UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL
FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA E
INDUSTRIAS
CARRERA DE INGENIERÍA AUTOMOTRIZ
ESTUDIO Y ANÁLISIS DE FISURAS POR ULTRASONIDO EN
UN TURBO COMPRESOR
TRABAJO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO AUTOMOTRIZ
ALEXIS EDUARDO CHANCUSIG BASTIDAS
DIRECTOR: ING. EDWIN TAMAYO
© Universidad Tecnológica Equinoccial. 2016
FORMULARIO DE REGISTRO BIBLIOGRÁFICO PROYECTO DE TITULACIÓN
DATOS DE CONTACTO
CÉDULA DE IDENTIDAD: 1721166013
APELLIDO Y NOMBRES: Chancusig Bastidas Alexis Eduardo DIRECCIÓN: Libertad de chillogallo calle zoila naranjo
y manuel vaya 353
EMAIL: [email protected]
TELÉFONO FIJO: 3032959
TELÉFONO MOVIL: 0992961095
DATOS DE LA OBRA TITULO:
ESTUDIO Y ANÁLISIS DE FISURAS EN UN TURBOCOMPRESOR POR ULTRASONIDO
AUTOR O AUTORES:
Alexis Eduardo Chancusig Bastidas
FECHA DE ENTREGA DEL PROYECTO DE TITULACIÓN:
Junio 2016
DIRECTOR DEL PROYECTO DE TITULACIÓN:
Ing. Edwin Tamayo
PROGRAMA PREGRADO POSGRADO
TITULO POR EL QUE OPTA:
Ingeniero Mecanica Automotriz
RESUMEN: Mínimo 250 palabras
Este proyecto técnico se lo realizó con la finalidad de analizar y estudiar las fisuras formadas en el turbocompresor con el equipo
que no se encontró fisuras superficiales, se procedió a inspeccionar con el equipo, pero antes se procedió hacer un análisis teórico donde se calculó la longitud de onda cual es de 2.21mm, y un campo cercano de 16.94mm, esto dato me indicó la interferencia más cercana y posible en la medición, y una impedancia acústica de 46020000kg/ms, con los cálculos teórico que se estudió se realizó la medición donde se obtuvo una profundidad de la fisura de, 21.39mm en sucia, 26.99mm limpia, y 27.95mm en pulida.
.
PALABRAS CLAVES: Palpador, calibración, profundidad, superficie, ultrasonido, longitud de onda
DEDICATORIA
Dedico mi tesis a mi padre y a mi madre por el apoyo incondicional desde el inicio de mi carrera y en la vida con sus ejemplos y
motivación.
Dedico también a mi mujer por el apoyo y fuerza de voluntad, a que no hay que tener miedo a la vida y a los tropiezos.
AGRADECIMINETO
Doy gracias:
Primeramente a Dios por darme fuerza y salud para salir a delante, en la vida.
A mis padres por los consejos de vida y ensenarme el buen camino, de que no hay que rendirse cuando el camino se vuelve difícil y contra tuyo, también doy gracias a mis hermanas por el apoyo emocional.
Al Ing. Juan Pablo Milataxi por la ayuda brinda en el uso y calibración del equipo ultrasónico.
INDICE DE CONTENIDOS
Página
RESUMEN ... 1
ABSTRACT ... 2
1. INTRODUCCIÓN ... 3
2. MARCO TEÓRICO ... 5
2.1 PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DEL TURBO COMPRESOR ... 6
2.2 ELEMENTOS PRINCIPALES DEL TURBOCOMPRESOR ... 7
2.2.1 TURBINA: ... 8
2.2.2 COMPRESOR: ... 8
2.2.3 ALOJAMIENTO CENTRAL ... 9
2.2.4 COJINETES ... 10
2.3 TIPOS DE TURBOCOMPRESOR ... 10
2.3.1 TURBOCOMPRESOR DE GEOMETRÍA VARIABLE ... 10
2.3.2 TURBOCOMPRESOR COMPREX ... 11
2.3.3 TURBOCOMPRESOR ROOTS ... 12
2.4 CARACTERÍSTICAS DE FUNCIONAMIENTO... 13
2.4.1 TEMPERATURA Y MATERIALES DE FABRICACIÓN DEL TURBO COMPRESOR ... 13
2.6 FISURAS ... 22
2.6.1 TIPOS DE FISURAS ... 23
2.6.2 AGRIETAMIENTO POR ESFUERZO- CORROSIÓN ... 23
2.6.3 FISURA EN PLACAS DELGADAS ... 23
2.6.4 GRIETA POR FATIGA ... 24
2.7 MÉTODOS DE ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS ... 24
2.7.1 MÉTODO POR LÍQUIDOS PENETRANTES ... 25
2.7.2 REVELADORES ... 26
2.7.3 ULTRASONIDO ... 26
2.7.4 NATURALEZA DEL ULTRASONIDO ... 27
2.7.5 PRODUCCIÓN Y TRANSMISIÓN DE LA ONDA SONORA ... 28
2.8 PRINCIPIOS BÁSICOS DE LA ACÚSTICA ... 28
2.7.1 OSCILACIÓN ... 28
2.8.2 ONDA ... 29
2.8.3 PERIODO (T) ... 29
2.8.4 FRECUENCIA (f) ... 29
2.8.5 AMPLITUD ... 30
2.8.6 LONGITUD DE ONDA ... 30
2.8.8 VELOCIDAD ACÚSTICA ... 31
2.8.9 ATENUACIÓN ... 31
2.8.10 CAMPO CERCANO ... 31
2.9 TIPOS DE ONDA ... 32
2.9.1 ONDAS TRASVERSALES ... 32
2.9.2 ONDA LONGITUDINAL ... 33
2.9 INCIDENCIA DE ONDAS ... 34
2.9.2 INCIDENCIA NORMAL EN SUPERFICIE LÍMITE ÚNICA ... 34
2.9.3 INCIDENCIA ANGULAR ... 35
2.9.4 IMPEDANCIA ACÚSTICA ... 36
3. METODOLOGÍA ... 38
4. ANÁLISIS Y RESULTADOS ... 40
4.2 PROTOCOLO PARA DETERMINAR DAÑOS EN EL TURBOCOMPRESOR ... 40
4.2.1 DESCRIPCIÓN DE ANOMALÍAS EN EL TURBOCOMPRESOR ... 40
4.2.2 DIAGNOSTICO VISUAL ... 42
4.2.3 INSPECCIÓN VISUAL DE LA CARCASA DEL COMPRESOR ... 42
4.2.4 RESULTADO DE DIAGNÓSTICO DEL TURBOCOMPRESOR ... 45
4.3 PROCEDIMIENTO DE DESMONTAJE DEL TURBOCOMPRESOR ... 46
4.4 DIAGNOSTICO POR ULTRASONIDO ... 52
4.5 PROTOCOLO DE MEDICIÓN DE FISURA POR ULTRASONIDO ... 52
4.5.1 SELECCIÓN DE ACOPLANTE ULTRASÓNICO ... 52
4.5.2 ESTADO DE SUPERFICIE ... 54
4.5.4 CALIBRACIÓN DEL FLAW DETECTOR RFD
1000 PARA MATERIAL DE ACERO ... 56
4.6 CALCULO TEÓRICO DE LA CALIBRACIÓN DEL EQUIPO ULTRASÓNICO RDF 1000... 62
4.7 ANÁLISIS DE DETECCIÓN DE FISURA POR ULTRASONIDO ... 66
4.7.1 ANÁLISIS DE MEDICIÓN EN SUPERFICIE SUCIA ... 66
4.7.2 ANÁLISIS DE MEDICIÓN DE LA SUPERFICIE LIMPIA ... 70
4.7.3 ANÁLISIS DE LA MEDICIÓN EN LA SUPERFICIE PULIDA ... 73
4.8 ANÁLISIS DE RESULTADOS ... 75
4.7.1 SÍNTESIS DE LOS ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS ... 76
5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ... 84
5.1 CONCLUSIONES ... 84
5.2 RECOMENDACIONES ... 85
BIBLIOGRAFÍA ... 86
ÍNDICE DE TABLAS
Página
Tabla 1. Resumen de materiales y temperatura de funcionamiento ... 20
Tabla 2. Resumen de fallas comunes en el turbocompresor ... 21
Tabla 3. Se presenta diagnostico visual y causas del turbocompresor ... 44
Tabla 4. Especificaciones técnicas de medición... 56
Tabla 5. Mediciones realizadas en la superficie sucia ... 66
Tabla 6. Rangos de medición superficie sucia ... 70
Tabla 7. Mediciones realizadas en superficie limpia. ... 70
Tabla 8. Rangos de medición superficie limpia ... 72
Tabla 9. Mediciones de superficie pulida ... 73
Tabla 10. Rangos de medición superficie pulida ... 74
ÍNDICE DE FIGURAS
Página
Figura 1. Posición del turbocompresor en el motor ... 5
Figura 2.Funcionamiento del sistema de sobrealimentación ... 6
Figura 3. Principales elementos del turbocompresor ... 7
Figura 4. Funcionamiento de la turbina ... 8
Figura 5. Rueda del compresor ... 9
Figura 6. Funcionamiento del cojinete ... 10
Figura 7. Funcionamiento de los alabes de geometría variable ... 11
Figura 8. Turbo comprex ... 12
Figura 9. Compresor roots ... 13
Figura 10. Funcionamiento del compresor roots ... 13
Figura 11. Referencias de temperaturas ... 14
Figura 12. Presiones y temperaturas está sometido el sistema ... 14
Figura 13. Tipos de alabes de la turbina y compresor ... 16
Figura 14. Alabes de la turbina en la actualidad ... 16
Figura 15.Entrada y salida de aceite y refrigerante ... 17
Figura 16. Rodete y turbina soldada ... 18
Figura 17.Representación de los tipos de rodetes ... 19
Figura 18.Representación de las diferentes fisuras en el material ... 22
Figura 19. Proceso de deformación ... 23
Figura 20.Formación de fisura y tensiones en placas delgadas ... 24
Figura 21. Proceso de aplicación del método liquido penetrantes ... 26
Figura 22.Proceso de revelación de la fisura en una pieza ... 26
Figura 23.Forma esquemática del ultrasonido ... 27
Figura 24. Ejemplo de producción de onda sonora ... 28
Figura 25.Representa el movimiento ondulatorio durante un periodo ... 29
Figura 26. Representación de la amplitud de una oscilación ... 30
Figura 28. Onda trasversal ... 32
Figura 29. Diagrama de onda transversal ... 33
Figura 30. Diagrama de onda superficial ... 33
