Estu Turboalimentadores

TURBOALIMENTADORES Diapositiva 1— Bienvenidos a la continuación de nuestro seminario sobre el análisis de fallas y específicamente, sobre fallas de turboalimentadores. Nuevamente estudiaremos los datos que pueden guiarnos a la causa principal de las fallas.

Diapositiva 2— En esta sesión trataremos algunos puntos básicos de la función, la estructura, la instalación y del funcionamiento de los turboalimentadores; además, analizaremos algunos problemas que pueden ayudarnos a entender por qué fallan los turbos.

Diapositiva 3— Los turboalimentadores son dispositivos que giran libremente a velocidades por lo general mayores 80.000 r.p.m. Cuando alcanzan el máximo de r.p.m., las velocidades de la superficie del cojinete pueden sobrepasar los 100 pies por segundo (30 m/s) y es posible que la energía almacenada en los componentes giratorios sea igual a la potencia del motor. Estas condiciones exigen un equilibrio y alineación casi perfectos de todas las partes móviles, así como un medio de operación y mantenimiento adecuado. A pesar que las fallas pueden causadas por problemas del turbo en sí, son los simples problemas del medio de operación, como la restricción en la admisión de aire, los que causan la mayoría de las fallas.

Diapositiva 4— Cuando falla un turboalimentador, es una tentación buscar evidencias solamente del turbo fallado. Debemos recordar que es necesario recopilar inmediatamente toda la información básica sobre la lubricación y las condiciones existentes antes de la falla en el sistema de admisión y escape, ya que estos sistemas inciden directamente en la vida del turboalimentador y por lo general producen su falla. Deberán registrarse evidencias sobre presiones, fugas, restricciones, materias extrañas, temperaturas altas, conexiones flojas o reparaciones recientes.

Diapositiva 5— Los sistemas de admisión y escape contribuyen a muchas de las fallas. Por ejemplo, si la entrada de aire esta muy restringida, (1) puede producirse una carga axial excesiva desgastando el cojinete de empuje y (2) aumentar significativamente las r.p.m. del turboalimentador. Si las temperaturas de escape son anormalmente altas pueden producir problemas de lubricación y daños metalúrgicos. También es posible que entren en el turboalimentador materias extrañas procedentes de los sistemas de admisión o escape. Por lo tanto, cuando estamos llevando a cabo una investigación de las fallas del turboalimentador, siempre deberemos recopilar información básica sobre los sistemas de escape y admisión de aire.

Diapositiva 6— El sistema de lubricación también es esencial para el buen funcionamiento del turboalimentador, porque cumple tres funciones importantes: lubricación, enfriamiento y limpieza. Si el abastecimiento de aceite se interrumpe sólo por unos segundos, los resultados pueden ser desastrosos. Es esencial que el flujo de aceite a través del turbo sea continuo y suficiente como para proveer suspensión y estabilización al sistema de cojinetes totalmente flotante y, además, como para enfriar los componentes. El lubricante puede restringirse o no pasar al turboalimentador por diversos motivos. Además el lubricante puede contener partículas abrasivas de gran tamaño que exceden el grosor de la película de lubricación, dañando materialmente las partes que giran. Por lo tanto, no solo es necesario que la cantidad de lubricante sea adecuada, sino que la calidad sea buena. Por lo tanto, antes de llevar a cabo la inspección de un turboalimentador fallado, siempre se requiere recopilar la información básica y con evidencias sobre la cantidad y calidad de lubricación, por ejemplo:

1. Tipo y viscosidad del aceite utilizado. 2. Nivel de aceite en la varilla indicadora. 3. Evaluación del filtro de aceite, abriéndolo para hacer una inspección del papel. 4. Muestras obtenidas para el A.PA. 5. Comentarios de los operadores sobre las presiones del lubricante u otros

problemas previos a la falla.

Diapositiva 7— Los turboalimentadores cumplen dos funciones: normalizar y reforzar el abastecimiento de aire a los motores.

Diapositiva 8— Normalizar significa mantener el abastecimiento de aire igual al de un motor de aspiración natural que funciona al nivel del mar. Cuando los motores funcionan a altitudes mas elevadas del nivel del mar, donde el aire es menos denso, se necesita el turboalimentador para aumentar la entrada de aire. Si la normalización no se produce, a medida que el aire se hace menos denso será necesario disminuir la entrada de combustible para que el motor no se sobrecargue de combustible. Por lo tanto, la normalización hace que los motores desarrollen una potencia normal a diferentes altitudes. Algunos turboalimentadores tienen lo que se denomina “compuerta de descarga” que, al sobrepasar una presión determinada, para por alto la sobrecarga del turbo. Esto permite que el motor funcione a distintas altitudes, manteniendo una entrada de aire normalizada y estable. Es importante tener en cuenta que si bien los turboalimentadores concentran el aire menos denso a altitudes más altas para que el abastecimiento de oxígeno y la potencia del motor sean normales, para lograrlo girarán también a una velocidad mayor. Por lo tanto, para motores que funciones a más 7.000 pies por lo general se dan sugerencias sobre devaluación de potencia del combustible destinadas a evitar que el turboalimentador gire a sobrevelocidad.

Diapositiva 9— Aunque la idea de la turboalimentación tiene ya muchos años, recién en los años 40 se produjeron metales económicos que pudieran tolerar temperaturas de escape muy altas. Uno de los primeros usos comerciales de la turboalimentación fue el motor de avión al que, mediante este sistema, se le permitió desarrollar su potencia máxima a gran altitud.

Diapositiva 10— La segunda función de un turboalimentador es sobrealimentar la entrada de aire con el fin de suministrar más oxígeno que lo normal al motor Esto permite un incremento en la regulación del combustible, a la vez que se mantiene una mejor combustión y un escape más silencioso. Una combustión y un escape más silencioso. Una combustión mejorada significa no solamente mayor economía de combustible, sino además, emisiones de escape más limpias.

Diapositiva 11— A algunos clientes les agrada sentir algo de potencia adicional. En la diapositiva vemos a pescadores deportivos que se dirigen a se área favorita a una velocidad normal. Provistos de motores turboalimentados y posenfriados Cat 3208, con 375 HP, estas mismas embarcaciones empiezan a volar al accionar los aceleradores.

Diapositiva 12— Los turbos reciben aceite a presión por un ducto central situado en la parte superior de la caja central. Los conductos perforados distribuyen el aceite por los cojinetes y el eje giratorio. Algunos conductos son pequeños (especialmente los que van a los cojinetes de empuje) y pueden taponarse con materia extraña. Por lo tanto, deberá prestarse mucho cuidado para impedir en forma eficaz que las partículas entren en los conductos durante la instalación o la manipulación del equipo. El aceite se drena por gravedad por el ducto de la parte inferior de la caja central y va al cárter. Los gases de escape calientes entran en el lado de la rueda caliente o turbina (en la zona roja de la derecha) y tocan la circunferencia exterior a alta velocidad. Las aletas cambian la dirección de los gases en 90° y los expulsan por el centro de la turbina, haciendo que ésta gire. Dado que la turbina está directamente conectada con el lado frío o compresor, cuando la turbina gira, el compresor también girará. Esto permite que la energía no utilizada de los gases de escape se aproveche para comprimir la admisión de aire del motor. Cualquier materia extraña que entre por el escape del turbo dañará los bordes de las aletas o álabes en su circunferencia exterior. El aire entra al centro de la rueda del compresor (área azul de la izquierda) conde se acelera y se expulsa hacia la caja espiral o el colector que rodea la rueda fría (también llamado caracol por su forma). Este aumento de la presión del colector se denomina “sobrealimentación”. El colector transmite esta presión mayor ala tubería de admisión de aire que se dirige al motor. Cualquier materia extraña que entre por el sistema de admisión chocará contra los bordes de ataque de la rueda fría que rodean la tuerca de retención.

