Чем охлаждается турбина двигателя

Турбонаддув – принцип работы

Устройство турбины автомобиля не сложное, она состоит из:

• Улитки компрессора, которая всасывает воздух, а затем нагнетает его в коллектор впуска;
• Улитки, расположенной в горячей части – здесь выхлопные газы заставляют вращать турбину, после чего выбрасываются в систему отработанных газов на выход;
• Крыльчатки компрессора, а также ее аналога в горячей части;
• Шарикоподшипникового картриджа;
• Корпуса, соединяющего улитки, имеющего систему охлаждения и системы подшипников.

Устройство и особенности турбины

Агрегат состоит из двух устройств — турбины и компрессора. Задача первой преобразовывать энергию выхлопных газов, а второго — подавать сжатый воздух в цилиндры. «Крыльчатки» — главные составляющие части этой системы, представляют собой два лопастных колеса (компрессорное и турбинное).

По своей сути компрессор — это насос, его единственная задача заключается в подаче сжатых атмосферных воздушных масс в цилиндры. Кислород необходим для сжигания топлива, чем больше его поступит, тем больше силовой агрегат сможет сжечь. В результате это приводит к значительному увеличению мощности движка без физического увеличения объёма или количества цилиндров. Система турбонаддува состоит из следующих компонентов:

• корпус компрессора;
• корпус турбины;
• корпус подшипников;
• компрессорное колесо;
• турбинное колесо;
• ось или вал ротора.

В турбонаддуве основным элементом выступает ротор, который защищается корпусом и крепится к специальной оси. И сам ротор, и корпус турбины изготавливаются из термостойких сплавов — это необходимо из-за того, что они находятся в постоянном контакте с газами высокой температуры.

Ротор и крыльчатка вращаются в разных направлениях с большой скоростью — такое решение обеспечивает их плотный прижим друг к другу. Принцип работы в следующем:

1. Отработанные газы поступают в выпускной коллектор.
2. Затем — в специальный канал, расположенный в корпусе нагнетателя, который выполнен в форме улитки.
3. В «улитке» газы разгоняются до большой скорости и подаются на ротор.

Благодаря такому принципу и обеспечиваются вращение турбины. Что касается оси турбонагнетателя, то она крепится на специальных подшипниках скольжения и смазывается за счёт поступления жидкости из моторного отсека. Утечка смазочной жидкости предотвращается благодаря наличию прокладки и уплотнительным кольцам. Кроме того, дополнительную герметизацию обеспечивают смешанные и отдельные потоки отработанных газов и воздуха. Такое технологическое решение не обеспечивает гарантии в 100%, что выхлоп не попадёт в сжатый воздух, однако система этого и не требует.

• Простая конструкция;
• Удешевление турбокомпрессора.

• Меньшая эффективность в сравнении с системой, где выполняется использование антифриза с маслом;
  Высокая требовательность к составу масла;
• Необходимость часто его менять;
• Требовательность к контролированию температурного режима.

Турбина с масляным охлаждением

Изначально устройство турбокомпрессора имело только масляное охлаждение, которое быстро достигало высоких температур, проходя через подшипники. Такое масло начинает сразу закипать, возникает эффект коксования, из-за которого забиваются каналы, существенно ограничивая доступ охлаждения и смазки к подшипникам.

В результате подшипники изнашиваются, их заклинивает, необходим дорогостоящий ремонт. У такой неполадки имеется несколько причин:

• Некачественное или не то, которое рекомендовано для двигателя масло;
• Превышение сроков замены масла;
• Неисправности смазочной системы двигателя автомобиля.

Охлаждение шариковых турбин

Шариковые турбины. Охлаждение

Многие автомобилисты сомневаются в необходимости водяного охлаждения среднего корпуса турбины и по этому поводу возникают множество вопросов. Практика показала, что шариковые турбины могут выйти из строя при отсутствии водяного охлаждения либо при его неверной организации.

Для чего необходимо водяное охлаждение турбины?

Во-первых, наличие водяного охлаждения удлиняет жизнь турбокомпрессора! Многие турбины разработаны без водяного охлаждения. Они охлаждаются воздухом и смазывающим маслом, которое через них протекает. Шариковые турбокомпрессоры Garrett серий Т, GT и GTX изначально разрабатывались с учетом наличия водо/масляного охлаждения. Порты подачи/слива охлаждающей жидкости находятся с обеих сторон среднего корпуса турбокомпрессора и расположены под 90 градусов к портам подачи/слива масла с турбины.

Тепло от сгорания топлива проходит через выпускной коллектор и турбинную «улитку» турбокомпрессора. Часть этого тепла передается лопаткам турбинного вала. Если система охлаждения организована неверно, то это может привести к выходу из строя узла подшипников качения и уплотнительного кольца турбинного вала.