Figura 31. La incidencia de onda ... 34
Figura 32. Onda continúa ... 35
Figura 33. Incidencia angular ... 35
Figura 34. Vista frontal del turbocompresor ... 41
Figura 35. Izquierda vista del compresor, derecha vista de la turbina ... 41
Figura 36. Vista de la carcasa de la turbina ... 42
Figura 37.Vista de la tapa de regulación de gases ... 43
Figura 38. Visualización del bus urbano que pertenece el turbocompresor ... 45
Figura 39. Mangueras de conexión al turbocompresor ... 46
Figura 40. Desajuste de pernos de sujeción del turbo con el motor ... 47
Figura 41.Turbo compresor desmontado del bus ... 47
Figura 42. Desmontaje de la carcasa de la turbina ... 48
Figura 43. Vista de la carcasa del compresor ... 48
Figura 44. Vista de la carcasa de la turbina, plato de la turbina y rodete de la turbina ... 49
Figura 45. Vista de los alabes de la turbina ... 49
Figura 46.Desmontaje de la tapa de regulación de gases ... 50
Figura 47. Tapa de la regulación desmontada ... 50
Figura 48. Diagnostico visual de la pared de la regulación de gases ... 51
Figura 49. Aceite lubricante y colocación del lubricante ... 53
Figura 50. Acoplamiento del palpador con la carcasa del compresor ... 53
Figura 51. Carcasa con superficie sucia ... 54
Figura 52.Limpieza de la superficie con desengrasante ... 54
Figura 54. Lado izquierdo medida de la superficie a la posible fisura y el lado derecho medida de la superficie
hasta el final de la pared de la carcasa ... 55
Figura 55. Medidas reales tomadas con el calibrador pie de rey ... 56
Figura 56. Conector de la sonda ... 57
Figura 57. Palpador recto ... 57
Figura 58. Posición del palpador en el bloque de calibración ... 58
Figura 59. Equipo en calibración en la función BASE ... 59
Figura 60. Equipo en calibración en la función PROBE ... 60
Figura 61. Equipo en calibración en la función AUTO C ... 61
Figura 62. Equipo en calibración en la función AVG1 ... 61
Figura 63. Ilustración de la longitud de la onda en superficie sucia ... 63
Figura 64. Ilustración rebote de la onda de la pared más cercana... 64
Figura 65. Representación de resistencia de la onda con el material ... 65
Figura 66. Posición del palpador en la carcasa... 66
Figura 67. Pico de medición de fisura ... 67
Figura 68. Segunda medición en superficie sucia ... 68
Figura 69.Tercera medición en superficie sucia ... 68
Figura 70. Variación de medición por presencia de óxido y carbonilla ... 69
Figura 71.Primera medición en superficie limpia ... 71
Figura 72. Tercera medición en superficie limpia ... 71
Figura 73. Primera medición en superficie pulida ... 73
Figura 74. Segunda medición en superficie pulida ... 74
Figura 75. Comparación de curvas en superficie sucia ... 77
Figura 76. Estado de superficie y forma ... 78
Figura 77. Separación de superficies ... 78
Figura 78.Comparación de curvas entre superficie sucia y limpia ... 79
Figura 79. Interior de la carcasa del compresor ... 80
Figura 80. Comparación de mediciones limpia y pulida ... 81
ÍNDICE DE ANEXOS
Página
ANEXO 1. TABLA DE VELOCIDAD DEL MATERIAL ... 89
ANEXO 2. PATRÓN DE CALIBRACIÓN ... 90
RESUMEN
Este proyecto técnico se lo realizó con la finalidad de analizar y estudiar las fisuras formadas en el turbocompresor con el equipo de ultrasonido, se realizó el análisis en este elemento mecánico debido a su alta utilización en la industria automotriz como en motores diésel y gasolina, para esto se investigó el funcionamiento y los principales elementos que lo constituyen, analizado la temperatura que llega alcanzar de 800 a 1000 °C, y presión de 1 bar; por las que este se encuentra sometido en su funcionamiento de trabajo, y
materiales de fabricación llamado Iconel que es una aleación de 80% de níquel y un 14% de cromo y un 6% hierro ; se realizó también un estudio de las principales causas de falla del turbocompresor, así se determinó que la carcasa de la turbina es la que sufre mayor daño en su funcionamiento, después se procedió analizar los tipos de fisuras que se forman en los metales como fatiga, y corrosión, después se realizó una investigación de los ensayos no destructivos donde el ultrasonido es un instrumento de medición de discontinuidades de superficie que detecta la fisura y nos indica su profundidad, con esto se realizó una inspección de eco pulsado a través de palpador recto, antes de realizar el ensayo no destructivo primero se inspeccionó y se realizó un diagnostico visual del turbocompresor así se determinó la causa y falla al momento de trabajo en el motor, por esto se realizó un análisis de las paredes de la carcasa de la turbina, donde se vio que el turbo tiene una decaída de carga de gases, por lo que se diagnosticó una aparente fuga de gases por la sección de apertura de regulación de gases por presentar desgaste en la carcasa, por esto se realizó la inspección con el equipo de ultrasonido ya que no se encontró fisuras superficiales, se procedió a inspeccionar con el equipo, pero antes se procedió hacer un análisis teórico
ABSTRACT
This technical project was made in order to analyze and study the fissures formed in the turbocharger with ultrasound equipment, the analysis was performed on the mechanical element due to its high use in the automotive
industry as diesel and gasoline engines for this operation and the main constituent elements was investigated, analyzed the temperature reaches 800 to reach 1000 ° C and pressure of 1 bar; why this is subjected in their job performance, and manufacturing materials called Inconel, an alloy of 80% nickel and 14% chromium and 6% iron; a study of the main causes of failure of the turbocharger was also performed and it was determined that the turbine housing is the most severely damage its operation, then it proceeded to analyze the types of cracks are formed in metals such as fatigue, and corrosion, after an investigation of nondestructive testing where ultrasound is an instrument for measuring surface discontinuities that detects fissure indicates the depth, with this inspection echo was carried down through straight probe was conducted, before performing the nondestructive testing first inspected and a visual diagnosis of the turbocharger and the cause and failure was determined when work on the engine is performed, so an analysis of the walls of the turbine housing was performed, where It was that the turbo has a listless charging gases, so an apparent gas leak was diagnosed by the opening section regulating gases present wear on the casing, so the inspection was performed using ultrasound equipment since no surface cracks was found, he proceeded to inspect the equipment, but before proceeded to make a theoretical analysis where the wavelength which is calculated 2.21mm and 16.94mm a nearby field, this data indicated me and closest possible
1. INTRODUCCIÓN
Debido que en la industria automotriz es importante contar con un elemento que eleve el rendimiento del motor como es el turbocompresor, donde su principal función es dar un llenado del casi el 100% de masa de aire en los cilindros del motor así aprovechando la eficiencia del mismo; En el caso de Ecuador donde se tiene terrenos irregulares los autos no puede desarrollar su
cilindraje establecido por la presión atmosférica que existe como es el caso de Quito donde la presión es menor y se tiene menor presencia de oxígeno,
para tener una eficiencia correcta del motor, este debe tener una mezcla estequiometria de 14.7 g de masa de aire y 1 g de masa de combustible según (Parera, 1990).
