ГлавнаяОбратная связьПрайс(4967) 76 27 00

статьи

Турбокомпрессоры для массовых дизельных двигателей.

Использование турбокомпрессоров в массовом производстве двигателей.

Степень точности дефектовки неисправного турбокомпрессора определяется знанием его принципа работы. В данной главе рассмотрены турбокомпрессора , используемые на дизельных двигателях массового производства.

2.1. Принцип работы турбокомпрессора для дизельного двигателя

Компрессор или воздушный насос, приводимый в движение при помощи турбины, таково определение турбокомпрессора. Привод турбины осуществляется за счет энергии отработанных газов в выпускном тракте двигателя. Диапазон частот вращения турбокомпрессора дизельного двигателя лежит в пределах 1000-130000 об/мин.( при таких частотах вращения лопатки турбины разгоняются почти до линейной скорости звука) .

Колесо компрессора и колесо турбины жестко закреплены на одном валу.

Воздух через воздушный фильтр попадает в камеру компрессора, где сжимается , а затем подается во впускной коллектор двигателя. Увеличенный объём воздуха позволяет сжечь большее количество топлива, что приводит к увеличению мощности двигателя.

При идеальных условиях существует баланс мощностей компрессора и турбины.  Турбина вращается быстрее настолько, насколько большую энергию имеют отработанные газы. Соответственно скорость вращения компрессора тоже возрастет.

2.1.1. Турбина

Турбина турбокомпрессора состоит из корпуса и ротора турбины. Через тракт выпускного коллектора, отработанные газы проходят в приемный патрубок турбокомпрессора. Благодаря определенной геометрии корпуса турбины, имеющего форму улитки, происходит ускорение газового потока, проходящего через постепенно сужающийся внутренний канал турбины.  В свою очередь ускоренный поток приводит во вращение ротор турбины.

Размеры и геометрия внутреннего канала турбины определяет её скорость вращения. Можно провести аналогию с поливочным шлангом. Для того чтоб увеличить длину струи мы уменьшаем проходное отверстие.

Габариты турбины зависят от типа двигателя, на котором она используется. Также тип корпуса турбины может различаться в зависимости от типа двигателя на который она устанавливается. Так корпус турбины, устанавливаемой на грузовые автомобили , может быть разделен на два параллельных канала при этом на ротор действуют два потока отработанных газов. Это делает возможным использование импульсного движения  отработанных газов и получения резонансных явлений. Как следствие необходимость разделения выпускных каналов для каждого цилиндра. Потоки газов в турбине с двойным каналом распределяются по всей поверхности ротора.

Иная конструкция турбины с двумя каналами дает возможность использовать импульсы давления (симметричное распределение потока с каждой стороны ротора).

Схемы с постоянным давлением на входе используют только поступательную энергию отработанных газов. Конструктивно они отличаются использованием корпуса турбины с одним каналом. Вышеуказанные системы используются в корпусах с водяным охлаждением, применяемых на судовых дизелях.

Существуют системы, использующие дополнительное кольцо с направляющими лопатками в корпусе турбины. Такая схема существенно облегчает создание постоянного потока отработанных газов на роторе турбины и дает возможность регулировать отток внутри ее корпуса.

Материал корпуса турбины, как правило , обладает высокой термостойкостью. К материалу для изготовления ротора так же предъявляются высокие требования по качеству и термостойкости. Часть корпуса турбины, через которую поступают отработанные газы – называют впуском,  место соединения с выхлопной трубой – выпуском.

Ротор турбины жестко закреплен на валу. Материалы, из которых они изготавливаются, имеют различия. Поэтому для соединения применяют особый способ сварки трением. Ротор и вал турбины, вращая на большой скорости, прижимают друг к другу. Выделяющееся в этом процессе тепло образует неразъемное сварное соединения колеса и вала турбины. 

Для того чтоб тепло от колеса турбины меньше передавалось на вал, его делают пустотелым в месте соединения с колесом.

Вал возле колеса турбины имеет проточку, в которую установлено уплотнительное кольцо. Рабочие поверхности радиальных подшипников упрочнены и отполированы.

Также высокоточной обработке подвергается бортик, на который запрессовывается кольцо.

Колесо компрессора устанавливается на более тонкий конец вала, где оно фиксируется  предохранительной гайкой.

Перед сборкой турбокомпрессора вал подвергается тщательной балансировке.

 

2.1.2        Компрессор.

