Ремонт турбокомпрессоров | Турбины для тюнинга

Ремонт турбин Продажа турбин Каталог турбин Статьи Контакты  

Турбокомпрессоры для массовых дизельных двигателей

Для точного определения неисправностей, связанных с турбокомпрессором, необходимо знание принципа его работы. Нижеприведенная информация относится к турбокомпрессорам массовых дизельных двигателей, поскольку они достаточно просты.

2.1. Принцип работы турбокомпрессора для дизельного двигателя

Турбокомпрессор - это компрессор, или воздушный насос, который приводится от турбины. Турбина вращается за счет использования энергии потока отработавших газов. Частота вращения турбокомпрессора дизельного двигателя находится в пределах от 1000 до 130000 об/мин (это значит, что лопатки турбины разгоняются почти до линейной скорости звука).

Турбина непосредственно соединяется с компрессором жесткой осью. Компрессор засасывает через воздушный фильтр свежий воздух, сжимает его и затем под давлением подает во впускной коллектор двигателя. Чем больше воздуха подается в цилиндр, тем больше топлива может сгореть, а это повышает мощность двигателя.

Теоретически существует равновесие мощностей между турбиной и компрессором турбокомпрессора. Чем большую энергию имеют отработавшие газы, тем быстрее будет вращаться турбина. Как следствие, компрессор тоже будет вращаться быстрее.

2.1.1. Турбина

Турбина состоит из корпуса (рас. 13) и ротора (рис. 14). Отработавшие газы из выпускного коллектора двигателя попадают в приемный патрубок турбокомпрессора. Проходя по постепенно сужающемуся внутреннему каналу корпуса турбины они ускоряются, а пройдя этот имеющий форму улитки корпус, направляются к ротору турбины и приводят ее во вращение.

Скорость вращения турбины определяется размером и формой канала в ее корпусе. Это напоминает поливочный шланг: чем больше вы перекрываете пальцем выходное отверстие, тем дальше бьет струя воды. Размеры турбины и ее корпуса зависят от конкретного двигателя.

Корпусы турбин значительно различаются в зависимости от сферы применения. Корпус турбины двигателя грузовика может быть разделен на два параллельных канала, поэтому на ротор воздействует два потока отработавших газов.

При таком типе корпуса становится возможным использование импульсного движения потока газов и достижение резонансных явлений. Отсюда и обязательность разделения выпускных каналов для каждого цилиндра.

В корпусе турбины, имеющей двойной канал, каждый поток распределяется по всей поверхности ротора турбины. Другая конструкция корпуса с двумя каналами позволяет использовать импульсы давления (поток распределяется симметрично с каждой стороны ротора).

В случае системы с постоянным давлением используется только энергия поступательного движения отработавших газов. При этом могут применяться только корпусы турбины с одним каналом. Этот вариант используется в корпусах с водяным охлаждением, которые применяются на судовых двигателях.

В турбокомпрессоры с большим объемом часто устанавливают дополнительное кольцо с направляющими лопатками. Оно облегчает создание постоянного потока отработавших газов на роторе турбины и делает возможным регулирование оттока внутри ее корпуса.

Корпус турбины отливается из сплава с высокой термостойкостью. Ротор турбины также изготавливается из высококачественных материалов, имеющих высокую температурную стойкость. Ту часть, через которую входят отработавшие газы, называют впуском, а идущую к выхлопной трубе - выпуском (рис. 23).

На оси (рис. 23) жестко крепится ротор турбины. Материал оси отличается от материала, используемого для ротора турбины. Сборка этого соединения осуществляется следующим способом. Ось и ротор, вращающиеся в противоположных направлениях на очень большой скорости, прижимают друг к другу. Выделяющееся при трении тепло сплавляет их друг с другом, образуя неразъемное соединение.

Ось в месте соединения пустотелая. Эта пустота затрудняет передачу тепла от ротора турбины к ее оси.

На оси со стороны турбины имеется углубление, в котором располагается уплотнительное кольцо. Рабочая поверхность радиальных подшипников упрочняется и полируется.

Выступающий бортик, на который будет запрессовано кольцо, обрабатывается с высокой точностью.

На более тонкий конец оси устанавливается ротор компрессора, там имеется резьба, на которую навинчивается предохранительная гайка для закрепления ротора. После того, как ось изготовлена, она должна быть отбалансирована с максимальной возможной точностью, прежде чем она будет установлена в корпус.

2.1.2. Компрессор

Компрессор состоит из корпуса (рис. 25) и ротора (рис. 24).

Размеры компрессора определяются количеством воздуха, требуемого для двигателя, и скоростью вращения турбины.

Ротор компрессора жестко закреплен на оси турбины и следовательно вращается с той же скоростью, что и ротор турбины.

Лопатки ротора компрессора, изготавливаемые из алюминия, имеют такую форму, что воздух засасывается через центр ротора. Всасываемый таким образом воздух направляется к периферии ротора и при помощи лопаток отбрасывается на стенку корпуса компрессора. Благодаря этому воздух сжимается и через впускной коллектор попадает в двигатель. Корпус компрессора также изготовлен из алюминия.