Estos motores al estar en estas condiciones la mezcla estequiometria no se cumple en estos sectores, por esta razón el sistema de sobrealimentación es un conjunto de componentes importantes en el motor para que cumpla su eficiencia donde el turbo compresor es su elemento principal para hacer cumplir la eficiencia del motor.
Debido que este elemento por estar en contacto directo con los gases de escape tiende a sufrir daños internos como es en su carcasa o en los alaves de sus rodetes, ya que en los gases se puede encontrar escombros donde pueden dañar a los elementos del turbocompresor ,y también por el uso constante de este elemento y al estar sometido a altas temperaturas y trabajar en estas condiciones los elementos del turbocompresor puede sufrir fracturas o fisuras, donde estas pueden ser superficiales o internas, y al producir este tipo de daño el turbo compresor no puede trabajar al 100% de su funcionamiento, y al ser un elemento que trabaja con gases no se puede observar con facilidad, un tipo de fisura en las paredes de este elemento. Por esta razón se realizara este proyecto técnico, debido a que no se puede
instrumento que da una solución innovadora y rápida de detección de defectos por ultrasonidos mediante ondas Lamb. Esta técnica permite la monitorización
continua de la condición de la estructura, lo cual permite la realización de un registro de las áreas críticas de la estructura que requieren un mantenimiento constante.
Históricamente no se realizaba un estudio y análisis de las fisuras por ultrasonido por lo cual no se detectaba el problema a tiempo en el turbo compresor por lo siguiente no se desarrollaba un turbocompresor con mejores materiales para su mejor funcionamiento y que tenga una vida útil mayor ya que en los motores diésel existe un mayor tiempo de trabajo produciéndole a este problemas a lo largo de su vida y reduciendo su funcionamiento.
Como objetivo general se realizara ensayos no destructivos con la ayuda del equipo de ultrasonido, en los componentes de espesores delgados en un turbo compresor que están sometidos a esfuerzos mecánicos.
Y como objetivos específicos es estudiar y analizar las fisuras que se forman en estos componentes. Identificando la profundidad de la fisura y la razón por que estas se forman en las paredes del turbo. También se harán un análisis los resultados obtenidos de las fisuras, para llegar a concluir si estas afectan al funcionamiento del turbocompresor y dar las posibles razones por que se forman las fisuras en estos materiales también lo que se busca es implementar un laboratorio no destructivo para el taller automotriz de la Universidad
2. MARCO TEÓRICO
En este capítulo se va a tratar un resumen de las partes principales y principio de funcionamiento del turbo compresor, este es un elemento mecánico parte del Sistema de sobrealimentación de motores de combustión interna para aprovechar la energía de los gases, principalmente este elemento consta de un cuerpo o carcasa con dos zonas diferenciales a un lado el escape y el otro la admisión, y en este cuerpo se encuentra dos elementos mecánicos como la turbina y el compresor incorporados a un eje común, el aprovechamiento de los gases comienza cuando estos son aspirados por el lado de la turbina y así accionar el compresor (Bosh, 2002).
El los turbos compresores de la actualidad disponen de una válvula de descarga llamada (wastegate) la que es encargada de limitar la presión de sobrealimentación, cuando esta se sobrepasa esta la desvía directamente al escape y no ingresa a la parte de la turbina.
El rendimiento del turbocompresor depende directamente del régimen del motor, por lo tanto en RPM mínimas se producen pocos gases de escape y
por esto el turbocompresor gira lento, por lo contrario en RPM altas se generan mayor cantidad de gases de escape, y el compresor genera mayor presión de sobrealimentación, este elemento mecánico se encuentra dispuesto como se aprecia en la figura1 en el motor (Pardiñas, 2002).
2.1 PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DEL TURBO
COMPRESOR
El turbocompresor como principio de funcionamiento es aprovechar la energía de los gases de escape del motor para comprimir el aire de admisión; por tanto, no se absorbe potencia al motor. Pueden ser de geometría variable y geometría fija (Alvite, 2007).
El turbo compresor obtiene un aprovechamiento de la energía residual de los gases de escape, para aumentar la presión del aire de admisión que llega a los cilindros. Para ello se utiliza una turbina que interrumpe la salida de los gases de escape, que va unida mediante un eje, a un compresor situado en las conducciones de aspiración. El aire de admisión resulta comprimido, de manera que aumenta su densidad y con mayor cantidad de aire (en masa) por lo cual aumenta también el combustible inyectado (Márquez, 2006).
En el sistema de sobrealimentación de los motores de combustión interna, su primera función es el aumentar la masa del aire que ingresa a los cilindros en
la etapa de admisión del motor con esto creando una mayor fuerza de empuje en la cabeza el pistón como se observa en la figura 2, con esto logrando un incremento del par motor y tener la potencia neta del motor hasta en un 40% sin necesidad de variar la cilindrada ni el régimen de giro del motor (Hermogenes, 2000).
Ciclo de funcionamiento de la descripción de la figura 2
1 Compresor de entrada
2 Descarga del compresor
3 Carga de aire más frio (CAC)
4 Válvula de admisión
5 Válvula de escape
6 Entrada de la turbina
7 Aprobación de la gestión de la turbina
2.2 ELEMENTOS PRINCIPALES DEL TURBOCOMPRESOR
El turbocompresor tiene como principales elementos para su funcionamiento, como se ilustra en la figura 3, este elemento mecánico se compone de:
Turbina Compresor
Sistema de regulación
Sistema de cojinetesFigura 3. Principales elementos del turbocompresor (Performanc, 2016)
Carcasa del compressor
Salida de aceite Rodamiento de
bolas
Compresor Placa trasera
Entrada de aceite Carcasa de la turbina
2.2.1 TURBINA:
Es la pieza accionada precisamente por los gases de escape y unida solidariamente por un eje a un compresor como se observa en la figura 4, este es el principal elemento que depende gran parte el funcionamiento del turbocompresor ya que con este elemento determina el movimiento del compresor, la turbina trabaja en carga de unas 100,000 RPM aproximadamente (Manuel, 2010).
