Hét adres voor uw performance turbochargers!
Header

“Exploderende turbochargers in de sport en veiligheid!”

maart 23rd, 2012 | Posted by Aart Waterweg in Ongecategoriseerd

Een vraag die me met name de laatste jaren vanuit de Tractorpulling sport vaker gesteld wordt is “als één van de wielen barst in de turbo bij volle rotorsnelheid, zijn dan de beide eindhuizen stevig genoeg en ook in staat de brokstukken binnen te houden?”

Deze vraag hoeft niet te worden gesteld en wordt ook nooit gesteld vanuit de wereld met de normale gebruiksdiesels met turbo, daar zijn de kansen, dat dit kan gebeuren zeer klein tot eigenlijk nul.

In de amateur en ook professionele motorsporten kan het breken en/of uit elkaar vliegen van een compressor of turbinewiel maar al te snel en heftig realiteit worden.

Het is inmiddels een feit, dat de materiaal limieten van de moderne en hedendaagse turbochargers duidelijk bereikt zijn en in de sport zelfs al vaak ruim overschreden worden.

De turbo’s worden blootgesteld aan (te) hoge rotorsnelheden, extreem hoge in- en uitlaattemperaturen en sterk wisselende omstandigheden in een kort tijdsbestek.

De ontwikkeling van turbo’s staat niet stil en voortdurend poogt men nieuwe wielen, huizen en complete turbo’s te verbeteren, om de vorige generatie turbo’s te overtreffen. Daarbij is de verleiding groot, om door het gebruik van lichtere wielen en dunnere behuizingen te gaan verwerken, op deze manier de ‘performance ’van zowel de turbo als de motor waarop deze wordt toegepast, te verhogen.

De turbofabrikanten gaan bij de keuze van materialen uiteraard grotendeels uit van de eisen van hun grootste commerciële doelgroep en dat is de Performance sport duidelijk niet.

Aan de andere kant worden alle turbochargers vóór het uitbrengen van nieuwe modellen, zeer uitvoerig en grondig getest, niet alleen op het gebied van Performance, maar ook worden te allen tijde zogenaamde ‘containment tests’, barst-tests dus, uitgevoerd.

Hierbij worden de turbo’s op een proefstand gedurende langere tijd over het maximum toegestane toerental voor het model gedraaid, tot één van de wielen de geest geeft, om de zien of de bij de hierop volgende meestal vrij heftige explosie ‘alles binnen blijft’…

Aan opbouw en dikte van behuizingen worden strenge veiligheidseisen gesteld, maar daarbij dient men steeds in gedachten te houden, dat het er in de sport wel erg heftig aan toe kan gaan, de laatste jaren met name!

Laten we in de sport niet uit ‘het oog verliezen, dat we draaien met uitlaattemperaturen die rond of over de 1.000 graden Celsius liggen, terwijl de normale uitlaattemperaturen, waarvoor deze turbo’s zijn gefabriceerd maximaal zo op een 750-760 graden C liggen. Dan spreken we hier al over Euro 4 en Euro 5 motoren, bij de oudere voorgangers liggen de uitlaattemperaturen nog behoorlijk lager!

Aan de compressorzijde vindt men in de sport rond de 5 bar turbodruk al heel gewoon, waar men inlaattemperaturen noteert van 300 tot 350 graden Celsius. Dit gaat meestal al niet meer met de conventionele ‘gegoten’ compressorwielen en worden, indien beschikbaar, ‘billet’ (5-assig gefreesd uit gesmeed aluminium van vliegtuig kwaliteit) wielen toegepast.

Zie hiervoor ook de rubriek ‘Billet compressorwielen’ onder de berichtknop INFORMATIE in het hoofdmenu.

Vergeleken met bijvoorbeeld een Euro5 motor, welke vaak ook al met turbodrukken van 2.2 tot 2.5 bar draait en dan een inlaattemperatuur van tot zo’n 200 graden C is dus 5 bar en 350 graden Celsius bepaald geen sinecure, maar waar de materiaalkeuzes en materiaaleisen van de turbofabrikant niet op zijn afgestemd.

Uiteraard is het gebruiken van betere en andere materialen, zo ze al voorhanden zouden zijn, ook geen commercieel haalbare optie. Deze materialen en legeringen zijn doorgaans stevig duurder, dus als het geen noodzaak is vanuit kwaliteitsoogpunt voor de standaard toepassingen, kiest men hier logischerwijze niet voor, omdat het product van de ene fabrikant ook prijstechnisch competitief moet zijn ten opzichte van de concurrent.

