Конструкция основных элементов паровых турбин

Устройство и принцип работы турбины

Турбина (турбокомпрессор) стала определяющим агрегатом в деле увеличения мощности моторов.
Что такое турбина и для чего она нужна?

Турбина — устройство в автомобиле, которое направлено на увеличение давления во впускном коллекторе автомобиля для того, чтобы обеспечить большее поступление воздуха, а значит и кислорода, в камеру сгорания. Главное назначение турбины – с ее помощью можно значительно увеличить мощность автомобиля. При увеличении давления во впускном коллекторе на 1 атмосферу в камеру сгорания попадет в два раза больше кислорода, а значит от небольшого турбового двигателя можно ожидать мощности как от атмосферника с объемом в два раза больше — грубая теоретическая арифметика не лишенная смысла…

Принцип работы турбокомпрессора

Принцип работы турбины несложен: горячие выхлопные газы через выпускной коллектор поступают в горячую часть турбины, проходят через крыльчатку горячей части приводя ее и вал на который она крепится в движение. На этом же вале закреплена крыльчатка самого компрессора в холодной части турбины, эта крыльчатка при вращении создает давление во впускном тракте и впускном коллекторе, что обеспечивает большее поступление воздуха в камеру сгорания.

Устройство турбины

Турбина состоит из двух улиток — улитки компрессора, через которую всасывается воздух и нагнетается во впускной коллектор, и улитки горячей части, через которую проходят выхлопные газы вращая колесо турбины и выходят в выхлопной тракт. Из крыльчатки компрессора и крыльчатки горячей части. Из шарикоподшипникового картриджа. Из корпуса, который соединяет обе улитки, держит подшипники, так же в корпусе находится охлаждающий контур.

В процессе работы турбина подвергается очень большим термодинамическим нагрузкам. В горячую часть турбины попадают выхлопные газы очень большой температуры 800-9000 °С, поэтому корпус турбины изготавливают из чугуна особого состава и особого способа отливки.

Частота вращения вала турбины достигает 200 000 об/мин и более, поэтому изготовление деталей требует большой точности, подгонки и балансировки. Помимо этого в турбине высокие требования к используемым смазочным материалам. В некоторых турбинах система смазки служит так е системой охлаждения подшипниковой части турбины.

Система охлаждения турбин

Система охлаждения турбин двигателя служит для улучшения теплоотдачи частей и механизмов турбокомпрессора. Существует два самых распространенных способа охлаждения деталей турбокомпрессора — охлаждение маслом, которое используется для смазки подшипников и комплексное охлаждение маслом и антифризом из общей системы охлаждения автомобилем.

Оба способа имеют ряд преимуществ и недостатков. Охлаждение маслом. Преимущества:

• Более простая конструкция
• Меньшая стоимость изготовления самой турбины

Недостатки:

• Меньшая эффективность охлаждения по сравнению с комплексной системой
• Более требовательна к качеству масла и к его более частой смене
• Более требовательна к контролю за температурным режимом масла

Изначально, большинство серийных двигателей с турбонаддувом оснащались тубинами с масляным охлаждением. При прохождении через шарикоподшипниковую часть масло сильно нагревалось. Тогда, когда температура выходила за пределы нормального рабочего температурного диапазона, масло начинало закипать, коксоваться забивая каналы и ограничивая доступ смазки и охлаждения к подшипникам. Это приводило к быстрому износу, заклиниванию и дорогостоящему ремонту. Причин у неполадки могло быть несколько — некачественной масло или не рекомендованное для данного типа двигателей, превышение рекомендованы сроков замены масла, неисправности в системе смазки двигателя и пр.

Комплексное охлаждение маслом и антифризом Преимущества:

• Большая эффективность охлаждения

Недостатки:

• Более сложная конструкция самого турбокомпрессора, как следствие большая стоимость

При охлаждении турбины маслом и антифризом повышается эффективность и такие проблемы, как закипание и коксование масла, практически не встречаются. Но данная систем охлаждения имеет более сложную конструкцию т.к. имеет раздельные масляный контур и контур охлаждающей жидкости. Масло как и прежде служит для смазки подшипников и для охлаждения, а антифриз, который используется из общей системы охлаждения двигателя, не дает перегреться и закипеть маслу. Как следствие увеличивается стоимость самой конструкции.