Dependiendo del tamaño de la turbina los motores funcionan diferente, entonces cuando la turbina son muy grandes la respuesta del motor es muy fuerte y el cambio se siente inmediatamente y es claro que el rendimiento del motor es mayor, pero si esta turbina es más pequeña el rendimiento desmejora notablemente ya que el aire fresco es mínima y la velocidad de la turbina es limitada (Moreno, 2008).
Figura 4. Funcionamiento de la turbina (Toyota, 2003)
2.2.2 COMPRESOR:
Este elemento consta de una rueda y carcasa que lleva incorporada un difusor como se ve en la figura5, el aire entra por la cámara del compresor cual toma el aire de la atmosfera desde el filtro de aire y lo introduce a sobrepresión por el conducto de admisión, entre las aletas de la rueda y es expulsado por
Turbina
compresor Eje solidario
Colector de
escape Colector de
efecto de la fuerza centrífuga, esta va directo al interior del espiral durante la rotación de la rueda.
En ese momento la velocidad del aire va decreciendo y se produce un incremento en la presión, a medida que el aire asciende alrededor de la espiral se va reduciendo su velocidad y la presión aumenta en función del diámetro de la sección transversal de la cámara (Moreno, 2008).
Figura 5. Rueda del compresor (Gonzales, 2015)
2.2.3 ALOJAMIENTO CENTRAL
2.2.4 COJINETES
Ya que las ruedas de la turbina y del compresor giran a velocidades altas de
100,000 RPM como se ve en la figura 6, estos cojinetes completamente flotantes se utilizan para garantizar la absorción de las vibraciones del eje y para lubricar el eje y los cojinetes se lo hace mediante el aceite del motor y giran libremente entre el eje y el alojamiento para reducir fricción permitiendo girar a alta velocidad (Toyota, 2003).
Figura 6. Funcionamiento del cojinete (Toyota, 2003)
2.3 TIPOS DE TURBOCOMPRESOR
2.3.1 TURBOCOMPRESOR DE GEOMETRÍA VARIABLE
En la actualidad estos turbocompresores son muy utilizados también se los conoce como (TGV). En este turbocompresor no se precisa de la válvula reguladora de presión, ya que incorpora un mecanismo que incrementa o disminuye la fuerza que realizan los gases de escape sobre la turbina de acuerdo al requerimiento del motor (Alvite, 2007).
El tubo compresor de geometría variable consiste en un mecanismo de aletas llamadas alabes móviles que se cierran y abren haciendo variar la velocidad de los gases de escape al entrar en la turbina como se observa en la figura 7, por lo tanto cuando tiene menor caudal de gases o a bajas revoluciones del
Eje
motor se cierra el paso entre los alabes provocando que los gases aumenten la velocidad al entrar en la turbina, pero a mayor caudal o altas revoluciones
necesita más paso de gases por lo consiguiente los alabes se abren permitiendo tener presión de trabajo muy lineal en todo el régimen de trabajo (Pincabea, 2010).
Figura 7. Funcionamiento de los alabes de geometría variable (Santos, 2012)
2.3.2 TURBOCOMPRESOR COMPREX
Está formado por un tambor que recibe el movimiento del cigüeñal a través de un sistema de transmisión, este tambor contiene una serie de celdas paralelas al eje de rotación del mismo y comprendidas entre paredes muy delgadas (Alvite, 2007).
El funcionamiento se realiza al intercambio de energía que se produce mediante ondas de presión de los gases de escape que desplazan al aire
respuesta ante los cambios de carga del motor por lo que respecta a las desventajas, hay que decir que tiene un funcionamiento bastante ruidoso, la
temperatura de os gases de admisión es bastante alta debido a que las paredes de las celdas están en contacto con los gases de escape y además dada su complejidad acarrea precios bastantes elevados (Alvite, 2007).
Figura 8. Turbo comprex (Lopez, 2014)
2.3.3 TURBOCOMPRESOR ROOTS
Este turbocompresor o llamado rotativo trabaja sin compresión interna y este recibe el movimiento desde el cigüeñal, el funcionamiento se lo hace a través
de dos rotores como se mira en la figura 9, que están acoplados entre sí mediante engranajes que los hacen girar uno en sentido contrario al otro en el interior de su carcasa ovalada no tiene rozamiento.
La variación de volumen que se produce en las cámaras formadas por los lóbulos y las paredes interiores favorece la entrada del aire y su impulsión, la entrega de potencia es progresiva y sin retardo (Lopez, 2014).
Figura 9. Compresor roots (Lopez, 2014)
Estos compresores de lóbulos utilizan el principio similar generando una
ventilación, en la cámara de descarga por el mismo principio para reducir el volumen de dicha cámara frente la admisión estos compresores hacen saltos de presión en la descarga como se observa en la figura 10 (Alvite, 2007).
Figura 10. Funcionamiento del compresor roots (Lopez, 2014)
2.4 CARACTERÍSTICAS DE FUNCIONAMIENTO
2.4.1 TEMPERATURA Y MATERIALES DE FABRICACIÓN DEL TURBO COMPRESOR
En el turbocompresor se tiene una diferencia de temperaturas que se alcanza a un lado que es la turbina y en el otro que es lado del compresor son muy notables como se observa en la figura 11 y 12. En la turbina se puede alcanzar temperaturas de 800 a 1.000°C, mientras que en el compresor como máximo
Camara
se alcanza 80°C, lo que hace es que el eje común al que se unen tanto la turbina como el compresor este sometido a temperaturas muy diferentes en
sus extremos, por esto dificulta el diseño y sobre todo la elección de materiales para su construcción (Lopez, 2014).
Por esta razón el turbocompresor se refrigera principalmente por el aceite de engrase, y por el aire de entrada al colector de admisión que recoge parte del calor que contiene el rodete del compreso, El turbo compresor está sometido a varios factores de presión y temperatura, por esto la turbina es uno de los elementos que está expuesta a solicitaciones térmicas y mecánicas, por esta razón se fabrica de materiales de alta calidad (Timon, 2016).
Figura 11. Referencias de temperaturas (Gonzales, 2015)
LA TURBINA
Se encuentra en un régimen de giro a 250,000RPM y soportar temperaturas de hasta 1.00°C; los materiales empleados suelen ser: aleación Inconel, cromo y níquel para este elemento. El rodete de la turbina al estar sometida a elevadas cargas mecánicas, ya que los alabes son muy finos y giran muy rápidamente por esta razón es fabricado con la aleación especial.
Material Iconel: es una aleación de níquel, cromo y hierro que contiene pequeñas cantidades de carbono, silicio y manganeso su punto de fusión está en 1.370°C; existen otras aleaciones de iconel que contiene cobalto o molibdeno, titanio, aluminio y niobio. Todas estas aleaciones son resistentes al agua pura (Alvite, 2007).
ALABES DEL TURBOCOMPRESOR
Conocida como cresta o paleta de la turbina que hace parte del cuerpo de la turbina, por estar sometida a esfuerzos mecánicos por su funcionamiento directo con los gases de escape también se encuentra sometida a altas temperaturas, estas pueden llegar 650°C a 450°C, por estas prestaciones la turbina está hecha con material llamado inconel que ya se vio anteriormente como está compuesta (Casado, Gracia Joaquin, Navarro, Jimenez, & Morales,
2015).
Como se ve en la figura 13, el tamaño de los alabes tiene un gran importancia ya que tiene una relación directa con el rendimiento de la turbina o impulsor para generar un flujo de aire. (Bosh, Manual de la tecnica del automovil, 2005).
CLASIFICACIÓN DE LOS ALABES
El parámetro fundamental que se caracteriza cada alabe de un
Alabes curvados hacia atrás 𝐵2 < 90° Alabes curvados hacia adelante 𝐵2 > 90° Alabes de salida radial 𝐵2 = 90°
Figura 13. Tipos de alabes de la turbina y compresor (Casado, Gracia Joaquin, Navarro, Jimenez, & Morales, 2015)
En la actualidad se utiliza los rodetes con alabes de construcción semiabierto con alabes de salida radial como se ve en la figura 14, pero estos son curvados a la entrada. En la antigüedad se fabricaba rodetes con alabes curvados hacia atrás con este caso produce que el rodete tenga un esfuerzo centrifugo, con este tipo de construcción la velocidad periférica a la salida no puede exceder a los 300m/seg (Picabea & Ortega, 2010).
