Hét adres voor uw performance turbochargers!
Header

Feiten en misvattingen over “Balanceren van turbo’s”

maart 30th, 2012 | Posted by Aart Waterweg in Ongecategoriseerd

Één van de belangrijkste voorwaarden bij de assemblage of het reviseren van een turbo is om er absoluut zeker van te zijn, dat de roterende onderdelen nauwkeurig en behoorlijk gebalanceerd zijn.

Het probleem is, dat vele mensen niet weten wat “nauwkeurig gebalanceerd” eigenlijk precies inhoudt.

Onbalans wordt gewoonlijk aangeduid als het product van gewicht en radius.

Als een gewicht van 1 gram wordt geplaatst op een radius van 1 centimeter van een gebalanceerd onderdeel, wordt dit aangeduid als een onbalans van 1 gram/centimeter.

Bij de moderne turbo wordt onbalans uitgedrukt in g.mm

Een punt van verwarring betreffende balanceren is ‘onderdeel balans’ en ‘unit balans’.

De rotor van een turbo bestaat uit diverse onderdelen, waarvan uitsluitend de as & turbinewiel en het compressorwiel afzonderlijk en nauwkeurig zijn uitgebalanceerd/voor gebalanceerd tijdens en als onderdeel van het fabricageproces.

Uiteraard kan en dient dit ook te geschieden bij revisie werkzaamheden, indien bij inspectie blijkt dat lichte beschadigingen de balans van het afzonderlijk onderdeel verstoord kunnen hebben en men dit onderdeel wil hergebruiken.

De axiaal lager onderdelen, zoals axiaal lager draagring en olieslinger bijvoorbeeld, plus de borgmoer zijn niet gebalanceerd en onderhevig aan standaard fabricage toleranties. Als deze onderdelen met de hoofdcomponenten worden samengebouwd, kan dit in zekere mate ‘toegevoegde onbalans’ veroorzaken.

Dit is geen onoverkomelijk probleem bij de grotere modellen turbo’s. Bij deze modellen worden de hoofdcomponenten van de rotor, turbine en compressorwiel, gebalanceerd tegen een duidelijk lagere tolerantie, dan wat de tolerantie eisen voor de complete turbo van dat model zijn. Op deze manier blijft bij assemblage van de turbo de ‘toegevoegde onbalans’ in verhouding zodanig laag, dat dit geen probleem kan en mag veroorzaken.

Bij de meest kleine turbo’s, welke met name veelal gebruikt worden voor personenwagen toepassingen, maar tegenwoordig ook veel op 4-4,5 liter dieselmotoren voor industrieële toepassingen, kan de factor ‘toegevoegde onbalans’ wel degelijk een probleem worden.

Door de kleine/lichte massa van de rotor en de hoge toerentallen van deze kleine turbo’s is het simpelweg balanceren van de hoofdcomponenten naar een kleinere tolerantie onvoldoende!

Typische symptomen en gevolgen van een kleine turbo met ‘lichte onbalans’ zijn olielekkage uit het centrale lagerhuis aan zowel turbine als compressorzijde van de turbo, en ‘fluiten’ van de turbo, wat veroorzaakt wordt door vibraties door lichte onbalans van de turbo rotor bij hoge rotorsnelheid.

Bij sterkere onbalans zal ‘fluiten’ zelfs kunnen overgaan naar een ‘snerpend’ geluid. In de praktijk kan dit leiden tot een zodanige onbalans bij zeer hoge toerentallen, dat één van de wielen de wand van het eindhuis raakt, met als gevolg totale turboschade.

De oplossing en methodes voor een kwalitatief hoogwaardig balans resultaat;

De gebruikelijke en meest effectieve manier om ‘toegevoegde onbalans’ te elimineren is het balanceren van een volledig afgemonteerd ‘binnenwerk’ van de turbo, wat dus inhoudt de samengebouwde complete turbo, minus de twee eindhuizen compressor en turbinehuis.

Men duidt dit in hoofdzakelijk Engelstalige publicaties meestal aan als ‘cartridge’, ‘core assembly’ of ook wel CHRA (Center Housing Rotating Assembly).

Wij duiden dit gewoonlijk aan als “compleet binnenwerk”.

Algemeen wordt dit ‘core balancing’ genoemd.

Er zijn in principe twee moderne manieren van ‘core balancing’; hoge snelheids balanceren (VSR = vibration sorting rig) en ‘core balancing’ – lage snelheids balanceren.

Bij beide systemen wordt het turbinewiel op de balanceermachine aangedreven door een perslucht venturi, welke met kracht het turbinewiel van het binnenwerk op hoge snelheid brengt.

