ターボチャージャーの爆発の原因を理解する

熟練した技術者の世界では、不適切な潤滑によるシャフト、ベアリング、スラストワッシャーの過度の遊びなど、一般的なターボチャージャーの故障を診断して修正する道のりは、よくあることです。しかし、コンプレッサーとタービンホイールが粉々に砕け散る爆発的な故障という謎の光景に直面すると、状況は一変します。このような場合、根本的な原因はしばしば隠されており、複雑なパズルを慎重に解明する必要があります。したがって、この講演の範囲内で、爆発の複雑さを掘り下げる旅に出ます。ターボチャージャー車輪の故障は、回転部品の劇的な崩壊を伴わない故障とは異なります。私たちの調査は、重要な質問から始まります。

どのくらいの頻度でターボチャージャー爆発？

高性能の競技用エンジンの分野では、爆発的なターボチャージャー故障はよく知られたリスクです。こうした事例は日常的に運転するドライバーの大多数にとって問題にはなりませんが、競争環境においてはこうした故障に伴う潜在的な危険性を認識することが重要です。

平均的な消費者にとって、評判の良いブランドのターボチャージャー通常の運転状況では、一般的に「ホイールバースト」と呼ばれる壊滅的な故障が発生する可能性は極めて低いです。この想定は、エンジンが適切にメンテナンスされ、燃料およびエンジン管理システムが標準構成になっており、ブースト制御システムが正しく機能し、エンジンが推奨パラメータ内で運転されているという前提に基づいています。

しかしながら、現代の乗用車エンジンの状況は急速に進化しており、10年前と比較して排気ガス温度、エンジン回転数、圧縮比が高くなっています。ターボチャージャーのデューティサイクルの要求がますます厳しくなると、ブランド品であってもターボチャージャー信頼性と構造的完全性の面で限界に達しています。

この傾向を認識し、ターボチャージャーメーカーは、耐久性と性能を向上させるために、設計を継続的に革新し、改良しています。これには、新しい回転部品の設計の開発や、建設用の先進材料の利用が含まれます。さらに、ターボチャージャーより頑丈で、延性があり、耐衝撃性に優れたケーシングにより、ホイールの破裂の可能性を効果的に抑えます。

残念ながら、市場はブランド品以外で飽和状態ですターボチャージャー評判の良いメーカーの品質保証と信頼性基準を満たしていない製品。これらの製品はオリジナル機器市場にとって大きな脅威にはならないかもしれませんが、アフターマーケット部門では大きなリスクとなります。これは、製品の安全性と信頼性について重要な疑問を提起します。ターボチャージャー信頼できるブランドの保証が付いていないもの。

爆発物の本質を発見するターボチャージャー車輪の故障

技術的には、1つまたは複数のターボチャージャーホイールの故障は、高速回転するコンプレッサーまたはタービンホイールが、非常に高い温度と巨大な遠心力の組み合わせに耐えられなくなったときに発生します。

例えば、控えめな回転部品を考えてみましょう。ターボチャージャー中型乗用車によく見られるもので、排気ガスの温度が900℃以上に達する中で、200,000 RPMを超える速度に達することがあります。ターボチャージャー大型トラックのエンジンによく見られるユニットは、90,000 RPM で安全に回転できます。このような状況では、車輪の崩壊を防ぐために、回転部品の構造的完全性が非常に重要です。

実用的には、タービンホイールが耐えなければならない遠心力は、回転速度の2乗に正比例します。しかし、評判の良いブランド品でもターボチャージャー、ホイールの強度は、ある最大閾値を超えると大幅に低下します。そのため、ホイールの製造に使用される材料は、ターボチャージャーコンプレッサーとタービンのホイールは、高速回転による遠心力と非常に高い温度の影響の両方に耐える能力を備えている必要があります。ターボチャージャーのホイールが爆発的に故障する可能性を決定する上で、温度が最も重要な役割を果たしていることは注目に値します。爆発的な故障は、次の 2 つの方法で現れます。

- ブレードの故障: これらの故障は、遠心力がホイールを構成する材料の構造的完全性を超えたときに発生します。その結果、ブレードがハブから強制的に排出され、通常はブレードの根元で破損します。故障がコンプレッサーホイールで発生した場合、外れたブレードがコンプレッサーホイールに影響を及ぼす可能性があります。ターボチャージャーブレードが粉砕されるほどの力でケーシングが破裂します。破片を封じ込めるインタークーラーのないエンジンでは、破片がエンジンに重大な損傷を与える可能性があります。

