Rotture torsionali: cause legate all'accelerazione?

Ciao,

Un conoscente mi ha raccontato di un tuner specializzato in motori TDI che, durante le personalizzazioni, tende a usurare i turbocompressori, causando quasi sistematicamente rotture per torsione dell'albero.
Il suo motto è più o meno "la pressione di sovralimentazione non può essere sostituita da nient'altro, se non da una maggiore pressione di sovralimentazione". Di conseguenza, quando accelera, lascia che la pressione di sovralimentazione salga quasi senza limiti e tollera valori superiori, ad esempio fino a 3 bar (assoluti), con il turbocompressore GT1749VA del mio amico.

Secondo lui, le onde di pressione erano causate dalla torsione accelerata dell'albero motore durante la transizione dalla fase di accelerazione alla piena potenza.
Mi sembra piuttosto incredibile, dato che l'onda dovrebbe essere "soffusa" solo su leve di turbine di massimo 2 cm di lunghezza, senza entrare in contatto con parti solide che trasmettono il momento (come ingranaggi, ecc.).

Dopo la formula della tasca.
kw = Nm * rpm / 9550 oppure Nm = kW * 9550 / rpm.
È possibile stimare l'ordine di grandezza del carico torcente su un albero di un caricatore: ad esempio, una potenza turbina di 20 kW immessa a 100.000 giri al minuto si traduce in un carico torsionale di ben 1,91 Nm. Come si può immaginare, con una forza del genere, è difficile tagliare un albero in acciaio di spessore stimato di 3 mm o superiore.

Le mie spiegazioni per le fratture a torsione sono quindi più probabilmente:

Le eccessive velocità di rotazione del rotore, in combinazione con residui squilibri (entro i limiti della specifica), possono piegare l'albero fino a far toccare un elemento del rotore con il suo alloggiamento. Solo gli impulsi di frenata generati in questo modo creano sollecitazioni che possono causare la rottura dell'albero del compressore.

Il sistema di regolazione fa funzionare il turbocompressore in un regime di giri molto basso, spingendolo fino alla zona in cui si verificano bruschi cambiamenti tra slittamento e aderenza tra la girante del compressore e il flusso d'aria fresca.
Durante il passaggio da una condizione di slittamento a una di aderenza, secondo me, le forze di spinta più elevate possibili potrebbero agire come impulsi di frenata sul rotore del compressore, mentre l'albero e il rotore della turbina cercano di mantenere la loro alta velocità. Questi elevati impulsi torsionali dovuti alla pressione del gas potrebbero essere i più propensi a causare la rottura dell'albero del turbocompressore, in modo simile al brusco sobbalzo che si verifica quando si guida un motore TDI potente su una strada ondulata (umida) senza ESP, ad esempio in seconda marcia con l'acceleratore a fondo, quando i pneumatici iniziano a slittare nelle depressioni e riprendono aderenza sulla salita successiva.

Cosa ne pensate?

Hm... anche io avevo pensato proprio a questo, dato che questi improvvisi cambiamenti di carico rappresentano sicuramente un enorme stress non solo per il carico, ma anche per il sistema di sollevamento.
Considerando anche questi aspetti, abbiamo ridotto leggermente la potenza e la coppia nella versione definitiva della nostra Ibiza, per ottenere un comportamento più armonico nel complesso. Un effetto collaterale positivo è che l'auto è diventata più maneggevole e, poiché i componenti come il turbocompressore e le valvole a farfalla non sono spinti al limite, è anche più affidabile dal punto di vista meccanico.

Questo effetto della brusca decelerazione può essere facilmente dimostrato con un semplice esperimento. Prendete un cacciavite con un corpo cilindrico (non il manico) e fate scorrere sopra di esso un pezzo di metallo rotondo con un foro leggermente più grande. Se poi si utilizza una pistola ad aria compressa per far ruotare il pezzo di metallo, è possibile farlo raggiungere una certa velocità, fino a quando, improvvisamente, una rottura improvvisa del pezzo di metallo lo ferma bruscamente. Questo lascia una profonda tacca sul cacciavite e provoca una notevole scossa al manico... e questo, nonostante non si raggiungano nemmeno lontanamente le velocità di una turbina.

Quindi, ipotizzo che i danni da torsione di cui hai descritto siano causati da un numero di giri troppo elevato dell'albero, tanto che, secondo me, nel caso limite, la turbina potrebbe entrare in contatto con l'alloggiamento, forse solo brevemente, creando però uno squilibrio che porta all'arresto immediato e alla rottura dell'albero...