Bij ‘core balancing’ meet een toerensensor de rotorsnelheid via een reflectiepunt op het turbinewiel en legt deze in het computergeheugen van de balanceerbank vast.

Bij ‘hoge snelheid VSR balancing’ gebeurt dit doorgaans door het magnetiseren van het uiteinde van de rotoras bij de compressor borgmoer.

Tegelijkertijd wordt het ‘binnenwerk’, dus de rotor met lagerhuis en het totale lagerwerk daar in, onder druk met olie gesmeerd. Daarbij worden de vibraties/onbalans in beide wielen gemeten en uitgedrukt in g/mm op een digitaal scherm.

Bijgaand een video van een balanceermachine, welke duidelijk maakt hoe één en ander in zijn werk gaat. Dit is een demo video van de fabrikant van de balanceerbank, welke Cabo Turbo ook gebruikt.

In geval van ‘core balancing’ ‘draagt’ het gehele binnenwerk op een rubber blok, met daarin een grote hoeveelheid tasters (sensors) welke de vibraties/onbalans meten, kwantificeren en input geven aan de computer.

De balanceerbank jaagt als het ware het toerental van de rotor op, tot en door de rotorsnelheid, waar de grootste vibraties/onbalans worden gemeten, slaat dit toerental in het geheugen op, om steeds vanuit ditzelfde toerengebied de te maken correcties aan te geven.

Kleine onbalans correcties worden normaal gesproken gemaakt, door op de juiste plaats, aangegeven door de computer en via een vooraf gemaakt merkteken op het compressorwiel, enig materiaal weg te slijpen van de borgmoer, waarmee het compressorwiel aan de rotor/as is bevestigd.

Dezelfde correcties kunnen aan de turbinezijde eventueel worden gemaakt aan de uitgaande ‘stomp’ van het turbinewiel.

De oudere rotor balanceer machines, waar uitsluitend de rotor met axiaal lager onderdelen en borgmoer werden gebalanceerd, meestal op licht inge-oliede v-blocks/vorken en aangedreven door een rubber snaar of riem, worden alleen nog gebruikt voor zeer grote turbo’s en zijn totaal ongeschikt voor kleine turbo’s en ruim onvoldoende nauwkeurig voor Performance turbo’s!

Het voordeel van met name VSR balanceren is, dat de rotor inderdaad ook daadwerkekijk op de balanceermachine hoge snelheden maakt en de operator dus tevens ongebruikelijke geluiden door vibraties (lichte onbalans bij hoge rotorsnelheden) kan waarnemen.

Ook eventuele olielekkage kan worden geconstateerd, alhoewel de check van dit mogelijke lekkageprobleem niet zeer betrouwbaar is, maar wel een redelijke indicatie bij overmatige lekkage.

Een gebruikelijke misvatting over balanceren is, dat balanceren bij zeer hoge rotorsnelheid leidt tot een meer nauwkeurig balans resultaat!

Dit is per definitie maar deels steekhoudend en te realiseren.

Een rotor, welke een onbalans heeft van bijvoorbeeld 10 g/mm bij 5.000 t/min, zal dezelfde onbalans hebben van 10g/mm bij 100.000 t/min!

De ‘kracht’ veroorzaakt door een gegeven hoeveelheid onbalans zal toenemen wanneer de snelheid toeneemt, echter, de absolute ‘hoeveelheid’ (gewicht) van onbalans niet!

Balanceren is gewichtsverdeling. Men kan dus uiterst nauwkeurig balanceren door bij het rotortoerental van grootste onbalans, het absolute ‘gewicht’ van onbalans naar de radius maximaal te reduceren aan beide rotor uiteinden. De methode van ‘core balancing’ is bewezen afdoende voor wat grotere turbo’s.

Daar zit ook een wezenlijk en belangrijk verschil met de snaar aangedreven rotor balanceerbanken, welke doorgaans op een vast toerental functioneren!

Dat de ‘kracht’ van onbalans bij hogere toerentallen toeneemt, zeker bij extreem hoge toerentallen tot soms ver boven de 200.000 t/min, zoals bij kleine personenwagen turbo’s, is een gegeven en feit, waar dus voor deze units de VSR is ontwikkelt, die ‘huilen’ er letterlijk overheen!

Voor de grotere turbo modellen is dit geen noodzaak gebleken, dus daar zijn ook geen specifieke VSR banken voor ontwikkelt.