Компрессор состоит из корпуса и ротора. Габариты компрессора определяются количеством воздуха, требуемого для двигателя и скоростью вращения турбины. Скорость вращения компрессора равна скорости вращения турбины, так как они жестко закреплены на одной оси. Для изготовления колеса компрессора как правило применяют легкие сплавы. Геометрия лопаток колеса компрессора такова, что всасывание воздуха происходит через середину ротора. Далее поток воздуха направляется к периферии ротора и при помощи лопаток отбрасывается на стенку корпуса компрессора, благодаря геометрии которого, воздух сжимается и поступает во впускной коллектор двигателя. Для изготовления корпуса компрессора так же применяют легкие сплавы.

 

2.1.3  Корпус ротора.

Система смазки турбокомпрессора связана с системой смазки двигателя.

 Корпус вала образует центральную часть турбокомпрессора, расположенную между турбиной и компрессором. Вал вращается в подшипниках скольжения. Моторное масло по каналам проходит между корпусом и подшипниками, а также между подшипниками и валом. В большинстве турбокомпрессоров радиальные подшипники вращаются со скоростью, равной половине скорости вала

В настоящее время существуют конструкции, в которых подшипник неподвижен, а ось вращается в масляной ванне. Масло не только служит для смазки оси, но и охлаждает ее, подшипники и корпус.

Функции уплотнения с двух сторон осуществляют маслоотражательные прокладки. Так же с двух сторон установлены уплотнительные кольца. Функция этих колец -  удержание  утечки воздуха и газов между турбиной , компрессором и корпусом вала. В обычном режиме работы турбокомпрессора давление в турбине и компрессоре больше давления в корпусе оси. Часть газов из турбины и часть воздуха, сжатого в компрессоре, попадают в корпус оси и вместе с моторным маслом по сливному маслопроводу проходят в масленый картер двигателя.

Все масляные уплотнения динамического типа, т.е. работают на принципе разности давлений:

  1. Разница в диаметрах оси из-за действия центробежных сил образует разность давлений, что затрудняет просачивание масла к турбине.
  2. Со стороны турбины уплотнительные кольца расположены в выточках (как в корпусе оси так и на самой оси). Этот же принцип установки колец применен и со стороны компрессора.
  3. Уплотнительное кольцо вращается с той же скоростью, что и ось. Благодаря имеющимся в нем трем отверстиям создается противодавление маслу.
  4. Внутренняя форма корпуса оси на уровне кольца герметичности весьма своеобразна с целью предотвращения просачивания масла к компрессору.
  5. Давление в компрессоре и турбине вытесняет масло в корпус оси.

При низких оборотах или работе без нагрузки ,  давление в корпусе вала больше чем в компрессоре.

В компрессоре воздух отжимается от центра на периферию и сжимается. Этот эффект мы можем наблюдать при быстром размешивании кофе в чашке: кофе будет отброшен на стенки чашки, как показано на рисунке . Воздух в компрессоре завихрятся и отбрасывается на стенки компрессора, после чего этот сжатый воздух поступает в двигатель. Поэтому становится ясно, почему в случае слабого наддува в двигателе с турбокомпрессором (т.е. когда давление турбокомпрессора близко к нулю) за ротором компрессора образуется небольшое разряжение.

Для наиболее качественного уплотнения мест возможной утечки масла в корпус вала устанавливают несколько уплотнительных колец, применяя несколько видов уплотнения. Это обусловлено высокими скоростями вращения вала, делающими невозможным уплотнение обычными манжетами.

Ниже приводятся примеры некоторых видов уплотнения:

Вот некоторые из них:

  • Механический сливной маслопривод турбокомпрессора Garrett.

В этом турбокомпрессоре главную роль при уплотнении играет уплотнительное кольцо. Когда двигатель работает на малых оборотах либо без нагрузки, за ротором компрессора образуется область пониженного давления (разрежения). Масло и газы, которые находятся в корпусе оси, устремляются между задней пластиной и уплотнительным кольцом к компрессору.

Когда эта смесь проходит через отверстия кольца, масло, более тяжелое, чем газы, отбрасывается к наружной стороне кольца, но остается в корпусе оси, в то время как газы продолжают свое движение в компрессоре.

Таким образом, уплотнительное кольцо, которое вращается на большой скорости вместе с осью турбокомпрессора, действует как центробежный сепаратор масла.

  • Пластина для отвода масла

Большинство производителей турбокомпрессоров в той или иной форме используют эту схему. Это неподвижная пластина, расположенная поперечно со стороны компрессора.

