Идеята за използване на свръхпълненето за увеличаване на мощността и подобряване на икономичността съществува от създаването на двигателя.За тази цел Готлиб Даймлер и Рудолф Дизел са изучавали ефекта от сгъстяване на въздуха още през 1885 и респективно 1896 година.
Концепцията за сгъстяване на въздуха,посредством използване на част от енергията на отработилите газове е развита и записана (патентована) от швейцарския инжинер Алфред Бюхли през 1905г.Той успява да постигне 40%увеличение на мощността при неизменни размери на двигателя,което довежда до официалното представяне на турбокомпресорите в автомобилната индустрия.
Компанията Swiss Machine Works Saurer произвежда първия турбокомпресор за камион през 1938г.Първият стандартно вграден турбокомпресор е представенот шведския производител на камиони Scania през 1961г.Това е било невероятна революционна стъпка за времето си,тъй като другите марка турбини не са били особено надежни.Турбокомпресорите за леки автомобили се появяват година по-късно,но поради липсата на надежност производството им скоро е преустановено.
В автомобилните спортове турбокомпресорът се прилага за първи път през 70-те.Той става много търсен агрегат,особено при болидите от Формула 1.Отчасти като резултат от този интерес терминът „турбо”навлиза в публичното пространство.Производителите на автомобили отговарят на това търсене,като оборудват най-добрите си модели с турбокомпресори.Публичното одобрение идва много бързо и все пак първите двигатели с комерсиални турбокомпресори не са особено икономични.И нещо повече,много шофьори намират „турболаг”-а (кратко закъснение при ускорение)за прекалено голям.
Кулминацията в развитието на турбокомпресорите при товарни автомобили настъпва през 1973г.,малко след първата петролна криза.От този момент турбокомпресорите са във възход,който продължава и до днес.В края на 80-те нарастващата загриженост към околната среда налага въвеждането на по-стриктни емисионни изисквания.Това оказва силно влияние товарните автомобили,като все по-често те са оборудвани с турбокомпресори.В днешно време всички камиони са с двигатели с турбо.
Истинският пробив на турбокомпресорите при леките автомобили настъпва през 1978г.,когато автомобилът Mercedes Benz 300 SD е представен на пазара.VW Golf турбодизел се появява през 1981г.Още един много важен момент,за първи път дизелов двигател с турбо е способен да развие почти толкова мощност, колкото и един бензинов двигател без турбо.Освен това,вредните емисии са силно намалени.
ТЕХНИЧЕСКА ИНФОРМАЦИЯ
Всеки двигател има определена мощност при дадени условия.В двигателите с вътрешно горене тя се получава от възпламеняването на гориво-въздушната смес при определена температура и налягане.Промяна на всеки един от тези параметри оказва влияние върху мощността на двигателя.
За да бъде получена по-голяма мощност при постоянна температура,е необходимо по-голямо количество гориво-въздушна смес.Това изисква и по-голям обем на цилиндрите,което от своя страна прави двигателя по-голям,по-тежък и по-скъп.Скоростта,с която се доставя горивото също може да бъде увеличена.Това от своя страна довежда до увеличаване на оборотите.Недостатък на този метод е ускореното износване на двигателите.
Сгъстяване на въздуха
Мощността на двигателя може да бъде увеличена чрез сгъстяване на въздуха,увеличаване на плътността му преди постъпването в цилиндрите.Съществуват няколко начина за сгъстяване на въздуха;импулсно;посредством изгорелите газове;механично;последователно сгъстяване.
Импулсно сгъстяване на въздуха
За сгъстяване на въздуха,респективно повишаване на налягането на пълнене,се използват импулсите на налягането на отработилите газове в термично работно условие.Процесите на сгъстяване и разширение протича в канали на работно колело,механично задвижвано от двигателя.Сгъстяваният въздух непосредствено контактува с отработилите газове и последните,за да не постъпят в цилиндрите на двигателя заедно с въздуха,вълните на налягането на газовете изисква прецизно синхронизиране.Пример за приложение на този метод е системата Компрекс.Използва се сравнително рядко.
Механично сгъстяване на въздуха
По този начин сгъстяването на въздуха става посредством обемен компресор,механично свързан с коляновия вал на двигателя.
Механичните компресори се делят на два основни вида:с външно или вътрешно сгъстяване.
Един от най-често използваните компресори с външно сгъстяване е Рут-компресорът,кръстен на братя Рут. Този вид компресор,доразработен от Мерцедес,действа на принципа на помпа.Ако компресорът подаде повече въздух от нужното на двигателя,във всмукателния колектор се създава повишено налягане.
Спирален компресор,наречен още G-lader,е пример за компресор с вътрешно сгъстяване.Поради високата себестойност,производството им е преустановено.
Сгъстяване на въздуха посредством изгорелите газове
Турбокомпресорът на практика не е нищо повече от компресор,задвижван от отработилите газове.Турбината се задвижва от кинетичната и топлинната им енергия.Колкото по-висока е енергията на газовете,толкова по-високи обороти и мощност развива турбината.
Последователно сгъстяване на въздуха
Последователното сгъстяване на въздуха е една от най-новите разработки в областта на турбокомпресорите.Сгъстяването започва в малък турбокомпресор,след което въздушния поток се поема от по-голям турбокомпресор.Ефектът при дизеловите автомобили се изразява в 20% повишение на мощността и по-голям въртящ момент при по-ниските обороти.
ТУРБОТО
Автомобилът би трябвало да имат два двигателя- един за бързо ускоряване и втори за поддържане на скоростта.Но два двигателя в един автомобил би било прекалено скъпо и сложно за изпълнение,а поставянето на турбокомпресор решава тази дилема.
Предназначението на турбокомпресорът е да подава сгъстен въздух към двигателя,което му дава възможност да развива по-голяма мощност,а това от своя страна води до по-добри динамични характеристики на автомобила.Технологията може и да изглежда сложна на пръв поглед,но се основава на прости принципи.В цилиндрите се извършва процесът на изгаряне на гориво-въздушната смес.Отработилите газове,които излизат от цилиндрите,задвижват турбинното колело на турбокомпресора.То,посредством вал,задвижва компресорното колело.Въртейки се,компресорното колело засмуква въздух и го сгъстява.Когато всмукателният клапан се отвори,сгъстения въздух навлиза в цилиндъра.
Колкото по-голяма е енергията на отработилите газове,толкова по-високи обороти постига турбинното колело,следователно и компресорното.По този начин по-голямо количество въздух с повишена плътност се вкарва в двигателя,или се реализира т.н газотурбинно пълнене.
Турбото и двигателя не са маханично свързани.Връзката е газова,чрез всмукателния и изпускателния колектор.Оборотите на турбокомпресора не зависят само от оборотите на двигателя,а и от натоварването му.Ако на двигателя се подава повече гориво,отработилите газове излизат с по-висока скорост и температура.Вследствие на което турбото се върти с по-високи обороти.Налягането на въздуха се повишава,увеличава се плътността му,повече въздух влиза в цилиндрите,респ.повече кислород,което позволява да изгори по-голяма количество гориво.Като резултат се получава по-голяма мощност при постоянен обем на цилиндрите.
Предимства и недостатъци
Турбокомпресорът предлага много предимства,но защо производителите на автомобили не ги монтират на всички автомобили?Предимствата и недостатъците на турбините са изброени по-долу.
Турбокомпресорите предлагат технически и икономически предимства пред двигатели без турбо.
Съотношението тегло спрямо мощност е значително по-добро при двигател с турбокомпресор.Благодарение на турбото е възможно да се постигне относително голяма мощност от относително малък двигател.
Двигател с турбо има по-ниска консумация на гориво,особено при по-дълги дистанции.
Изгарянето на гориво при двигатели с турбо е по-добро,което води до намаляване на вредните емисии.
Тези двигатели работят по-тихо,тъй като турбото също така действа и като допълнителен шумозаглушител.Двигателите с турбо имат по-добри динамични характеристики при по-голяма надморска височина.Турбото доставя повече енергия, тъй като въздухът на средата в тази ситуация създава по-малко противоналягане ,което позволява на двигателя да развива почти същата мощност,каквато и при по-ниски надморски височина.Поставянето на турбокомпресор обаче има и свойте недостатъци.Напредването на технологиите вече е предоставило решение на някои от тези въпроси и ще предоставя занапред.
Така наречения „Turbo lag”.Турбокомпресорът на практика започва да работи ефективно,когато достигне определени обороти.Турбото се задвижва от отработилите газове,а те се отделят само при високи обороти.
Висока температура.Турбото се задвижва от отработилите газове,а те бързо достигат температури от порядъка на 800 С и повече.Друга причина за загряване на свежия въздух е самият процес на сгъстяване в турбокомпресора.Топлият въздух съдържа по-малко кислород от студения при едно и също налягане.Това е причина да се поставя междинния охладител на въздуха „интеркулер”между турбото и двигателя;Той понижава температурата на въздуха,който влиза в двигателя близо да тази на околната среда.
По-високи натоварвания.По-високата мощност създава по-високи механични и топлинни натоварвания върху двигателя,което предполага,че той има по-кратък експлоатационен период.Този недостатък може да се ограничи,като двигателя се загрява преди натоварване и след спиране на автомобила се остави да поработи няколко минути на празен ход преди да изгаси.
Конструкция и елементи
Турбокомпресорът е съставен от следните части:компресорна;тяло с лагери и турбинна.
Компресорна част
Компресорната спирала и компресорното колело,произведени от алуминиеви сплави,оформят компресорна част.Видът на тази част се определя от спецификацията на двигателя.Компресорната спирала е конструктирана по такъв начин,че да улеснява сгъстяването на въздуха и да насочва сгъстения въздух към газовата камера.
В компресорната спирала се намира компресорното колело,което е неподвижно закрепено към вала. Лопатките му са конструирани по начин,който позволява засмукването на въздуха с минимални аеродинамични загуби.Засмукания въздух преминава през периферията на компресорното колело и спиралата постепенно намалява скоростта си.По този начин въздуха се сгъстява и влиза в двигателя през всмукателния колектор.Поради високите скорости,с които се върти вала на турбокомпресора,има много големи изисквания към отливането на компресорното колело.Виждали сме колела с плосък гръб заменени с така наречените „superback”компресорни колела ,чиято задна част е усилена.Сред най-новите разработки е ”boreless” компресорни колела.Това колело се справя по-добре с високите скорости на въртене от своите предшественици.
Всички тези мерки намаляват до минимум риска от умора на материала.
Все по-често започва да се вгражда в компресорната спирала така наречените рециркулационни клапани.Този клапан се отваря автоматично,когато налягането във въздухавада падне под определена гравица.В резултат,въздуха от изхода на компресора се връща обратно на входа му.Клапанът има за задача да поддържа оборотите на вала на турбото възможни най-дълго при намаляване на скоростта или спиране,като по този начин турбото е в готовност и може да заработи максимално бързо при натискане на газта.