При работе турбины воздух под действием компрессора сжимается и, как следствие, очень сильно греется, что приводит к нежелательным последствиям т.к. чем выше температура воздуха, тем меньшее количество кислорода в нем содержится — тем меньше эффективность наддува. С этим явлением призван бороться интеркулер — промежуточный охладитель воздуха.

Нагрев воздуха не единственная проблема, с которой пытаются справиться конструкторы при проектировании турбодвигателя. Насущной проблемой является инерционность турбины (лаг турбины, турбояма) — задержка в реакции мотора на открытие дроссельной заслонки. Турбина выходит на пик своих возможностей при определенных оборотах двигателя, отсюда и появилось мнение, что турбина включается при определенных оборотах. Турбина в большинстве случаев, работает всегда, а значение оборотов при которых ее эффективность максимальная у каждого двигателя и у каждой турбины разные. В погоне за решением этой проблемы появились системы их двух турбин (твин-турбо, twin-turbo, би-турбо, biturbo), твин-скрол (twin-scroll) турбины, турбины с изменяемой геометрией сопла и изменяемым углом наклона крыльчатки (VGT), изменяются материалы частей чтобы повысить прочность и увеличить вес (керамические лопатки крыльчатки) и пр.

Twin-turbo (твин-турбо) — система при которой используются две одинаковые турбины. Задача данной системы повысить объем или давление поступающего воздуха. Используется когда необходима максимальная мощность на высоких оборотах, например в драг-рейсинге. Такая система реализована на легендарном японском автомобиле Nissan Skyline Gt-R с двигателем rb26-dett.

Такая же система, но с маленькими одинаковыми турбинами позволяет добиться прироста мощности при небольших оборотах и держать наддув постоянным до красной зоны.

Biturbo (би-турбо) — систем а с двумя разными турбинами, которые соединены последовательно. Система устроена таким образом, что при низких оборотах работает маленькая турбина, обеспечивая хороший отклик на малых оборотах, при определенных условиях «включается» большая турбина и обеспечивает наддув при высоких оборотах. Это позволяет автомобилю уменьшить лаг двигателя и получить хороший прирост производительности во всем диапазоне работы двигателя.

Такая систем турбонаддува используется в автомобилях BMW biturbo.

Турбина с изменяемой геометрией (VGT) — система при которой лопатки крыльчатки в горячей части могут изменять угол наклона к потоку выхлопных газов.

При малых оборотах двигателя пропускное сечение прохода выхлопных газов становится более узкое и «выхлоп» проходит с большей скоростью и большей отдачей энергии. Когда обороты двигателя увеличиваются проходное сечение становится шире и и уменьшается сопротивление движению выхлопных газов, но при этом достаточно энергии для создания необходимого давления компрессором. Чаще систему VGT используют на дизельных двигателях т.к. там меньше тепловые нагрузки, меньшая скорость вращения ротора турбины.

Twin-scroll ( двойная улитка) — система состоит из двойного контура движения выхлопных газов энергия которых вращает один ротор с крыльчаткой и компрессором. При этом существует два типа реализации когда выхлопные газы идут по обоим контурам сразу, при этом система работает как twin-turbo в одном корпусе — выхлопные газы делятся на два потока каждый из которых идут в свой контур горячей части раскручивая ротор турбины. Второй тип реализации работает на подобии системы biturbo — горячая часть имеет два контура с разной геометрией, при низких оборотах выхлопные газы направляются по меньшему контуру, который увеличивает скорость и энергию прохождения за счет небольшого диаметра, при повышении оборотов двигателя выхлопные газы двигаются по контуру диаметр которого больше — тем самым сохраняется рабочее давление в системе впуска и не создается запора на пути выхлопных газов. Это все регулируется клапанами, которые переключают поток из одного контура в другой.

Вскрытие № 7

Объект – турбокомпрессор производства MHI (Mitsubishi) для турбодизелей PSA 2,2 HDI и Ford 1,6 TDCi, бывший в эксплуатации, не подвергавшийся восстановительному ремонту.

