Чем охлаждается турбина на дизельном двигателе
Охлаждение турбины дизельного двигателя
Обладатели турбомоторов часто задаются вопросом касательно необходимости охлаждения турбины перед тем, как заглушить мотор. Подобное охлаждение предполагает несколько минут работы ДВС на холостом ходу. Для получения точного ответа необходимо выяснить, в каких условиях работает турбокомпрессор двигателя. Отработавшие газы несут в себе большое количество полезной энергии, которая получена в результате сгорания топлива в цилиндрах. Перенаправление потока выхлопа на турбинное колесо позволяет реализовать эффективный привод для компрессора. Так удается получить нагнетание воздуха под давлением без отбора мощности у ДВС, что принципиально отличает турбокомпрессор от механического нагнетателя.
Турбонагнетатель является осью, на концах которой присутствуют колеса с лопатками. Выделяют турбинное и компрессорное колесо. Указанные колеса находятся в специальных корпусах. Нагнетатель ставится в выпускном тракте, так как турбинное колесо вращается от контакта с отработавшими газами. Такое вращение позволяет компрессорному колесу вращаться параллельно, засасывать и сжимать воздух для подачи в цилиндры двигателя.
Условия работы турбины
Температура выхлопных газов дизельного двигателя на выходе перед турбиной составляет в среднем 750-850 градусов по Цельсию. Бензиновые агрегаты имеют еще более разогретый выхлоп. Такие раскаленные газы движутся с большой скоростью и встречаются с турбинным колесом.
Турбокомпрессор отличается высокой производительностью и потребляет достаточно много энергии отработавших газов (в среднем около 25-30 кВт и более). Турбодизель с рабочим объемом 2.0 литра в режиме холостого хода потребляет около 800 литров воздуха за 60 секунд. В режиме максимальной мощности данный показатель доходит до 4 м3. Если учесть, что турбокомпрессор также нагнетает избыток давления до 1 атмосферы, тогда общий объем нагнетаемого устройством воздуха намного больше.
В режиме холостого хода отработавшие газы дизеля имеют температуру около 100 градусов по Цельсию и движутся с небольшой скоростью. Для эффективного вращения колеса турбины и параллельного вращения компрессорного колеса этой энергии достаточно только для того, чтобы турбокомпрессор не препятствовал проходу через него воздуха в объеме, который необходим для поддержания стабильной работы ДВС на холостых оборотах.
Охлаждение и смазка турбокомпрессора
Колесо турбины выполнено из специальной жаропрочной стали, компрессорное колесо изготавливают из сплавов алюминия. Разные материалы применяются для снижения инерционности турбины. Вал турбины (ось, стержень) закреплен и вращается в плавающих подшипниках скольжения. Также в некоторых турбокомпрессорах могут использоваться шариковые подшипники.
Для смазки подшипников турбокомпрессора реализован подвод моторного масла из системы смазки двигателя. Кроме снижения потерь на трение и препятствования износу трущихся элементов смазка турбины также выполняет важную функцию по отводу тепла из области трения.
В трущихся элементах турбины выделяется большое количество тепла. Сама ось нагнетателя нагревается от контакта с разогретым турбинным колесом, нагрев еще более усиливается в результате высокой частоты вращения и возникающего трения. Во время работы ДВС масло активно подается к подшипникам, охлаждая их. Если мотор сразу заглушить после серьезных нагрузок на двигатель, тогда нагретая ось остановится практически сразу после остановки двигателя. Подача масла к подшипникам сразу прекращается, а сам вал и подшипники усиленно нагреваются от раскаленного колеса турбины. Сильный нагрев приводит к тому, что масло в турбине начинает закоксовываться.