Тяло с лагери
То е средната част на турбото и се монтира между компресорната и турбинна спирала.
В лагерното тяло се лагерува валът (едно цяло с турбиното колело),на плъзгащи радиални лагери,един или два на брой фиксиращ аксиален лагер.От двете страни на тялото,срещуположно,са монтирани турбинното и компресорното колела.Мазането на вала и лагерите се осигурява от маслената система на двигателя.Двигателното масло се изтласква между лагерното тяло и лагерите,но също така и между лагерите и вала.Маслото не действа само с мазните си качества,а и като охладител на вала,лагерите и лагерното тяло.
За да се затвори кръга на маслото, уплътнителни елементи са поставени в компресорния и турбинния край. Уплътнителните пръстени в двата края не бива да се считат изцяло за уплътняващи маслото.Това е видно и в случаите, когато се появи теч на масло,ако налягането на отработилите газове е прекалено ниско в резултат на повреда в турбинната част.
Същият проблем може да се появи и в компресорната част.При ниски стойности на налягането на въздуха при пълнене е възможно да се появи теч на масло в компресорната част.В случай,че турбото бъде оставено да работи, без да е свързан изходът му към двигателя, ще се появи теч на масло.Явлението е пример за това,че пръстените не изпълняват изцяло функция да задържат маслото.Течовете на масло от към компресорната част се предотвратяват чрез осигурителната втулка,заедно със задния капак и уплътнителен пръстен.Тя е конструирана така,че да не позволява теч на маслото,когато двигателя е изправен.Задният капак задържа маслото в лагерното тяло.
Турбинна част
Турбинната част е съставена от турбинна спирала и турбинно колело.Турбинната спирала е изработена от термоустойчив чугун.Температурите на газовете понякога могат да надхвърлят 800 С.
Турбинното колело се задвижва от отработилите газове.Те достигат от двигателя до турбината посредством изпускателния колектор.Потокът от газове увеличава скоростта си,благодарение на постепенно стесняващия се канал в турбинната спирала.Специалната спираловидна конструкция насочва газовете да минават през турбинното колело,като по този начин то се завърта.Скоростта на въртене се определя от конструкцията на турбинната спирала и зависи от обема на цилиндрите,оборотите и желаната мощност на двигателя.
Валът се завърта към турбинното колело и посредством неподвижна връзка е свързан с компресорното колело.В края си,откъм турбинното колело,валът е кух,като целта е да се получи температурен „екран”,който да затруднява подаването на топлина към вала.Откъм турбинния край на вала има канал за уплътнителния пръстен.Лагеруващата повърхност на вала е изключително твърда и гладко полирана.По-тънкият край на вала минава през компресорното колело.В този си край валът има резба и посредством гайка,компресорното колело се закрепва наподвижно.
В повечето случаи налягането на отработените газове се контролират от разтоварващ клапан „wastegate” ,който позволява на част от тях да заобиколят турбинното колело, когато налягането стане прекалено високо.Този клапан,се отваря и затваря чрез диафрагмен клапан(actuator).Последният се монтира върху компресорната спирала и е свързан с разтоварващия клапан посредством лостов механизъм.Ако турбото създаде достатъчно налягане,диафрагменият клапан ще отвори разтоварващия.По този начин се предотвратява създаването на прекалено високо налягане от турбото при увеличение на оборотите на двигателя и голями натоварвания.
ДОПЪЛНИТЕЛНИ КОМПОНЕНТИ
Турбокомпресорът се развива в няколко посоки.Това не се отнася само за него,а и за всички елементи,които се използват съвмесно.Нещо повече,пройзводителите на турбокомпресори разработват начини за използването та повече от един турбокомпресори в леките автомобили.
Междинен охладител
Турбокомпресорите работят със сгъстен въздух.В процеса на сгъстяване се отделя топлина,която загрява пресния въздушен заряд.Това намалява плътността на въздуха,респ.намалява и количеството кислород,постъпващ в цилиндрите на двигателя.Това не оптимизира процеса на горене,тъй като е необходимо колкото се може повече кислород в сгъстения въздух при определено налягане.Поради тази причина,сгъстения въздух трябва да се охлади.За тази цел един вид радиатори се поставя между турбото и двигателя.
Паралелна Двойна Турбо Система
Върху двигателя е възможно да бъде монтиран повече от един турбокомпресор.V-образните двигатели предлагат повече възможност да се монтират няколко малки.Те се развъртат по-бързо и поради това реагират по-бързо на натискането на педала на газта в сравнение с ротора на един по-голям турбокомпресор. Има и недостатъци.Два малки турбокомпресора са по-скъпи от един голям и синхронизирането на работата им изисква прецизност.Добър пример за кола с два турбокомпресора е стария Nissan 300ZX.
Последователна Двойна Турбо Система
Турбокомпресорите могат да бъдат свързани и последователни.Те се поставят един след друг,като по този начин се постига усилващ ефект.Обработилите газове минават първо през турбокомпресора с турбина за високо налягане и след това през втория с турбина за ниско налягане,след което газовете излизат през изпускателната система.
Последователната Двойна-Турбо Система е тествана от BMW през 2004г. в изтощителното рали Дакар. Двата турбокомпресора са с променлива геометрия (VTT) и последователно сгъстяват въздуха.Малкото турбо започва и в подходящ момент захранването на въздуха се поема от големия турбокомпресор.Със своя нов трилитров VTT дизелов двигател,BMW постига повишена мощност с 20%,по-голям въртящ момент при по-ниски обороти и по-широк диапазон от обороти.
РАЗВИТИЕ ПРЕЗ ГОДИНИТЕ
Благодарение на напредъка в областта на отливките,на новите методи на сгъстяване и на по-високата надежност на материалите,бъдещето на турбокомпресорите тепърва започва.
Турбокомпресорите се оказват особено подходящи за дизеловите двигатели на товарните автомобили.По-висока мощност може да се постигне от двигател с турбо и същевременно да се запазят по-малки габарити на двигателя,като по този начин се увеличава обема на полезния товар.Това е причина,от началото на новото хилядолетие на практика всички дизелови двигатели за товарни автомобили,да са с турбокомпресор. Модерните дизелови двигатели имат по-голям диапазон от обороти,което означава,че високо налягане на въздуха е необходимо и при ниските обороти на двигателя. В сравнение с дизеловите двигатели, отработилите газове на бензиновия имат по-голяма енергия при високи обороти, поради по-високата им температура. Поради това турбокомпресорите за бензиновите двигатели са конструирани по различен начин и се произвеждат от различн материал.Поставят се разтоварващи клапи,за да се увеличи диапазона на работа на турбото.При конструирането на разтоварващите клапи се взема предвид високата температура.
Често турбокомпресорите за дизеловите автомобили са почти идентични с тези за бензинови двигатели.За да се предотвратят грешки,Garrett(производите на турбокомпресори),поставя на различните торбини различни белези-има значителна разлика в конструирането на турбинните колела.
В днешно време производителите на автомобили трябва да се съобразяват с много строги изисквания за екологичност,икономичност,мощност и удобство.С все по-стриктни емисионни стандарти и при търсенето на по-малки и същевременно по-мощни двигатели се вижда,че турбокомпресорите ще играят все по-съществена роля,особено за дизеловите двигатели.Оптимизацията на механиката и приложението на електрониката в дизеловите двигатели разширява техните възможности все повече и повече. Допълнителното предимство е изпълнението на все по-стриктните емисионни изисквания.Бъдещите стандарти ще са почти непостижими за двигатели със сегашния работен обем.Турбото може да предложи решение.
Електроника в турбокомпресорите
Понастояще има строги изисквания към разхода на гориво,емисионните стандарти и нивото на шум.За да бъдат удовлетворени тези изисквания,трябва да се намери решение с помощта на електрониката.Малките компютри постоянно записват цялата информация и изчисляват оптималното налягане на турбото за всеки режим на работа.Серийното вграждане на електронни разтоварващи(диафрагмени)клапи позволяват на турбото да реагира по-бързо и е технология,която не може да остане недоразвита
Турбокомпресори с променлива геометрия
Едно от ограниченията на турбокомпресорите е проходът,през който минават отработилите газове в турбинната спирала.Когато той е малък,турбото ще работи добре при ниски обороти на двигателя.При тези обороти,налягането но отработилите газове е също ниско.Тъй като този въздушен поток преминава през тесен проход,неговото налягане се повишава.Недостатъкът на турбо с малко сечение на прохода е,че бързо достига максималния си потенциал(налягането на сгъстения въздух).В случаите когато това сечение е голямо,проблемът е обратен.Турбото работи добре при високи обороти на двигателя,но създава прекалено малко налягане при ниските обороти.За да се разреши този проблем, проходът на турбинната спирала може да бъде с променливо сечение,като по този начин се опитимизира неговата големина.Това се постига посредством така наречената променлива геометрия.
Размерът на прохода на турбинната спирала може да бъде регулирана до постигане на оптимални показатели на двигателя.За да се реши проблема с малката мощност при ниски обороти на двигателя е нужен проход с малко сечение.За да се постигне този ефект,в турбинната спирала се поставя система от малки подвижни лопатки.Ако разтоянието между лопатките се направи по-малко,налягането на отработилите газове ще се повиши.Другото предмство е,че посредством промяна ъгъла на лапатките може да се контролира и ъгъла,под който отработилите газове „атакуват”лопатките на турбинното колело.Когато лопатките са в почти затворено положение,газовете са насочени към върха на турбинните лопатки,което позволява на турбото да се развърта по-бързо и да създава по-голямо налягане,все едно турбинната спирала е с малко сечение на прохода.Когато налягането на газовете идващи от двигателя се повиши,лопатките на променливата геометрия се отварят,като по този начин се контролира ускорението на турбото.Ако лопатките са в максимално отворено положение,те все едно не съществуват и максималните обороти на турбото отново се определят от сечението на прохода на турбинната спирала.
Garrett
Първото комерсиално приложение на турбокомпресори с променлива геометрия (VNT)е през 1989г.от Garrett.Това предизвиква революция при турбокомпресори за дизелови автомобили.
Скоро след първия VNT турбокомпресор,се появява втори модел на пазара.Той се характеризира с повече лопатки и благодарение на по-голямата теглителна способност на автомобила при ниски обороти, сега е стандарт при леките автомобили с дизелови двигатели.
VNTOP
Garrett също така развива и VNTOP технологията,което означава „VNT-едно цяло”.Още наричана турбина с „плъзгаща перка”и е технически опростен вариант на VNT турбините.При този тип турбокомпресори лопатките не могат да бъдат регулирани индивидуално,а вместо това един плъзгащ се пръстен насочва потока на газовете към турбинното колело.Това е по-компактен,евтин и опростен вариант на турбокомпресорите с по-грубо регулиране.VNTOP е широко използван при дизеловите двигатели от средния и малък клас на леките автомобили.