Diapositiva 13— Antes de hacer el análisis de las fallas deberíamos familiarizarnos con la estructura de los turboalimentadores, los nombres de las partes claves y la manera en que encajan unas con otras. Repasemos a continuación algunos puntos básicos de un turboalimentador típico. Al ensamblarse la rueda fría, el eje central y la rueda caliente se constituyen en una pieza sólida que gira sobre cojinetes de apoyo flotantes y sin restricción. El juego axial está controlado por un cojinete estacionario de tope o empuje situado cerca de la rueda fría. Los turbos más grandes tienen dos cojinetes de apoyo, pero los pequeños tienen sólo un cojinete tipo cartucho. A los lados del cojinete de tope y separados por un espaciador van las arandelas correspondientes. Cuando se instala la rueda del compresor, la tuerca de retención empuja la rueda, las arandelas de tope y el espaciador contra la berma del eje central, haciendo que formen parte del conjunto que gira. Todos los cojinetes se apoyan en una película amortiguadora de aceite durante la operación del turboalimentador. La plancha posterior de la turbina, o protector térmico, y el espacio de aire situado detrás de la misma sirven de aisladores e impiden que las altas temperaturas de escape penetren en la caja central. El calor transmitido por conducción desde la turbina al eje central, es extraído por el aceite lubricante que pasa por el cojinete próximo al lado caliente. Por lo tanto, aunque en la rueda de la turbina la temperatura puede llegar hasta los 1.400°F, ésta llega a ser menos de 300°F en el cojinete, por el efecto refrigerante que tiene el aceite de lubricación. Por lo general, el cojinete de empuje se considera la parte que más fácilmente se daña, dado que soporta las máximas revoluciones por minuto del eje y, en consecuencia, se daña más rápidamente si las condiciones de operación son adversas. Después de ésta, las piezas que se dañan más fácilmente son los cojinetes de apoyo flotantes y que giran sin restricción. Si los cojinetes de empuje o los de apoyo se dañan, las ruedas caliente y fría comienzan a moverse excesivamente y pueden entrar en contacto con las cajas. Si se produce un contacto mientras la rueda gira a alta velocidad, esto origina inmediatamente un gran daño por impacto en las aletas y también puede doblar o romper los ejes centrales. Las partes que giran deben ser balanceadas con muchísimo cuidado. Esto significa que el balanceo y el entongue deben ser correctos. Estar balanceado significa que cada parte individual gira sin vibrar sobre su línea central. El “entongue” hace referencia a la perpendicularidad y paralelismo de los componentes armados. La perpendicularidad se define como la cuadratura de las superficies relativas al calibre, mientras que el paralelismo significa la alineación de las superficies axiales del componente. Si lo anterior no se respeta, al ajustar la tuerca de la rueda del compresor, la carga de tracción no será axial, doblará posiblemente el eje y producirá eventualmente un serio desbalance. Por lo tanto, el balanceo individual y el “entongue” deben controlarse con mucho cuidado. En el reacondicionamiento y reparación en la

obra de las piezas se deberán tomar en cuenta estos factores y será necesario que la manipulación y el ensamblado de las partes que giran se hagan con mucho cuidado.

Diapositiva 14— Aquí se muestra un turbo marca “Switzer”. Turbos de otros diseños tienen estructuras un poco diferentes, pero los conceptos que se discuten a continuación son pertinentes a todos los diseños. Las piezas que giran con el eje y las ruedas se muestran en azul. Las partes que van fijas, en rojo. Los cojinetes flotantes y sin restricción giran por el rozamiento a casi un tercio de la velocidad del eje giratorio. Los conductos de lubricación, en verde. Note que el conducto más pequeño (el que puede bloquearse más fácilmente con materia extraña) es el que va al cojinete de empuje fijo, es este turbo en particular. Los sellos anulares están justo detrás de las ruedas caliente y fría para evitar fugas o la entrada de materia extraña en el turbo. Dichos sellos van en las cajas exteriores y no deben rotar – el eje central debe rotar dentro de ellos. Cuando el equipo funciona a velocidad baja en vacío, dichos sellos evitan las fugas de aceite en las cajas de las ruedas caliente y fría; y cuando la carga es plena, dichos sellos impiden la entrada de carbono abrasivo y gases de escape en las áreas de los cojinetes. Ya que el drenaje del aceite se hace únicamente por gravedad, las presiones altas del cárter pueden aumentar las presiones en los sellos y causar fugas de aceite. Los cojinetes de muñón giran rápidamente y toda basura en el aceite tenderá a girar centrífugamente causando mayor daño abrasivo en el diámetro exterior que en el interior de los cojinetes. La materia extraña más grande que los orificios de lubricación de los cojinetes quedará atrapada en el diámetro exterior y causará cortes por abrasión, achicándose eventualmente hasta pasar por el cojinete y salir con el aceite y salir con el aceite que drena.

Diapositiva 15— El eje central y el lado de la rueda de la turbina se fabrican por separado y luego se sueldan por inercia (por frotamiento rotativo) enderezándose y balanceándose posteriormente. Este tipo de soldadura se hace utilizando el método del momento fijo o el de embrague “patinante”. En el primer caso, el eje central gira a una determinada r.p.m. en un “volante” con un peso especificado que produce una cantidad de energía calculada de manera tal que se lleve a cabo la soldadura. La transmisión al volante se desembraga y el eje giratorio entra en la rueda de la turbina fija. El calor de rozamiento calienta y suelda el eje a la rueda de la turbina. El segundo método de soldadura por inercia se lleva a cabo con un embrague patinante. Un dispositivo hace girar el eje central y en un momento dado, cuando se establece una resistencia determinada, el embrague patinará. El eje que gira es forzado a entrar en la rueda de la turbina, el calor de rozamiento suelda los metales y cuando se alcanza una resistencia determinada, el embrague del dispositivo se desliza y el eje deja de girar. Los ejes centrales sen de acero de alta resistencia, muy magnético. Después de la soldadura por inercia, los lugares del eje donde van instalados los cojinetes se endurecen por inducción. El índice de dureza que se alcanza es Rockwell C-55 aproximadamente. Este tipo de eje no está diseñado para tolerar altas temperaturas y nunca debe exponerse a ellas. Las ruedas de la turbina se fabrican de una aleación de níquel fundido que contiene más de 10% de cromo y menos de 1% de hierro de fundición. Este metal es esencialmente no magnético y puede tolerar altas temperaturas sin deteriorarse.

Diapositiva 16— Este corte central de la junta soldada por inercia, con deslustre al ácido, nos ayuda a ver más claramente los detalles del eje y de la rueda de la turbina. El eje y la rueda tienen un pasador centralizante que sirve para mantener las partes alineadas durante el proceso de soldadura. Note igualmente que cerca del lugar de la soldadura el eje y la rueda son huecos. Esta área hueca tiene dos finalidades:

1. Permite que los residuos de la soldadura (denominados rebordes) puedan salir durante el proceso (dichos residuos a veces se asemejan a roscas gruesas), y

2. Actúa como una barrera térmica (aisladora) cuando funciona el turboalimentador, destinada a reducir la transferencia del calor del lado caliente de la rueda al eje central.

Dado que la rueda no es magnética y el eje central sí, es posible usar un imán para determinar si falló la soldadura o si se rompió el eje; por ejemplo, si el imán se adhiere a la fractura del lado caliente de la rueda, el eje se ha roto. Note también el endurecimiento por inducción del eje central donde va el cojinete de soporte de la turbina.

Diapositiva 17— Donde va el cojinete de apoyo del compresor del eje central también está endurecido por inducción para suministrar una mayor resistencia y reducir el desgaste.

Diapositiva 18— Las ruedas del compresor son de una aleación de aluminio de alta resistencia y alta calidad. La elaboración de esta aleación requiere un cuidado especial para impedir que se produzcan venitas e inclusiones que pudieran debilitar el metal y empezar a agrietarse. Esta aleación no está diseñada para tolerar altas temperaturas y nunca debería exponerse a ellas. Las aletas de la rueda del compresor pueden tener una forma derecha o curvada hacia atrás. Una comparación entre los dos diseños sirve para determinar fácilmente la diferencia entre los dos. En esta diapositiva, note que la inclinación de las aletas de la rueda inferior es más marcada que la inclinación de la rueda superior. La rueda inferior es curvada hacia atrás. Cuando aumentan las r.p.m. , la fuerza centrífuga trata de enderezar estas aletas. Por lo tanto, a medida que las r.p.m. aumentan y disminuyen, las aletas curvadas hacia atrás reciben una carga cíclica de flexión; este tipo de carga, procedente de una fuerza centrífuga, es mucho más severa que la carga cíclica producida por la compresión del aire. Tal como se dijo en el seminario sobre fracturas, las cargas cíclicas producen fracturas por fatiga del metal. Por eso, las aletas

deben estar diseñadas de manera tal que toleren este tipo de cargas de flexión cíclicas y severas, además de las cargas más ligeras procedentes de la compresión de aire. El agujero del eje central se perfora con una máquina que calcula su ubicación precisa para obtener el mejor balanceo de la rueda. A veces se hace el balanceo más preciso sacando el material de la punta del extremo del agujero perforado.