Как работает водяное охлаждение турбокомпрессора?

Водяной насос двигателя создает давление, за счет которого охлаждающая жидкость прокачивается через средний корпус турбины. Но даже тогда, когда двигатель выключен, движение охлаждающей жидкости сквозь средний корпус не прекращается благодаря конвекции.

Теплопередача является основным источником проблем, связанных с перегревом турбин. Эта разрушительно высокая температура приходит из системы выпуска. Во время интенсивного использования турбины большое количество тепла из двигателя поступает в выпускной коллектор, турбинную «улитку» и на лопатки турбинного вала. Эти детали рассчитаны на то, чтобы работать при высоких температурах. Однако часть этого тепла (в соответствии с законами физики) будет проникать в области с менее высокими температурами, а именно в узел с шариковыми подшипниками и в стержень турбинного вала и другие детали, которые с ними контактируют.

При работе двигателя большая часть тепла передается смазывающему маслу, предотвращая перегрев уплотнительных колец. Как только двигатель включается, прекращается и поток смазывающего масла. Но вся высокая температура выхлопа остается в выпускном коллекторе и турбинной «улитке». Эта высокая температура посредством теплопроводности переходит в средний корпус турбины, в downpipe и в окружающий воздух подкапотного пространства в виде излучения и конвекции. Однако значительная часть тепла всё же перейдет в средний корпус турбины, так как там наиболее низкая температура. Дополнительная часть температуры перейдет от лопастей турбинного вала в стержень турбинного вала и далее в группу шариковых подшипников. Вследствие этого средний корпус и все детали внутри него нагреты в данной фазе больше, чем при работающем двигателе. Эффект такого перегрева будет усугублен большим А/R турбинной «улитки», которая аккумулирует больше тепла.

Последствия недостаточного охлаждения турбины

Узел шариковых подшипников и уплотнительные кольца могут пострадать от перегрева. Узел шариковых подшипников выполнен из жаропрочных материалов, но показатели работоспособности подшипников начинают резко ухудшаться при температуре, превышающей 150 градусов Цельсия. Температура может показаться низкой по сравнению с максимально допустимой температурой выхлопных газов, которая составляет 980 градусов Цельсия. Но средний корпус предохраняют от температуры несколько «линий обороны»: жароотражатель между лопастями турбинного вала и средним корпусом, уменьшающий теплопередачу и контакт между средним корпусом и турбинной «улиткой»; масляное и водяное охлаждение среднего корпуса во время работы двигателя и конвекционное охлаждение водой после остановки двигателя. Водяная рубашка шариковой турбины сконструирована так, чтобы огибать внешнюю обойму узла шариковых подшипников и удерживать температуру в этом узле ниже установленных пределов для предотвращения его поломки. Когда вода для охлаждения не используется или охлаждение организовано неверно, то температура в узле подшипников превышает предельно допустимые значения и приводит к увеличению зазора внутри подшипников, задевания турбинного и компрессорного колес за турбинную и компрессорную «улитки» и отказа турбины. Если температура в узле подшипников слишком высокая и при этом скорость вращения турбинного вала выше номинальной, может произойти заклинивание подшипника и катастрофического разрушения турбины. К турбинам, работающим при высоком давлении и высокой скорости вращения турбинного вала, предъявляются повышенные требования к установке и устройству линий водяного охлаждения турбины. Параметры экстремального давления наддува меняются от турбины к турбине, но в среднем составляет давление свыше 1,7 бара избытка.

Так, каждый из подшипников узла оснащен сепаратором, который удерживает шарики. Повышение температуры выше допустимой может повредить сепараторы и привести к катастрофическому разрушению турбины.

Высокие температуры способны повредить не только узел шариковых подшипников, но и разрушить уплотнительные кольца. Когда масло перегрето, оно окисляется и образуется кокс — твердое вещество на основе углерода. Уплотнительное кольцо изготавливается из специальной жаропрочной нержавеющей стали. Оно располагается в углублении турбинного вала и прижимается к седлу среднего корпуса. При образовании кокса данный узел заполняется им, что приводит к местному перегреву и деформации уплотнительного кольца. При остывании происходит пластическая деформация уплотнительного кольца и, как следствие, потеря работоспособности данным узлом и утечка масла в турбинную часть турбокомпрессора.

Список операций для организации водяного охлаждения турбины:

1. Установите порты водяного охлаждения турбины в пределах 20 градусов от горизонтали.

2. Выберете место соединения системы охлаждения двигателя и турбины. Турбина может быть подсоединена в линию печки.

3. Важно правильно выбрать водяные магистрали.

4. Присоедините патрубок более холодной воды в нижний порт водяного охлаждения турбины.