В момент последующего пуска турбомотора закоксовавшееся масло и отложения препятствуют нормальному доступу свежей смазки в первые секунды после запуска. Вполне очевидно, что присутствует сильный износ подшипников турбины. Для решения этой проблемы рекомендуется не сразу глушить мотор после езды, а дать силовому агрегату поработать на холостых оборотах от 2-х до 5-и минут. Температура выхлопа на холостом ходу упадет до 100 градусов Цельсия, интенсивность вращения турбины снизится. Этого времени будет достаточно для того, чтобы колесо турбины и ось успели охладиться до такой температуры, когда коксования масла не произойдет после остановки ДВС. Отсутствие кокса значительно продлевает ресурс турбины дизельного или бензинового двигателя.
Водитель останавливает машину, вынимает ключ из замка зажигания и может сразу покинуть автомобиль. Двигатель продолжает работать еще несколько минут, после чего будет заглушен автоматически. Единственным неудобством можно считать то, что приходится постоянно пользоваться стояночным тормозом и следить за его исправностью, так как сразу поставить автомобиль на передачу при наличии МКПП нельзя.
Почему масло попадает в интеркулер. Локализация и устранение возможных неисправностей своими руками. Как самому промыть и очистить инетркулер от масла.
От чего зависит срок службы турбонагнетателя дизельного ДВС. Особенности и рекомендации касательно эксплуатации и ремонта турбин с изменяемой геометрией.
Когда и почему возникает необходимость настроить актуатор турбокомпрессора. Принцип работы устройства, особенности и доступные способы настройки вестгейта.
Устройство турбокомпрессора, главные элементы конструкции, выбор турбины. Преимущества и недостатки бензиновых и дизельных двигателей с турбонаддувом.
Выбор механического нагнетателя или турбокомпрессора. Конструкция, основные преимущества и недостатки решений, установка на атмосферный тюнинговый мотор.
Возможность установки турбокомпрессора на двигатель с карбюратором. Основные преимущества и недостатки турбонаддува на карбюраторном авто.
Так ли страшна турбина? Как правильно ездить с турбомотором и сколько может стоить ремонт
В России панически боятся турбированных моторов, предпочитая менее мощные и эффективные «атмосферники». Разбираемся, как не «убить» турбину раньше срока и во сколько встанет ее обслуживание или замена.
В нашей прошлой публикации мы уже сравнивали турбированный и атмосферный моторы, пытаясь понять, в чем их отличие и какой из них лучше выбрать. Допустим, что вы уже приобрели машину с наддувным двигателем или вот-вот собираетесь ее купить.
Как устроена турбина?
В общем-то, турбокомпрессор устроен просто. Главная деталь — это картридж. Внутри него размещается вал, а с двух противоположных концов к этому валу прикреплены турбинные колеса. Для того чтобы вал нормально вращался и не грелся, к нему под давлением подается моторное масло. Также к картриджу идет и трубка с антифризом для дополнительного охлаждения.
По бокам к корпусу картриджа прикреплены две «улитки» — горячая и холодная, внутри которых вращаются турбинные колеса. В горячую поступают выхлопные газы, раскручивают колесо, а затем «улетают» в выхлопную трубу через боковое отверстие улитки. Турбоколесо в холодной улитке всасывает чистый атмосферный воздух из впускного тракта и гонит его под сильным давлением дальше во впускной тракт к цилиндрам мотора.
Такова общая схема турбины, и мы не будем сейчас вдаваться в тонкости конструкции и различные варианты компоновки. Впрочем, стоит упомянуть новое поколение турбин, где масло подается под более низким давлением, а вал вращается в очень дорогих и сверхпрочных шариковых подшипниках.
Будет ли турбина «есть» масло?
Как мы уже говорили, без масла турбина работать не может. Обычно для герметизации вращающихся валов используют резиновые сальники (как в двигателе и коробке передач), но никакие сальники не смогут выдержать режимы работы турбины. Рабочая температура в ней достигает тысячи градусов, а частота вращения валов — сотен тысяч оборотов в минуту. Это намного более суровые условия, чем в моторе.
Валы и втулки в турбине подогнаны друг к другу с очень высокой точностью, и за счет этого масло не должно сочиться сквозь них, если турбина исправна. Но как только зазоры увеличиваются, масло через «холодную» часть турбины засасывает во впускной коллектор двигателя вместе с нагнетаемым воздухом. В таких случаях говорят, что «турбина гонит масло».