ПОВРЕДИ ПРИ ТУРБОКОМПРЕСОРИТЕ
Без значение колко добре е разработено и поддържано едно турбо,повредите са винаги възможни.И тъй като не всички повреди са еднакви,ние можем да кажем,че всеки проблем си има решение.Тази глава разглежда всички причини и главната цел е да се открие причината за всеки проблем.
Повечето сервизи считат турбокомпресорите за сложен агрегат.Той всъщност не е някакво чудо,като се има предвид ,че с течение на времето турбокомпресорите стават изключително компакни и максималните им обороти надвишават 200 000 в минута.Турбото се превръща във все по-важна част при комплектоването на двигателите.Този агрегат всъщност не е много сложен,но все пак турбото си остава чувствителен елемент.В същото време трябва да се има предвид,че повредите в турбокомпресорите не са толкова често срещани,колкото в началото.Получените повреди обикновено спадат към групата на важните проблеми. Причината не е моментално ясна,но последицата е дефектирал турбокомпресор.
Да се замени или да не се замени?
Подмяната на дефектиралия турбокомпресор с нов или рециклиран е краткосрочно решение.Желателно е да се установи дали причината за оплакването наистина е турбото и дали то е единствената причина. Турбокомпресорът трябва да се смени едва когато всички възможни опции са разгледани и се потвърди от специалист,че турбото е наистина дефектирало.Съветите дадени по-долу,могат да помогнат при проследяването,откриването и разрешаването на причината за повредата в турбото.При положение,че двигателят работи както трябва,турбото би трябвало да работи надежно с години.Много турбокомпресори се подменят без това да е необходимо,защото не е извършено правилна диагностика.Дори когато вече е взето решение за подмяна или ремонт на турбокомпресора,е много важно да се определи на какво се дължи повредата,за да може да се избегне подобни проблеми за в бъдеще.Дефектите,които могат да се появят,а също така и на какво се дължат,са описани тук.
Липса на мазане
Липсата на мазане позволява на топлината да преминава безпрепятствено,овъглявайки останалото масло,в резултат на което валът променя цвета си .
Лагерите заклиняват и се повреждат.В резултат на това могат да възникнат и други проблеми:колелата се трият в спиралите;пропуск от маслените уплътнения и евентуално счупване на вала.
Поради безпрепятственото разпространение на топлината,средната част на турбокомпресора също се загрява.Това води до разширяване на материалите, като част от лагерите започва да се наслагва върху вала.
Движението на вала е причинило голямо износване.Контакната повърхност на осигурителната втулка също е износена.
Материалът от най-външната част на аксиалния лагер е разтопена поради високата температура,дължаща се на триенето между лагерите и осигурителната втулка.
Лопатките на компресорното колело се трият в стената на компресорната спирала.
Върховете на лопатките са деформирани и частично износени.Големите усилия, които се получават,могат дори да разрушат лагерите или вала.
Удар от външно тяло
Удар от външно тяло може да причини сериозни повреди на турбокомпресора.Променливата геометрия също е чуствителна към подобни наранявания.
Твърд обект влиза през входа на компресорната спирала.Лопатките на компресорното колело са наранени или изцяло липсват.При влизане на меки частици се причиняват по-малки повреди,но лопатките пак могат да се огънат.Пропуск между въздушния филтър и турбото може да е причината малки частици да влязат с въздуха и поради абразивното им действие компресорното колело да бъде повредено.Това може да причини разбалансиране на колелото и вала.Изключително високите обороти на вала гарантира,че по-сериозни повреди са неизбежни.
Замърсено двигателно масло
Маслото в турбото изпълнява две функции:мазане и охлаждане.
Дори и филтрираното двигателно масло може да съдържа механични частици от различен произход.Повърхността на вала,която контактува с лагерите,обикновено е много гладка,но наличие на частици в маслото е надрало вала.Те притежават абразивни свойства.Това може да се види по контактната повърхност на аксиалния лагер.На някои места тази повърхност е напълно износена,което е довело до запушване на каналите на маслото.Поради абразивните свойства на замърсеното масло и двете страни на осигурителната втулка са износени.Частици в маслото също така са и саждите.Те могат да залепнат от вътрешната страна на лагерното тяло и по този начин да нарушат работата на уплътнителите на маслото.Това може да доведе до теч на маслото.Саждите могат също и да причинят и други повреди на лагерите и гарнитурите.Ако маслото е много замърсено се получават дълбоки надирания върху вала и лагерите.Когато лагерите са изработени от алуминий,нечистотиите често залепват върху повърхността на лагерите и причиняват големи повреди по вала и лагерното тяло.
Голямо противоналягане от отработилите газове
В повечето случаи,причината за това е запушена изпускателна система.Много често се случва,проблемът да е катализатора,или при по-новите автомобили,в клапана за рециркулация на газовете.Повишеното противоналягане може да се дължи на задръстен катализатор,или при съвремените двигатели,на ЕГР клапан.Има осезаемо износване на пръстена и на канала, в който той лежи,вследствие на което се е появил теч на маслото в турбината част.Маслото е пълно със сажди.Като резултат се виждат коксови частици в лагерното тяло.
Високата температура на отработилите газове
Най-често срещаните причини за повишаване температурата на газовете при дизеловите двигатели са: дефектирал или запушен интеркулер;неправилно регулирана горивно-нагнетателна помпа (ГНП) или запушен горивен филтър.
Образуване на пукнатини
Високата температура може да доведе до образувание на пукнатини в турбинната спирала,което води до пропуск на газове.Това намалява силата,която задвижва турбинното колело,което от своя страна води до намаляване на налягането,създавано от компресора.След известен период,при всички турбинни спирали,без значение от марката или приложение,се образуват пукнатини.Най-бързо тези проблеми се появяват при двигателите със сравнително голямо натоварване и при повечето бензинови двигатели на леките автомобили.В повечето случаи,пукнатините или друг вид проблем с турбинната спирала,оказва много голямо влиание върху работата на турбокомпресора.Умора на материала.Умора на материала се получава в следствие на продължителните или екстремни натоварвания.Ако се отчупи лопатка от колелото вследствие на умора на материала,в мястото на счупване (лом) няма следи от триене или удар от външно тяло.Умора на материала може да се появи и вследствие високи скорости на въртене на колелата.Когато скоростта стане прекалено висока или се задържи за по-дългъг период от време,,компресорното колело може да „експлоадира”в най-слабото си сечение.
Анализ на проблемите на турбокомпресора
Проблеми:
1.Двигателят задържа при ускорение.
Възможна причина:системата за разтоварване на турбото е дефектирала.
Решение:ремонт или замяна на турбото.
2.Двигателят разполага с прекалено малко мощност.
2.1.Възможна причина:дефектирал турбокомпресор.
Решение:ремонт или замяна на турбото.
2.2.Възможна причина:пропуск на въздух между компресора на турбото и всмукателния компресур.
Решение:смяна на турбото не е необходима,проверете връзките или заменете компоненти.
2.3.Възможна причина:пропуск на отработилите газове от турбото.
Решение:помислете за смяна на турбото.
2.4.Възможна причина:проблем с горивната система.
Решение:смяна на турбото не е необходима,проверете и регулирайте горивната система.
2.5.Възможна причина:проблем със самия двигател.
Решение:помислете за смяна на турбото.
2.6.Възможна причина:некорекно регулиран момент на подаване на запалителната искра.
Решение:смяна на турбото не е необходима,регулирайте момента на подаване на искрата и подменете дефектните елементи.
2.7.Възможна причина:системата за разтоварване на турбото е дефектирала.
Решение:ремонт или замяна на турбото.
2.8.Възможна причина:запушване между компресора на турбото и всмукателния колектор.
Решение:смяна на турбото не е необходима,отстранете запушването и подменете дефектните елементи.
2.9.Възможна причина: запушване между компресора на турбото и изпускателния колектор.
Решение: смяна на турбото не е необходима,отстранете запушването и подменете дефектните елементи.
3.Черен цвят на отработилите газове
3.1.Възможни причини:дефектирало турбо.
Решение:ремонт или замяна на турбото.
3.2.Възможни причини:пропук на въздух между компресора на турбото и всмукателния колектор.
Решение:смяна на турбото не е необходима,проверете връзките и заменете компоненти.
3.3.Възможни причини:пропуск на отработилите газове на турбото
Решение:помислете за смяна на турбото.
3.4.Възможни причини:проблем с горивната система.
Решение: смяна на турбото не е необходима,проверете и регулирайте горивната система.
3.5. Възможна причина:проблем със самия двигател.
Решение:помислете за смяна на турбото.
3.6.Възможна причина:некорекно регулиран момент на подаване на запалитената искра.
Решение:смяна на турбото не е необходима,регулирайте момента на подаване на искрата и подменете дефектните елементи.
3.7.Възможна причина:запушване между компресора на турбото и всмукателния колектор.
Решение:смяна на турбото не е необходима,отстранете запушването и подменете дефектните елементи.
3.8.Възможна причина: запушване между компресора на турбото и изпускателния колектор.
Решение: смяна на турбото не е необходима,отстранете запушването и подменете дефектните елементи.
4.Прекомерен разход на масло
4.1. Възможна причина:дефектирал турбокомпресор.
Решение:ремонт или замяна на турбото.
4.2. Възможни причини:пропуск на въздух между компресора на турбото и всмукателния колектор.
Решение:смяна на турбото не е необходима,отстранете запушването и подменете дефектните елементи.
4.3. Възможна причина:проблем със самия двигател.
Решение:помислете за смяна на турбото.
4.4.Възможни причини:запушване на изходния маслен тръбопровод на турбото или на вентилацията на картера на двигателя.
Решение:помислете за смяна на турбото.
4.5. Възможна причина: запушване между компресора на турбото и изпускателния колектор.
Решение: смяна на турбото не е необходима,отстранете запушването и подменете дефектните елементи.
5.Син цвят на изгорелите газове
5.1. Възможна причина:дефектирал турбокомпресор.
Решение:ремонт или замяна на турбото.
5.2. Възможни причини:пропуск на въздух между компресора на турбото и всмукателния колектор.
Решение:смяна на турбото не е необходима,отстранете запушването и подменете дефектните елементи.
5.3. Възможна причина:проблем със самия двигател.
Решение:помислете за смяна на турбото.
5.4. Възможни причини:запушване на изходния маслен тръбопровод на турбото или на вентилацията на картера на двигателя.
Решение:помислете за смяна на турбото.
5.5. Възможна причина: запушване между компресора на турбото и изпускателния колектор.