5. Присоедините патрубок более горячей воды в верхний порт водяного охлаждения турбины.

6. При использовании жестких металлических магистралей, проследите, чтобы они не пострадали от вибрации.

7. Для герметизации соединения водяных портов используйте медные шайбы.

8. После установки турбины проверьте и внимательно следите за уровнем охлаждающей жидкости.

9. Проконтролируйте отсутствие паровых пробок в системе охлаждения.

Основные элементы системы турбонаддува

Устройство системы турбонаддува, включающей в себя турбину, во многом схоже с системой, в которой используется нагнетатель. Однако их не стоит путать. В обоих случаях речь идет о довольно сложных системах, призванных повысить эффективность работы двигателя без ощутимого увеличения расхода топлива. Главное здесь – увеличить объем подаваемого воздуха

, который идет на создание топливовоздушной смеси . Итак, в тандеме с турбиной работают следующие элементы, объединенные в единую систему:

• Воздухозаборник, оснащенный воздушным фильтром;
• Турбокомпрессор;
• Интеркулер, снижающий температуру воздуху;
• Турбина;
• Коллекторы впускные.

В наиболее современных агрегатах также имеются дополнительные клапаны

, обеспечивающие цикличную подачу воздуха, а также поддержание оптимального давления за счет отвода излишков воздуха. В некоторых случаях турбонагнетатель оснащен аж двумя турбина. Напоминаем, что вне зависимости от количества турбин, в тандеме с ними должен работать интеркулер . Он охлаждает всасываемый воздух, тем самым повышая его плотность. В единице объема воздуха низкой плотности содержится меньше кислорода, чем в том же объеме охлажденного плотного воздуха.

Внедрение воздухоохладителей в КВОУ (комплексное воздухоочищающее устройство)

Принцип работы [ править | править код ]

Принцип работы основан на использовании энергии отработавших газов. Поток выхлопных газов попадает на крыльчатку турбины (закреплённой на валу), тем самым раскручивая её и находящиеся на одном валу с нею лопасти компрессора, нагнетающего воздух в цилиндры двигателя. Так как при использовании наддува воздух в цилиндры подаётся принудительно (под давлением), а не только за счёт разрежения, создаваемого поршнем (это разрежение способно взять только определённое количество смеси воздуха с топливом), то в двигатель попадает большее количество смеси воздуха с топливом. Как следствие, при сгорании увеличивается объём сгораемого топлива с воздухом, образовавшийся газ находится под большим давлением и соответственно возникает большая сила, давящая на поршень. [ стиль ]

Как правило, у турбодвигателей меньше удельный эффективный расход топлива (грамм на киловатт-час, г/(кВт·ч)) и выше литровая мощность (мощность, снимаемая с единицы объёма двигателя — кВт/л), что даёт возможность увеличить мощность небольшого мотора без увеличения оборотов двигателя.

Вследствие увеличения массы воздуха, сжимаемой в цилиндрах, температура в конце такта сжатия заметно увеличивается и возникает вероятность детонации. Поэтому конструкцией турбодвигателей предусмотрена пониженная степень сжатия, применяются высокооктановые марки топлива, предусмотрен промежуточный охладитель наддувочного воздуха (интеркулер), представляющий собой радиатор для охлаждения воздуха. Уменьшение температуры воздуха требуется также и для того, чтобы плотность его не снижалась вследствие нагрева от сжатия после турбины, иначе эффективность всей системы значительно упадёт. [ стиль ] Турбонаддув особенно эффективен в дизельных двигателях тяжёлых грузовых автомобилей. Он повышает мощность и крутящий момент при незначительном увеличении расхода топлива. [ источник не указан 1012 дней ] Находит применение турбонаддув с изменяемой геометрией лопаток турбины в зависимости от режима работы двигателя.

Наиболее мощные (по отношению к мощности двигателя) турбокомпрессоры применяются на тепловозных двигателях. Например, на дизеле Д49 мощностью 4000 л.с. установлен турбокомпрессор мощностью 1100 л.с. [ источник не указан 1012 дней ]

Наибольшей (по абсолютной величине) мощностью обладают турбокомпрессоры судовых двигателей, которая достигает нескольких десятков тысяч киловатт (двигатели MAN B&W). [ источник не указан 1012 дней ]

Достоинства и недостатки системы турбонаддува

Подводя итоги, можно выделить плюсы и минусы использования на моторе турбонаддува. В числе достоинств:

• увеличение мощности двигателя;
• повышение КПД двигателя;
• снижение расхода топлива.

К минусам можно отнести:

• низкий крутящий момент на малых оборотах двигателя;
• более высокая стоимость;
• более сложное обслуживание и эксплуатация.