Daarbij moet men zich ook realiseren, dat er nog geen noodzaak en ‘markt’ voor is. Uitgaande van dieselmotoren welke voldoen aan laatste emissie eisen, houdt de turbodruk wel helemaal op bij maximaal 2,5:1 bar.

Dan ontstaat het volgende (voorbeeld) plaatje en indicatie wat betreft toerentallen;

HX50/52/55 maximum toerental bij 4,5/4,6:1 bar 115.000 – bij 2,5:1 bar 80-85.000 toeren actueel

H3B/HX60 maximum toerental bij 4,5/4,6:1 bar 100.000 – bij 2,5:1 bar 70-75.000 toeren actueel

Dus gemiddeld draaien de grotere modellen turbo’s bij 2,5 bar op zo’n 70-75 % van het voor dat model toegestane maximum toerental.

Een ‘easy life’ dus! Wat er in de sport met turbo’s wordt gedaan is dus uiterst extreem, is dus een niche of beter gezegd geen markt om een balanceerbank voor te ontwikkelen.

Dus balanceren van deze units op ‘vergelijkbare’ rotorsnelheid als in de motorpraktijk heeft weinig tot geen mogelijkheden.

Belangrijk is, dat de balanceerbank welke wordt gebruikt, gevoelig en accuraat genoeg is, om zelf het toerental te ‘zoeken’, waar de rotor de hoogste vibraties/onbalans heeft. Dit toerental in het geheugen van de computer van de balanceerbank op te slaan en tevens de ‘onbalans/waarden’ aan beide zijden aan te geven, zodat de operator deze op de juiste plaats, met het wegnemen (slijpen) van materiaal aan de borgmoer kan corrigeren.

Deze test en correctie dient soms enige malen te worden uitgevoerd, door meermaals de turbo naar het eerder vastgestelde toerental van maximale onbalans terug te brengen en de correctie handeling te herhalen en verfijnen, tot het gewenste resultaat binnen de toleranties voor het model zijn bereikt.

Performance turbo’s worden door Cabo Turbo op een duidelijk lagere tolerantie gebalanceerd dan vanuit de fabrikant wordt aangegeven en toegestaan (zie Service Data voor balans toleranties per model) of gebruik deze link
Core balance tolerances HX models

Hier kunt u ook constateren dat ‘hoe kleiner het model turbo’ , des te strikter zijn de balanceer toleranties.

Voor de maximaal toegestane toerentallen geldt, ‘hoe kleiner het model turbo’, des te hoger is het maximaal toegestane rotor toerental.

Binnen de totale HX serie turbo’s ligt het maximaal toegestane toerental bij een drukverhouding van ongeveer 4,5:1 bar, waar tevens de grens van het ‘werkgebied’ van de compressor ligt binnen een bruikbaar rendement van de compressor en bij beheersbare inlaat temperaturen.

Voor een globale indicatie van de maximum toerentallen van de verschillende HX modellen, zie ook het overzicht in de rubriek Cabo Turbo HX serie onder de berichtknop INFORMATIE in het hoofdmenu.

De hoofdzakelijke redenatie en keuze voor striktere balanceer toleranties die Cabo Turbo hanteert is tweeledig;

De fabrieks toleranties zijn vastgesteld voor gebruik bij ‘normale turbodrukken’ en ‘geen overschrijding van het maximaal toegestane toerental per model’.

Gezien het feit, dat beide bovenvermelde termen in de sport bepaald geen ‘usance’ zijn, streven wij er naar de balans tolerantie ‘zo dicht mogelijk tegen de ‘nulwaarde’ aan beide rotorzijden te balanceren!

Zoals eerder al gememoreerd in de NIEUWS publicatie “Exploderende turbochargers in de sport en veiligheid” ligt het grootste gebied van turbulentie en onbalans gewoonlijk in het lagere toerengebied van de turbo, wat met name in de tractorpulling sport tot problemen kan leiden onder bepaalde omstandigheden, tijdens op en aftoeren van de turbo!

Voor nadere informatie en uitleg verwijs ik u naar deze bovenvermelde publicatie.

Dit is een combinatiebank, waarop zowel ‘VSR balancing’ als ‘Core balancing’ kan worden uitgevoerd.

Uiteraard kan een gedetailleerd testrapport van het balansresultaat worden uitgeprint voor de klant.

Dus voor een optimaal resultaat bij assemblage en revisie is ‘BALANCEREN’ een MUST, waar het soms volkomen stukdraaien van een turbo met volkomen onduidelijke oorzaak, wel sterk geminimaliseerd wordt en de factor ‘onbalans’ in ieder geval kan worden uitgesloten.

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