De Performance markt is in verhouding minimaal en mogelijkheid tot afzet is vergeleken met de gigantische productie aantallen in de wereldwijde turbomarkt nihil.

Voor de commercieele en personenwagenmarkt worden jaarlijks millioenen turbo’s gefabriceerd. Tractorpulling? Niet interessant voor deze fabrikanten dus! Die laten dat volgaarne over aan kleinere bedrijven, die daar interesse in en kennis van hebben.

Met name Garrett AiResearch heeft zich wel meer gericht op de Performance markt met de GT, GTR en GTX series, waar dan alleen de ‘configuraties’ hierop zijn afgestemd, maar de gebruikte materialen praktisch identiek zijn.

Evenzo Borg Warner met de EFR en S series, maar beider Performance programma’s zijn ook al weer op een voor hen meer interessante markt, de Autosport, gericht.

In beide gevallen hangt aan deze programma’s ook nog eens een vrij stevig prijskaartje en is men in Europa nauwelijks actief op dit gebied, meer een USA gebeuren! Tevens zijn onderdelen voor onderhoud/revisie/reparatie nauwelijks beschikbaar en te vinden!

Klik eens op deze foto om te vergroten, komt het wat ‘heftiger’ over!

Ook de in verhouding zeer kleine spelers op die markt, zoals Turbonetics, Precision turbo, CompTurbo en nog een waslijst van namen, die weinig tot niets fabriceren, maar bestaande producten modificeren en ‘lekker commercieel aankleden’ maken veel tamtam en blingbling, maar in dit verband volkomen hetzelfde verhaal, het meeste wordt bij een turbofabrikant aangekocht, een ‘eigen, mooi glimmend ’compressorhuis met het eigen merk’ er op, veel toeters en bellen, maar dezelfde materialen, met dezelfde problemen in de sport!

De meest voorkomende oorzaak van wielbreuk of vaanbreuk is een combinatie van hoge temperaturen en hoge rotorsnelheden, waarbij de materiaalsterkte dramatisch terug loopt en waar het materiaal onderhevig is aan enorme spanningen.

Een andere zeer gebruikelijk oorzaak van turboschade is metaalmoeheid, mede als gevolg van eerder gememoreerde feiten.

Echter, het fenomeen wat LCF = Low Cycle Fatigue wordt genoemd, oftewel “lage toeren metaalmoeheid” is de grootste boosdoener bij dit probleem van metaalmoeheid.

Elke turbo heeft in het lagere toerengebied, dus zowel tijdens het op- en aftoeren, een licht turbulent gebied, waar de rotor op te oliefilm moet ‘gaan sporen’, als een wiel op een as welke aangedreven wordt, eerst even rilt en bij hogere snelheid ‘in het spoor’ komt.

Bij veel wisselende belastingen, waar de turbo regelmatig op en af toert, een goed voorbeeld is een stadsbus, kan dit tot LCF fouten en schades leiden.

Vergelijk het maar met een auto, waarvan de voorwielen niet goed uitgebalanceerd zijn, bij 80 tot 100 km/u trillen de wielen en voel je dat in het stuur, bij 120-140 is alles weer goed ‘in het spoor’!

In de sport gebeurt zowel het op als af toeren van de turbo soms ook veel te ruig.

Tevens, als aan het einde van een run, waarbij het gashendel te snel wordt dichtgezet en de terugslag van lucht uit de motor naar de turbo de rotor al een radiale klap krijgt, ook nog gelijktijdig de turbo in het turbulente gebied komt, ja.. dan gaat het finaal mis..!

Alle metalen hebben een bepaalde levensduur op het gebied van metaalmoeheid en bij dit soort extreme belastingen en vooral wisselende belastingen, kan het voorkomen dat een vaan van één van de wielen afbreekt, de rotor onmiddellijk in onbalans raakt, met als gevolg directe en grote turboschade.

Ik hoor al jaren ‘gemijmer’ van diverse kanten over de wens naar ‘dikkere assen’ en dat soort kretologie.

Kretologie uit hoeken, die de klepel wel weten te vinden, maar de klok niet zien hangen, of de bel horen gaan, maar de deur niet kunnen vinden, of een nieuw gezegde even ‘ook bij een dikke as, zit daar nog steeds die nare ‘las’…’ dat mag ook wel van mij!