Из-за чего это происходит?
Каков ресурс турбины?
Здесь все очень индивидуально и зависит от стиля езды. В среднем на бензиновых двигателях ресурс турбины составляет 150 тысяч километров. На дизельных двигателях — 250 тысяч километров. Однако если ездить быстро, перекручивая двигатель и турбину, то ресурс может сократиться и до 100, и до 60 тысяч.
Как понять, что турбина просится в ремонт?
Главный признак скорой кончины турбины — синеватый дым из выхлопной трубы. Его появление означает, что в цилиндрах вместе с топливовоздушной смесью сгорает масло. Весьма вероятно, что во впуск это масло попало именно через турбину. Чтобы провести диагностику, не нужно обладать дипломом автослесаря. Достаточно иметь книжку по устройству автомобиля, где нарисовано расположение узлов под капотом, и немного свободного времени.
Еще иногда на приборной доске турбированных автомобилей есть указатели температуры и давления турбины. Соответственно температура не должна быть повышенной, а давление — пониженным.
Все эти советы обязательно нужно учесть, если вы покупаете турбированную машину с пробегом. Турбина — вещь дорогостоящая, и ее дефект может обернуться для вас, как для будущего владельца, крупными затратами.
Сколько стоит ремонт турбины и что в ней ремонтируется?
Когда турбина выходит из строя, можно пойти тремя путями.
Поменять турбину целиком. Чаще всего это совершенно лишняя затея, потому как масло гонит картридж, а корпуса-«улитки» остаются целыми и менять их не нужно. Замену турбины в сборе любят предлагать официальные дилеры и мультибрендовые сервисы, мастера на которых плохо разбираются в турбинах и ставят задачу получить с клиента максимум денег.
Почем? Cнятие, отсоединение трубок подачи масла и антифриза и установка турбины обратно стоит около 4 000 – 5 000 рублей.
Поменять картридж турбины. Под замену идет исключительно сам рабочий элемент турбокомпрессора — корпус с валом и крыльчатками. Поменять готовый картридж может даже мастер, который не специализируется на турбинах. Задача состоит в том, чтобы открутить несколько гаек крепежа, а потом закрутить их обратно.
Почем? Стоимость картриджа с заменой — около 15 000 – 20 000 рублей.
Отремонтировать картридж. Такая работа под силу исключительно мастерам специализированных автосервисов. Турбину разбирают полностью, моют ультразвуком, выявляют изношенные элементы и меняют их. Корпус картриджа растачивают на токарном станке, а затем всю конструкцию балансируют в два этапа, чтобы на скорости до 150 – 200 тысяч оборотов в минуту не было вибрации. Затем еще в картридж закачивают под давлением масло, чтобы проверить на герметичность.
Почем? Цена ремонта турбины зависит от массы факторов и колеблется от 7 000 до 25 000 рублей. Важно понимать, что если мастера называют серьезную сумму, то зачастую проще купить новую турбину.
Расценки на новые и восстановленные турбины разных производителей
Стоимость новой, руб.
Стоимость восстановленной, руб.
Стоимость аналогов, руб.
Volkswagen Passat (1998-2005), Audi A4 (1999-2008), Audi A6 (1998-2005)
Volkswagen Crafter, Saab 9-5, Subaru Forester
дизельные Ford Mondeo (2007-2014), Ford S-Max (2007-2014)
Обратите внимание: автомобильные концерны практически никогда не разрабатывают турбины самостоятельно и чаще всего прибегают к помощи компаний, которые на этом специализируются (например, KKK, Borg Warner или Garrett). При этом та же турбина Garrett 760774-5003S под брендом Ford будет стоить в полтора-два раза дороже, чем под собственным именем. Мораль такова: прежде чем платить огромные деньги за «оригинальные» запчасти, узнайте, кто их поставляет производителю и заказывайте у них.
Как нужно ездить, чтобы продлить жизнь турбине?