Фото 1. Все, что «плохо лежит» во всасывающей части впускного тракта, прилетает сюда, на вход в компрессор

Фото 2. А «дулка»-то где?

Внешним осмотром установлено:

– следов применения герметика при монтаже турбокомпрессора не обнаружено;

– корпус турбины и корпус подшипников имеют следы перегрева;

– настройка камеры управления байпасным клапаном соответствует техническим условиям завода-изготовителя.

Демонтаж корпусов выявил:

– в корпусах турбины и компрессора обнаружено моторное масло;

– лопатки колеса компрессора, гайка вала ротора и резьбовой хвостовик вала повреждены посторонним предметом (предметами) (фото 3);

Фото 3. Неизвестный посторонний предмет наверняка был твердым и массивным

– вал ротора разрушен, колесо турбины перекрывает канал выхода отработавших газов;

– крыльчатки и ответные поверхности корпусов турбины и компрессора повреждены из-за соприкосновения в осевом и радиальном направлениях.

Разборка корпуса подшипников показала:

– шейки вала ротора имеют следы полусухого трения, перегрева и наволакивания материала опорных подшипников скольжения, наиболее сильные со стороны колеса компрессора (фото 4);

Фото 4. От «попадоса» пострадали и вал, и буквально все детали узла подшипников

– рабочие поверхности подшипников скольжения (опорных и упорного) имеют следы полусухого трения и износа;

– уплотнительные кольца и места их установки повреждены.

Выводы

Турбокомпрессор не работоспособен.

Наиболее вероятной причиной выхода данного турбокомпрессора из строя является попадание постороннего предмета (предметов) в корпус компрессора, вызвавшее повреждение лопаток его колеса, увеличение остаточного дисбаланса и люфтов ротора, касание колес корпусных деталей, разрушение вала ротора и уплотнительных колец, течь масла через турбокомпрессор.

Этот печальный случай наглядно демонстрирует, какие последствия может иметь попадание постороннего предмета в компрессор. Их можно характеризовать как фатальные повреждения всех деталей турбокомпрессора, «несовместимые с жизнью». По характеру отметин на крыльчатке можно предположить, что в нее прилетел довольно массивный, твердый и, безусловно, посторонний предмет. Не удивительно, что последствия оказались такими катастрофическими. А что было бы турбокомпрессору, окажись этот предмет небольшим или мягким?

Здесь нужно понять, что турбокомпрессор выходит из строя не столько от повреждения самой крыльчатки, сколько от его последствий. В некоторых случаях механический дефект колеса компрессора или турбины может показаться незначительным. Подумаешь: лопатка чуть погнулась или от нее отвалился маленький кусочек! Что страшного? Действительно, на первый взгляд, ничего. Однако не сомневайтесь: часовой механизм грядущей аварии уже запущен. Любое, самое незначительное, повреждение крыльчаток увеличивает дисбаланс ротора. Возросшее виброускорение оборачивается ростом радиальных нагрузок на опорные подшипники. На некоторых режимах работы турбины нагрузки превысят несущую способность масляного клина. Это приведет к пробою масляной пленки и работе контактирующих деталей в режиме полусухого трения. Неизбежные следствия: нагрев – дальнейшее увеличение сил трения – прихват. Одним словом, дисбаланс ротора рано или поздно (в зависимости от величины) прикончит турбину.

Еще один важный для понимания момент. Купить недешевый турбокомпрессор, потратить силы, время и деньги на его установку, а в итоге «остаться у разбитого корыта» из-за чьего-то разгильдяйства – очень досадно. В попытке минимизировать потери некоторые безвинно пострадавшие клиенты просят: «Можете заменить одно колесо? Турбина, ведь, новая, только поставил!». Им приходится объяснять, что при ремонте таких повреждений нельзя обойтись заменой колеса. Как правило, попадание в колесо компрессора (даже менее тяжкое, чем в рассматриваемом случае) вызывает деформацию вала, повреждает подшипники и уплотнения. В любом случае ремонт должен включать полную разборку турбоагрегата, дефектовку и замену всех поврежденных деталей. Если здесь сэкономить, неизбежен заход на второй круг: растрата сил, времени и денег на установку, а в итоге – …