Diapositiva 19— El balanceo también se lleva a cabo en la parte posterior de la rueda fría. Es posible encontrar muescas circulares a lo largo del diámetro exterior tal como aparece aquí, o

Diapositiva 20— Un fresado radial a lo largo del diámetro exterior, como lo muestra este ejemplo.

Diapositiva 21— Los cojinetes de apoyo flotantes pueden fabricarse con una aleación de cobre/estaño/plomo o una de aluminio, dependiendo del diseño del turboalimentador. En los turbos antiguos muchos cojinetes estaban completamente saturados de plomo; los más modernos en cambio, tienen un contenido más bajo de este material. El plomo actúa como lubricante durante cortos periodos lubricación escasa (como en el arranque). Usted podrá ver que algunos de los cojinetes tienen además una capa superficial de estaño que recubre la aleación de cobre/estaño/plomo; esta capa aumenta la lubricidad en el momento del arranque. Los diámetros internos y externos del cojinete se controlan cuidadosamente para asegurar que el juego de la pieza y el espesor de la película de aceite sean correctos. Note que algunos de los cojinetes vienen con orificios biselados; esto se hace para eliminar cualquier irregularidad en la perforación y permitir que el paso del aceite no se interrumpa mientras el cojinete gira. Los otros cojinetes tienen ranuras a cada uno de los lados.

Diapositiva 22— Los anillos de resorte para retención del cojinete de apoyo vienen estampados en acero de alta resistencia. El estampado produce un lado redondeado y el otro a canto vivo. El borde redondeado y pulido siempre va instalado hacia el cojinete para reducir al mínimo el contacto abrasivo.

Diapositiva 23— Los cojinetes de empuje son de aleaciones de cobre/estaño/plomo y aluminio de alta resistencia. Algunos vienen recubiertos de estaño para mejorar la lubricidad durante el arranque, pero la mayoría de estos cojinetes parecen de bronce. Los cojinetes de empuje van fijos y las arandelas de empuje adyacentes giran a la misma r.p.m. que el eje. Por esta razón los cojinetes de empuje absorben más energía que cualquier otro cojinete del turboalimentador, y, por lo tanto se ven más afectados por la lubricación escasa, las materias extrañas y las cargas axiales anormales Algunos cojinetes de empuje tienen conductos perforados para el paso del aceite, tal como se ve aquí; esto permite una lubricación directa en la superficie de contacto del cojinete. Note la rejilla fina instalada por el fabricante para impedir el paso de basuras que podrían bloquear el conducto y producir daños durante la lubricación escasa.

Diapositiva 24— Los sellos anulares laterales del lado caliente de la rueda son de hierro dúctil altamente aleado con cromo; esta aleación puede resistir altas temperaturas. Los sellos anulares de la rueda fría son de hierro fundido y nunca deben exponerse a altas temperaturas. Ambos sellos se fabrican con mucho cuidado para que las superficies queden pulidas y suaves y la presión de resorte sea la adecuada. Estas características impiden que el sello anular gire en el calibre y que tenga fugas. Cuando se instalan sellos anulares, la boca del extremo debe tener casi 10 milésimas de pulgada (consulte las especificaciones del turbo en el Manual de Servicio).

Diapositiva 25— Las cajas del compresor son de una aleación de aluminio fundido. La perpendicularidad y paralelismo del calibre se controlan minuciosamente para asegurar que los espacios libres de la rueda del compresor sean siempre uniformes (por lo general, menos de 20 milésimas de pulgada –consulte las especificaciones del turbo en el Manual de Servicio). Estas cajas se diseñan para soportar las fuerzas producidas al separarse una rueda del compresor girando a gran velocidad. Las cajas centrales son de hierro fundido y, normalmente, no se exponen ni a altas temperaturas ni a altas cargas. El paralelismo y la perpendicularidad del calibre se controlan meticulosamente; se controla además el diámetro interno y el pulido de la superficie donde van los cojinetes de muñón. Las cajas de la turbina se fabrican de hierros dúctiles o de hierros dúctiles aleados con níquel. Deben estar diseñadas para tolerar cargas de cualquier accesorio a temperaturas que pueden llegar hasta 1.400°F sin ondularse (o cambiar definitivamente de tamaño y de forma). Estas cajas se fabrican también con mucho cuidado para asegurar el paralelismo y la perpendicularidad del calibre y lograr que los espacios libres con la rueda de la turbina sean uniformes.

Diapositiva 26— La plancha posterior de la turbina, o protector térmico, actúa como in aislante para que las altas temperaturas de escape no afecten la caja central. Está hecha de hierro dúctil y aísla mediante un espacio de aire fijo situado entre la rueda de la turbina y la caja central.

Diapositiva 27— Aunque esté bien fabricado, un turboalimentador puede fallar, sise instala de manera incorrecta. Para una instalación correcta deben seguirse los siguientes pasos:

1. Alinee las cajas del compresor y la turbina con la tubería de admisión y escape, y ajuste las abrazaderas de la caja del turbo.

Diapositiva 28—

2. Ponga el turbo en la posición adecuada, colocando los pernos de montaje y conectando la tubería de admisión y escape. Deje todos los sujetadores flojos para ajustarlos más tarde.

3. Verifique la alineación del taco de montaje del turboalimentador, del taco de soporte de motor y la tubería de admisión/escape. Si están desalineados, este problema a veces puede corregirse aflojando los pernos del múltiple de escape. Al alinear superficies que encajan, ajuste primero los sujetadores de la tubería de admisión y escape y luego los pernos del múltiple de escape; finalmente, ajuste los pernos de montaje del turboalimentador. Si existe demasiado espacio libre al ajustar los sujetadores, no los use para unir las piezas; reemplace las piezas dobladas o dañadas para que los espacios libres sean los correctos.

4. Quítelas tapas de protección de entrada y salida de lubricación del turbo; sea cuidadoso al hacerlo, para no introducir materias extrañas en el ducto de entrada situado en la caja central.

5. Conecte la línea de drenaje de lubricación del turbo. 6. Llene cuidadosamente la entrada de lubricación con aceite LIMPIO e instale la

línea de entrada de lubricación. 7. Verifique los respiradores del cárter para asegurarse de que están limpios,

porque las presiones del cárter de tan solo 5 pulgadas de agua pueden retrasar el drenaje del aceite de lubricación del turboalimentador y producir una pérdida por el sello.

Si se han seguido todos estos pasos, la parte exterior del turbo no recibe una fuerza anormal ni, por lo tanto, se deformará, cuando las piezas se calienten;

tampoco se introducirán materias extrañas que inmediatamente puedan dañar por abrasión el equipo.

Diapositiva 29— Los turboalimetadores suministran centenares de horas de operación sin inconvenientes, si se usan y se mantienen siguiendo las pautas de Caterpillar. Sin embargo, las piezas internas se desgastan gradualmente y fallan; además, si el medio ambiente es adverso, se pueden producir fallas prematuras. Cuando sabemos qué apariencia tienen las piezas que han sufrido desgaste normal, estamos en mejores condiciones de identificar los desgastes anormales durante un análisis de las fallas de los turboalimentadores.

Diapositiva 30— Inmediatamente después que arranca un motor, los gases de escape hacen girar la rueda de la turbina, el eje central y la rueda del compresor. El flujo de lubricación no ha llegado todavía y en los cojinetes se encuentra solamente el aceite residual. Por lo tanto, las asperezas no se han separado ni tampoco se ha formado la

película amortiguadora del aceite que centra el eje del turboalimentador, impidiendo el movimiento orbital de éste. Sugerimos a los clientes que hagan funcionar los motores a velocidad baja en vacío durante varios minutos para que se forme la película de aceite y se estabilice el movimiento del eje antes de que empiece a trabajar el motor.

Diapositiva 31—

Todos los motores de Caterpillar tienen tuberías de lubricación que van directamente a los turboalimentadores para que el aceite filtrado llegue lo antes posible. Algunos motores tienen una válvula especial de lubricación prioritaria que envía aceite sin filtrar al turboalimentador más rápidamente aún. Estos procedimientos hacen que las piezas del turbo que se mueven a alta velocidad se lubriquen y se enfríen lo antes posible.

Diapositiva 32— Los turboalimentadores se aparean cuidadosamente con los motores para que éstos reciban el aire de admisión que necesitan sin dañar el turboalimentador, siempre y cuando el sistema y las condiciones sean correctos. Estos son:

1. Restricción de la admisión 2. Restricción del escape 3. Restricción del post enfriador 4. Temperatura de admisión/escape 5. Presión del cárter.