Echter, de diameter van de as is totaal geen doorslaggevend criterium hierbij! De rotor draait en ‘drijft’ zowel axiaal als radiaal op een dunne oliefilm.

Laten we er gemakshalve maar van uit gaan, dat de turbofabrikanten, waar honderden Engineers dagelijks bezig zijn met productverbetering en aanpassing, niet slapen. Bij de steeds hogere Emissie eisen horen ook al flink hogere turbodrukken, plus in- en uitlaattemperaturen, dus met ‘werkt continu aan verbetering bij een gelijksoortig probleem!’

Dus als men her en der vanuit de schuur of bedrijf denken deze lui er even uit te kunnen ploffen… ik heb daar zelf geen twijfels over.. dat ga nie gaan…!!

De reden, dat enkele bedrijven bestaande turbochargers aanpassen c.q. deels kopieeren is louter, omdat de turbofabrikanten hier letterlijk en figuurlijk ‘geen brood’ in zien.

Bij de ook al in zwang rakende turbo’s met keramische kogellagers, loopt men ook tegen dezelfde en ook andere problemen aan.

Als bij rotorsnelheden zoals gememoreerd één van de wielen het huis raakt door bijvoorbeeld overtoeren, plus daarbij optredende ongewenste vibraties en momenten van onbalans, gaat de door sommigen zo heftig gewenste en begeerde ‘dikke as’ ook aan stukken of slaat krom!

Als één van de vanen afbreekt of één van de wielen barst, heb je wel een mooie dikke as over, maar wie maalt daar om?

Om op deze plaats een voorbeeld te nemen, het model HX80 turbo, zoals bijvoorbeeld ook al in gebruik in de 4.5 ton Supersport;

De vaantip omtreksnelheid van het turbinewiel is (stevig boven de 5 bar turbodruk) ruwweg zo’n 2.750 kilometer per uur! Terug gerekend naar de bodemdiameter van het wiel, is dan de rotorsnelheid ongeveer 120.000 t/min, wat zeer aanzienlijk over de ‘veilige limiet’ van 80-90.000 t/min voor dit model turbo is.

En dat punt ligt zo rond de 5 bar turbodruk…

Ik zal de lezer hier niet vermoeien met uitgebreide voorbeelden en berekeningen betreffende kinetische energie en de gigantische krachten die loskomen bij wielbreuk. Dit is al uitgebreid gedaan door teams van Engineers, maar dit zijn de uiteindelijke uitkomsten, die we dan ook gewoon maar voor waar aannemen.

Hier zijn dikke rapporten en boeken over gepubliceerd, iets teveel om hier op te nemen en behoorlijk droge kost trouwens! Voor de Die Hard techneuten bijgaand een ‘white paper’ van Garrett over ditzelfde onderwerp Garrett_White_Paper_02_Burst__Containment

Veiligheid

Als u bijgaande foto’s eens bekijkt en ziet wat een wielbreuk in een turbo kan aanrichten, zult u begrijpen, dat ik een volledig voorstander ben van de huidige en ook reeds aangepaste veiligheidsvoorschriften binnen het Technisch Reglement van de verschillende organisaties.

Tevens hebben zich, ook weer in het recente verleden, enkele heftige turbo crashes voorgedaan, waar het duidelijk was dat zo volledige mogelijke omkasting van de turbo, het voorschrijven van de wanddikte van de uitlaatbocht tot het dubbele kruis, totaal geen overdadige luxe is, maar een pure noodzaak, om de veiligheid van zowel rijders als publiek zoveel mogelijk te kunnen garanderen!

Voetnoot:

Over het punt veiligheid kreeg ik recent nog een relevante reactie van de heer Sascha Mecking van de DTTO (Duitse organisatie), welke er fijntjes op wees, dat men in Nederland bij calamiteiten ogenschijnlijk weg komt met het plaatsen van een bord “Bezoekers betreden dit terrein op eigen risico”.

In Duitsland ligt dit wettelijk wel een heel stuk scherper en gecompliceerder, waar men al snel een rechtszaak aan de broek heeft en hoge boetes kunnen worden uitgedeeld wegens persoonlijke letselschade! Dus in Europees verband, waar men de laatste tijd zo broeierig over doet, zal men ook op dit punt de ogen en oren open moeten houden, over de grens moeten kijken en niet alleen zeer scherp op de veiligheidseisen moeten letten, maar ook de verzekeringen in orde moeten hebben!

You can follow any responses to this entry through the RSS 2.0 Both comments and pings are currently closed.