Что за предмет уничтожил вскрытый нами турбонагнетатель – тайна. При экспертизе турбокомпрессора обнаружить посторонние предметы, повредившие его холодную часть, как правило, не удается. Стремительно вращающаяся крыльчатка компрессора непроницаема для крупных, массивных предметов – они многократно отбиваются входными кромками лопаток. Если бы им удалось каким-то образом преодолеть этот рубеж, на пути у них оказался бы узкий канал диффузора, к которому с мизерным зазором примыкают выходные кромки лопаток (фото 5). Поэтому виновники повреждения компрессорного колеса часто остаются непойманными – они застревают в воздуховоде, выпадают при снятии турбокомпрессора или его транспортировке к месту обследования. Но они оставляют хорошо заметные и однозначно интерпретируемые следы на лопатках и на внут­ренней поверхности корпуса компрессора, перед колесом.

Фото 5. Компрессор – непроходимая преграда для крупных частиц

Некоторые пострадавшие в результате «попадоса» предъявляют такую претензию: мол, крупный металлический осколок проник сквозь компрессор в двигатель и повредил (набил) цилиндр. Знание конструкции компрессора позволяет утверждать, что это полная ерунда, лишенная оснований – компрессор непроницаем для крупных частиц. Тем более что на пути в двигатель кусок металла в большинстве случаев ожидает следующая после компрессора преграда – интеркулер с очень узкими ячейками. В цилиндр могут попасть лишь мелкие, перетертые в пыль частицы металла, которые не в состоянии нанести ему серьезный вред.

Попасть в капиталку двигатель может по другому, казалось бы, менее значительному поводу. Это может случиться из-за разгерметизации впускного тракта. Порвался (или сложился) воздушный фильтр, треснул патрубок, ослаб хомут – в компрессор поступает нефильтрованный воздух. Движущиеся с потоком воздуха частицы пыли и песка, сталкиваясь с лопатками, вызывают их абразивный износ. Идет пескоструйная обработка крыльчатки компрессора, наиболее интенсивно на периферии, где выше окружная скорость. В результате входная плоскость колеса заваливается по краям, остроконечные входные кромки лопаток скруг­ляются (фото 6).

Фото 6. Если крыльчатка компрессора приобрела такую форму, «светит» капремонт двигателя

Абразивный износ компрессорного колеса снижает эффективность турбокомпрессора, увеличивает турбояму, а в запущенных случаях может вызвать значительное падение давления наддува и переход двигателя в аварийный режим работы. Блок управления двигателем фиксирует ошибку, указывающую, что давление наддува не достигает заданной величины. Но это еще полбеды. Другая ее половина заключается в том, что песок и продукты пескоструйной обработки крыльчатки проникают сквозь компрессор и летят в двигатель, вызывая абразивный износ ЦПГ. Если компрессорное колесо приобрело такой «изящный» вид, то двигателю, скорее всего, грозит капитальный ремонт. Известны такие двигатели, у которых, в силу конструкции впускного патрубка, изнашивается только один из цилиндров. В общем, попадание в компрессор песка – это тоже «попадос», да еще какой!

Раз гайка, два гайка…

В ряде случаев посторонним предметом, изуродовавшим компрессорное колесо, оказывается фрагмент предыдущего, вышедшего из строя турбокомпрессора. Чаще всего это гайка вала ротора, которой крепится крыльчатка компрессора. Если у сломавшейся турбины гайка открутилась (из-за чего это происходит, мы объясняли ранее), при замене турбины нужно обязательно ее отыскать и удалить из воздуховода. Иначе потом, когда она изуродует новую турбину, придется проявить незаурядную фантазию, чтобы объяснить, как она там оказалась.

Например, одни «умельцы», запоровшие новенький турбоагрегат, придумали такую версию: гайка-де скрывалась где-то внутри турбины (на заводе положили лишнюю), а потом выскочила оттуда и обратно заскочила в колесо компрессора. Другие, обнаружив вторую гайку только тогда, когда она уже содеяла свое черное дело, сделали продавцу такую «предъяву»: турбина сломалась из-за того, что открутилась «контргайка». Для наглядности они даже пристроили «контргайку» на то место, которое она, по их мнению, должна занимать (фото 7).