Figura 14. Alabes de la turbina en la actualidad (Picabea & Ortega, 2010)
CARCASA DE LA TURBINA
Se fabrica en una fundición llamada Niresist, formada alrededor de un 25% de níquel para soportar las altas cargas térmicas y presiones en su interior (Gonzales, 2015).
El aceite de lubricación además de la función de lubricación es evacuar el calor que se genera en la zona de la turbina como se ve en la figura 15, el circuito de refrigeración, pero para mejorar la refrigeración alrededor de la cámara de los cojinetes que entra por el conducto A y sale por el conducto B
(Perez, 2014).
Figura 15.Entrada y salida de aceite y refrigerante (Perez, 2014)
RODETE
La turbina Esta unido a un elemento llamado rodete de la turbina está
sometido a elevadas cargas mecánicas ya que los alabes son muy finos y giran muy rápidamente, el rodete está fabricado con una aleación especial llamada Inconel, constituida 80% de níquel, un 14% de cromo y un 6% de hierro, el rodete se suelda al eje como se observa en la figura 16, por un procedimiento de fricción y se equilibra eliminando material esmerilado (Gonzales, 2015).
A
Figura 16. Rodete y turbina soldada (Gonzales, 2015)
Tanto la turbina como el compresor consta de un cierto número de alabes y estos alabes pueden ir dispuestos de varias formas:
Rodete tipo cerrado Rodete tipo abierto Rodete semiabierto
RODETE TIPO CERRADO
Este tipo de rodete con alabes cerrados como se ve en la figura 17, tiene un buen rendimiento, pero de difícil construcción y este solo permite velocidades periféricas moderadas (Gonzales, 2015).
RODETE TIPO ABIERTO
El rodete con alabes abiertos como se ve en la figura17, tiene un mal rendimiento y poca resistencia, y este solo permite velocidades periféricas
muy pequeñas, por esta razón son menos empleados en los mecanismos del turbocompresor (Gonzales, 2015).
RODETE SEMIABIERTO
Se utiliza este tipo de rodete con alabes semiabiertos como se ve en la figura 17, cuando el caudal volumétrico en la aspiración es superior a los 50𝑚3/𝑠𝑒𝑔
Figura 17.Representación de los tipos de rodetes (Gonzales, 2015)
COMPRESOR Y LA CARCASA
Se fabrican en aleación de aluminio, el rodete se fija al eje a través de una tuerca y el conjunto se equilibra eliminando material de la tuerca y del rodete Este elemento ha de cumplir cuatro funciones principales:
Soportar al eje
Aislar térmicamente el compresor de la turbina Mantener la hermeticidad
Absorber el empuje axial
La lubricación en un motor con turbocompresor adquiere especial importancia por esto es necesario un buen filtrado de aceite, porque las impurezas podrían
dañar los cojinete y para conseguir esto el aceite pasa al turbocompresor inmediatamente después del filtro; Además puede ser necesario una bomba de aceite que suministre mayor caudal y un radiador de aceite ya que puede alcanzar temperaturas elevadas (Gonzales, 2015).
Como se observa en la tabla 1, se resume el material de fabricación y composición y temperatura que está sometida en el turbocompresor, en la vida de trabajo en el automóvil o transporte pesado.
Tabla 1. Resumen de materiales y temperatura de funcionamiento Del turbo compresor
Resumiendo la presión que está sometida en la carcasa del turbocompresor en Los turbos compresores más pequeños de presión de soplado más baja ejercen una presión máxima de 0.25 bar, mientras que los más grandes alcanzan los 1.5 bar de presión, por esta razón el turbocompresor contribuye al rescate de energía, al usar principalmente a los gases de escape como propulsor para su funcionamiento.
ELEMENTO MATERIAL DE
FABRICACIÓN
TEMPERATURA °C
RÉGIMEN DE GIRO
RPM
TURBINA
ALEACIÓN ICONEL 80% DE NÍQUEL, UN 14% DE CROMO Y UN 6% DE HIERRO.
800/1000
250,000
COMPRESOR ALEACIÓN DE
ALUMINIO 80
CARCASA(TURBINA)
NIRESIST,
25% DE NÍQUEL Y HIERRO
650
SIN RÉGIMEN DE GIRO POR SER PARTE FIJA
CARCASA (COMPRESOR)
NIRESIST,
25% DE NÍQUEL Y HIERRO 140 RODETE ACERO AISI 4340H ALEACIÓN
CARBÓN 0.34%, SILICIO 0.30%, MANGANESO 0.50%, CROMO 1.5%, NÍQUEL 1.5%, MOLIBDENO 0.2%
790
2.5 PRINCIPALES FALLAS EN EL TURBOCOMPRESOR
Tabla 2. Resumen de fallas comunes en el turbocompresor
Falla Imagen
Rodete compresor desgaste debido a la entrada de impurezas en la carcasa del compresor
Daños en el eje principal por contaminación del aceite lubricante
Carcaza de la turbina azulada con grietas en la base causada por el sobrecalentamiento
2.6 FISURAS
Como el turbocompresor es un elemento mecánico que está sometido a diferentes estados de solicitación física o mecánica y temperatura, pueden experimentar deformaciones como se ve en la figura 18, en la estructura cristalográfica por las causas de dislocaciones a través de sus diferentes formas, que esta a su vez progresa en diversas etapas. La energía de dislocación es una propiedad de carácter elástico que depende del campo de deformación (Martinez, ultrasonido ensayos de materiales metalicos, 1986). Por estas razones de comportamiento de funcionamiento del turbocompresor, es muy factible que sus partes sufran fisuras de material, como en sus partes móviles y fijas, por estos aspectos importantes antes vistos, es importante la selección de materiales; para una debida aplicación, y por las prestaciones del motor se procede a una correcta forma de fabricación, con esto el
turbocompresor cumpla con su vida útil (Cembrero, Ferrer, Pascual, & Perez, 2005).
Debido a muchos factores involucrados, la falla y la fractura se divide en agrietamiento interno o externo, y la fractura se clasifica como dúctil y frágil (Kalpakjian, 2008).
2.6.1 TIPOS DE FISURAS
2.6.2 AGRIETAMIENTO POR ESFUERZO- CORROSIÓN
En los metales dúctiles pueden fallar de manera frágil, debido a un agrietamiento por esfuerzo-corrosión también denominado agrietamiento por esfuerzo o agrietamiento estacional, donde las partes sin defectos podrían desarrollar grietas ya sea durante cierto periodo o poco después de haber sido manufacturadas como producto como se observa en la figura 19, la propagación de las grietas pueden ser intergranular o transgranular, el agrietamiento por esfuerzo dependerá principalmente del tipo de material, la presencia y magnitud de esfuerzos residuales de tensión y el medio ambiente (Degarmo, Black, & Kohser, 2002).
Este tipo de fisura también llamada crevice es producida por pequeñas cavidades o huecos formados por el contacto entre piezas de metal igual o diferente, Comúnmente sucede cuando está en contacto con un elemento no metálico (Kalpakjian, 2008).
Figura 19. Proceso de deformación (Degarmo, Black, & Kohser, 2002)
2.6.3 FISURA EN PLACAS DELGADAS
más frágil, con la teoría de elasticidad se plantea que la grieta antes de la fractura es de tamaño relativo frente al ancho de la placa como se aprecia en
la figura 20, por esta razón las tensiones no afecta a la distribución uniforme de sus tensiones normales (Gimenez & Borraz, 2005).