Решение: смяна на турбото не е необходима,отстранете запушването и подменете де
6.6. Възможна причина: запушване между компресора на турбото и изпускателния колектор.
Решение: смяна на турбото не е необходима,отстранете запушването и подменете дефектните елементи.
7.Теч на масло отъкм турбинната спирала
7.1. Възможна причина:дефектирал турбокомпресор.
Решение:ремонт или замяна на турбото.
7.2.Възможна причина:пропуск на отработили газове от турбото.
Решение:помислете за смяна на турбото.
7.3. Възможна причина:проблем със самия двигател.
Решение:помислете за смяна на турбото.
7.4. Възможни причини:запушване на изходния маслен тръбопровод на турбото или на вентилацията на картера на двигателя.
Решение:помислете за смяна на турбото.
7.5. Възможна причина:пропуск на въздух между турбото и изпускателния колектор.
Решение: смяна на турбото не е необходима,отстранете запушването и подменете дефектните елементи.
7.6.Възможни причини:запушване на изходния маслен тръбопровод на турбото или на вентилацията на картера на двигателя
Решение:помислете за смяна на турбото.
ПОСЛЕДОВАТЕЛНОСТ ОТ НЕОБХОДИМИ ПРОВЕРКИ
За да избегнете излишни проблеми,моля монтирайте турбокомпресора с изключително внимание!От голямо значение е,дори и за опитни механици,да се обърне внимание на особеностите при монтажа на този агрегат.Моля прочетете инструкциите внимателно
Необходими проверки преди монтажа на турбокомпресора
1.Проверете захранващия с масло тръбопровод
Свалете тръбопровода,източете маслото,което се намира в него и го почистете щателно с пара.Старателното почистване на тръбопровода е много важно,но ако има някакво запушване или повреда (или някакво съмнение)в него,тръбопровода трябва да се замени.Никога не използвайте течни гарнитури!
2.Сменете маслото
Смяната на маслото и масления филтър е задължителна.Ако това не бъде направено,има голяма вероятност новият турбокомпресор да дефектира.Старото или мръсно масло възпрепятства мазането и ще доведе до повреди,най-вече на лагерите и вала.
3.Проверете изходящия маслен тръбопровод
Свалете тръбопровода,източете маслото,което се намира в него и го почистете щателно с пара.Уверете се,че тръбата е чиста.В случай,че има някакво запушване или повреда,той трябва да бъде заменен с нов. Никога не използвайте течни гарнитури!
4.Проверете вентилацията на картера
Уверете се,че вентилацията е чиста и в добро състояние.Запушен отдушник може да причини проблем свързан с теч на масло от турбокомпресора.
5.Проверете състоянието на двигателя
Когато двигателя не е в добро състояние,той оказва влияние и върху турбокомпресора.Например,повишено налягане в картера може да причини теч на масло от турбокомпресора.Турбото връща това масло обратно в двигателя,респективно в горивната камера.Може да възникнат тежки последици в случай,че това не се провери внимателно.
6.Проверете въздуховодите
Винаги поставяйте винаги нов въздушен филтър и чисти въздуховоди.В случаите,когато има междинен охладител на въздух(intercooler),евентуалните остатъци от масло трябва да се отстранят.Също така въздуховодът от турбото до двигателя,трябва да бъде проверен и почистен.
7.Проверете налягането на маслото
Използвайте чист съд,за да съберете масло от захранващия маслопровод.Оставете накрайникът му незатегнат.Завъртете двигателя на стартер,за да се убедите в нормалното снабдяване с масло и обезвъздушаване на тръбопровода.
Необходими проверки при монтаж
8.Закрепване към изпускателния колектор
Внимавайте!В изпускателния колектор все още може да има метални частици от повреденото турбо.Те трябва да бъдат изцяло премахнати.Също така,колектор с пукнатини може да повреди новото турбо.Проверете внимателно!
9.Премахни всички тапи,необходими при транспортирането
Върху турбото се поставят тапи,за да се предотврати попадане на прах и мръсотии в него при транспорта.Те трябва да бъдат премахнати.
10.Проверете захранването с масло
Монтирайте захранващия маслопровод към турбото.Не позволявайте мръсотии да попаднат в лагерното тяло.Завъртете двигателя на стартер,докато потече масло от лагерното тяло.Монтирайте изходящия маслопровод и запалете двигателя.Оставете го да поработи на празен ход 5 до 10 минути.
11.Проверете връзките
Бавно увеличавайте оборотите на двигателя по време на теста и проверете всички връзки за евентуални течове.Когато двигателя е топъл,всички връзки трябва да се проверят и притегнат,ако е необходимо.
12.Проверете налягането на турбото
Трябва да проверите налягането на турбото посредством специализиран манометър.Разтоварващия клапан е предварително регулиран от нас и не трябва да се пипа.
Турбос Хют предлага рециклирани турбокомпресори за всички видове двигатели.Процесът на рециклиране се извършва в четири етапа:почистване,третиране на повърхностите,контрол и балансиране.Тези четири етапа гарантират,че рециклирания турбокомпресор не отстъпва и понякога дори превъзхожда по качества новия.
В крайна сметка,серийно произведените компонетите се изработват с определен допуски,без да се обръща внимание на всеки детайл поотделно.Това не е така при рециклирането.Тези допуски на всеки детайл преминават през строг контрол.Поради тази причина,рециклираните турбокомпресори отговарят на идеалните фабрични изисквания по-добре от серийните.Затова много често рециклираните турбокомпресори са по-добри от новите.
Процес на почистване
При пристигането си турбокомпресора се разглобява и анализира,след което компонентите се изчистват старателно.За целта се използват специализирани машини за измиване и промишлени пещи.Тези процеси подобряват качеството на компоненти като лагерното тяло и турбинното колело на вала.Предимствата на промишлените пещи,е че не се използват абразивни методи за почистване,които биха могли да наранят елементите.При този процес не се допускат изменения в размерите на детайлите,което от своя страна би довело до проблеми.
Третиране на повърхностите
Чугунените компоненти се почистват на автоматична дробострийна (бластинг)машина.Друга бластинг машина се използва за алуминевите детайли (третирането е с керамично-стъклени дробини).Лагерното тяло се подлага на допълнителни обработки:почистване в ултразвукова вана,за да сме сигурни че никаква мръсотия не е останала.Накрая всички детайли се смазват за да се предотврати корозия,след което се преминава към следващата процедура.
Проверка на детайлите
Турбинното колело и валът се проверяват за съосност и радиално биене,преди да се поставят в лагерното тяло.За целта Турбос Хют използва специално приспособление.Контактните повърхнини на вала се мерят с ръчни инструменти,за да се установи дали износването е в допустими граници.След балансиране,лагерните гнезда проверяват съгласно фабричните изисквания и се потвърждава годността им.Едва тогава работата по турбокомпресора е завършена.Последната стъпка е регулирането на диафрагмения клапан според заводските предписания
Балансиране
Преди турбокомпресора да стигне сервиз,в който ще бъде монтиран,вече е преминал през серия от процедури.Балансирането е една от най-важните при рециклирането.Причината е ясна,имайки предвид оборотите,които се постига от съвременните турбокомпресори (над 230 000.оборота в минута).Всеки дисбаланс при тези обороти ще доведе незабавно или по-късно,до сериозни повреди в турбокомпресора.
Преди балансирането на целия възел,е от особено значение колелата да бъдат балансирани динамично в две равнини.Колелата се балансират поотделно.За целта ние използваме баланс машина „Schenck”.Компонентите се поставят по такъв начин,че турбото да бъде една работеща единица.Тъй като не всички компоненти са балансирани поотделно,единицата(работни колела,вал,лагерно тяло и лагери)която извършва въртеливо движение се балансира допълнително,като едно цяло.За целта използваме машина за балансиране на средната част.Последната стъпка е да се провери турбокомпресора за вибрации при очакваните от двигателя обороти.Тези вибрации могат да доведат до силен шум.Това е идеалната последна проверка,преди турбото да бъде монтирано върху двигателя.За целта използваме „Vibration Sorting Rig”,машина произведена задължително от голям производител на турбокомпресори.Ако турбото премине през последната проверка,то наистина е в отлично състояние.Най-прецизните процеси на балансиране потвърждават,че ще бъдат избягнати всякакви грешки.След балансирането,се проверяват хлабините на лагерите и ги сравняваме с подадените данни от завода производител.На финала,диафрагмения клапан се настройва в зависимост от заводските данни.
“Турбокомпрсорите по материали на “Abgasturbolader” на Michael Mayer“
Турбопълнене и турболенция
Импулсно турбопълнене
Една от главните цели на развитието на дизеловите двигатели с турбокомпресори, предназначени за товарни автомобили и автобуси, е да се осигури висок въртящ момент дори и при ниски обороти. Импулсното турбопълнене се е превърнало в най-усъвършенствената техника за търговски превозни средства с дизелови двигатели. (фиг1 ). Много по малките колектори, отколкото използваните при турбокомпресорите с постоянно налягане, позволяват почти пълно оползотворяване на кинетичната енергия на изгорелите газове.
фиг. 1 Схема а импулсно турбопълнене
Налягането в тръбите е постоянно за кратко време, за това единствено при многоцилиндрови двигатели е възможно да се обединят изпускателните тръбопроводи на тези цилиндри, в които буталата не се движат противоположно едно на друго по време на циклите на пълнене и изпускане. В шестцилиндровия двигател две групи от по три цилиндъра са свързани към турбината. Изгорелите газове от всяка група цилиндри захранват поотделно турбинното колело (турбината е с двоен вход). При леките автомобили се използват главно единични изпускателни колектори и турбини с един вход, а успокояването на пулсациите на изгорелите газове се осъществява чрез използването на компактна система от тръбопроводи. Под пулсации се разбира непостоянството на налягането на изгорелите газове в изпускателния колектор. То се колебае, защото тактовете на изпускане в отделните цилиндри се разминават по време и освен това са кратки. С колкото повече цилиндри е двигателя, толкова повече пулсациите се изглаждат, защото тактовете се застъпват
Турбопълнене с постоянно налягане
В турбодвигателите с постоянно налягане успокояването на пулсиращото налягане става чрез иползването на сравнително големи колектори, така че при по високи обороти на двигателя повече изгорели газове при по- ниско налягане могат да прминат прз турбината. Разходът на гориво е намален, докато двигателя е в състояние да изхвърля изгорелите газове срещу по-ниско възвратно налягане. Недостатък на този тип решение е значително по малък въртящ момент, постиган при ниски обороти. По тази причина турбопълненето с постоянно налягане се използва предимно при двигатели, работещи почти в стацинарен режим, Т.е такива за които не е нужен увеличение на въртящия момент чрез ускорение ( например големи корабни двигатели, генератори и индустриални двигатели)
Работния режим на компресора се онагледява най-вече чрез графики (фиг2).