2.1.3. Корпус оси

Смазка турбокомпрессора производится от системы смазки двигателя (рис. 26).

Корпус оси (рис. 27) образует центральную часть турбокомпрессора, расположенную между турбиной и компрессором. Ось вращается в подшипниках скольжения. Моторное масло по каналам проходит между корпусом и подшипниками, а также между подшипниками и осью. В большинстве турбокомпрессоров радиальные подшипники вращаются со скоростью, равной половине скорости оси.

В настоящее время появились 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.

Для уплотнения с двух сторон турбокомпрессора устанавливаются маслоотражательные прокладки (рис. 28 и 29). С двух сторон устанавливаются также уплотнительные кольца.

Но, не смотря на то, что эти кольца помогают избежать утечек масла, они в действительности не являются уплотнительными прокладками. Их нужно рассматривать как элемент, затрудняющий утечку воздуха и газов между турбиной, компрессором и корпусом оси. 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.

На рисунке 30 показан путь, по которому проходит масло внутри корпуса оси турбокомпрессора Garrett T04B.

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.

Когда обороты двигателя низкие или он работает без нагрузки, давление в корпусе оси 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 33. 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.

Естественно, при работе компрессора могут иметь место утечки масла из корпуса оси в компрессор. Скорость вращения оси турбокомпрессора может быть настолько высокой, что избежать утечек масла, используя обычные манжеты (устанавливаемые, к примеру, в коробке передач), невозможно.

Поэтому в корпус оси устанавливают несколько уплотнительных колец, используя разные методы для наиболее качественного уплотнения мест возможной утечки масла.

Вот некоторые из них:

  1. Механический сливной маслопривод турбокомпрессора Garrett.

    В этом турбокомпрессоре главную роль при уплотнении играет уплотнительное кольцо (рис. 31). 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.

  2. 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 35, 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

На нормально работающем двигателе, который своевременно и качественно обслуживается, компрессор может безотказно работать в течении долгих лет.

Появление неисправностей может быть следствием:

  1. недостаточного количества масла,
  2. попадания в турбокомпрессор посторонних предметов,
  3. загрязненного масла.

Часто турбокомпрессоры снимают с двигателя без предварительной проверки необходимости этого. Ремонт турбокомпрессора может производить, лишь убедившись в отсутствии неисправностей двигателя. В большинстве случаев это позволяет избежать бесполезной замены турбокомпрессора.

Чаще всего встречаются следующие проявления неисправностей, связанных с турбокомпрессором:

  1. Двигатель не развивает полную мощность.
  2. Черный дым из выхлопной трубы.
  3. Синий дым из выхлопной трубы.
  4. Повышенный расход масла.
  5. Шумная работа турбокомпрессора.

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

Оба признака являются следствием недостаточного поступления воздуха в двигатель, причиной чего может быть засорение канала подвода воздуха либо его утечка из выпускного коллектора.

Для начала нужно запустить двигатель, после чего прослушать шум, производимый турбокомпрессором.

Имея некоторый опыт, можно довольно быстро определить утечку воздуха между выходом турбокомпрессора и двигателем по свисту, который возникает при этом. После этого проверьте, не засорен ли воздушный фильтр.

Проверьте (в случае необходимости) количество поступающего воздуха, пользуясь техническими данными производителя турбокомпрессора. Затем заглушите двигатель, снимите уплотнение между воздушным фильтром и турбокомпрессором и проверьте отсутствие засорения и повреждений этого канала. Если, не смотря на то, что все это в порядке, неисправность осталась, проверьте уплотнения турбокомпрессора, коллектор и крепление глушителя, чтобы убедиться, что там нет засорения или посторонних предметов. Проверьте отсутствие трещин, затяжку гаек выпускного коллектора, отсутствие повреждений соединений и прокладок системы выпуска.

Теперь повращайте ось турбокомпрессора, чтобы установить, свободно ли она вращается, нет ли повышенного износа или повреждения ротора турбины или компрессора.

Обычно ось всегда имеет небольшой люфт, но если при вращении турбокомпрессора рукой ротор турбины и компрессора задевает или трется о корпус - налицо явный износ.

Если после проверки всех элементов неисправности не обнаружены, значит, падение мощности возникло не из-за турбокомпрессора. Необходимо искать неисправность в самом двигателе.

2.2.2. Синий дым из выхлопной трубы.

Появление синего дыма является следствием сгорания масла, причиной которого может быть либо его утечка в турбокомпрессоре, либо неисправности в двигателе.

Прежде всего проверьте воздушный фильтр: любое препятствие на пути воздуха к турбокомпрессору может стать причиной утечки масла со стороны компрессора. В этом случае за ротором компрессора образуется разряжение, что вызывает засасывание масла из корпуса оси в компрессор.

Следующим этапом проверки будет снятие корпусов турбины и компрессора для проверки свободного вращения оси и отсутствия поврежденных роторов.

Затем проверьте сливной маслопровод от турбокомпрессора к корпусу двигателя на отсутствие повреждений, сужений и пробок. Засорение этого маслопровода 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. Проверьте, не повышено ли давление газов в картере. Используйте масло, рекомендуемое производителем для данного двигателя.

