O eixo rotor de turbina foi projetado para extrair energia térmica dos gases de escapamento e converter em energia mecânica, quais são as etapas de fabricação e suas principais características?
Nobre leitores hoje vamos apresentar o “coração” do Turbocompressor o elemento de alta frequência, super-resistente feito para trabalhar nas piores condições.
Se tratando de fabricação de Turbocompressor (fig.1), dentre todos os desafios do projeto, seja, desenvolvimento, processo e construção o eixo rotor de turbina é o “coração” e o elemento de maior complexidade. (fig.2)
O eixo rotor de turbina está localizado no conjunto central rotativo (Fig.3) e o rotor compressor está fixado no lado oposto do rotor de turbina.
O material utilizado na fabricação do eixo (sem o rotor de turbina) é uma liga de aço especial. (Fig.4)
O rotor de turbina utiliza superligas aplicadas em projetos aeroespaciais, que são elas: Inconel (base em níquel, cromo e inox) do tipo 713C e 713RC, liga em MAR e Gama Titânio. (Fig.5)
O rotor de turbina é fabricado em fundição de precisão no processo de cera perdida em forno a vácuo e também em forno por gravidade. O nome cera perdida é dado porque o molde do rotor é feito em cera, e logo a pós a cura da cera, o molde passa por banhos cerâmicos.
Formado o molde em cerâmica, após a cura da cerâmica é retirado a cera em autoclave e sintetizado os cachos dos rotores para receber as superligas fundidas. Na (fig.5) temos os rotores de turbina fundidos em Inconel.
O “casamento” a união entre o rotor de turbina e o eixo é realizado por friction welding ou EBW. Todos eixos sofrem alívios de tensão, pós solda.
A turbina trabalha de “mãos dadas” com a carcaça de turbina onde a mesma concentra e entrega os gases de escape. (fig.6)
O eixo rotor de turbina quando em funcionamento se encontra em um ambiente extremamente agressivo, com a pressão dos gases, altas temperaturas, oscilações de rotação radial próximo de mach 2, forças axiais entre outras. Na (fig.7) é possível observar a escala de temperatura de trabalho, do coração do Turbocompressor, cabe lembrar que os impellers ou as pás, não podem sofrer qualquer tipo de deformação seja por dilatação ou alteração de perfil ou contorno por interferência térmica, força gravitacional ou pressão. A turbina entrega toda sua potência no eixo para o compressor.
O “coração” bate em regimes de alta frequência e para resistir há essas exigências o eixo rotor passa por uma por uma série de aprovações por etapas de fabricação o que garante a qualidade e segurança do componente. Fig.8
Antes da mecanização do eixo rotor, ou processo de usinagem é realizado uma auditoria em cada uma das peças isso certificando a qualidade dos processos anteriores, permitindo a usinagem do eixo rotor (Fig.8). São utilizados centros de usinagem computadorizados com capacidade de em tolerância milésimo de milímetro.
Após realizado a usinagem, o eixo rotor passa por verificação tridimensional em raio laser permanecendo em movimento, para conferir todos as medidas raios e contornos estão em conformidade com as cotas do projeto. (Fig.9)
O eixo rotor passa por balanceamento de centro de massa gravitacional individual, é possível visualizar a retida de material, que são previstas. (Fig.10 e 11)
Tanto no nariz e a face traseira do rotor de turbina (nose e back face).
São características normais dos eixos rotores de turbina.
Esse balanceamento é realizado por uma célula robótica o que garante a precisão de retirada de material sem comprometer a estruta tanto do rotor quanto do eixo. (fig.11)
Algumas características construtivas do “coração” eixo rotor de turbina:
A primeira delas é a inclinação e quantidade dos impellers ou das pás, essa inclinação ou curva depende do tipo de Turbocompressor e aplicação, levando em consideração o quanto é necessário de energia térmica que será recuperada pelo rotor de turbina. (Fig12)
Assim com o rotor do compressor o eixo rotor de turbina também tem seu mapa de eficiência que é realizado em hot gas stand. (Fig.13)
Outro detalhe importante são os tipos de rotores de turbina (fig.14) seguindo da esquerda para direita open back, full back e half open back.
A Inducer, B exducer, C ponta, D alojamento dos mancais, E alojamento do compressor
F diametro menor/ponta de eixo, G diametro maior do eixo. (Fig. 15)
No eixo se encontra dois canais, o primeiro (superior) é o canal centrifugo e o outro é o canal do anel de pistão, a antes e depois dos canais o eixo apresenta dois raios de concordância (Fig.16) o que garante resistência e alívio de tensões. Nessa região dos canais internamente possui uma célula de vácuo que permite um thermal shield (escudo ou barreira térmica).
Eixo rotor de turbina danificado por excesso de temperatura nos gases de escape (fig.17) é evidente a agressão térmica nos componentes: mancais radial e axial, alojamento dos mancais radias, e anel de pistão fechado. (fig.18)
Na (fig.19) e (fig.20) a turbina sofreu ingestão de objeto ou corpo estranho, comprometendo seu funcionamento. Até nosso próximo encontro turbinado sob alta rotação! (instagram marciocattani)
Forte abraço a todos até o nosso próximo encontro turbinado!
Marcio Cattani, tem atuação na área técnica automotiva desde 13 anos. Consultor Técnico MasterPower Turbo, atendendo o mercado brasileiro e Internacional, suporte ao pós venda, engenharia de desenvolvimento, suporte técnico e treinamento técnico. Instrutor Homologado Bosch em Diagnóstico Eletrônico. Foi instrutor de treinamento fábrica MWM motores para rede Servico MWM. Com Especialização em Sistemas Eletrônicos Embarcados e Veículos Híbrido pela Universidade de Ávila Espanha.
marciocattani.mc@gmail.com / Siga no Instagram: @marciocattani
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