фиг.2 Характеристика на компресор за лек автомобил
Конструкция и начин на действие и работни характеристики на турбокомпресора
Конструкция, начин на действие
Турбокомпресорната турбина, която се състои от турбинно колело и корпус, преобразува енергията на изгорелите газове в механична енергия, задвижваща компресора. Преминаването на газове е ограничено от входното сечение на турбината и между входа и изхода температурата и налягането спадат. Турбинното колело преобразува пада на налягането в кинетична енергия, задвижваща ротора, следователно и компресорното колело.
Съществуват два основни типа турбини: осови и радиални. При осовия тип потокът в колелото се движи само в осово направление. При радиалните турбини потокът е центростремителен, т.е. навлиза в радиално, но вътре променя посоката си и излиза в осово направление.
За турбинните колела с диаметър до около 160 мм. се използвата само радиални турбини. Това съответства на двигатели (оборудвани с турбокомпресори) с върхова мощност от приблизително 1000кВт. Над 300 мм. се използват само осови турбини. Между тези две стойности са възможни и двата варианта. Големите осови турбини имата по-висок КПД от радиалните, производството им е по-просто и разходите са по-ниски. При малки диаметри на колелата ефективността на осовите турбини намалява значително в резултат на увеличените загуби. По високият КПД на малките радиални турбини в сравнение с равностойните им осови турбини е причината те да се използват обикновенно при двигатели за леки и товарни автомобили, както и при промишлените двигатели. Когато производството е масово, себестойноста на радиалните турбини е много по ниска от тази на осовите. Докато радиалните турбини са най-популярният тип, иползван при автомобили, другите им приложения са ограничени от конструкцията и начина им на действие.
В спиралния корпус (т.нар. “охлюв”) на подобни радиални или центростремителни турбини налягането на изгорелите газове се преобразува в кинетична енергия и газовете се насочват с постоянна скорост към периферията на турбинното колело. За да се постигне това преобразуване, при турбокомпресорите се използват турбинни корпуси без дюзи, подобряващи характеристиките на потока, макар че подобни корпуси имат и недостатъци по отношениена ефективността. Превръщането на кинетичната енергия на газовете във въртящ момент на вала се осъществява от турбинното колело; то е така конструирано, че почти цялата кинетична енергия се преобразува за времето до момента, в който газовете достигнат изхода на колелото.
Работни характеристики
Експлоатационните качества на турбината са толкова по-високи, колкото по-голям е спадът на налягането между входа и изхода, т.е. колкото по-голяма е използваната част от напора на газовете. Това се случва, когато в турбината постъпват повече изгорели газове (в резултат на работа на двигателя при по-високи обороти) или в случай че температурата на същите газове е повишена, т.е. енергията им е по висока (например поради натоварване на двигателя).
Характеристиките на работните режими на турбината се определя от специфичното проходно сечение на потока, от входното сечение и от преходната площ между входния улей и спираловидния корпус.Когато входното сечение се намали, налягането на газовете се увеличава и по този начин се подобряват експлоатационните качества.
Площа на преходното сечение на потока, постъпващ в турбината, може лесно да се променя чрез промяна на “охлюва”. Повечето производители на турбокомпресори предлагат спирални корпуси с различни размери за всеки тип турбина, което позволява налягането да се променя в широк диапазон чрез променяне на преходното сечение, през което минава потокът.
фиг.3 Характеристика на турбината
Показващи връзка между свръхналягането и дебита на въздушния поток. За да се осигури сравняемост , въздушния дебит се изобразява стандартно в състоянието си на входа на компресора. Работната зона на графиката, отнасяща се за центробежните компресори, е ограничена от помпажната линия, от линиите на еднаква стойност на коефициента на полезно действие (кпд) и от максимално допустимата скорост.
Линия на помпаж – тази линия показва границата на критичното състояние на въздушния поток на входа на компресора. При твърде малък обем на постъпващия въздух и прекалено високо налягане потокът не успява да се задържи задълго към всмукващата страна на лопатките, в резултат на което процесът на нагнетяване се прекъсва. Въздухът в компресора започва да се връща до момента, в който налягането се стабилизира и въздушния поток повиши дебита си, след което налягането отново пада и цикълът се повтаря. Тази нестабилност на потока продължава с постоянна честота , а шумът, който се получава вследствие на този ефект, е известен като помпажиране. Линията на помпаж е изместена към по-ниски стойности на въздушен дебит чрез използването на лопатки, чиито върхове са насочени под малък ъгъл, така че използваемия диапазон на характеристиките на потока, който протича през компресора, става по-голям. Ефектът от насочването на лопатките под малък ъгъл е, че се получават дълги, леко увеличаващи се улеи на потока, които го забавят и водят до по-малко отделяне на граничния слой, от колкото при използване на лопатки с радиално насочени върхове.
Линии на еднакъв кпд – Максималния дебит на въздуха при центробежните компресори обикновено е ограничен от напречното сечение на входа им. Стигне ли потокът на входа на компресора скороста на звука, по-нататашно увеличаване на дебита е невъзможно. Напречното сечение на входа на компресора може да бъде увеличено. Това се постига чрез групиране на лопатките по 2 или повече, като съседни лопатки във всяка група са изместени една спрямо друга и са с различен наклон, при което линиите, в които кпд е еднакъв, се преместват в по-високи стойности на въздушния дебит. Когато входния диаметър се увеличи, съотношението между диаметъра на входа на компресора и диаметера на колелото (т.нар. hub ratio) също се увеличава, в резултат на което нараства максималния обем на входящия въздух. По якостни и аеродинамични причини това съотношение може да достигне стойности от 0,8. По същите причини твърде високите стойности на съотношението позволяват да се постигнат само относително ниски наляганя, каквито се изискват при леките автомобили. По- тънките и по-малко на брой лопатки увеличават свободната проходна площ на входа на колелото, така че линиите на еднакъв кпд се преместват към по високи стойности на въздушен дебит. Минималната дебелина на лопатките е ограничена от технологията на отливане и от изискванята за издражливост. При намаляване броя на лопатките постижимото налягане също е по-ниско. Компресорните колела, използвани при леките автомобили, се характеризират с високо съотношение (hub ratio) и намален брой тънки лопатки, насочени под много малък ъгъл.Наклонът на върховете на лопатките влиае върху нивото на натоварване на колелото. Изработване на канали за рециркулация в корпуса предотвратява опасността от помпаж при твърде малък въздушен дебит, при което част от индуцирания въздух напуска компресора и отново се вливав главния поток на входа на компресора. Благодарение на тази рециркулация потокът се стабилизира и линията на помпаж се премества към по-ниски стойности на дебит на въздуха. При прекалено висок дебит въздухът може да бъде доставен през същите тези канали директно до колелото в точка след зоната на ограниченото входно напречно сечение, така че линиите на еднакъв кпд се преместват към стойностите на по-висок въздушен дебит. Този начин на коригиране на коригиране на характеристиките се използва най-вече при дизелови двигатели за товарни автомобили, за които се изискват и високи наляганя, и разтегнати криви.
Якост – Скороста на въртене на компресорното колело е ограничена от натоварването, на което са подложени материалите. Максималната допустима скорост се ограничава от допустимата скорост за лопатките, чиито върхове са по външния диаметър на колелото. Обикновенно допустими са линейни скорости на върховете на лопатките от около 520 м/с. При по високи скорости ресурсът намалява, освен ако не бъдат взети мерки за намаляване на натоварването.
Сечение на изхода – върху масата и капацитета на потока в турбината влияят площа на преходното сечение на потока в “охлюва” и площа на входа на колелото. Върху преходното сечение, а оттам и върху нарастването на налягането може да се влияе чрез обработването на отлетия контур на турбинното колело. Увеличаването на контура води до по-голямо напречно сечение на потока в турбината. За една и съща серия турбокомпресори производителите предлагат турбинни колела, направени от една отливка, с еднакъв диаметър, но с различни контури.
Съгласуване с геометрията на компресора – за да се постигне висок общ КПД на турбокомпресора , от първостепенно значение е да се съгласуват диаметрите на компресорното и на турбинното колело. Диаметърът на турбината трябва да бъде такъв , че нейният КПД да е максимален в този работен диапазон.
Материали
Турбинно колело – тъй като турбината е подложена на действието на много високи температури по време на работа, а и след като двигателят спре, колелото и спиралният корпус на турбината са направени от материали, които осигуряват достатъчна устойчивост при високи температури. Повечето турбинни колела са изработени от никелови сплави като Inconel 713 и GMR235. Основните съставки на тези сплави са никел и хром. Докато GMR235 е устойчив на температури на изгорелите газове до около 850۫ C на входа на турбината , Inconel 713 /73% никел, 13 % хром/ издържа на температури до около 1000۫
Корпус – изборът на материал за „охлюва” на турбината също зависи от температурата. Днес сферографитният чугун с висока якост GGG40 (до 680۫C) обикновено се използва рядко. При повечето турбини за дизелови двигатели се използва силициево-молибденов чугун GGGSiMo51 (до 760۫C) или GGV SiMo 4.5 0.6 (до 850۫C). Високолегираният с никел и хром чугун GGGNiCrSi 20 2 2 (Niresist D2) се прилага рядко за температури над 850۫C. GGGNiCrSi 35 5 2 (Niresist D5) се използва при повечето турбокомпресори за бензинови двигатели с температури до 970۫C. За най високите температури до 1050۫C, каквито се достигат в концептуалните бензинови двигатели, се използва термоустойчива нелегирана аустенитна стомана.
Керамични турбинни колела
В сравнение с металните турбинни колела керамичните са много по-леки, което води до по-добро съгласуване на характеристиките на турбокомпресора.Съвременните керамични материали правят възможно серийното производство на едно подобно турбинно колело.Все пак те са много крехки и лесно могат да бъдат унищожени при съприкосновение с чуждо тяло. Освен това дебелината на такива лопатки е по-голяма и поради това ефективността им е по-ниска, така че те се използват по-рядко при автомобилите.
Титаниевият алуминид на фиг. 4 има ниска специфична плътност подобно на керамиката.Този материал е значително по-неподатлив на счупване, а лопатките, изработени от него, са тънки колкото металните. Недостатък е ниската му температурна устойчивост – максимум 700۫С.
фиг.4 Титаниево компресорно колело
Спирален корпус на турбината с водно охлаждане
При конструиране на турбокомпресора също така трябва да бъдат взети под внимание и мерките за сигурност. В двигателните помещения на корабите например горещите повърхности се избягват поради опасността от пожар. По тази причина в корабните двигатели се използват турбини, при които спиралният корпус е с водно охлаждане или е покрит с изолационен материал както е показано на фиг 5.