Consúltense las especificaciones en los manuales de servicio correspondientes. En general, para motores turboalimentados tenemos: Máximo de de admisión.

• Camiones de autopista: 25” H O • Todos los demás: 30” H O

Máxima restricción de escape: • Camiones de autopista: 40” H O • Todos los demás: 27” H O

Máxima restricción del post enfriador: • Todos los motores: 36” H O

Máximas temperaturas del sistema de admisión/escape: • Aire antes del compresor: 120°F • Gases antes de la turbina: 1.300°F • Gases saliendo de la turbina: 1.100°F • Diferencia entre la salida de dos turbos de un mismo motor: 75°F

Diapositiva 33—

Después de miles de horas de servicio se produce desgaste y los espacios libres aumentan. Si el equipo se mantiene funcionando demasiado tiempo, el eje central del turboalimentador desarrollará un cierto juego, se producirán perdida de aceite y las ruedas rozarán. Dado que la apariencia exterior de los turboalimentadores desgastados apenas nos indica las condiciones en que se hallan las ruedas del compresor y la turbina, necesitamos desarmarlo y hacer una inspección del interior para saber el desgaste normal de las piezas. Esto nos ayudará también a identificar el desgaste anormal que pueda producirse más tarde.

Diapositiva 34— Una pequeña perdida de aceite ha pasado a través del sello anular del lado caliente, tal como lo muestra la superficie interior seca del protector térmico. Note que el protector térmico ha cumplido su función de aislamiento, dado que hay rastros de pintura en el extremo del lado caliente de la caja central. Esto significa que los cojinetes nunca se expusieron a las altas temperaturas capaces de destruir la lubricación o causar el deterioro metalúrgico.

Diapositiva 35— La rueda de la turbina y el eje también indican que no hubo temperaturas anormales. Note que los colores dejan de ser templados, al pasar apenas el lado caliente de la rueda y antes de llegar al cojinete de soporte de ese mismo lado. El sello anular del lado caliente, de aleación de cromo, se ha expuesto a estas temperaturas más elevadas, pero no está dañado porque está hecho de hierro dúctil aleado con cromo. Note que el sello tampoco ha colapsado, como lo muestra la buena separación de los extremos.

Diapositiva 36— Estos cojinetes de apoyo usados tienen todavía una capa superficial de estaño en la parte exterior, aunque en la sección del cojinete del lado caliente se ha producido mas desgaste que en la sección opuesta – un fenómeno normal debido a las altas temperaturas a las que se expone esa parte del cojinete. Siguen biselados los

conductos para el aceite (por dentro y por fuera) y los bordes de los cojinetes, indicio también de poco desgaste superficial. Parece haber un pequeño daño por abrasión en el cojinete del lado caliente. Debemos notar evidencias como las abolladuras pequeñas y redondas en el biselado de los orificios de aceite y sospechar que hubo un daño por abrasión, debido a materias extrañas pequeñas, redondas y duras tales como granalla de acero.

Diapositiva 37— Por lo general las arandelas y cojinetes de empuje tienen un desgaste fino por abrasión producido por basuras pequeñas que se originan con la fabricación o instalación del turbo. Esta arandela de tope del fabricante Air Research tiene un desgaste fino por abrasión, pero es normal.

Diapositiva 38— Es posible también que haya un contacto mayor en un lado o en varios puntos de la superficie, resultado de las desviaciones de la perpendicularidad o paralelismo. Estas arandelas de tope Switzer giran con el eje central y, tal como se ve, han tenido

un contacto mayor en uno de los lados. Los colores al temple indican que el contacto de metal a metal se produjo durante un tiempo suficiente como para generar más de 300°F (285°C). Sin embargo, después de miles de horas de uso, una pequeña falta de coloración o un desgaste como éste deberían considerarse aceptables.

Diapositiva 39— Cuando los motores pierden potencia o emiten gases de escape de color negro los propietarios por lo general, culpan al turboalimentador y sospechan que está muy desgastado o dañado.

Diapositiva 40— Con bastante frecuencia los talleres de reparaciones descubren que el mantenimiento del filtro de aire no se ha llevado a cabo como es debido, y que la causa principal del problema reside en una restricción muy seria del abastecimiento de aire. Si es así, y si este problema se descubre rápidamente, lo único que hay que hacer es reemplazar el filtro de aire para completar las reparaciones.

Diapositiva 41— Si en el sistema de admisión de aire no se puede fácilmente determinar una causa principal, tendremos que seguir investigando las piezas internas del turboalimentador hasta que encontremos la causa principal del problema. Paralelamente al estudio de las distintas piezas del turboalimentador , merece la pena consultar una publicación de Caterpillar como “Analyzing Turbocharger Failure” FEG45138, porque puede ayudarnos en el trabajo.

Diapositiva 42— También debiéramos hacer un análisis sistemático de las fallas, como por ejemplo el de los ocho pasos que sugerimos en este curso. Los primeros cinco pasos nos ayudan a distinguir la causa principal de una falla, a partir de los resultados que ha producido y mediante el uso lógico de los principios analíticos. Los últimos tres pasos nos conducen hacia la recompensa por nuestra labor, a través de la comunicación con el cliente y el seguimiento.

Diapositiva 43— Cuando otros preguntan: “¿Por qué falló este turboalimentador?” nos sentimos inseguros y tentados a especular. Pero si reconocemos que determinados problemas del turboalimentador o de las condiciones de operación producirán fallas específicas, estaremos en el camino correcto para encontrar la causa principal y real de las fallas. Deberíamos comenzar por obtener los datos y leer los “indicios” que nos dan el turbo fallado y las condiciones de operación. Esto puede conducirnos a ciertas áreas generales las cuales también producen fallas, como por ejemplo:

1. Falta de lubricación. 2. Abrasivos en el aceite. 3. Temperaturas de escape muy altas. 4. Materias extrañas 5. Problemas del turboalimentador.

Dado que en cada una de estas áreas puede haber muchas causas, debemos evitar echarle la culpa a un área y decir, por ejemplo, que la falta de lubricación es la causa de la falla. Debemos seguir los indicios hasta llegar a la razón específica de la falta de lubricación. Sólo entonces habremos llegado a destino: la causa principal de la falla.

Diapositiva 44— Por ejemplo, la falta de lubricación puede deberse a un bajo nivel de aceite, una baja presión, una calidad de no corresponde, temperaturas muy altas, etc. La falta de lubricación produce indicios tales como:

1. Colores al temple y aceite quemado en las áreas de los cojinetes 2. Desgaste por adherencia

3. Metal debilitado 4. Sobrecalentamiento, debilitación, rotura, desgaste y destrucción del sello anular

del lado caliente. 5. Contacto de las ruedas con las cajas. 6. Separación ocasional entre la rueda y el eje central.

Diapositiva 45—

En este ejemplo la rueda hizo contacto con la caja y hubo pérdida de aceite detrás de la rueda de la turbina. El movimiento excesivo del eje indica que los cojinetes están dañados o desgastados. Es necesario mirar las piezas internas para determinar la causa de los daños de los cojinetes.

Diapositiva 46— Después de desarmarlos vemos que las superficies del cojinete de empuje y del cojinete de apoyo del lado caliente están mucho más dañadas que las del lado frío. Esto es normal porque el cojinete de empuje soporta todas las r.p.m. del turbo y los cojinetes de apoyo del lado caliente están más cerca de las temperaturas de escape elevadas. Los colores al temple y los residuos de aceite quemado nos indican que hubo temperaturas altas. Pero no existe ninguna evidencia de abrasión. Por lo tanto, parecería que el aceite está limpio pero que no hay suficiente como para lubricar y/o enfriar adecuadamente el turbo. Después de investigar un poco más se descubrió que el motor operó con lubricación escasa, debido a un nivel de aceite bajo, hasta que se sintió el ruido de la rueda raspando contra algo.

Diapositiva 47— Si el turbo continuaba funcionando sin lubricación, el contacto entre los metales podía generar suficiente calor como para producir desgaste por adherencia y destruir las piezas. Note que los colores al temple continúan casi hasta el cojinete del lado frío, que el sello del lado caliente ha sido destruido y que el aceite penetró y se quemó en el lado de la rueda de la turbina.