Как показано на рисунке , масло, идущее от уплотнительных колец, стекает по внутренней стороне пластины вниз, то есть к отверстию для слива масла. Верхняя часть этой пластины имеет такую форму, что она постоянно находится выше нормального уровня масла в корпусе оси. В случае возможного образования разрежения в компрессоре газы засасываются легче, чем более тяжелое масло.

Со стороны турбины проблема отвода масла не так важна, если принять во внимание, что в нормальных условиях давление в турбине всегда выше, чем в корпусе оси. При некоторых условиях эксплуатации может иметь место падение давления в турбине, в таком случае требуется установка пластины для отвода масла со стороны турбины.

Любая конструкция корпуса оси подразумевает также необходимость максимального снижения теплообмена между турбиной с уплотнительными кольцами и компрессором. С этой целью со стороны турбины устанавливается термоизоляционная прокладка, а в корпусе оси имеется множество элементов для теплообмена. Например, в турбокомпрессорах Garrett для дизельных двигателей с марта 1989 года используется корпус оси, имеющий ребра охлаждения.

2.2. Поиск неисправностей в турбокомпрессорах дизельных двигателей

Срок службы турбокомпрессора на прямую зависит от режимов эксплуатации двигателя и соблюдения графика технического обслуживания.

К основным причинам возникновения неисправностей относятся:

        Низкий уровень масла

        Попадание инородных тел в корпус турбокомпрессора

        Загрязненное масло.

Порой снятие для ремонта турбокомпрессора,  производят без проверки исправности самого двигателя. Для исключения проведения ненужных операций по демонтажу турбокомпрессора, сначала необходимо удостовериться в исправности двигателя.

Ниже приводятся основные показатели неисправности турбокомпрессора:

        Двигатель не в состоянии развить полную мощность.

        Выход черного дыма из выхлопной трубы.

        Выход синего дыма из выхлопной трубы.

        Увеличение  расхода масла.

        Появление шумов при работе турбокомпрессора.

2.2.1. Низкая мощность двигателя, черный дым из выхлопной трубы.

И первый и второй случаи являются следствием недостаточного поступления воздуха в двигатель, к чему приводит засорение канала подвода воздуха или его утечка из выпускного коллектора.

В начале необходимо прослушать звук, производимый турбокомпрессором. Обладая определенными навыками , можно определить по характерному звуку утечку между турбокомпрессором и двигателем. Далее следует проверить воздушный фильтр на степень его засоренности.

 После этого (в случае необходимости ) нужно проверить кол-во. поступающего в турбокомпрессор воздуха, пользуясь техническими данными производителя. Далее на неработающем двигателе, снять уплотнение между воздушным фильтром и турбокомпрессором и проверить отсутствие засорения или повреждений этого канала.

Следующим шагом в цепи следует проверка уплотнения турбокомпрессора, коллектор и крепление глушителя, необходимо убедиться, что там нет засорения или посторонних предметов. Далее проверяется отсутствие трещин, затяжка гаек выпускного коллектора, отсутствие повреждений соединений и прокладок системы выпуска.

Для проверки на отсутствия повышенного износа или повреждений ротора турбины или компрессора, необходимо повращать ось турбокомпрессора.

При нормальных условиях вал турбокомпрессора имеет небольшой люфт, не допускающий при этом контакта колес с корпусом. В противном случае -  налицо повышенный износ.

В случае если проверка всех элементов турбокомпрессора не привела к обнаружению неисправности, причину следует искать в самом двигателе.

2.2.2. Синий дым из выхлопной трубы.

Наличие синего дыма в выхлопе является следствием сгорания масла, которое происходит по причине утечки его в турбокомпрессоре или неисправности в двигателе.

На первом этапе проверяется воздушный фильтр на предмет  посторонних предметов во впускном канале, любое препятствие на пути воздушного потока может стать причиной утечки масла со стороны турбокомпрессора. Это происходит из-за образующегося разряжения за ротором компрессора, что приводит к всасыванию масла из корпуса вала компрессора. На следующем этапе производится демонтаж корпусов компрессора и турбины для проверки свободного вращения вала и отсутствия повреждений колес компрессора и турбины.

Далее проверяется сливной маслопровод от турбокомпрессора к корпусу двигателя на предмет  наличия  повреждений, сужений и пробок. Его засорение  или повышенное давление в картере двигателя (в большинстве случаев вызываемое засорением системы вентиляции картера) приводит к тому, что масло из турбокомпрессора не возвращается в масляный картер двигателя. Так же необходимо проверить, не повышено ли давление газов в картере. Рекомендуется использовать масло, установленное производителем для данного двигателя.