фиг.5 Турбокомпресор за корабен агрегат
Турбини с два входа
Турбината рядко е подложена на постоянно налягане от изгорелите газове. При импулсните турбокомпресори за дизелови двигатели турбините с два входа позволяват изглаждане на пулсациите на изгорелите газове, тъй като по бързо се повишава налягането в турбината. По този начин чрез увеличаване на свръхналягането нараства кпд и се подобряват всички важни интервали от време, а през турбината по-ефективно преминава по-голяма маса въздух. В резултат на това оптимизиране енергията на изгорелите газове се използва максимално, характеристиките на налягането в двигателя се подобряват, а оттам и въртящият момент, особено при ниски обороти на двигателя.
Два потока на изгорелите газове
Често при 6-цилиндровите двигатели към един тръбопровод, отвеждащ изгорелите газове, се свързват по три цилиндъра. Това се прави, за да се предпазят цилиндрите, движещи се противоположно един от друг по време на работните цикли. Така газовият поток се доставя в турбината поотделно, през два входа фиг. 6 .
При двигателите за леки коли обикновено се използват единични тръбопроводи и спирални корпуси с един вход. Така изпускателният тръбопровод е по-компактен, а турбокомпресорът е по-близо до цилиндровата глава. Когато тръбите са с малко сечение и са свързани близо до входа на турбината, предимствата на пулсиращото налягане се запазват.
фиф. 6 Турбокомпресор с два входа
за изгорелите газове
Турбини с два входа за бензинови двигатели при леките автомобили
Понякога турбините с два входа се използват в бензиновите двигатели за леки автомобили. Предимство в този случай са благоприятните характеристики на въртящя момент при ниско налягане на газовете, изхвърляни от двигателя; недостатъци са високото термично натоварване на разделящата преграда и оскъпеното производство на малки спирални корпуси с вграден байпас, особено когато поради високите температури се налага материалът да е лята стомана.
Съгласуване на режимите на работа
Съгласуването на характеристиките на турбокомпресора е от първостепенно значение при двигателите за леки автомобили. Забавената реакция при натискане на педала на газта често пъти значително влошава възприятията при шофиране.
В последните години този ефект беше компенсиран чрез използването на по-малки компресори. Техните ротори са значително по-пъргави, защото на по-малкия диаметър на колелата отговарят и значително по-малки инерционни моменти.
Друг начин да се намали инерционният момент на турбинното колело е изрязването на гърба на колелото между лопатките.
Значително подобряване на динамичните характеристики може да се постигне с използването на турбини с променлива геометрия.
Вградена система за обмен на въздух
Оптимални параметри на потока и минимални топлинни загуби се осигуряват чрез вградената въздухообменна система, при която изпускателният тръбопровод и спиралният корпус на турбината са отлети заедно, в резултат на което се подобрява съгласуването на характеристиките. Допълнителни аргументи са намаленото с до 1 кг. тегло и освободеното пространство между двигателя и пътническия отсек, което често пъти е необходимо от съображения за сигурност.
Клапан за рециркулация
При турбокомпресорните бензинови двигатели се използва дроселиращ клапан, който регулира натоварването на двигателя и е разположен във въздушния колектор след турбокомпресора. В случай на внезапно изгасване, дроселиращият клапан се затваря и благодарение на инерцията компресорът доставя въздух срещу вече затворения обем. Вследствие на това компресорът започва да помпажира, а скоростта на турбокомпресора намалява много бързо. За да се избегне това, един натегнат от пружина дроселиращ клапан се отваря и доставя въздуха обратно на входа на компресора, като по този начин се намалява налягането и се избягва помпажът. Скоростта на турбокомпресора остава висока и свръхналягането е на разположение веднага щом бъде натиснат педалът на газта.
Управляваща система
Експлоатационните качества на турбокомпресорните двигатели за леки автомобили трябва да отговарят на същите високи изисквания както атмосферните двигатели с идентична мощност, което означава, че максималното налягане трябва да е на разположение при ниски обороти на двигателя. Това може да се постигне единствено чрез система, контролираща налягането в турбината.
Управление чрез байпас
Турбинният байпас е най-опростеният начин за контрол на налягането.Размерът на турбината се избира така, че изискванията към въртящия момент при ниски обороти на двигателя да бъдат спазени, като в същото време се осигурят и добри експлоатационни качества на автомобила. При тази конструкция в турбината се доставя по-голямо от нужното количество изгорели газове малко преди да се достигне максималният въртящ момент. Затова част от потока изгорели газове се пропуска встрани от турбината чрез байпас веднага след като бъде реализирано необходимото свръхналягане. Преливният клапан фиг 7а , който управлява байпаса, обикновено се задвижва с помощта на зависима от налягането диафрагмена пружина. При обороти на двигателя над специфичните налягането остава на същото равнище.
фиг.7 Турбокомпресор с преливен клапан 7а и централен корпус с водно охлаждане 7б
Управление със саморегулиране на налягането
При това много ефикасно решение една подвижна диафрагма, натегната от вита пружина, е подложена на увеличеното налягане. Когато то преодолее натиска на пружината, байпасният клапан се отваря с помощта на лостов механизъм, потокът изгорели газове преминава покрай турбината и отива директно в изпускателната система.
Електронно управление на налягането
Днес електронните системи за контрол на свръхналягането намират все по-широко приложение в съвременните автомобили. Сравнени с изцяло пневматичните системи фиг 8 за управление, които позволяват единствено пълното ограничаване на налягането, тези системи осигуряват оптималното му частично регулиране благодарение на по-гъвкавия си контрол. Този контрол се осъществява при отчитането на различни параметри като температура на въздуха, ъгъл на предварението и качество на горивото. При тях е възможно и временно нарастване на налягането по време на ускорение.
Подвижната диафрагма е подложена на променливо управляващо налягане, което е по-ниско от пълното и се създава чрез пропорционален клапан. По този начин се осигурява зависимост на диафрагмата от свръхналягането и от налягането на входа на компресора в различни пропорции. Пропорционалният клапан се управлява от електрониката на двигателя и работи с честота от 10 до 15 Hz. В сравнение с конвенционалните управляващи системи натискът на пружината е значително по-малък и това позволява да се осъществи контрол дори при частично натоварване на двигателя, т.е. при много по-ниски налягания. За електрониката, управляваща свръхналягането при дизеловите двигатели, се използват вакуумни регулатори.
фиг.8 Пневматичен регулатор
Променлива геометрия на турбината
Регулиране на напречното сечение на потока чрез подвижни направляващи лопатки – VTG ( Variable Turbine Geometry)
Системите за управление на налягането регулират мощността на турбината чрез пропускане на изгорелите газове покрай турбината.Променливата геометрия на турбината позволява напречното сечение на входа да се изменя в зависимост от режима на двигателя, като по този начин се използва пълната енергия на изгорелите газове. В резултат на това кпд на турбокомпресора, а оттам и кпд на двигателя се повишават повече, отколкото при управлението чрез байпас.
В наши дни турбините с променлива геометрия с подвижни направляващи лопатки са най-съвършената техника за модерните дизелови двигатели за леки автомобили. Разходът на гориво и нивото на вредни емисии са намалени благодарение на възможността за промяна на входното напречно сечение на турбината в зависимост от режима на двигателя. Високият въртящ момент на двигателя при ниски обороти и подходящата програма за управление осигуряват значително подобрение на динамичните характеристики.
Подвижните направляващи лопатки, разположени между корпуса и турбинното колело фиг 9, влияят върху стойностите на налягането, а по този начин и върху мощността на турбината. Това позволява да се регулира нивото на постъпващия въздушен поток в съотношение 1:3 при задоволителни стойности на кпд. При ниски обороти на двигателя напречното сечение се намалява чрез затваряне на направляващите лопатки. Свръхналягането, а оттам и въртящият момент на двигателя нарастват в резултат на по-големия спад на налягането между входа и изхода на турбината. При високи обороти на двигателя направляващите лопатки постепенно се отварят. Изискваното свръхналягане се достига при ниски нива на налягането в турбината и разходът на гориво пада.По време на ускоряване на автомобила от ниски обороти направляващите лопатки се затварят с цел да се повиши максимално енергията на изгорелите газове. С увеличаване на скоростта лопатките се отварят и се адаптират към съответните
работни режими.
фиг 9. Фланец с подвижните направляващи лопатки
Управление на направляващите лопатки
В наши дни управлението на направляващите лопатки обикновено е електронно чрез вакум-регулатор фиг 10 и пропорционален клапан. Последните нняколко години започна по широкото използване на електрони регулатори фиг 11.с обратна връзка, които ще позволяват точно и максимално гъвкаво управление на налягането.
Температурата на изгорелите газове в мощните, модерни дизелови двигатели е около 830۫С. Прецизното и надеждно задвижване на направляващите лопатки в горещия поток изгорели газове налага високи изисквания към материалите и към допуските в турбината. Независимо от размера на турбокомпресора направляващите лопатки трябва да са с минимален луфт, за да осигурят надеждна работа по време на целия експлоатационен цикъл на автомобила. Когато размерът на турбокомпресора стане по-малък, тогава загубите на потока в турбината се увеличават, а кпд намалява. Поради това целта на много разработки е да се преместят границите на приложение на VTG колкото е възможно по-близко към турбокомпресори с малки размери.
фиг.10.Вакум регулатор конролиращ променливата геометрия
фиг 11. Електронен регулатор Siemens/VDO
Регулиране на сечението на потока чрез подвижен плъзгащ се пръстен
Турбината с подвижен плъзгащ се пръстен е алтернативно на VTG решение. Простата конструкция на VST и съчетаването на много функции в малко елементи е от особена важност при малки турбини или когато се изискват високи температури. По конкретно то се прилага при малки дизелови двигатели с работен обем под 1,4 л. Предимствата му са висок кпд, ниски разходи и малки размери. VST е надежден вариант за управление на налягането в турбината при малки бензинови двигатели с висока температура на изгорелите газове. Солидният му механизъм е с много по-голяма термоустойчивост от този на VTG с направляващи лопатки. В управляващия механизъм е интегриран байпас, който се изисква дори при бензиновите двигатели с VST поради голямото количество преминаваща въздушна маса.
Корпусът на турбината е подобен на този на турбината с двоен вход.Разделителната стена започва в корпуса и завършва, преди да достигне ръба на входа. При ниски обороти е отворен само единия улей. Вторият улей, който е затворен от плъзгащия се пръстен, постепенно се отваря при увеличаване на оборотите. След това пръстенът отваря и байпасния канал, който започва от входа на турбината, минава покрай външния контур на пръстена и завършва на изхода на турбината. В резултат на това възможностите на турбината по отношение на количеството преминаваща въздушна маса допълнително се увеличават. Управлението на напречното сечение и отварянето на байпасния клапан изискват само един задвижващ механизъм. За целта могат да бъдат използвани както пневматични, така и електрически задвижващи механизми.