Cordiali saluti, Alex.

Beh, non riesco proprio a immaginarlo, visto che si tratta di intervalli di tempo molto brevi, che si potrebbero stimare in base alla potenza del caricatore e alla velocità di rotazione.
Probabilmente si tratta di vibrazioni o del contatto con la scocca.

Si può capire anche dalla superficie di frattura se si tratta di una frattura da fatica o da impatto, e anche se è dovuta a torsione o a flessione. Certo, bisogna capirci qualcosa.

Finora, ho visto solo rotture per flessione.
Sembrano essere causate dalle sollecitazioni generate dalla rotazione della girante (sul bordo esterno) quando si avvicina alla barriera del suono e poi passa attraverso l'ingresso aperto. Le onde d'urto che si formano sui bordi del condotto di ingresso e sulle pale della girante non sono affatto piacevoli.

Fratture torsionali? Non saprei da dove provengano.

Penso che il problema della perdita di aderenza e del suo improvviso ripristino non sia da sottovalutare.
Inoltre, a determinate soglie di aumento delle prestazioni, l'ESP non riesce più a ridurre la potenza abbastanza rapidamente su strade bagnate. Mi è successo di nuovo ieri: ho accelerato troppo, le ruote hanno perso l'aderenza, l'ESP ha lampeggiato brevemente, ma non si percepisce più un reale intervento di regolazione. Inoltre, in caso di guida imprudente, non si ha alcuna possibilità di proteggere il motore da regimi troppo elevati. A causa della perdita di aderenza, il carico diminuisce notevolmente, il motore sale improvvisamente di giri (non voglio immaginare quali sollecitazioni vengono generate) e, anche se si reagisce molto rapidamente, a causa dell'inerzia, è impossibile evitare che vengano raggiunti regimi di rotazione molto dannosi...

@ulf:
Secondo la tua opinione, si può sentire quando si raggiunge il limite di potenza del motore? L'altro giorno ho avuto l'impressione che, sotto carico, il rumore dei gas di scarico non fosse più uniforme, ma piuttosto simile a un effetto staccato...

Cordiali saluti, Alex.

Ciao a tutti,

Posso concordare con Bertil e Christian, ma non conosco il problema delle 'torsioni' che si verificano quando il turbocompressore viene sovraccarico.
Quando l'albero ruota eccessivamente, le pale dell'IMA colpiscono l'alloggiamento, causando lo sbilanciamento e la rottura dell'albero (come descritto sopra).
Se si spinge il Trubo al limite della portata massima, a quanto pare le pale sarebbero soggette a sollecitazioni meccaniche dovute alle onde di pressione e potrebbero rompersi (come indicato nel post di Bertil).

I turbocompressori danneggiati che ho visto avevano tutti una frattura 'pulita' e liscia, il che esclude la possibilità di una rottura per torsione.

Ecco alcune foto di turbocompressori modificati.
È evidente che il contenitore ha subito dei danni. Quindi, esattamente quello che Bertil aveva già scritto.

Secondo te, si può sentire quando si raggiunge il limite di pompaggio?

Sì, è possibile. Il turbocompressore 'soffia' in modo udibile, creando quindi una pressione di sovralimentazione irregolare e poi perdendola di nuovo. L'oscillazione delle pale si trasmette alla colonna d'aria.

Ciao Jochen,

Potrebbe non essere che queste fratture a torsione siano state causate da interferenze generate da flussi sfavorevoli nella zona ipersonica, che si verificano a regimi di rotazione eccessivi? Osservando le superfici di rottura delle pale della turbina, si nota che queste si verificano a velocità ben superiori a quella del suono (343 m/s). Ciò significa che, a partire dalla metà circa delle pale della turbina, si forma un vuoto dietro di esse, che provoca impatti violenti sulla turbina e, di conseguenza, sull'albero.
Non credo che durante un'accelerazione o una decelerazione normale, le turbine possano generare forze sulla spinta tali da causare la rottura dell'albero.

Oppure, come si può vedere dalle immagini, le pale deformate della girante del compressore hanno compromesso così gravemente il design che le interferenze sono ora causate dallo sbilanciamento stesso. Se si assume che le deformazioni delle pale della girante siano state generate nella zona di massimo regime di rotazione dell'unità, allora, subito dopo il danneggiamento delle pale, la velocità di rotazione deve essere ridotta, e di conseguenza, tutte le frequenze di vibrazione della turbina vengono attraversate, il che porta alla rottura dell'albero.