Diapositiva 48— A medida que las altas temperaturas debilitan y dañan las piezas internas, se desarrolla un excesivo movimiento del eje y se producen cargas elevadas que pueden romper el eje central. A pesar de que el observador ocasional puede llegar a sospechar que se rompió la soldadura por inercia entre el lado caliente de la rueda y el eje central, el mecánico cuidadoso notará que las caras de las fracturas no son solamente ásperas y están gastadas, sino que hay colores al temple donde se produjo la fractura y que la rueda y la caja han tenido un rozamiento serio. Esto indica que la temperatura del eje era anormal, posteriormente éste se sobrecargó y finalmente sufrió una fractura dúctil. Aquí nuevamente, el analista necesita determinar la causa de la falta de lubricación.

Diapositiva 49— Si es necesario verificar que la soldadura por inercia no se rompió, podemos hacerlo tocando con un imán la cara de la fractura en el lado caliente de la rueda. Si la soldadura se rompió, el imán no tendrá mucha atracción, pero si el eje está roto, el imán se sentirá fuertemente atraído por la cara de la fractura. Por lo tanto, cuando un imán se pega a la cara de la fractura del lado caliente de la rueda, eso nos indica que la soldadura por inercia está todavía intacta y que el eje de acero está roto.

Diapositiva 50— Un examen ocular, cuidadoso y con buena iluminación, revela asimismo la presencia de colores al temple oscuros y una parte del eje de acero rota en un ángulo de 45 por sobrecarga torsional. Aún sin necesidad de valerse de un imán, estos “indicios” deberían decirnos que la separación en el lado caliente de la rueda es un resultado y no una causa; por lo tanto, es necesario controlar el estado de los cojinetes y ver si la causa principal no proviene de otras condiciones.

Diapositiva 51— La falta de lubricación puede deberse a causas muy distintas. Por ejemplo, este turbo falló porque el operador apagó el motor repetidas veces en condiciones de carga sin enfriar previamente el turboalimentador. Después de este abuso permanente del equipo las ruedas caliente y fría comenzaron a entrar en contacto con las cajas y la sobrealimentación calló.

Diapositiva 52— Una inspección más detallada del cojinete de apoyo del lado caliente indica que hay una capa oscura de aceite quemado residual sobre el mismo. Y que por debajo de esa misma capa es posible cortes finos por abrasión, causados en paradas por caliente y arranques que ocurrieron sobre las capas previas de aceite cocido. De este modo, las paradas del motor, en caliente no sólo sacan el aceite residual y crean arranques “en seco”, sino que además producen partículas de aceite cocido pequeñas y abrasivas que cortan el cojinete y el eje cada vez que arranca el motor. Esto desgasta rápidamente el cojinete más blando, produciendo por consecuencia un juego del eje y contacto de la rueda.

Diapositiva 53— Una manera eficaz de identificar que hubo paros en caliente es quitando los cojinetes de apoyo y viendo si hay manchas o aros producidos por enfriamiento, en los lugares donde el aceite residual se pasó a los orificios de lubricación del cojinete o a los bordes del mismo, tratando de enfriar el eje central sobrecalentado. En esas áreas se produce un enfriamiento parcial que deja manchas y aros característicos de templado.

Diapositiva 54— Si los paros en caliente son continuos, crearán un desgaste cada vez mayor de los cojinetes, hasta reducir considerablemente su diámetro. Este cojinete del lado caliente se ha quedado pegado al eje, porque el aceite residual se engomó y quemó. Esto hizo que el cojinete girara al máximo de r.p.m. del eje, lo que dañó la película de lubricación y creó una lubricación escasa.

Diapositiva 55— El calor rara vez pasa al cojinete del muñón de lado frío, tal como se ve aquí en el eje central manchados con marcas de enfriamiento. Las manchas y aros producidos por enfriamiento pueden deberse también a la separación de la rueda de la turbina en el punto de soldadura por inercia, durante el funcionamiento en carga plena y deja de girar el eje central. Sin embargo, esto no producirá un desgaste anormal en los cojinetes de apoyo o de empuje. Por lo tanto, cuando se produce una separación de la rueda durante el funcionamiento del turbo, debemos esperar que se produzcan asimismo manchas o aros por enfriamiento en la parte caliente, mientras que en la parte fría la apariencia será normal.

Diapositiva 56— Este turboalimentador venía con un informe que daba como causa de la falla “el eje se rompió ocasionando la falla del turboalimentador”. Veamos las diferentes piezas con más detenimiento y si llegamos a la misma conclusión.

Diapositiva 57— Si los cojinetes de muñón llegan a calentarse más de lo normal, es posible que parte del plomo que contienen se separe por lixiviación, disminuyéndose los espacios libres entre el cojinete y el calibre de la caja y/o el eje. Esto puede producir el siguiente resultado: que el cojinete se pegue a la caja y al eje, deteniendo totalmente la rotación. El cojinete del lado caliente de esta diapositiva se ha pegado completamente al calibre de esta caja—cuando la persona encargada de las reparaciones trató de sacarlo rompió la caja central. El cojinete mismo indica desgaste por adherencia en la parte exterior y también agrietamiento térmico.

Diapositiva 58— La rotación a alta velocidad con un movimiento excesivo del eje pone una carga cíclica extrema e inusual en las piezas que giran. Si a esto se suman temperaturas elevadas anormales, el eje central puede doblarse y hacer que las ruedas entren en contacto con las cajas. Esto a su vez aumenta la fuerza cíclica sobre el eje que no tardará en romperse, como vemos en esta diapositiva.

Diapositiva 59— Una inspección de la otra mitad de la fractura revela más claramente que hubo alta temperatura y que se produjo un flujo plástico antes de la fractura dúctil. Note que dicho flujo en la cara de la fractura tiene además una variedad de colores al temple oscuros. Este daño debió haberse producido antes de que se rompiera el eje, porque después de la rotura la rueda se detiene y no hay manera de que el calor se transmita a la porción del eje roto. Además la parte posterior de la rueda del compresor indica que hubo rozamiento en uno de los costados, demostrándose así que eje se había debilitado y doblado antes de romperse.

Diapositiva 60— Todo lo anterior se debió a una falta de lubricación. Por lo tanto, ¿era válido el análisis realizado en obras que afirmaba que la rotura del eje fue la causa de la falla del turbo? Indudablemente este diagnóstico es erróneo. Se debería haber encontrado la causa de la ruptura del eje y todos los resultados indican que se trata de una falta de lubricación. ¿Por qué ocurrió una falta de lubricación? El gerente de reparaciones tendría que haber estudiado los indicios y haberlos seguido hasta llegar a la causa específica de la falta de lubricación.

Diapositiva 61— Los materiales abrasivos presentes en el aceite pueden dañar los cojinetes, producir un juego excesivo del eje y generar una falla completa del turboalimentador. La contaminación puede deberse a que durante el ensamble y mantenimiento hayan quedado basuras, se hayan producido fugas de escape hacia dentro del turbo, se hayan extendido los períodos de cambio de aceite, hayan habido problemas con el filtro de aceite, etc.

Los indicios para determinar que el aceite tuvo materias abrasivas son entre otros: 1. Ralladuras, cortes o ranuras en las partes que giran 2. Pequeños aumentos de temperatura 3. Desgaste rápido. 4. Residuos incrustados en los cojinetes. 5. Desgaste excesivo de los cojinetes y movimiento del eje central. 6. Contacto de las ruedas caliente y fría con sus respectivas cajas. 7. Sellos anulares que pierden, se rompen, se gastan o faltan. 8. Separación ocasional de la rueda y del eje central.

Todos estos indicios en base a los resultados nos orientan hacia la verdadera causa principal.

Dado que la apariencia externa de los turbos defectuoso no cambia, debemos inspeccionar cuidadosamente las piezas internas para obtener los indicios que buscamos.

Diapositiva 62— Al inspeccionar las piezas internas de este turbo defectuoso descubrimos que se ha fugado mucho aceite a través del sello del lado caliente, cubriendo el protector

térmico con sedimentos y residuos aceitosos. Esto indica que hubo un movimiento excesivo del eje y/o que el sello del lado caliente se dañó permitiendo fugas. El cojinete de apoyo está revestido de barniz y sedimento aceitoso. No hay desgaste por adherencia, pero hay una mancha en el cojinete de apoyo. Esto indica que hubo suficiente aceite para mantener las piezas frías, pero que la calidad de dicho aceite debe investigarse. Es necesario obtener información sobre el tipo de aceite, la viscosidad, la condición del filtro y los períodos de cambio. Una vez realizado lo anterior descubrimos que el operador no había cambiado el aceite durante varios meses, sino simplemente añadido aceite en forma periódica. Esto hizo que el aceite sin filtrar circulara y produjera un desgaste acelerado.