- ハブの障害: これらは爆発的な故障の極端な例であり、回転するハブがホイールの中心軸に沿って複数の大きな破片に爆発的に分解します。ハブは個々のブレードよりも頑丈ですが、かなり重いです。ハブの回転軸は幾何学的中心と一直線になっているため、ホイールに作用する応力はハブの中心の周りまたは近くで最も強くなります。いくつかのシナリオでは、ブレードの破損の直後にハブの破損が発生します。これは、ブレードが失われたことによる重大な不均衡が原因です。ハブの破損の具体的な原因が何であれ、回転するハブのかなりの質量が、ホイールに広範囲の損傷を引き起こす最大のリスクとなります。ターボチャージャーケーシングは、ケーシング壁に衝突したときに最も多くのエネルギーを放出するため、ケーシングに適しています。

爆発の最も一般的な原因ターボチャージャー失敗

スピード違反

となるとターボチャージャーコンポーネントを設計する際には、アルミニウム製コンプレッサーホイールとインコネル鋼製タービンホイールの構造上の違いを理解することが重要です。アルミニウムはインコネル鋼に比べて構造強度が低いため、コンプレッサーホイールが故障する限界は、タービンホイールの限界よりも一般的に高くなります。

この構造強度の違いにより、コンプレッサーホイールの故障はタービンホイールの故障よりも比較的多く発生します。コンプレッサーホイールは、吸入空気を単に圧縮するだけでなく、接続シャフトを介してタービンホイールに慣性の一部を伝達します。この慣性伝達は、タービンホイールの回転速度に大きな影響を与えます。

実際には、コンプレッサーホイールが故障したりシャフトから外れたりすると、吸入空気の圧縮によるブレーキ効果が失われます。その結果、タービンホイールは拘束されなくなり、最大許容速度を超えて急速に加速する可能性があります。さらに、コンプレッサーホイールの故障時にエンジンが高速で動作している場合、高速排気ガスがタービンホイールをさらに加速し、タービンホイールの壊滅的な故障につながる可能性があります。

疲労破壊

金属および金属合金には、静的条件下では破損を引き起こすには不十分な力しか加えられていないにもかかわらず、破損するまでに耐えられる周期的な負荷の総数を表す、定義された疲労寿命があります。ターボチャージャー製造の分野では、アルミニウムは他の材料に比べて強度が比較的低いため、アルミニウムの構造的完全性は重要な考慮事項です。
評判が良いターボチャージャーメーカーは、新しいホイールの設計を開発する際に、アルミニウムのこの固有の弱点に対処することに重点を置きます。課題は、アルミニウム製コンプレッサーホイールが多数のサイクルにわたって連続的に加速および減速されることにあります。このプロセスにより、最大許容限度を大幅に下回る回転速度でも、低サイクル疲労による破損が発生する可能性があるためです。

ブランド化されているターボチャージャー生産者は、耐久性とターボラグの減少との間のこの微妙なバランスを巧みに操っています。アルミニウムの有利な低比重のおかげで、安価なアフターマーケットで状況は変わります。ターボチャージャーこれらの製品には、アルミニウム構造に欠陥がある状態で製造された、標準以下の品質のコンプレッサーホイールが使用されている場合があります。その結果、ブランド名のない製品に関連するコンプレッサーホイールの壊滅的な故障の事例が数多くあります。ターボチャージャーこれらの問題は、建設に使用された材料の構造上の欠陥に起因すると考えられます。

異物の摂取

異物を摂取すると、重大な損傷を引き起こす可能性があります。ターボチャージャー被害の程度は、物体の種類、質量、大きさ、侵入地点など、さまざまな要因によって異なります。ターボチャージャー通常、小さな物体の場合は、コンプレッサーホイールのブレードが引きちぎられる程度で、ハブは比較的無傷のままです。異物によってハブが故障するには、通常、コンプレッサーホイールをブロックするほどの大きさの物体が必要であり、その結果、タービンホイールが故障する可能性があります。

高回転の改造エンジンでは排気バルブの故障は珍しくありませんが、壊れたバルブの破片がエンジン内に侵入すると、ターボチャージャー回転するタービンホイールに接触すると、悲惨な結果を招く可能性があります。タービンホイールは、このような状況下では激しく爆発しやすく、シャフトが破損することがよくあります。その結果、高速回転するコンプレッサーホイールが空気取り入れ口からケーシングから押し出され、潜在的に危険な状況になります。

圧縮ホイールは通常、ケースから一体となって飛び出すことはないが、その破片は大口径ライフルの弾丸の数倍のエネルギーレベルを持っていることを強調しておくことが重要である。ターボチャージャー吸気口が露出している場合、これらの高エネルギーの破片は、近くにいる人に重大な危険をもたらしたり、閉じたボンネットから跳ね返ってエンジン部品に大きな損傷を与えたりする可能性があります。このようなリスクは、適切なメンテナンスと警戒の重要性を強調しています。ターボチャージャー異物の摂取に伴う潜在的な危険を軽減するための操作。