Необходимо помнить, что в масляный картер сливается не только масло - в нем присутствует также часть отработавших газов и сжатого воздуха из турбины и компрессора. В этой смеси на одну часть масла приходится 4-5 частей газов.

На заключительном этапе необходимо проверить выпускной коллектор на предмет отсутствия следов масла. В случае положительного результата , неисправность необходимо искать в двигателе.

2.2.3. Повышенный расход масла (без синего дыма).

Проверяется воздушный фильтр, далее крепления корпуса турбины турбокомпрессора и давление в нем. Оцените люфт оси турбокомпрессора, проверьте отсутствие следов износа от трения ротора компрессора и турбины о стенки соответствующих корпусов. Это обнаруживается по люфту оси турбокомпрессора.

Если ничего необычного не выявлено,  неисправность ищут за пределами турбокомпрессора.

В некоторых случаях утечка масла происходит через турбину турбокомпрессора при условии, что она является исправной. Опытным путем установлено, что происходит это по причине засорения сливного маслопровода или повышения давления газов в масляном картере двигателя.  Так как поток масла смешан с потоком газов , идеальной формой для маслопровода была бы прямая труба, отходящая от турбокомпрессора и без изгибов идущая в масляный картер двигателя, вывод которой в картере располагался бы чуть выше нормального уровня масла в нем.

Важным является также диаметр маслопровода. В случае турбокомпрессоров небольшого размера, таких как Garrett T3, T04B или 3LD Holset-KKK-Shwitzer, диаметр маслопровода составляет 20 мм. Как говорилось выше, в идеале труба маслопровода должна напрямую, без всяческих изгибов и горизонтальных частей, соединять турбокомпрессор с картером двигателя. Однако большинство сливных маслопроводов очень редко бывают подобной формы. При значительном износе двигателя возникают трудности со сливом масла.

Фирмой Garrett, имеющей тридцатилетний опыт производства турбокомпрессоров, предложен специальный декомпрессор, снижающий давление, и сепаратор масла, который можно изготовить и установить самостоятельно.

2.2.4. Шумная работа турбокомпрессора.

 После проведения проверки всех трубопроводов находящихся под давлением, входов и выходов турбокомпрессора, легкости вращения ротора компрессора и турбины и возможной их поврежденности, необходимо снять и  заменить турбокомпрессор, если есть повреждения роторов или присутствует трение.

  • Полностью снимите маслопровод и трубку сапуна. Тщательно проверьте, не засорились и не повреждены ли они.
  • Ни в коем случае не используйте герметик для крепления подающего и сливного маслопроводов турбокомпрессора. Большинство герметиков при контакте с горячим маслом растворяются в нем. Такое загрязненное масло может повредить подшипники и кольца турбокомпрессора.
  • Очень часто остатки герметика вызывают засорение масляных каналов внутри турбокомпрессора.
  • Не забудьте смазать турбокомпрессор перед его установкой.
  • Промойте двигатель, замените масло, установите новые масляный и воздушный фильтры.

Особое внимание следует уделять правилам эксплуатации двигателей с турбокомпрессорами. Т. к. система смазки турбокомпрессора связана с системой смазки двигателя, при остановке двигателя масло перестает циркулировать по каналам турбокомпрессора тоже. По этой причине при запуске и остановке двигателя, ему необходимо дать поработать не менее 30 секунд в спокойном режиме. Так же необходимо своевременно менять масло и фильтр, используя рекомендованное производителем масло.

Исходя из таблицы определения неисправностей - основные причины выхода из строя турбокомпрессора это утечка воздуха и отработанных газов. При помощи данной таблицы можно определить места, откуда может происходить утечка. Утечки всегда производят шум, и из-за потери газов или воздуха всегда снижается производительность турбокомпрессора, что, следовательно, уменьшает мощность двигателя. Недостаток воздуха может быть причиной черного дыма, выходящего из выхлопной трубы. Иногда, не найдя неисправности, шум можно устранить заменой турбокомпрессора.

Поиск неисправности на дизельном двигателе с турбокомпрессором

1. Если двигатель не развивает полную мощность, и при его работе выделяется черный дым, необходимо проверить следующие элементы:
- воздушный фильтр;
- крепления воздухоотводов;
- выпускной коллектор, его уплотнения систему выпуска;
- турбокомпрессор (следы трения роторов турбины и компрессора).