Diapositiva 63— Las piezas internas de este turbo defectuoso no están sucias – no hay evidencia de altas temperaturas de desgaste por adherencia – y hay un poco de aceite que traspasó el sello de lado caliente, indicando que hubo movimiento del eje o un sello dañado. Hay un desgaste mucho más notable en el cojinete del lado caliente que en el del frío, indicándonos que el área desgastada debe estudiarse con mayor atención.

Diapositiva 64— Una inspección más minuciosa realizada con buena iluminación revela que el sello del lado caliente se ha salido de la ranura y no funcionó. Durante la operación se introdujo carbón de escape en el cojinete de apoyo del lado caliente, produciendo cortes por abrasión muy finos y saliendo hacia el cárter con aceite limpio que entraba en el turbo. El cojinete de apoyo del lado frío no está dañado porque allí no hubo contaminación de aceite. Esto nos indica que es necesario recopilar datos sobre el

ensamble del turboalimentador, especialmente sobre la instalación de la rueda del lado caliente del eje, donde el sello anular debe deslizarse cuidadosamente en el calibre de la caja central. Aparentemente el fabricante del turbo no fue cuidadoso al instalar la rueda y el eje en la caja central y movió el sello anular, sacándolo de la ranura. Después de unos meses de servicio el desgaste fino por abrasión dio lugar a un movimiento axial excesivo, pérdidas de aceite y contacto de las ruedas con sus respectivas cajas.

Diapositiva 65— Al llevar a cabo una inspección atenta de varios turbos defectuosos, notamos que los indicios se vuelven cada vez más familiares y que empezamos a entender más rápidamente lo que significan. En esta diapositiva vemos que no ha habido calor en el cojinete del lado caliente, indicando que la cantidad de aceite siempre fue normal. Los cojinetes de apoyo más blandos tienen cortes abrasivos, mientras que la sección endurecida del eje central (aproximadamente Rc55 – Rockwell) tiene únicamente ralladuras sin importancia. Todas las piezas están limpias y no tienen barniz ni acumulación de sedimento. Ninguna de las ruedas ha tenido un contacto significativo con las cajas.

Diapositiva 66— El cojinete de apoyo del lado caliente está expuesto a temperaturas y fuerzas mayores que el del lado frío, y conviene hacer una buena inspección del área.

Aquí podemos ver claramente que desapareció la abertura de los extremos del sello anular – el sello se rompió. Si las temperaturas no han sido atas, debemos pensar que el daño es por juego axial excesivo. Cuando el sello se rompe no permanece en el calibre y comienza a rotar con el eje. Esto lo desgasta rápidamente y desgasta también la ranura de la caja central. El sello se desgasta cada vez más, se rompe, causa más daño por abrasión y termina en el colector del cárter, pasando por la lumbrera de drenaje. Esta vista nos permite ver mejor las ralladuras en el eje.

Diapositiva 67— Una inspección atenta y con buena iluminación de los cojinetes de apoyo, indica que el mayor desgaste por abrasión ocurrió en las superficies exteriores, cerrando parcialmente los orificios de aceite en el cojinete del lado caliente. El del lado frío está en mejores condiciones porque las temperaturas en esa zona son más bajas. La superficie interior de ambos cojinetes indica que hubo mucho menos desgaste porque los contaminantes más pesados se mueven hacia fuera debido a la fuerza centrífuga cuando giran los cojinetes. Las ranuras profundas y por abrasión nos dicen que el tamaño de los contaminantes era considerable. Estos indicios señalan que se estaba produciendo otra falla dentro del motor; o bien dicha falla había generado partículas grandes de materia extraña o se habían introducido durante la fabricación, instalación o mantenimiento del motor. Es necesario recopilar más datos al respecto, mientras buscamos la causa principal de la falla.

Diapositiva 68— Esta arandela de tope es de un turboalimentador de camión que se rompió tres semanas después de que el cliente compró y lo instaló él mismo. Volvió al distribuidor y se quejó que el turbo que había instalado funcionaba peor que el viejo. El gerente del

servicio pidió que a un mecánico que sacara y desarmara el turboalimentador; el mecánico encontró las partes giratorias, completamente desgastadas. El mecánico dijo, además, que este cojinete de tope tenía el desgaste típico de todas las otras piezas y que consideraba que el defecto era causado por materias extrañas. Imagínese que usted es gerente de servicio y que recibe un cliente insatisfecho que lo ha estado esperando en la sala de espera. ¿Qué haría usted? (Los participantes deben responder que es necesario analizar el cojinete de tope más detenidamente para identificar el tipo de desgaste y determinar los indicios).

Diapositiva 69— ¿Qué tipo de desgaste indica una inspección atenta y bien iluminada? (Desgaste por abrasión) ¿Qué se debe hacer ahora que sabemos que el turboalimentador falló debido a un daño por abrasión? (Determinar la causa del daño por abrasión, es decir: determinar el material abrasivo y la procedencia del mismo. Esto nos ayudará a determinar quién debe pagar por las reparaciones). Ayude a los participantes a organizar su manera de pensar, dándoles una lista de las características de las limallas y anotándolas en el pizarrón por ejemplo: 1. Tamaño de las limallas = cabeza de alfiler. 2. Formas de las limallas = esférica 3. Uniformidad de las limallas = del mismo tamaño. 4. Color de las limallas = negro, azul, gris, plateado. 5. Magnetismo 0 = sí.

Pida a los participantes que determinen cuál de estas características encuentran en las limallas. (granalla de acero).

Pregunte a los participantes quién puede hablar colocando granalla de acero en el turboalimentador: ¿el cliente o el fabricante? (el fabricante).

Pregunte qué debe hacerse ahora. (La respuesta es: pedir disculpas al cliente por la inconveniencia causada y ofrecerle una pieza nueva bajo garantía). Señale que si dejamos las piezas mismas nos revelen ciertos indicios y llevamos a cabo inspecciones oculares minuciosas, el análisis de las fallas se hace más fácil y exacto, porque las piezas mismas nos dicen lo que les ha ocurrido. Las piezas defectuosas, por lo general, contienen información y no sólo nos indican las preguntas que debemos hacer, sino que nos dan las respuestas para nuestros clientes y además nos dan la posibilidad de atribuirnos todo el mérito de haber descubierto la causa de la falla. ¿Puede decirse que se cuenta con un mejor amigo con el análisis de fallas?

Diapositiva 70— Las temperaturas de escape altas pueden forzar el calor en la capa central del turboalimentador y dañar de este modo las piezas giratorias. Además, hace que ciertas piezas, como la caja de la turbina y la caja central se oxiden y se retuerzan. A continuación damos algunos indicios de temperaturas de escape altas: 1. Daño por exceso de calor

a. Aceite quemado o carburizado b. Oxidación o formación de escama en los metales c. Colores de temple d. Sello anular de la turbina roto

2. Cojinetes desgastados 3. Contacto entre las ruedas y sus respectivas cajas. 4. Separación ocasional de la rueda y el eje central.

Diapositiva 71— Una inspección ocular de la parte exterior de este tubo defectuoso debe indicarnos que funcionó con temperaturas muy altas. Esto puede estar todavía ocurriendo en el motor o puede haber existido antes y haberse detectado y corregido. Posiblemente el turboalimentador fue reacondicionado y se haya reutilizado la caja central dañada, después de haber arreglado un problema de motor. Si llevamos a cabo una inspección de las piezas internas del turboalimentador, tendremos respuestas a algunas de estas preguntas.

Diapositiva 72— Muchas veces las piezas internas son prueba de que hubo un recalcamiento serio, pero no es la superficie de contacto de los cojinetes. Esto significa el motor hace tiempo tuvo, o tiene aún, un problema de temperatura de escape muy alta, y debemos obtener más información sobre las causas posibles de estas temperaturas. La falla del turboalimentador es claramente un resultado; por lo tanto, debemos buscar la causa principal.

Diapositiva 73— Cuando entran materias extrañas en un turboalimentador, éste daña inmediata y seriamente. Un desequilibrio puede ser más destructivo que una distorsión física llevada a cabo por materias extrañas. A continuación damos algunos indicios de daños producidos por materias extrañas: 1. Doblado o rotura de las aletas de la rueda (y, por lo general, todas las aletas están dañadas).

a. En el diámetro interior de las aletas de la rueda del compresor. b. En el diámetro exterior de las aletas de la rueda de la turbina.

