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA
metadata.dc.publisher.program: Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecanica
Rights: Acesso Aberto
URI: http://hdl.handle.net/1843/30170
Issue Date: 31-Jul-2019
Appears in Collections:Teses de Doutorado

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