2. Если при работе двигателя выделяется синий дым и расходуется много масла, нужно проверить следующие элементы:
- воздушный фильтр;
- подшипники и уплотнительные кольца турбокомпрессора (отсутствие повреждений);
- турбокомпрессор (отсутствие засорения загрязненным маслом);
- трубу сливного маслопровода и сапун двигателя.

3. Если турбокомпрессор шумит при работе, следует проверить следующие элементы:
- крепления воздуховодов;
- систему выпуска;
- подшипники (отсутствие повреждений из-за нехватки масла или загрязненного масла).

2.3. Неисправности турбокомпрессоров

Существуют три главных причины повреждения турбокомпрессоров:
- недостаток масла;
- попадание посторонних предметов;
- загрязненное масло.

2.3.1. Недостаток масла

Первыми выходят из строя из-за недостатка масла подшипники. После выхода из строя одного или нескольких подшипников могут последовать другие повреждения, такие как трение роторов турбины и компрессора, износ уплотнительных колец. В худшем случае может даже треснуть ось турбины.

В нормальных условиях ось и подшипники работают при температурах 60-90°С.

В случае нехватки масла резко увеличивается теплоотдача на ротор турбины. Это тепло в совокупности с теплом, выделяющимся при трении в подшипниках, поднимает температуру оси до приблизительно 400°С, приводя к коксованию остатка масла и вызывая перегрев оси.

Кроме того, перегреваются все подшипники и корпус оси. Последний деформируется, а материал подшипников наваривается на ось турбокомпрессора.

На рисунке  представлены перегретые бронзовые подшипники. Обратите внимание на то, что с внутренней поверхности подшипника снята часть материала, а смазочные отверстия на правом подшипнике почти забиты.

В случае биения оси возникают значительные повреждения на внешних частях впускного канала, а уплотнительные кольца утрачивают свои свойства.

Из-за поломки подшипников лопатки ротора компрессора ударяются о внутреннюю его часть и повреждаются.

Обычно эта часть повреждается незначительно, и к такому виду ее приводит лишь полное отсутствие масла.

При высокой температуре, возникающей вследствие трения при биении оси, алюминиевые подшипники плавятся. 

Бронзовые подшипники в случае перегрева теряют оловянный слой и изменяют цвет. 

2.3.2. Попадание посторонних предметов

Попадающие из двигателя обломки деталей, например, части клапанов или поршневых колец, вызывают серьезные повреждения ротора турбины.

Повреждения ротора компрессора могут быть вызваны множеством причин. Например, если во впускной канал компрессора попадает твердый предмет, края лопаток ротора компрессора попадает твердый предмет, края лопаток ротора компрессора сбиваются, а если мягкий (кусок ткани или резины) - гнутся.

Абразивные материалы, такие как песок или грязь, быстро сошлифовывают лопатки ротора компрессора. На рис.  показаны полностью сточенные лопатки. Это может быть вызвано утечкой между воздушным фильтром и турбокомпрессором.

Следствием этого явления будет также разбалансировка оси и роторов турбины и компрессора. После этого дальнейшие повреждения неизбежны. 

При скоростях вращения, достигающих 130000 об/мин, даже легкий дисбаланс может увеличиться до огромных размеров.

2.3.3. Загрязненное масло

Турбокомпрессор смазывается фильтруемым маслом. При загрязнении масла происходят повреждения деталей. 

Кроме того, при этом быстро изнашивается рабочая поверхность подшипника. В данном случае рабочая поверхность в некоторых местах повреждена настолько, что даже каналы для подвода масла начинают закрываться.

В крайних случаях внутренняя и наружная поверхности подшипника стачиваются настолько, что полностью удаляется слой олова.

Густое масло задерживается на внутренних перегородках корпуса оси и снижается герметичность, вызывая большие утечки масла. Густое масло может также закоксовываться под воздействием тепла и затем стать причиной последующих повреждений подшипников и уплотнений.

Загрязнения могут даже глубоко процарапать внешнюю поверхность подшипника 

Что касается алюминиевых вкладышей, загрязнения могут задерживаться на их поверхности и вследствие этого вызывать значительные отложения на оси подшипника и в его корпусе.

Отложение закоксованного масла на роторе турбины может быть вызвано дефектом системы герметичности турбокомпрессора, загрязненным маслом в корпусе оси или оттоком масла в систему выпуска из-за сильного износа самого двигателя. Это может быть также вызвано повышенным давлением в масляном картере двигателя, засорением сливного маслопровода турбокомпрессора или загрязнением воздушного фильтра.

В заключение следует отметить, что всех вышеописанных неисправностей можно избежать при правильном и регулярном обслуживании двигателя.