Лагеруване
Дълъг живот при най-високи натоварвания
Турбокомпресорният възел вал-турбина се върти със скорост до 300 000 об/мин. Животът на турбокомпресора трябва да отговаря на този на двигателя, който е около
1 000 000 км при товарните автомобили и автобусите. Единствено плъзгащите лагери са в състояние да отговорят на тези високи изисквания при разумна цена.
Лагеруване с радиални лагери
С помощта на плъзгащ лагер валът се върти без триене в лагерната втулка върху маслен филм. При турбокомпресора маслото се доставя от мазилната уредба на двигателя. Медните плаващи втулки се въртят с наполовина по-малка скорост от тази на вала и са разположени между неподвижния централен корпус и въртящия се вал. Това гарантира липсата на метален контакт между вала и лагерите при какъвто и да е работен режим.
Освен мазилни свойства масленият филм в лагерната хлабина служи и за поглъщане на вибрациите, като по този начин допринася за стабилността на възела вал-турбинно колело. Хидродинамичната товароносимост на лагера и характеристиките му на гасене на вибрациите са оптимизирани чрез хлабини. Дебелината на мажещия слой във вътрешната хлабина е избрана в съответствие с издръжливостта на лагера, докато външната хлабина е констуирана така, че лагерът да служи и като амортисьор. Лагерните хлабини са от порядъка на само няколко стотни от милиметъра. По-големите хлабини се отразяват в по-меко гасене на вибрациите и по-ниска товароносимост.
Лагеруването с един елемент е специална разновидност на системата с плъзгащи лагери. Валът се върти в неподвижна втулка, на която се доставя масло от външна страна. Външната лагерна хлабина може да бъде специално подбрана за успокояване на вибрациите. В този случай по-малката ширина на лагера позволява по-компактна конструкция на турбокомпресора.
Лагеруване с аксиални лагери
Нито изцяло плаващите лагерни втулки, нито единичната застопорена плаваща лагерна втулка осигуряват вала и турбинното колело в осово направление. Когато изгорелите газове действат на компресорното и турбинното колело в аксиално направление, възелът вал-турбинно колело се премества осово.Аксиалният лагер абсорбира тези премествания. Той е застопорен към централния корпус, а два малки диска му служат за контактни повърхности. Една маслоотражателна пластинка предпазва уплътнената част на вала от навлизане на масло.
Мазане
Маслото навлиза в турбокомпресора под налягане от около 4 бара. Когато то се оттича под ниско налягане, диаметърът на отточния маслопровод трябва да бъде много по-голям от този на входния. Протичането на маслото през лагера трябва да бъде, доколкото е възможно, вертикално отгоре надолу. Отточният маслопровод трябва да се връща в картера над нивото на маслото. Всяко негово запушване влияе на възвратното налягане в системата на лагеруване. В такъв случай маслото преминава през уплътнителните пръстени към компресора и турбината.
Уплътняване
Централният корпус на турбината трябва да бъде защитен от горещите изгорели газове в турбината и от загуба на масло. Поради тази причина и от двете страни на вала са монтирани уплътняващи пръстени. Те не се въртят, а са здраво закрепени към централния корпус. Този безконтактен метод на уплътняване, който е форма на лабиринтното уплътнение, затруднява протичането на масло благодарение на многократното обръщане на посоката на маслото. По този начин се осигурява и изтичането само на малки количества изгорели газове към картера.
Термично натоварване на лагерите
Близостта между централния корпус и горещия корпус на турбината е причината да се създадат условия, при които е възможно маслото да се нагрее до такава степен, че да се превърне в кокс. Тогава овъгленото масло може да попадне в лагерните втулки, да задръсти маслопроводите и да влезе в контакт с уплътненията. Голямото количество овъглено масло може да доведе до недостатъчно мазане и до гранично триене, което се отразява в повишено износване на лагерите.
Топлинен щит и маслено охлаждане
Централният корпус е предпазен от горещите изгорели газове с помощта на топлинен щит, разположен зад турбинното колело. При някои конструкции маслото се впръсква към вала през отвори в лагерната опора на лагера откъм турбината. По този начин валът се охлажда и рискът от овъгляване се намалява.
Най- високите температури в централния корпус възникват малко след като двигателя бъде изгасен. Тогава горещият корпус на турбината нагрява лагерите, които вече не се охлаждат от двигателното масло.
От прптотипно до серийно производство…………………
Развитие, оразмеряване и тестване
Развитие
Развитието на турбокомпресорите винаги следва пазарните изисквания и по този начин повишава техническите стандарти на двигателя с вътрешно горене. Все пак то съвсем не е съвършено. В резултат на продължаващите разработки на турбокомпресори в бъдеще може да се очаква по-нататъшното усъвършенстване на работните характеристики на двигателя, що се отнася до мощността, разхода на гориво и нивото на вредни емисии.
Тъй като турбокомпресорите трябва да отговарят на различни изисквания относно работния диапазон на графиката, характеристиките на кпд, инерционния момент на ротора и работните режими, новите типове компресори и турбини продължават да бъдат развивани за приложение при различни двигатели. Освен това различните регионални изисквания към нивото на вредните емисии водят до различни технически решения.
Компютърно конструиране и оптимизация
Най-голямо влияние върху работните характеристики на турбокомпресорите имат компресорните и турбинните колела. Те са конструирани с помощта на компютърни програми, които позволяват тримерно пресмятане на потоците на въздуха и изгорелите газове. Якостта на колелата е едновременно оптимизирана с помощта на метода на крайните елементи (FEM- finite-element method), а ресурсът им е пресметнат след тестове в условия близки до реалните. Полученото решение е представено чрез CAD-програми. На базата на CAD-данните се произвеждат първите прототипи с помощта на цифрови 5-осови фрези.
Фина настройка на тестов стенд
Независимо от напредналите съвременни компютърни технологии и точно пресмятащи програми, окончателните решения за новите аеродинамични елементи се вземат след тестване. По тази причина фината настройка и проверката на резултатите се осъществяват, след като турбокомпресорът издържи теста. Впоследствие новите елементи се внедряват в серийното производство.
Оразмеряване
Основните елементи на турбокомпресора са турбината и компресорът. Те се произвеждат с различни размери и сходни характеристики, като се използват законите на моделирането. По този начин чрез увеличаване и намаляване работният диапазон на турбокомпресора се установява така, че да се постигне оптимален размер, подходящ за различни двигатели. Свободата да се борави с различните размери обаче е ограничена от невъзможността всички характеристики да бъдат мащабирани размерно. Освен това изискванията се променят в съответствие с различните работни размери на двигателите и невинаги е възможно да се използва същото колело или геометрия.
Индивидуални турбокомпресори на модулен принцип
Принципът на подобието и модулното конструиране все пак позволяват разработката на турбокомпресори, които могат да бъдат индивидуално пригодени към всеки един двигател. Това напасване започва с избирането на подходящ компресор на базата на изискванията към кривата на свръхналягането. Според теорията кривата на пълно натоварване трябва да бъде такава, че кпд на компресора да е максимален в основния работен диапазон на двигателя, а разстоянието до линията на помпажа – достатъчно голямо. Термодинамичното оразмеряване на турбокомпресора се осъществява при отчитането на енергийния баланс и на масата на потока, която представлява сбор от масите на въздуха, доставян от компресора, и на горивото, подавано към двигателя.
Състояние на свободно колело
При устойчиво състояние на работа мощностите на турбината и компресора са идентични.Оразмеряването, направено на базата на якостните разчети, се подлага на повторни изчисления, като този път за отправна точка се използват характеристиките на компресора и турбината, както и най-важните параметри на двигателя.
Размерите могат да бъдат пресметнати много точно, когато се използват компютърни програми, симулиращи работата на двигателя и турбокомпресора. Тези програми включват масата, енергията и уравновесяването на съставните елементи на всички цилиндри и системата от въздухопроводи. Турбокомпресорът участва в пресмятането в графичен вид. Освен това подобни програми разполагат с определен брой емпирични уравнения за описване на взаимодействията, които е трудно да бъдат изобразени по аналитичен път. Компютърните симулации за пресмятане на сложни системи за въздухообмен с няколко турбокомпресора и допълнителни управляващи въздуха елементи са особено интересни. Тези симулации могат да се разглеждат като допълнение към тестването и сами по себе си са базирани на определен брой предположения.
В повечето случаи простото пресмятане на компресори и турбини за автомобилни двигатели осигурява задоволителна точност. Поради това, че компресорът е конструиран на модулен принцип, по време на теста на двигателя препоръчваното свръхналягане може да се достигне много по-бързо чрез индивидуалното променяне на компоненти на турбокомпресора, каквито са турбинният или компресорният корпус.
Съгласуване с двигателя
При конструиране на монтажните връзки с двигателя освен термодинамичните фактори е необходимо да се вземат под внимание и ограничените възможности за инсталиране в мястото, предвидено за двигателя.След избора на компресор и турбина и завършването на чертежа за инсталиране, клиентът може да вгради турбокомпресора в схемата на двигателя и автомобила с помощта на пакета от CAD данни.
Тестване
Турбокомпресорът може да работи също толкова надеждно и дълго, колкото и двигателят. Клиентът очаква това от производителя на автомобила, а производителят разчита за това на своя доставчик. Преди турбокомпресорът да бъде допуснат до серийно производство, той трябва да издържи серия тестове.
Комплексна тестова програма
Тестовата програма включва тестове на индивидуални компресорни компоненти, тестване върху турбокомпресорен тестов стенд и тест на двигателя. Някои от тестовете в тази програма са описани с подробности по-долу.
Защитен тест
Ако компресорното или турбинното колело се разрушат, счупените части от колелото не трябва да проникнат в компресорния или турбинния корпус. За да се постигне това, възелът вал – турбинно колело се ускорява до скорост, при която съответното колело се разрушава. След разрушаването се оценява степента на защита на корпуса. Скоростта при която се достига до разрушаване, обикновено е с 50% по-висока от максимално допустимата скорост.
Тест на умора lcf – low-cycle fatigue – малоциклов тест на умора
Този тест проверява при какво натоварване на турбинните и компресорните колела се разрушават материалите от които са изработени. Той се прилага, за да се определят границите на натоварване на материалите на колелата. Компресорното или турбинното колело бива монтирано върху високооборотен изпитателен стенд, задвижван от електродвигател, и циклично, по определена зависимост, се ускорява и забавя. На база на резултатите при отчетения брой цикли и на кривата на Вьолер /крива, която показва зависимостта между уморната якост и броя цикли на натоварване/ може да бъде пресметнат очакваният живот при всеки един цикъл на натоварване.