Не следует упускать из виду тот факт, 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.

В последнюю очередь снимите выпускной коллектор двигателя и проверьте отсутствие следов масла. Если и эта проверка окажется успешной, ищите неисправность в двигателе.

2.2.3. Повышенный расход масла (без синего дыма).

Проверьте воздушный фильтр, а затем 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, следует искать неисправность за пределами турбокомпрессора.

Иногда постоянная утечка масла происходит через турбину турбокомпрессора при том, что она находится в исправном состоянии. Практика показывает, что "виноват" в этом засоренный сливной маслопровод или повышенное давление в масляном картере двигателя. Как уже разъяснялось выше, по этому маслопроводу течет не только масло, но и большое количество газов. Идеальной формой для этого маслопровода была бы поэтому 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 (рис. 48).

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 (см. рис. 48).

2.2.4. Шумная работа турбокомпрессора.

Проверьте все трубопроводы, находящиеся под давлением: вход и выход турбокомпрессора, систему выпуска. Проверьте легкость вращения оси турбины и отсутствие трения роторов турбины и компрессора и их повреждения посторонними предметами. Если установлено, что роторы трутся или повреждены, снимите и замените турбокомпрессор.

  1. Полностью снимите маслопровод и трубку сапуна. Тщательно проверьте, не засорились и не повреждены ли они.
  2. 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.
  3. Очень часто остатки герметика вызывают засорение масляных каналов внутри турбокомпрессора.
  4. Не забудьте смазать турбокомпрессор перед его установкой.
  5. Промойте двигатель, замените масло, установите новые масляный и воздушный фильтры.

Следует обращать внимание на правильность вождения, особенности двигателя с турбокомпрессором (запуск и остановка двигателя). Если заглушить двигатель, работающий на высоких оборотах, турбокомпрессор продолжает вращаться без смазки, потому что давление моторного масла почти равно нулю. При этом повреждаются подшипники и кольца турбокомпрессора.

Кроме того, очень важно дать двигателю поработать на холостых оборотах минимум 30 секунд, прежде чем давать ему полную нагрузку (по тем же причинам, что и при остановке).

Нужно регулярно заменять масло и фильтр, используя масло, подходящее для данного турбокомпрессорного двигателя.

Из данных таблицы (рис. 52) следует, что основными причинами неисправностей являются утечки воздуха и отработавших газов. С помощью таблицы можно найти участки, 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 (см. рис. 53).

Кроме того, перегреваются все подшипники и корпус оси. Последний деформируется, а материал подшипников наваривается на ось турбокомпрессора (см. рис. 54).

На рисунке 55 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 (см. рис. 56).

На рис. 57 показан износ рабочей поверхности уплотнительного кольца, а на рис. 58 - расплавленный подшипник на его внутренней стороне.

На рисунке 59 показан результат трения ротора турбины о стенку ее корпуса из-за повреждения подшипников.

Из-за поломки подшипников лопатки ротора компрессора ударяются о внутреннюю его часть и повреждаются (см. рис. 60).

На рис. 61 показаны деформированные концентрические отверстия внутри подшипника. Рабочая поверхность подшипника изношена. 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. Подшипники, показанные на рис. 62, имеют частично забитые отверстия для подвода масла и полностью изношенную поверхность.

Бронзовые подшипники в случае перегрева теряют оловянный слой и изменяют цвет. На рис. 63 этот слой поврежден, а местами полностью отсутствует. Для сравнения справа показан новый подшипник.

2.3.2. Попадание посторонних предметов

Попадающие из двигателя обломки деталей, например, части клапанов или поршневых колец, вызывают серьезные повреждения ротора турбины (см. рис. 64).

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 (рис. 65), а если мягкий (кусок ткани или резины) - гнутся (рис. 66).

Абразивные материалы, такие как песок или грязь, быстро сошлифовывают лопатки ротора компрессора (см. рис. 67). На рис. 68 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. На рис. 69 показаны сильно поврежденные канавки подшипников.

На рис. 70 видно, до какой степени разбалансированный ротор может повредить подшипники. 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. Поверхность оси на рис. 71 поцарапана загрязнениями, содержащимися в моторном масле.

Кроме того, при этом быстро изнашивается рабочая поверхность подшипника (рис. 72). В данном случае рабочая поверхность в некоторых местах повреждена настолько, что даже каналы для подвода масла начинают закрываться.

На рис. 73 показана поврежденная сторона уплотнительного кольца.

В крайних случаях внутренняя и наружная поверхности подшипника стачиваются настолько, что полностью удаляется слой олова (рис. 74).

Густое масло задерживается на внутренних перегородках корпуса оси и снижается герметичность, вызывая большие утечки масла (см. рис. 75). 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 (см. рис. 76). Для сравнения слева показан новый подшипник.

Что касается алюминиевых вкладышей (рис. 77), 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 (рис. 78).

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

<< Введение | Содержание | Турбокомпрессоры автомобилей >>

Ссылки  |  Карта сайта  | 
Детальное описание ремонт стиральных машин на дому Калининград на сайте.