Experimental thermodynamic and rotordynamic analyses of automotive turbochargers using fluid film bearings with different groove shapes

Abstract

Este trabalho apresenta um estudo experimental da influência do perfil da ranhura axial de mancais radias hidrodinâmicos semiflutuantes sobre o comportamento dinâmico e termodinâmico em pequenos turbocompressores utilizados nas indústrias automotiva e aeronáutica. Uma bancada de ensaios a quente utilizando gás GLP para testes de turbocompressores capaz de representar diferentes condições de velocidade e vazão mássica é utilizada para o desenvolvimento desse estudo. Sete diferentes turbocompressores com mancais semiflutuantes de diferentes perfis de ranhura axial são selecionados para a avaliação da resposta dinâmica e termodinâmica em diferentes condições de operação, inclusive pré-surge e surge. Cada mancal semiflutuante possui em seu corpo interno duas áreas de apoio do eixo e uma para o fluxo livre do lubrificante e são fabricados por processos de usinagem convencional diretamente pelo fabricante do turbocompressor. É utilizado o processo de eletroerosão de precisão (EDM) para a fabricação exclusiva das ranhuras, sendo elas: triangular, meia elipse, quarto de elipse, quarto de elipse invertido, retangular, trapezoidal e circular (ou "meia lua"). A análise comparativa do comportamento termodinâmico é efetuada por meio de ensaios de desempenho e eficiência dos compressores e dos conjuntos turbina-rotor em velocidade e vazão mássica constantes. Sensores de temperatura, pressão e fluxo mássico de ar e de gás são instalados em diversos pontos à montante e à jusante do compressor e da turbina. Para o estudo de dinâmica de rotores, espectros de frequência e diagramas das órbitas de precessão do munhão são obtidos a partir da medição das vibrações em diferentes velocidades estacionárias e fluxos de ar constantes de operação. Diagramas em cascata (waterfall plots) são realizados em aceleração e desaceleração dos turbocompressores. Acelerômetros e sensores de proximidade sem contato são utilizados para captar os sinais desejados de vibração sobre os turbocompressores sob diferentes condições de operação do turbocompressor. As respostas síncronas e subsíncronas também são obtidas e analisadas para cada turbocompressor para a faixa de velocidades de rotação de, aproximadamente, 0 a 145.000 rpm. Sinais de emissão acústica são captadas nas condições de velocidades e fluxos constante. Diversos tratamentos nesses dados são realizados, com diferentes filtros eletrônicos e análise estatística. São realizadas correlações dos dados de emissão acústica com a mudança apenas da velocidade de operação, apenas do fluxo de massa de ar do compressor, com a situação pré-surge e surge. Uma avaliação preliminar das dimensões das ranhuras dos mancais analisados é efetuada por meio de análise metrológica dimensional antes dos testes para certificar que a quantidade de lubrificante e a área efetiva de contato rotor-mancal estão dentro do determinado em projeto. Os resultados experimentais obtidos permitem a confecção de importantes mapas de desempenho termodinâmico e curvas da resposta dinâmica dos sete turbocompressores analisados, fornecendo subsídios relevantes para a seleção do perfil da ranhura axial do mancal flutuante mais apropriado para uma dada condição de operação do turbocompressor. Adicionalmente, é possível apresentar que os dados de emissão acústica utilizando filtro passa-banda entre 50 e 100 kHz com análise de curtose apresentam fortes características para detecção da situação de pré-surge em pequenos turbocompressores.