Понятное дело, что чем активнее ездить, тем быстрее турбина придет в негодность. Но, помимо этой очевидной зависимости, есть еще несколько полезных советов.
У каждого мотора есть свои нюансы. Если хотите максимально обезопасить себя от преждевременной смерти турбины, узнайте эти тонкости у специалистов. При покупке новой машины помогут мастера дилерского центра, а если берете подержанную, то обратитесь на специализированную СТО, которая занимается конкретно этой маркой. Также весьма полезным будет поговорить с мастерами автосервиса, ремонтирующими турбины.
Принцип работы турбины на дизеле
Принцип работы турбины на дизельном двигателе
Мотор, на который установлен турбонаддув, называется турбодизелем.
Устройство турбины дизельного двигателя
Турбокомпрессор выполняет задачу по нагнетанию воздуха под давлением в цилиндры мотора: чем больше будет воздуха, тем больше топлива силовой агрегат сможет сжечь, что, в свою очередь, приведет к увеличению мощности двигателя без увеличения объема имеющихся цилиндров.
Турбонаддув имеет особую конструкцию из двух элементов:
Компрессор усиливает поступление воздуха в топливную систему. Составные части компрессора находятся в алюминиевом корпусе. Внутри находится ротор, закрепленный на оси турбины. Вращаясь, ротор вбирает воздух: большая скорость вращения приводит к большему количеству попавшего внутрь воздуха. Для набора скорости существует турбина.
Турбина состоит из корпуса с ротором внутри. Поскольку все элементы устройства взаимодействуют с газами высокой температуры, они изготавливаются из специальных материалов, невосприимчивых к такому воздействию.
Как работает турбина на дизельном двигателе
Ротор и ось, на которой он закреплен, вращаются в разных направлениях. Частота вращения довольно велика, поэтому элементы плотно прижимаются друг к другу.
Принцип работы турбины на дизельном двигателе следующий:
Таким образом, принцип работы основывается на взаимосвязи: чем сильнее вращается ротор, тем больше поступает воздуха, но при этом ротор увеличивает скорость вращения, если количество воздуха возрастает.
Как работает турбонаддув
Чтобы разобраться в работе турбонаддува, для начала следует уяснить понятия турбоподхвата и турбоямы.
Турбоподхват – ситуация, когда набравший скорость ротор увеличивает поступление воздуха в цилиндры, следствием чего становится повышение мощности двигателя.
Турбояма – момент небольшой задержки, наблюдаемый в работе турбины при увеличении количества поступившего горючего, что достигается нажатием на педаль газа. Задержка вызвана временем, которое нужно ротору для его разгона газами.
Турбонаддув увеличивает давление отработанных газов за счет более интенсивной работы двигателя. В то же самое время повышается и давление наддува: этот процесс требует контроля и регулировки, поскольку при достижении высоких значений велика вероятность поломки. Функции регулировки давления возложены на клапан, контролем предельно возможных значений занимаются мембрана и пружина с определенными значениями жесткости (когда достигается максимально допустимая величина, мембрана открывает клапан).
Работа турбины дизельного двигателя также требует контроля давления:
Минусы использования турбокомпрессора
У устройства есть определенные недостатки:
Турбированный мотор: правила эксплуатации
Чтобы дизельная турбина работала с максимальным КПД и как можно дольше не выходила из строя, нужно придерживаться определенных правил в процессе эксплуатации автомобиля:
Как работает турбина: видео
Что такое турбо-яма?
Крыльчатка турбокомпрессора способна развивать до двухсот тысяч оборотов в минуту, благодаря чему данное устройство отличается большой инерционностью или, говоря иначе, имеет «турбо-яму», которая проявляется при резком нажатии на педаль газа. В этот момент крыльчатка медленно приводится в движение, и приходится некоторое время ждать, чтобы автомобиль начал набирать скорость.