2. Eje central doblado. 3. Desgaste y color normales de los cojinetes (excepto que el desgaste puede ser por falta de alineación, si el eje central está doblado).

4. Separación ocasional de la rueda y el eje, si la materia extraña era grande.

Diapositiva 74— El lado caliente de la rueda de este turboalimentador se ha dañado por materias extrañas de tamaño considerable. Tanto el lado caliente como el frío entraron en contacto, aunque escaso, con sus respectivas cajas, lo cual indica que el juego axial era excesivo.

Diapositiva 75— Una inspección más detallada de la turbina muestra un doblamiento y desgaste uniformes en el diámetro externo de todas las aspas, por donde entran los gases de escape en la rueda. Si un objeto extraño entra, la fuerza centrífuga lo mantiene en el diámetro externo, lo muele y lo hace más pequeño hasta que la fuerza de los gases de escape superan los de la fuerza centrífuga y lo transportan al centro de la rueda, y para después echarlo por el caño de escape.

Diapositiva 76— Cuando un objeto extraño entra en la rueda del compresor el diámetro interno de las aletas se dobla y queda dormido. La fuerza centrífuga ayuda al flujo de admisión de aire a mover la basura a través de la rueda y entrarla en la tubería de admisión que va al motor. Esta rueda muestra un daño reciente, tal como lo indica la apariencia brillante de las fracturas de las aletas.

Diapositiva 77— Esta rueda de compresor se dañó con materias extrañas de tamaño pequeño. Aquí también el daño está restringido a los bordes de ataque de las aletas. Sabemos que este daño ocurrió antes de que el funcionamiento se hubiera detenido, porque las fracturas tienen un color opaco y se han empezado a separar partículas de los bordes de ataque.

Diapositiva 78— Si bien, la mayoría de las fallas de los turboalimentadores se deben a problemas de condiciones de funcionamiento, algunas ocurren por causa del turboalimentador mismo. Estas últimas pueden agruparse en dos áreas generales: (1) diseño o materiales y (2) fabricación.

Diapositiva 79— Errores de diseño o materiales pueden causar fracturas en la rueda del compresor, cuando ésta gira a latas velocidades. Estas fallas se denominan “estallido de la rueda”, porque el daño que se produce, cuando la rueda se separa a alta velocidad, es masivo. Las fundiciones de la rueda pueden tener imperfecciones que debilitan ciertas áreas y producen fracturas. C también es posible que los diseñadores de la rueda de la turbina subestimaron las cargas cíclicas normales que la turbina debe soportar.

Diapositiva 80— A la pregunta “¿Qué produjo la falla de esta rueda de compresor?”, La mayoría de la gente responde que fueron principalmente las materias extrañas. La otra respuesta común que se da es “La tuerca de retención se salió”.

La respuesta correcta es “todavía no tengo la información suficiente para contestar esta pregunta, pero tan pronto inspeccione la rueda y me comunique con el operador, le daré mi opinión.

Se debe hacer una inspección minuciosa, especialmente de las caras de la fractura

Diapositiva 81— A un brazo de distancia es difícil ver los detalles de la cara de la fractura. Por eso, debemos observarlos de cerca y detenidamente, y llevar la rueda a un área con buena iluminación.

Diapositiva 82— La cara de la fractura indica claramente un área semicircular, más lisa y brillante en el lado inferior derecho del agujero del eje central. Se trata de una grieta por fatiga. Noten que las áreas próximas están ásperas, obscuras y leñosas; todas éstas, características de una fractura dúctil final. Aunque las fracturas en piezas de fundición son menos evidentes que en piezas forjadas, pueden observarse aún las características generales.

¿Qué tipo de carga produce una fractura por fatiga? (Cíclica). ¿Qué produjo la carga cíclica que causó la rotura de esta rueda? (rpm variables). ¿Había un concentrador de esfuerzos en el punto de indicación de la grieta? (Ninguno visible). Y a que la rueda se rompe cuando la carga es máxima y que las cargas máximas se producen cuando las rpm son elevadas, al producirse la fractura final, la rueda del compresor parece explotar en su caja. Por eso esta fractura se denomina “estallido de la rueda”. Una de las características funcionales de las cajas del compresor y la turbina es aguantar las altas fuerzas del estallido y de las secciones despedidas de la rueda.

¿S e trata de un problema de diseño o de mano de obra, y Caterpillar debiera pagar por garantía o por política? No necesariamente – primero, debemos hacer una doble verificación: “¿Es posible que la falla haya sido causada por otro miembro del equipo? Ya que las r.p.m. del turbo crearon la fuerza centrífuga y la carga cíclica, necesitamos asegurarnos que no hubo ninguna restricción en la admisión ni en el escape, y que el ajuste de la cremallera, el funcionamiento en condiciones de sobrecarga, la sincronización retardada, etc., no hubieran sido la causa del incremento

de r.p.m. por encima de las especificaciones técnicas. Caterpillar es responsable solamente cuando estas respuestas son negativas.

Ocasionalmente, un proveedor modificará el diseño o los materiales de una rueda de compresor, y esto producirá el estallido de la rueda. El determinar y comunicar a tiempo dichos problemas permitirá a la fábrica corregir más rápidamente los errores.

Diapositiva 83— Con suerte, podemos descubrir una grieta por fatiga mediante una inspección ocular, durante la reconstrucción o reparación de las piezas. Un mecánico cuidados descubrió esta grieta antes que se produjera un daño serio. Note que la grieta ha ido aumentando desde el centro hacia fuera.

Diapositiva 84— La grieta también fue incrementándose desde el orificio del eje central hacia arriba, aproximadamente un tercio, tal como vemos aquí.

Diapositiva 85— La grieta aumentó hacia la superficie exterior y creció rápidamente en ambas direcciones. Si uno pone nuevamente en servicio esta rueda, dentro de muy poco tiempo estallará.

Diapositiva 86— A veces es posible que pierda solamente una aleta de una rueda de compresor o de turbina, y con daño pequeño a lagunas otras. Cuando la pregunta es: ¿Cuál es su opinión sobre la causa de la rotura de esta rueda de compresor?” La primera respuesta es nuevamente “daño por materia extraña”. ¿Se trata de la respuesta correcta? (No, porque los bordes de ataque de las aletas en el diámetro interno están dañados, como si hubiera habido un objeto extraño que los golpeara.)

Nuevamente, la respuesta correcta es: “Todavía no tengo la información suficiente para contestar esa pregunta, pero tan pronto inspeccione la rueda y me comunique con el operador, le daré mi opinión”.

Diapositiva 87—

Una inspección minuciosa con buena iluminación indica que la cara de la fractura de la aleta perdida es más lisa y plana cerca de la tuerca del compresor, y se vuelve más áspera y leñosa hacia el diámetro exterior. El hecho de que sólo una aleta se haya perdido y que las otras tengan pocos daños, debe ser prueba suficiente que es una fractura por fatiga, causada por una aleta que funcionó como objeto extraño y produjo daño secundario menor, ya que salió rápidamente de la rueda del compresor con el flujo de admisión de aire.

Diapositiva 88— Con mayor frecuencia, cuando ocurren fracturas por fatiga producidas en las aletas, se les dice a los clientes que dejaron entrar materia extraña al turbo porque hemos visto anteriormente daños en las aletas causado por la entrada de esas materias. Debemos evitar estas ideas preconcebidas y recordar que la evidencia obtenida nos debe conducir .

Diapositiva 89— Esta rueda de turbina se separó del eje central a altas r..m. y tiene daño por impactos de importancia secundaria. ¿Falló la soldadura por inercia o el eje se rompió por otra razón? Por ejemplo, una aleta del lado izquierdo está rota. ¿Tuvo una fractura por fatiga, se separó, agarrotó la rueda o dobló el eje central y finalmente produjo la ruptura de él mismo? Es necesario recordar, que cuando una rueda de turbina tiene una aleta floja, la fuerza centrífuga la arrojará hacia el diámetro externo contra el flujo de gases de escape, donde no puede escapar, hasta que se reduzca lo suficiente el tamaño como para salir a través de la fuerza de escape. Por lo tanto, la fractura por fatiga de la aleta de la rueda de la turbina producirá un daño secundario mucho pero que una fractura similar en la rueda de la aleta del compresor.