Figura 20.Formación de fisura y tensiones en placas delgadas (Gimenez & Borraz, 2005)
2.6.4 GRIETA POR FATIGA
La fatiga es la formación de micro grietas, y estas se encuentra en crecimiento y transformación en macro grietas, este tipo de fracturas tiene una segunda etapa que corresponde al crecimiento de la ultimas
Ocurre sobre todo en una naturaleza fundamentalmente frágil se desarrolla minúsculas grietas externas o internas en imperfecciones o defectos preexistentes en el material, las cuales se propagan durante un cierto periodo, y al final llevan a la falla total (Martinez, 1986).
La superficie de la fractura en fatiga suele caracterizarse por el termino marcas de playa debido a su apariencia en la cual se puede observar una serie de estrías en la superficie de la fractura (Kalpakjian, 2008).
2.7 MÉTODOS DE ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS
fisuras o discontinuidades son interrupciones o fracturas en su estructura física, o en algunos casos esta se pueden presentar al momento de su
fundición o fabricación (Gomez, 2006).
En la actualidad los ensayos no destructivos son muy utilizados ya que este tipo de ensayos no provoca ningún daño alguno a la pieza examinada, tanto así que estas piezas después de ser analizadas estas pueden seguir siendo utilizadas.
Este tipo de pruebas son utilizadas para la inspección periódica de componentes en servicio, ya que con el ensayo realizado este puede evitar una falla en este tipo de materiales importantes (Simon, 2005).
2.7.1 MÉTODO POR LÍQUIDOS PENETRANTES
Este método es menos utilizado, ya que con estos líquidos no se puede tener un estudio al fondo de fisuras analizadas, este método es utilizado ya que tiene el líquido un poder de penetración pero que no es suficiente para realizar un ensayo y un estudio a fondo (Albañil & Mora, 2002).
Las propiedades de un líquido penetrante son:
Tener la capacidad para introducirse o penetrar a la pieza con facilidad
en grietas muy finas.
No tiene que evaporarse o secarse con rapidez.
Tiene que mantenerse en el interior de fisuras o discontinuidades más anchas y poco profundas.
Que se puede eliminar de la superficie con facilidad.
Permanecer en estado de fluido para salir con facilidad al aplicar el revelador.
Figura 21. Proceso de aplicación del método liquido penetrantes (Albañil & Mora, 2002)
Este tipo de líquidos al estar expuestos a la fuerzas de adhesión entre sólido y líquido, este se difunde sobre la superficie limpia hasta que alcanza un estado de equilibrio entre el parmente que queda en la fisura que emerge a la superficie. (AEND, 2000)
2.7.2 REVELADORES
El revelador es un agente que pone en manifiesto los sitios donde se encuentre la fisura, ya que en estos lugares se encuentra retenido el líquido penetrante, este agente actúa como un papel secante que extrae el líquido como se observa en la figura 22. (Gomez, 2006).
Figura 22.Proceso de revelación de la fisura en una pieza (Gomez, 2006)
2.7.3 ULTRASONIDO
El quipo ultrasonido posee un generador de pulsos de ondas ultrasónicas, por medio de un palpador que es un transmisor y receptor a la vez como se
observa en la figura 23, se lo aplica en la pieza inspeccionar detectando las discontinuidades presentes en la pieza (herrero, Gil , & camacho, 2010).
Figura 23.Forma esquemática del ultrasonido (herrero, Gil , & camacho, 2010)
2.7.3.1 Palpador:
Es la pieza básica del equipo ultrasonido, su principal función es tanto transmitir como recibir la señal ultrasónica al estar en contacto en la superficie a ser analizada.
2.7.4 NATURALEZA DEL ULTRASONIDO
La naturaleza de un equipo ultrasónico es la transmisión de ondas del mismo tipo que los sonidos audibles, se diferencia únicamente en la frecuencia de operación y forma de propagación, los ultrasonidos operan con la frecuencia por encima de la zona audible del espectro acústico.
Las tres zonas del espectro acústico son:
Infrasónica: son los sonidos no audibles por el oído humano, corresponden a esta zona, las oscilaciones cuya frecuencia es menos de 16Hz/seg.
Ultrasónica: son aquellas donde la frecuencia de las oscilaciones es superior a 20KHz.
Las frecuencias manejadas en los ensayos para el control de discontinuidades en ensayos no destructivos de materiales metálicos se realizan con la frecuencia generalmente comprendida entre 1 y 25MHZ (Gomez, 2006).
2.7.5 PRODUCCIÓN Y TRANSMISIÓN DE LA ONDA SONORA
La producción de la onda se produce cuando un medio elástico es perturbado por una acción instantánea, esta propagación es la transmisión de energía por esto cada partícula afectada por perturbación se desplaza de su posición de equilibrio, teniendo a volver a la posición de reposo.
Como se ve en la figura 24, se tiene una masa (M), sujeta a un punto fijo
mediante un resorte (R).
En esta masa se aplica una fuerza (F), haciendo que dicha masa se separe de su posición de equilibrio (punto 0), se produce un desplazamiento del punto de aplicación de la fuerza (Gomez, 2006).
Figura 24. Ejemplo de producción de onda sonora (Gomez, 2006)
2.8 PRINCIPIOS BÁSICOS DE LA ACÚSTICA
2.7.1 OSCILACIÓN
2.8.2 ONDA
Es el reflejo de las vibraciones que tiene un material que tiene oscilaciones
adyacentes, estas puede ser la representación de una onda de un campo magnético, presión, densidad o campo eléctrico que se encuentra perturbado (Moser & Barros, 2009).
2.8.3 PERIODO (T)
Es tiempo necesario para tener acabo una oscilación como se aprecia en la figura 25 (Jerry & Buffa, 2003)
Figura 25.Representa el movimiento ondulatorio durante un periodo (Jerry & Buffa, 2003)
2.8.4 FRECUENCIA (f)
Es el fenómeno al contrario del periodo, es el número de repeticiones o de oscilaciones producidas por unidad de tiempo (Jerry & Buffa, 2003).
Formula
𝑓 =1𝑇 [1]
Así después de escribir la ecuación 3 se completa con Donde:
2.8.5 AMPLITUD
Es la medida máxima de una oscilación de un cuerpo que varía periódicamente como se observa en la figura 26, en otras palabras es la distancia que alcanza la oscilación desde su punto de equilibrio (Fowler, 1994).
Figura 26. Representación de la amplitud de una oscilación (Fowler, 1994)
2.8.6 LONGITUD DE ONDA
Es la distancia que presenta entre los picos de onda, esto describe la distancia que existe entre una onda a la otra (Fowler, 1994).
Si la oscilación se presenta con una velocidad se tiene:
𝜆 = 𝑽. 𝑻 [2]
También se tiene en cuenta la frecuencia
𝜆 =𝑽𝒇 [3]
Así después de escribir la ecuación 4 y 5 se completa con Donde:
𝜆 = Longitud de onda
2.8.8 VELOCIDAD ACÚSTICA
Es la velocidad con la que propagan la onda a través del medio, esta puede ser constante o característica de cada material se cual se su frecuencia, en los metales ay variaciones mínimas debido a la temperatura y presión, pero esto no ocurre con los líquidos y gases, ya que en estos materiales la velocidad varia.
𝐶 = 𝑓. 𝜆 [4]
Así después de escribir la ecuación 4 se completa con Donde:
C= velocidad acústica F= frecuencia
𝜆 = Longitud de onda
2.8.9 ATENUACIÓN
Es el fenómeno de la disminución de la amplitud de la onda o una oscilación esta es en función del tiempo como se observa en la figura 27, esto es debido
a la suma de la dispersión y la absorción (Gomez, 2006).
Figura 27. Presentación de la atenuación de onda (Martinez, 1986)
2.8.10 CAMPO CERCANO
palpador del ultrasonido, y esto dificulta a determinar una discontinuidad así se tiene (Gomez, 2006).
𝑁 =𝐷4𝑉2𝑥𝐹 [5]
Así después de escribir la ecuación 5 se completa con
Donde:
D= diámetro del palpador
F= frecuencia del palpador V= velocidad del material
2.9 TIPOS DE ONDA
Cuando se procede a una vibración u oscilación las ondas se pueden propagar de distintas maneras, esto se produce en el material que este se aplique ya, que cada una tiene un movimiento particular.
