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

• Ano de defesa: 2022
• Autor(a) principal: Luiz Henrique Jorge Machado
• Tipo de documento: Tese
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: eng
• Instituição de defesa: Universidade Federal de Minas Gerais; Brasil; ENG - DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA; Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecanica; UFMG
• Palavras-chave em Português: Turbocharger; Experimental analysis; Floating ring bearing; Axial groove; Acoustic emission; Engenharia mecânica; Turbocompressores; Emissão acústica; Mancais; Estudos experimentais
• Link de acesso: http://hdl.handle.net/1843/44370

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.