Что такое турбина?

Конструктивные особенности. Основой системы турбонаддува двигателя и в то же время наиболее сложным ее элементом является турбокомпрессор. Турбокомпрессор состоит из ротора - вала с колесами турбины и компрессора, подшипников, уплотнений ротора и корпусных деталей.

Ротор раскручивается турбиной до очень высокой частоты вращения - 40-250 тыс. мин-1 и более. Обычно чем меньше объем двигателя, тем меньше размеры турбокомпрессора и тем выше максимальная частота вращения ротора, которая достигается на режимах полной нагрузки двигателя. Высокая частота вращения определяет очень серьезные требования к точности изготовления ротора, конструкции и материалам его подшипников. Ротор турбокомпрессора представляет собой выполненный за одно целое с колесом турбины вал, на другой стороне которого установлено колесо компрессора.

Компрессор фиксируется на валу гайкой, а вся конструкция балансируется динамически на рабочих частотах. Биение поверхности вала должно быть очень мало - порядка нескольких микрон, а дисбаланс всего ротора - не более 0,01 - 0,02 г-см. Превышение этих величин обычно приводит к ускоренному износу и разрушению подшипников и ротора. Ротор установлен в подшипниках скольжения специальной "плавающей" конструкции - бронзовая втулка имеет зазор 0,03 - 0,04 мм по валу и 0,03 - 0,06 м м в корпусе. При этом втулка вращается со скоростью меньшей, чем вал. Этим обеспечивается работоспособность подшипника при высоких скоростях вращения, т.к. снижается относительная скорость скольжения деталей. Кроме того, такая конструкция опор обеспечивает их "податливость", т.е. способность небольших радиальных перемещений под действием нагрузки. Ротор турбокомпрессора является "гибким" - его рабочая частота вращения превышает частоту собственных колебаний ( так называемую критическую частоту). Очень большое значение имеет гидродинамический подпятник, удерживающий ротор от осевых перемещений. Между подшипником и соответствующим колесом (компрессора или турбины) устанавливаются уплотнения с целью исключения попадания масла в газовоздушный тракт двигателя. Со стороны компрессора применяют различные типы уплотнений. Встречается конструкция, аналогичная уплотнению подшипника турбины. Иногда используется торцевое уплотнение с графитовым кольцом.

Корпус турбокомпрессора имеет каналы подвода и слива масла, а у некоторых двигателей - еще и каналы для жидкостного охлаждения. На корпусе устанавливаются "улитки" компрессора и турбины. При этом зазор между внутренней поверхностью "улитки" и лопатками колеса должен быть очень малый. Зазор более 0,3 - 0,5 мм сильно снижает КПД турбины (компрессора), что заметно уменьшает мощность и крутящий момент двигателя на средних и высоких частотах вращения и нагрузках. Наиболее распространена конструкция с фиксацией "улитки" компрессора на корпусе с помощью стопорного кольца, при этом "улитка" турбины крепиться болтами. Несмотря на кажущуюся простоту, турбокомпрессор является очень сложным агрегатом. Работа двигателей с турбонаддувом предполагает использование масел высокого качества с пологой характеристикой вязкости по температуре. Этим требованиям удовлетворяют современные синтетические масла. Выход из строя турбокомпрессора обычно связан с неправильной эксплуатацией, когда масло низкого качества коксуется в турбокомпрессоре, закрывая отверстия для смазки подшипников, что приводит к задирам, повреждениям, ускоренному износу подшипников.

Рекомендации по ремонту и эксплуатации.

Ротор турбокомпрессора при работе двигателя на режимах максимальной мощности вращается с частотой, обычно превышающей 100 - 120 тыс. мин-1. Поэтому любые перебои с подачей масла или его низкое качество приводят к ускоренному износу подшипников и уплотнений ротора. При дальнейшей эксплуатации износ быстро прогрессирует, возникает задевание лопаток рабочих колес ротора за корпус - появляется характерный "визг" турбокомпрессора на некоторых режимах. Нагрузки на ротор возрастают настолько, что он деформируется. Далее после непродолжительной работы происходит его разрушение. На такой стадии ремонт требует замены ротора в сборе. Вследствие высоких нагрузок на подшипники и требований к качеству масла и его фильтрации турбокомпрессор является "слабым" агрегатом двигателя с турбонаддувом. Поэтому при сложном ремонте двигателей необходимо контролировать состояние турбокомпрессора, особенно для двигателей с пробегом более 150 - 200 тыс.км. Турбокомпрессор является прецизионным агрегатом - допуски на изготовление и деформацию деталей в эксплуатации обычно не превышают нескольких микрон. В связи с этим для его ремонта необходимо иное, значительно более точное, оборудование, нежели для остальных узлов и агрегатов двигателя. Сигналом к необходимости ремонта или замены турбокомпрессора служит увеличение расхода масла свыше 1,0-1,2 л/100 км.

Для того, чтобы убедиться в неисправности именно турбокомпрессора и не спутать причину увеличения расхода масла (например, вследствие износа деталей ЦПГ), необходимо снять патрубки, соединяющие компрессор со впускным коллектором и воздушным фильтром. При неисправных уплотнениях на выходе из компрессора в патрубке обнаруживается много масла, особенно, если патрубок гофрированный. В компрессоре также обычно скапливается масло, иногда даже в виде "лужи" на входе в компрессор. При разрушении поршней и возрастании давления в картере масло может поступать на вход турбокомпрессора через систему вентиляции. В таких случаях определить причину наличия масла в компрессоре и его патрубках достаточно сложно, особенно на неработающем двигателе. По внешним признакам можно также оценить степень повреждения деталей, чтобы определить возможность ремонта. При осмотре турбокомпрессора не должно быть чрезмерного (более 0,3 мм) радиального люфта ротора, а на лопатках компрессора и турбины не должно быть следов задевания за корпус (а также гнутых или поломанных лопаток). Турбокомпрессор с поврежденными лопатками уже не подлежит ремонту из-за недопустимой деформации ротора и должен быть заменен. В заключение необходимо рассмотреть еще один вопрос, имеющий практическое значение и связанный с турбокомпрессорами. Встречаются ситуации, когда турбокомпрессор выходит из строя, а автомобиль все же должен эксплуатироваться. Существует несколько вариантов решения проблемы. Основная задача здесь - исключить поступление масла в газовоздушный тракт двигателя через разрушенные уплотнения турбокомпрессора. Это можно сделать следующим образом:

1. Перекрыть трубопровод подачи масла в турбокомпрессор, не разбирая его;
2. То же, но, разобрав агрегат и установив вместо ротора заглушку, препятствующую перетеканию газов из выпускной системы во впускную;
3. Демонтировать турбокомпрессор, установив на его место специально изготовленный выхлопной патрубок и удлинив впускной трубопровод.

Все варианты достаточно просты и отличаются только уровнем падения мощности двигателя. В первом и втором случае к отсутствию наддува добавляется сопротивление, как во впускной, так и в выпускной системе. А при демонтаже турбокомпрессора двигатель будет работать, как обычный атмосферный - здесь потери мощности будут происходить только по причине пониженной степени сжатия и несоответствия настроек ГРМ.