Diapositiva 90— Si verificamos el área de soldadura por inercia con un imán, tendremos la posibilidad de empezar con buenas respuestas para las preguntas. El imán se pega a

la cara de la fractura, indicando que la soldadura no falló, sino que el eje se rompió. Una inspección de la cara de la fractura de la aleta desprendida debe ser el próximo paso.

Diapositiva 91— Una inspección detenida y con buena iluminación revela una grieta pequeña por fatiga cerca del centro de la fractura. Esta grieta está rodeada de fractura final, áspera y dúctil.

Diapositiva 92—

Una inspección aún más detenida del punto de indicación en la parte inferior de la fractura, indica que un aparente efecto de fundición debió haber indicado la grieta por fatiga.

Nuestra opinión sobre la causa de la falla debe ser: “La rueda de la turbina tuvo una falla de fundición que produjo la fractura por fatiga de una aleta. La aleta, a su vez, produjo daño secundario serio, que separó la rueda y destruyó totalmente al turbo”.

Diapositiva 93— Los errores de fabricación pueden soldaduras por inercia débiles, ejes doblados, calibres de cojinetes ásperos, orificios para el aceite mal perforados y errores de balanceo.

Diapositiva 94— Hemos mencionado varias veces fallas en la soldadura por inercia y debemos tomarnos unos cuantos minutos para analizar estas fallas.

La soldadura va entre el sello anular del lado caliente y la rueda del mismo lado. Tanto la rueda como el eje tienen un orificio en el centro, y después de que se sueldan se produce una cavidad ahuecada. Esta área hueca ayuda a aislar el lado caliente de la rueda del centro del eje y reducir la conducción del calor del escape que se dirige a los cojinetes. Después que se rompe la soldadura, vemos a veces lo que parecen ser roscas gruesas dentro del agujero del eje. Este material es un residuo de la soldadura por inercia denominado “reborde”.

Un error de soldadura fue lo que hizo que este eje dejara de girar; después de unas pocas horas de operación la rueda se separó del eje.

Diapositiva 95— Esta soldadura por inercia también fue débil y después de unas miles de horas hizo que se separara la rueda del centro del eje. Note qué agudas y limpias son las caras y que no hay colores al temple. Si acercamos un imán a la fractura de al lado de la rueda caliente, descubriremos que hay una leve atracción. Si mantenemos el imán cerca del lado del eje, veremos que la atracción es fuerte. Estos indicios señalan que falló la soldadura.

Y dado que la rueda indica un contacto con las cajas y con el protector térmico, sabemos que la rueda de la turbina siguió girando después de haberse roto la soldadura. Algunos se preguntarán: “¿Cuánto tiempo giró el lado caliente de la rueda después que se separó del eje?

Diapositiva 96— La respuesta es la siguiente. “Los gases de escape tienen la suficiente fuerza para hacer girar la rueda rota hasta que se reduzca para pasar a través de la caja de la turbina y entrar en el caño del escape” .

Diapositiva 97— Si no se tiene cuidado al ensamblar los turboalimentadores, el eje central puede doblarse levemente del lado del compresor, donde cambian los diámetros del eje. Una manipulación descuidada o una carga descentrada al ajustar la tuerca de retención de la rueda del compresor, puede producir un doblez en el eje.

Aun cuando el eje no cause el roce entre las ruedas y cajas, cuando las hacemos girar manualmente, las ruedas estarán fuera de equilibrio y a las r.p.m. de funcionamiento lo doblarán aún más. Las ruedas hacen contacto con las cajas, los cojinetes no tienen la lubricación adecuada debido a la desalineación, y el juego del eje se torna excesivo.

La forma más segura de ajustar la tuerca del compresor es usar una llave de par en 2T” (snap – on QJR 271B, por ejemplo).

Diapositiva 98— Si durante el balanceo se le quita demasiado metal a la nariz de la rueda del compresor, es muy posible que lo que quede no sea suficiente para tolerar la presión de compresión de la tuerca de retención; especialmente si la cara de la tuerca tiene la forma de copa (o punta hueca) y hace contacto en su diámetro exterior de la tuerca.

Esto puede producir una carga descentrada del eje central, doblarlo, y empezar un contacto de la rueda con la caja. Note que aquí las aletas están desgastadas en el diámetro exterior de un costado de la rueda y en el diámetro interior del otro lado, lo cual indica que e eje estaba doblado mientras rotaba.

La tuerca de retención de la rueda se ha perdido, pero si el eje se rompe y la rueda golpea contra la caja y deja de girar abruptamente, la energía producida por la inercia de la tuerca puede hacer que salga despedida. Note que la tuerca de retención asentó más profundamente en el diámetro externo de la cara en el compresor, lo cual indica que la cara de la tuerca con era plana sino que tenía forma de copa (hueca). Esto aumenta aún más la carga cerca del borde, añadiendo más tensiones a las zonas donde se removió material para el balanceo.

Diapositiva 99— Si un cojinete de apoyo se desgasta sólo en el diámetro interno o externo, eso es, por lo general, el resultado de que el otro lado se pegó y que la totalidad de las r.p.m. se transfirió al lado desgastado. Esta adherencia puede ser por paradas en caliente o por calibres demasiado ásperos, demasiado pequeños, o fuera de redondez. Como podemos ver en esta diapositiva, cuando el cojinete no gira libremente en el centro de la caja, el desgaste se acelera.

Diapositiva 100— Conductos mal perforados es una de las causas de fallas por falta de lubricación. Aquí vemos que el conducto para el abastecimiento de aceite está descentrado y restringe el flujo de aceite que va a los cojinetes. Puede que nada falle

durante meses después de la instalación, porque siempre hay un abastecimiento parcial del lubricante. Aquellos que no sigan los indicios de los conductos descentrados, reutilizarán la pieza y sufrirán exactamente la misma falla un tiempo después.

Diapositiva 101— Podemos encontrar también fallas por falta de lubricación, producidas por omisión de un conducto perforado. Este cojinete “Switzer” de tope no tiene un orificio que conecte la ranura superior del aceite con el área de tope central. Al no haber un buen abastecimiento de aceite para limpiar, lubricar y enfriar la superficie de tope, el cojinete se dañó rápidamente y el juego axial del eje central se tornó excesivo. Esto produjo consecuentemente el contacto de la rueda con la caja y la falla definitiva del turboalimentador.

Diapositiva 102— Para concluir esta sección, todos debemos reconocer que causas específicas producen resultados específicos. Cuando nos dedicamos a hacer una inspección minuciosa de las piezas que fallaron y hablamos con los operadores o propietarios del equipo, descubrimos evidencia que nos sirve para seguir los pasos lógicos y determinar la causa principal de cada falla.

Diapositiva 103— Vimos que es difícil obtener evidencia de un turboalimentador defectuoso, sin hacer una inspección de las piezas internas. Por fuera, todos los turbos fallados tienen la misma apariencia.

Diapositiva 104— De vez en cuando, encontramos que la cara de una fractura ha sido tan dañada y que se ha destruido algo de la evidencia importante.

Diapositiva 105— O podemos encontrar fugas por un sello y gotea aceite caliente en los protectores térmicos y sistemas de escape, como se quejan los clientes.

Diapositiva 106— Una inspección minuciosa y con buena iluminación de estas piezas puede revelar un desgaste y temperaturas aparentemente normales. En estos caso, tenemos que comunicarnos con los representantes de fábrica y después con los clientes para determinar la causa principal tomar las medidas correctivas adecuadas y asignar los gastos a quien corresponde.

Diapositiva 107— Las piezas de nuestros competidores pueden también fallar. Por lo tanto, cuando descubran que un turboalimentador es la causa principal de la falla, necesitamos estos seguros que es una pieza Caterpillar genuina, antes de aceptar cualquier responsabilidad (mentalmente, verbalmente o financieramente).

Diapositiva 108— Los mecánicos deben reconocer cuando se ha hecho un análisis incompleto y continuar recopilando datos hasta que se identifique la causa principal. Y, especialmente, los gerentes deben reconocer que afirmaciones como “ la rueda se rompió donde se une con el eje” describen resultados y que los problemas se repetirán en el futuro, si la falla no se arregla inmediatamente.

Diapositiva 109— Cuando hacemos un trabajo completo y de calidad, nuestros clientes comenzarán a tener confianza en nosotros, comprarán nuestros productos, piezas y servicios.

Diapositiva 110— El tipo de apoyo al producto que buscamos, sólo se logra cuando trabajamos juntos, distribuidor, cliente y fábrica para seguir los indicios hacia la causa primaria de las fallas.