Фото 7. В представлении незадачливого автомеханика компрессорное колесо крепится так

Справедливости ради надо сказать, что гайки иногда проявляют удивительное коварство, и обнаружить их во всасывающем патрубке ох как непросто. Яркий тому пример – массовый турбодвигатель семейства VAG 1,8Т. В системе турбонаддува этого двигателя, как и у других бензиновых моторов, предусмотрен байпасный клапан компрессора. Он расположен так, что открутившаяся по какой-то причине гайка вала ротора нередко падала в байпасный канал и далее – в клапан. Мало того, она попадала под подпружиненную диафрагму клапана и оставалась в «засаде» до поры. Пора наступала вскоре после замены турбины, при активной прогазовке двигателя. Клапан открывался, гайка освобождалась из плена, запрыгивала во всасывающий патрубок, а из него – в колесо компрессора. После этого оставалось только одно – снова менять турбину. Правда, сейчас и двигателей таких поубавилось, и многим уже известна эта «фишка» (слава Всемирной сети!). А ведь лет десять тому назад это был один из самых популярных «попадосов».

Фото 8. Коварная гайка на моторах VAG 1,8Т имеет обыкновение прятаться внутри антипомпажного клапана

«Попадос» гайки вала ротора в крыльчатку компрессора не всегда является первопричиной аварии турбонагнетателя. Часто это лишь отягчающее следствие аварийного повреждения, спровоцированного другими факторами. Вот вам характерный пример.

Горячие попадосы

В турбинную часть турбокомпрессора гайки, слава Богу, не попадают! Как было сказано, крупные предметы физически не могут пройти сквозь компрессор. В турбину летят фрагменты всего, что находится в цилиндре и выпускном коллекторе ДВС: обломки свечей накаливания, тарелок, седел и направляющих втулок клапанов, форсунок, поршней, поршневых колец, а также окалина, нагар и …как оказывается, – пятирублевые монеты!

Если посмотреть на конструкцию горячей части турбокомпрессора, станет очевидно: все, что поступает на турбинное колесо, вначале проходит через спиральный газовый канал (улитку). Поэтому крупные предметы обычно отбрасываются входными кромками лопаток турбинного колеса (не без вреда для лопаток) и застревают в сужающемся канале, где их и находят. Мелкие, конечно, проскакивают сквозь колесо и «улетают в трубу». У современных дизельных турбоагрегатов с регулируемым сопловым аппаратом турбины (РСА) посторонние частицы по пути к крыльчатке должны пройти между направляющими лопатками (фото 15). Если какой-то частице это удалось, она попадает в узкий зазор между лопатками и вращающимся колесом и …бздынь! Результат столкновения зависит от того, что прочнее: инородный предмет, направляющие лопатки или крыльчатка. Как правило, достается всем троим.

Фото 15. В турбинах с РСА на пути инородных предметов встречаются направляющие лопатки

Если подавляющая часть «попадосов» в компрессор ожидаемо согласуется по времени с сервисными работами, попадание посторонних предметов в турбинное колесо – полная неожиданность, подчиняющаяся разве что воле высшего разума. Действительно, как можно предугадать, когда с днища поршня оторвется кусок нагара или когда разрушится наконечник свечи накаливания? Все, что можно предпринять для предотвращения этой ситуации, – следить за состоянием двигателя и своевременно выполнять предписания его производителей. И конечно, не допускать злостного «турбовредительства». Например, в целях экономии некоторые сервисмены при замене турбины используют старые прокладки. Чтобы исключить прорыв газов, щедро намазывают места стыка турбины и коллектора, коллектора и двигателя высокотемпературным герметиком. Герметик выдавливается вовнутрь, твердеет, отваливается и улетает в турбину.

Также бывает полезно знать конструктивные особенности некоторых двигателей. К примеру, у многих современных моторов выпускной коллектор имеет сложную конструкцию. Часто он устроен по принципу термоса – с двойными стенками. В то время как снаружи он выглядит целым, внутренняя обечайка может разрушиться, и тогда фрагменты коллектора начинают непредсказуемо сыпаться в турбину. Возможный результат отражен в следующем акте технической экспертизы.