2.9.1 ONDAS TRASVERSALES
En la onda transversal, las vibraciones se produce de arriba hacia abajo en un plano perpendicular como se observa en la figura 28, es decir el
movimiento de las partículas es perpendiculares a la dirección de propagación de la onda (Jerry & Buffa, 2003)
2.9.2 ONDA LONGITUDINAL
También llamada onda de compresión, esta onda se produce cuando el movimiento de las partículas es paralela a la dirección de la propagación como se observa en la figura 29, este tipo de ondas son muy utilizadas para realizar la inspección de materiales, lo que hace esta onda es transmitir vibraciones por medio de compresión y succión en la cual las partículas que produce oscilaciones.
Figura 29. Diagrama de onda transversal (Molera, 1989)
2.9.3 ONDA SUPERFICIAL
Este tipo de ondas el desplazamiento lo hace en la superficie del material
inspeccionado como se mira en la figura 30, y penetra a una profundidad máxima con una longitud de onda, esta onda solo se propaga solo en sólidos
2.9 INCIDENCIA DE ONDAS
2.9.2 INCIDENCIA NORMAL EN SUPERFICIE LÍMITE ÚNICA
En este caso la onda incide perpendicularmente sobre una superficie como se muestra en la figura 31, esta sea lisa y plana, y esta separa a dos medios diferentes, en una parte de la energía de la onda se refleja volviendo en la misma dirección que la incide, y la otra parte se propaga en el otro medio con la misma dirección y sentido (Gomez, 2006)
Figura 31. La incidencia de onda (AEND, 2000)
En la figura 31, se muestra una división de caras que se separan dos materiales con dos impedancia diferentes (AEND, 2000).
2.9.2.1 Ondas continuas
Figura 32. Onda continúa (AEND, 2000)
Y se tiene por el resultado una serie de reflexiones en ambas direcciones en el medio 2, teniendo una secuencia de ondas en cada lado (Gomez, 2006).
2.9.2.2 Onda por impulsos
En este caso las ondas ser incidentes por impulsos constituye un tren de ondas cortas, y estas no producen interferencias como las que se genera con las ondas continuas, una onda por impulsos cortos incide en el medio , esta se desdobla en una serie de impulsos separados y mutuamente independientes y estos se reflejan y se trasmiten (Gomez, 2006).
2.9.3 INCIDENCIA ANGULAR
Esta incidencia se produce cuando una onda sonaría incide con un determinado ángulo con respecto a lo normal como se observa en la figura 33 (Gomez, 2006).
2.9.4 IMPEDANCIA ACÚSTICA
Se conoce que el sonido atraviesa a los materiales por el movimiento de las partículas o vibraciones que se encuentra unidas elásticamente, por lo tanto la impedancia acústica se define como a la resistencia que se opone a la propagación, o movimiento de las ondas, esto es igual al producto de la densidad por la velocidad (Saposhkov, 1983).
Es propiedad constante de los materiales:
𝑧 =
𝛿𝑥𝑣
[6]
Así después de escribir la ecuación 6 se completa con Donde:
𝛿= densidad del material
3. METODOLOGÍA
Se utilizó el método investigativo para la recolección de datos en libros, folletos, y páginas web y se analizó la información pertinente del turbocompresor donde se vio principalmente los elementos, temperatura y presión en su funcionamiento separando los conceptos y procedimientos más importantes, también se realizó un estudio de las fisuras que se producen en los metales.
Se usó el método analítico por que se analizó las diferentes variables que influyen en la medición con el ultrasonido para determinar el tipo y profundidad de la fisuras que se pueda encontrar en el turbo, porque se realizó la medición
de la discontinuidad en el material en la superficie sucia, limpia, y pulida por lo que se analizó con lo que se investigó sobre el equipo de ultrasonido este
presentara una interferencia de señal al tener presencia de otros materiales al momento de medir
Después se procedió al método experimental primero se aplicó un análisis de diagnóstico del turbocompresor de un autobús por presentaba una falta de potencia y torque en altas revoluciones, por lo que se decidió hacer un diagnóstico de falla, donde el turbocompresor presento una decaída de presión ya que se realizó una prueba de recorrido donde el bus urbano al llegar a 300,000 RPM este presenta una decaída de potencia y torque por lo que se diagnosticó que el turbocompresor no está cargando por lo que se procedió hacer un desmontaje del turbo donde se utilizó los siguientes instrumentos.
Este juego de herramientas ayudara al desmontaje del turbocompresor desde el motor, hasta el desmontaje de sus elementos ya que este elemento consta de varios pernos de diferente medida.
inspección con el ultrasonido, el calibrador pie de rey dará una exactitud de medidas estas pueden ser medidas en mm o pulgadas, pero para facilitar la
mediciones se realizaran en mm, ya que el equipo ultrasonido dará las medidas en mm, y poder hacer una comparación.
Después del desmontaje se realizó un diagnóstico y una inspección visual para determinar daños superficiales al no encontrar grietas con relevancia se procedió a realizar un protocolo de medición con el equipo ultrasonido para poder determinar discontinuidades en la carcasa de la turbina por donde aparentemente presentaría una pérdida de gases.
Primero de realizo un protocolo de medición donde primero se calibro el equipo ultrasonido para material de acero escogiendo los parámetros de medición que se encuentra en el anexo1 y anexo 2, después de la calibración del equipo se escogió un acoplante.
Donde se escogió un acoplante de viscosidad alta como es el aceite 20w50 para tener una mejor acople entre la superficie y palpador.
Antes de realizar la calibración del equipo se procedio a ver algunos parámetros teóricos que maneja el equipo ultrasonido, Para este caso las fórmulas es lo más esencial por lo que se utilizó las formulas investigadas como:
La ecuación 2 del capítulo 2.7.6, es la longitud de onda, esta fórmula me servirá para ver la distancia que tiene cada pico en la medición realizada en
el equipo, indicara a través de esta distancia de picos se puede apreciar discontinuidades en el material,
La ecuación 5 del capítulo 2.7.10, es del campo cercano me indicara las interferencias cercanas que se puedan presentar al momento de medir y analizar la variación de medidas
4. ANÁLISIS Y RESULTADOS
En este capítulo se muestra el análisis del turbocompresor por presentar perdida de potencia en el bus urbano, en cual comprende desmontaje y chequeo visual y verificación con el equipo del ultrasonido, para la verificación de las fisuras en la carcasa del compresor donde existen daños visibles; Utilizando los métodos de ensayos no destructivos utilizando el método de eco-pulsado mencionado en el capítulo 2.6.4 del marco teórico antes mencionados para el respectivo diagnóstico y estudio de los resultados.
4.2 PROTOCOLO PARA DETERMINAR DAÑOS EN EL
TURBOCOMPRESOR
Estos pasos son recomendables seguir para concluir si existe daño en el turbocompresor, o es daño en el motor. Se los realiza para diagnosticar daños superficiales en las carcasas del turbocompresor, por presentar pérdida de potencia en el motor.
4.2.1 DESCRIPCIÓN DE ANOMALÍAS EN EL TURBOCOMPRESOR
diagnostico en la parte donde se regula el paso de los gases, ya que al pasar el motor trabajar a revoluciones de 3.000 rpm como se menciona en el marco
teórico en el capítulo 2.1, el turbo empieza a fallar y es donde el regulador de gases empieza a trabajar, ya que la función del regulador es a bajas cargas de gases, para permitir todo el paso del gas de escape a la cámara del compresor, al existir este paso de gases a la cámara se produce una alta presión y temperatura en la cámara donde el material de la carcasa empieza a sufrir daño de la misma, y así produciendo perdida de propiedades del material como se puede ver en las figuras 34 y 35 observando en vista frontal y laterales apreciando como se encuentra el turbocompresor
Figura 34. Vista frontal del turbocompresor
4.2.2 DIAGNOSTICO VISUAL
Se procede hacer una inspección visual para determinar daños superficiales evidentes en la zona de la carcasa de la turbina ya que existe un desgaste, pero no presenta agrietamiento superficiales en esta parte es la zona donde se produciría un aparente fuga de gases de escape dentro de la cámara de la rueda de la turbina, y también para la inspección con el equipo del ultrasonido, teniendo en cuenta los parámetros como, rugosidad en el material y suciedad por el tiempo de uso por la razón que el turbocompresor es de un bus urbano
4.2.3 INSPECCIÓN VISUAL DE LA CARCASA DEL COMPRESOR
Figura 36. Vista de la carcasa de la turbina
Como se observa en la figura 36 existe un desgaste en la carcasa de la turbina por la vida de trabajo del mismo donde se observa que no existe una fisura
superficial.