Тестване на преливния клапан
По време на този тест се тестват допустимите натоварвания на металните компоненти и на диафрагмата, като на газов стенд се симулира реално натоварване в направление както по посоката на газовете, така и перпендикулярно на нея. Компонентите трябва да издържат 1,5 млн. цикли на натоварване, без да се разрушат. Това е приблизително двойно повече от онова, което компресорът трябва да издържи в реални условия на експлоатация.
Динамично оразмеряване на ротора
Въртеливото движение на ротора се влияе от пулсиращите сили на газовете в турбината. Механичните трептения на двигателя и отсъствието на идеален баланс на въртящите части стимулират вибрации на ротора. В лагерните хлабини могат да настъпят големи амплитуди, които да доведат до нестабилост особено при твърде ниско налягане или при твърде висока температура на маслото. В най-лошия случай това ще стане причина за метален контакт и прекомерно механично износване.
Движението на ротора се измерва и записва по метода на вихровите токове, с безконтактни датчици, разположени в сечението на входа на компресора. Във всички състояния и във всички работни точки амплитудите на ротора не трябва да надхвърлят 80% от максимално допустимата стойност. Движението на ротора не трябва да показва каквато и да е нестабилност.
Измерване на вибрациите на лопатките на турбината
Този метод позволява измерване на динамичните натоварвания на лопатките на турбината по време на работа на двигателя при най-високи температури. За измерване на натоварването като датчици се използват уреди, устойчиви на високи температури, които са монтирани върху лопатките на турбината в точктите на най-голямо натоварване. Получените сигнали се предават към измервателната апаратура с помощта на телеметрична система, която се върти заедно с турбокомпресора. При специфични скорости на въртене в лопатките могат да възникнат вибрации, които да застрашат сигурната работа на турбокомпресора и да преминат в резонансни явления.
Рискът от прекомерно динамично натоварване на лопатките на турбината се премахва, като вибрационнните характеристики на всички образци се проверяват и след това се оптимизират.
Тестване на уплътнителния пръстен
По време на работа маслото не трябва да навлиза в компресора или в турбината. По тази причина турбокомпресорът се тества заедно с двигателя върху тестов двигателен стенд при всички възможни стойности на натоварване и скорост.
За да се тества уплътнителният пръстен, който е към страната на компресора, на входа на компресора постепенно се създава подналягане с помощта на замърсен въздушен филтър. Не се допуска никакво проникване на масло в компресора, независимо какъв е работният режим.
За да се тества уплътнителния пръстен от страната на турбината, в картера на двигателя чрез блокиране на въздушната система на двигателя постепенно се създава налягане. И тук изискването е при каквито и да е обстоятелства да не се наблюдава изтичане на масло.
Тестване при пускане и спиране
Разликата в температурата на газовете от горещата страна на турбината и тези на входа на студения компресор може да достигне до 1000۫С на разстояние от само няколко сантиметра . Когато двигателят работи, маслото преминава през лагерите по такъв начин, че охлажда централния корпус, така че различните компоненти да не достигат критични температури.След като двигателят бъде изгасен, особено след високи натоварвания, в централният корпус може да се акумулира топлина, която да превърне маслото в кокс. Следователно от жизненоважно значение е да се определят максималните температури на компонентите в критичните състояния, така че да се избегне образуването на овъглено масло в областта на лагерите от страната на турбината и при уплътнителния пръстен.
Натрупаната в турбокомпресора топлина се измерва, когато двигателят бъде изгасен, след като е работил при пълно натоварване.След определен брой цикли елементите на турбокомпресора се преглеждат.Тестът е преминал успешно само ако максимално допустимите температури на компонентите не са били прехвърлени и се прецени, че количеството овъглено масло около лагерите е достатъчно малко.
Тестване на цикличната издръжливост
Цикличният тест включва проверката на всички компоненти и определянето на нивата на износването им.При този тест турбокомпресорът и двигателят работят неколкостотин часа при различни натоварвания. Нивата на износването се определят преди и след теста чрез прецизни измервания на съставните елементи.
Производство на турбокомпресора
Точност на размерите, съосност и качество на повърхнините
Функционирането и работните режими на турбокомпресорите изискват при производството да се спазват изключително малки допуски. Особено строги са изискванията към размерите и съосността на елементите, както и към качеството на повърхнините. Тъй като възелът „вал-турбинно колело” се върти с много висока скорост в корпуса, отклонения дори от само няколко хилядни от милиметъра могат да причинят разрушаване на лагерите и повреждане на турбокомпресора.
През последните 30 години процесът на производство на турбокомпресори непрекъснато се оптимизира.
Производсво на възел „вал-турбинно колело”
Отливане на турбинното колело
Турбинните колела са направени от устойчиви на висока температура никелови сплави, които са стопени и отлети във вакум. Керамичните форми на матриците се изработват с помощта на разтопен восък. За тази цел се правят точни восъчни копия, съответстветстващи на определени турбинни колела. Тези восъчни копия се групират в „гроздове” които се потапят неколкократно в керамичен разтвор, след което повърхностите им се почистват с песъкоструен апарат. По такъв начин около тях се изгражда огнеупорна керамична черупка дебела 6-10 мм. След като се изсуши и втвърди, тази черупка се подлага на нагряване, при което восъкът в нея се разтапя и излива.Докато кухите черупки още са горещи, в тях се налива стопеният метал.Следва охлаждане, сваляне на черупките и обработване на отливките.
Фрикционно заваряване
Турбинното колело се закрепва към вала чрез фрикционно заваряване. За да стане това, валът и маховикът се завъртат до над 1000 об/мин. След това въртенето на маховика се преустановява, а въртящият се вал се притиска към турбинното колело. Температурата в зоната на контакта между двете части става толкова висока, че металът се разтопява и те се заваряват една към друга.
Отнемане на напреженията
Фрикционно заваряване е съпроводено с възникване на напрежения, които са недопустими за възела. За тяхното снемане турбинният ротор през нарочна термообработка, която по същество е втора.
Престъргване на вала
Валът придобива окончателните си размери след престъргване. През тази част от производствения процес се налага да се спазват особено високи изисквания към точността на размерите и на формата. Диапазонът на допустимите отклонения е в рамките на само няколко хилядни от милиметъра. Освен това се шлифова контурът на турбинното колело и се изрязва каналът за уплътнителния пръстен, който впоследствие допълнително се валцува.
Балансиране на ротора
Изработеният по такъв начин турбинен ротор се уравновесява на специални балансиращи машини фиг 12 . Тази операция е изключително отговорна за ради свръхвисоките обороти, при които работи роторът – до около 300 000 об/мин. при леките автомобили.
Производство на компресорното колело
Производството на компресорното колело започва с еталонния образец, който е направен на 5-осова фреза с помощта на CAD-данните за конструкцията. Този еталонен образец се създава на базата на модел с действителни размери, куха метална черупка и смес от изкуствени смоли. Еталонният образец служи за направата на работещи гумени мостри чрез друг междинен процес на обработка. Гумените мостри се монтират върху еталонна плоскост и се затварят в кутия за отливане, в която след това се излива гипс. Когато гипсът изсъхне, гумените мостри се изваждат чрез завъртане. Гипсовата отливка се прикрепя добре между плоскостите на агрегата за отливане и се запълва с течен алуминий под налягане. След като металът се охлади, гипсът се сваля, а компресорното колело се подлага на термообработка.
Механична обработка на частите
Механичната обработка на компресорното колело започва със стругуване на външния диаметър и на задната страна, последвано от пробиване на централния отвор. Съосността между компресорното колело и пробития отвор се осигурява с помощта на специално закрепване. Впоследствие контурите на компресорното колело се стругуват, а повърхността на централния отвор се шлифова. Компресорното колело се балансира по същия начин както турбинният ротор.
Производство на турбинния корпус
Механичната обработка на отливките се осъществява с помощта на CNC-машина фиг 13 и представлява многоетапен процес. Първо се фрезуват повърхностите на отвора за изгорелите газове и на преливния отвор, след това се стругува контурът, а най-накрая се фрезува и шлифова отворът за входящите газове.Процесът завършва с монтиране на турбинния корпус и заваряване на запушващите елементи.
Производство на компресорния корпус
При масово производство компресорният корпус обикновено се изработва алуминиева сплав, отлята под налягане в пресформи. При по-малки серии се практикува гравитационно леене в пясъчни форми или в кокили, тъй като разходите за изработка на пресформи са твърде големи. Компресорните корпуси, отлети в матрици, не изискват много довършителни обработки благодарение на високата точност на размерите си и на доброто качество на повърхнините си. Стругуването на кунтура от вътрешната страна на корпуса и обработката на местата за уплътняване се поверяват на струг с програмно управление.Нарезите се правят с помощта на многошпинделни машини.
Обработка на централния корпус
Обработката на централния корпус е подобна на тазина турбинния корпус и се прави в модерни производствени цехове. Започва се със стругуване на централния отвор и на фланците за сглобяване, които се намират в краищата на компресора и турбината, като то се прави с помощта на многошпинделни машини с програмно управление. Следва фрезуване чрез CNC-фрези на отворите, през които постъпва и се оттича маслото, както и на входящите и изходящите отвори за водата. После се извършват довършителните обработки на останалите отвори и нарези. Едва след това централният корпус се комплектува със свързващи фланци и се тества на плътност.
Монтаж
Монтажът може да бъде разделен на две части:монтаж на вътрешните елементи и монтаж на корпуса.След като завърши монтажът на вътрешните елементи, роторът заедно с въртящите се детайли отново се балансира при високи обороти.
Вътрешният монтаж включва монтирането на лагерите, на роторния възел, на компресорното колело и на задния капак на компресора.По време на сглобяването лагерните елементи се монтират в централния корпус, а валът и турбинното колело в комплект с подходящите уплътнителни пръстени се поставят в лагерите. След това се монтират осовите лагери и се прикрепя задният капак. Компресорното колело се поставя върху свободния край на вала и се фиксира с гайка.
Монтажът на вътрешните детайли се осъщесвява на индивидуални работни места или в монтажни клетки, като и в двата случая основната цел е постигането на минимален брой дефекти. Днес масовото производство на турбокомпресори е довело до все по голяма автоматизация на монтажа.
Съществуват различни процедури за проверка на качеството на окончателното сглобяване на вътрешните детайли.Роторът се балансира в съответствие с изискванията, поставени за определения му работен диапазон. Тогава вътрешните възли се сглобяват с турбината, с компресорния корпус и с другите елементи, така че да се получи завършен турбокомпресор. Последната операция е поставянето на контролните елементи, т.е на преливния клапан и на механизма, който променя геометрията на турбината.
Наличните устройства за сглобяване позволяват турбокомпресорите да бъдат напълно сглобени, изпитани и балансирани.Следва опаковане в специални кутии, които са различни за различни клиенти и доставка „точно навреме”.