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.