Figura 37.Vista de la tapa de regulación de gases
En la figura 37, se observó que existe presencia de carbonilla den la superficie, también se observó que la rugosidad del material es notoria, que hay que tomar encuentra para realizar una inspección con el ultrasonido.
Realizando la inspección visual se observa un desgaste notorio de material lo cual hace sospechar de fisuras internas en el material, por lo cual se
procederá a desmontar y desarmado del turbocompresor. La inspección se lo realizara en la carcasa del compresor.
Desgaste en la tapa de regulación
Tabla 3. Se presenta diagnostico visual y causas del turbocompresor
Para una mejor visualización se puede observar los daños de la carcasa en la figura 35 y 36, y un resumen en la tabla 3, donde se menciona el desgaste
pero sin presentar fisuras y agrietamientos superficiales. Por lo cual es recomendable realizar una inspección con el equipo de
ultrasonido para determinar si existen discontinuidades dentro de sus paredes.
Turbocompresor volkswagen 17210
Diagnostico visual Causa
Desgaste superficial sin fisuras superficiales, en la carcasa de la turbina
Presenta baja presión en escape el turbo ya no desarrolla
Según el dueño del bus el turbo tiene una vida de trabajo de 5 años
Desgaste de material por la presencia de alta temperatura y presión.
Suciedad en la superficie de la carcasa presencia de carbonilla y grasa
Para realizar las mediciones con el equipo se realiza limpieza con desengrasante y un ligado en la superficie.
Rugosidad de material
4.2.4 RESULTADO DE DIAGNÓSTICO DEL TURBOCOMPRESOR
El desmontaje del turbocompresor se lo realizara por que el dueño del bus dice que el automotor tiene falla de potencia y perdida de torque al momento de revolucionar el motor, aparentemente existe un daño en el turbocompresor, por presencia de desgaste de carcasa del compresor, debido al funcionamiento del mismo por cinco años.
Como se vio anteriormente en el capítulo 2.4.1 las características del material de la carcasa del compresor es un acero aleado, donde este elemento trabaja altas prestaciones de temperatura y presión al interior de su cámara, y como se menciona en el capítulo 2.2.2 para tener un óptimo funcionamiento del turbocompresor no debe existir fugas de gas en la carcasa del compresor o
en la cámara de la rueda de la turbina, por la razón que la rueda de la turbina es el impulsor de la rueda del compresor para generar el ciclo de
sobrealimentación, en la figura 38, se observa el bus urbano que presenta la anomalía.
4.3 PROCEDIMIENTO DE DESMONTAJE DEL
TURBOCOMPRESOR
Con el resultado de la inspección y diagnostico visual se procede a desmontar el turbocompresor para realizar un análisis de la superficie en la carcasa del compresor para determinar si existen fisuras visibles.
Paso 1
El turbo compresor primero se lo desmonto del bus desconectando las mangueras que conecta a la turbina y al compresor con los, los múltiples de admisión y escape como se observa en la figura 39. Después se procede al desajuste de los pernos de sujeción del turbo
compresor al motor como se observa en la figura 40.
Figura 39. Mangueras de conexión al turbocompresor
Figura 40. Desajuste de pernos de sujeción del turbo con el motor
Desmontado el turbocompresor y puesto en una mesa de trabajo se procede al desarmado, primero con el desajuste de los pernos de las carcasas como se ve en la figura 41.
Figura 41.Turbo compresor desmontado del bus
Pernos de la carcasa de la turbina
Pernos de la carcasa del compresor Desajuste de pernos de la base de sujeción del turbo
En este paso se encontró la presencia de óxido y grasa en la superficie del material prediciendo un desgaste por fatiga mencionada en capítulo 2.5.4 del
marco teórico y otra causa por agrietamiento por corrosión mencionado en el capítulo 2.5.2 del marco teórico.
Paso 2
se retira los pernos de sujeción dando la cabida, para retirar la carcasa de la turbina como se observa en la figura 42.
En este paso se puede observar un desgaste normal en esta carcasa esto se debe que el lado de la turbina existe menos presión y temperatura y es menos exigido el material
Como se observa en la figura 43 se puede observar presencia de aceite en la carcasa del compresor .
Figura 42. Desmontaje de la carcasa de la turbina
Figura 43. Vista de la carcasa del compresor
Paso 3
Se procede al aflojar la tuerca de sujeción de la rueda de la turbina. Se retira la turbina con su plato de acople para dejar en vista el eje
primario que une el compresor con la turbina como se observa en la figura 44.
Aquí se observó que no existe degaste de los alabes de la turbina como se observa en la figura 45, con esto se determina que no existe materiales peligros en el momento de ingreso de aire.
Figura 44. Vista de la carcasa de la turbina, plato de la turbina y rodete de la turbina
Figura 45. Vista de los alabes de la turbina
Alabes Tapa de compresor Plato de la turbina
Paso 4
Después de aflojar las tuercas de sujeción de la tapa de regulación se procede a retírala como se observa en la figura 45.
Desmontada la tapa de regulación de gases como se observa en la figura 46, se puede observar en la figura el excesivo material residente, por uso del turbocompresor se observó aceite mezclado con escobilla
Figura 46.Desmontaje de la tapa de regulación de gases
Figura 47. Tapa de la regulación desmontada
Tapa de regulación de gases
Tapa de paso de gases
Paso 5
Después de desmontar la tapa de regulación se observa al interior unas ligeras fisuras en la superficie de la tapa del compresor.
En la figura 48, se observa claramente el desgaste de material en la superficie como se mencionó con anterioridad, por al existir al presión entre superficie de la carcasa del compresor y la superficie de la tapa de regulación.
Figura 48. Diagnostico visual de la pared de la regulación de gases
En este caso la figura 48, se le amplio para tener una mejor apreciación del estado del material y superficies de la carcasa del compresor, tener una mejor apreciación de las superficie hacer analizada.
Regulación de entrada de gases Rueda del
compresor
Presencia de carbonilla
4.4 DIAGNOSTICO POR ULTRASONIDO
Para realizar una inspección y tener el diagnóstico de la fisura en la carcas del compresor hay que tomar en cuenta la calibración del equipo para tener una mejor medición por esta razón se procedió calibrar el equipo con personal
calificado de nivel 2 en equipos ultrasónicos, dando a conocer de cada función del equipo para tener una correcta medición de la onda con el uso del palpador recto.
4.5 PROTOCOLO DE MEDICIÓN DE FISURA POR
ULTRASONIDO
Para realizar una medición con el equipo de ultrasonido se debe tener en cuenta condiciones de medición las cuales se detallaran más adelante para tener una medición exacta de la profundidad de la fisura.
4.5.1 SELECCIÓN DE ACOPLANTE ULTRASÓNICO
Para tener una medición adecuada y no producir daños al equipo ultrasónico como es el caso del palpador o sonda ultrasónica, el acoplante debe cumplir varios aspectos, para tener una transmisión acústica correcta, y abstención a la corrosión de la superficie a medir
Aspectos del acoplante
Viscosidad
Impedancia acústica Secado lento
Buena adherencia
Para este caso se utilizara un aceite 20w50 como se observa en la figura 49, se escogió este aceite debido a su alta viscosidad, por las características que este tiene ya que el acoplante cuando es más viscoso es mejor ya que