Этот эффект имеет продолжительность всего несколько секунд, но, тем не менее, он не доставляет особого удовольствия при разгоне машины. На сегодняшний день производители смогли устранить эффект «турбо-ямы» путем установки двух перепускных клапанов. Один предназначен для выработанных газов, задача второго состоит в том, чтобы перепускать избыток воздуха в трубопровод турбокомпрессора из впускного коллектора.
Благодаря этой системе обороты крыльчатки при сбросе газа уменьшаются в замедленном темпе, в то время как при резком нажатии на педаль акселератора происходит поступление воздушной массы в двигатель в полном объеме.
Функция турбины, настройка
Функция турбокомпрессора заключается в том, чтобы увеличивать выходную мощность и крутящий момент двигателя. Благодаря турбине производители могут уменьшать количество рабочих цилиндров в двигателе без снижения мощности и крутящего момента.
Также все чаще стали выпускаться дизельные двигатели с двумя турбинами (Bi-Turbo), что позволяет производителям не только добиваться потрясающий мощности от дизельных автомобилей, но снижать уровень вредных веществ в выхлопе до рекордных значений.
Недавно также стали появляться турбины, которые могут работать, как от электричества, так и традиционно от газа, поступающего из выхлопной системы. Благодаря этому инженеры добились максимальной мощности и крутящего момента при небольших оборотах двигателя.
Использование двух турбокомпрессоров и других турбо деталей
На некоторые двигатели устанавливается два турбокомпрессора разного размера. Малый турбокомпрессор быстрее набирает обороты, снижая тем самым задержку ускорения, а большой обеспечивает больший наддув при высокой скорости вращения двигателя.
Когда воздух сжимается, он нагревается, а при нагревании воздух расширяется. Поэтому повышение давления от турбокомпрессора происходит в результате нагревания воздуха до его впуска в двигатель. Для того, чтобы увеличить мощность двигателя, необходимо впустить в цилиндр как можно больше молекул воздуха, при этом не обязательно сжимать воздух сильнее.
Охладитель воздуха или охладитель наддувочного воздуха является дополнительным устройством, которое выглядит как радиатор, только воздух проходит как внутри, так и снаружи охладителя. При впуске воздух проходит через герметичный канал в охладитель, при этом более холодный воздух подается снаружи по ребрам при помощи вентиляторов охлаждения двигателя.
Охладитель увеличивает мощность двигателя, охлаждая сжатый воздух от компрессора перед его подачей в двигатель. Это значит, что если турбокомпрессор сжимает воздух под давлением 7 фунт/дюйм2 (0,5 бар), охладитель осуществит подачу охлажденного воздуха под давлением 7 фунт/дюйм2 (0,5 бар), который является более плотным и содержит больше молекул, чем теплый воздух. Турбокомпрессоры также обладают преимуществом на большой высоте, где плотность воздуха ниже. Обычные двигатели будут работать слабее на большой высоте над уровнем моря, т.к. на каждый ход поршня подаваемая масса воздуха будет меньше. Мощность двигателя с турбокомпрессором также снизится, но менее заметно, т.к. разреженный воздух легче сжимать.
При установке мощного турбокомпрессора на двигатель с впрыском топлива, система может не обеспечить необходимое количество топлива — либо программное обеспечение контроллера не допустит, либо инжекторы и насос не смогут осуществить необходимую подачу. В этом случае необходимо осуществлять уже другие модификации для максимального использования преимуществ турбокомпрессора.
Схема турбины с изменяемой геометрией (VNT)
Она также известна под названием – трубина с переменным соплом. Данный тип турбины используется в дизельных двигателях. Девять подвижных лопастей, установленных в турбокомпрессоре, регулируют прохождение потока газов к турбине. Увеличение и блокировка потока газов достигается при помощи привода, регулирующего угол наклона девяти лопастей. Скорость потока газов и давление нагнетаемого воздуха согласуются с количеством оборотов двигателя во время изменения угла наклона лопастей.
Некоторые двигатели используют несколько турбокомпрессоров. Возможно использование двух (Твин Турбо), трех или же четырёх. В таких конструкциях они устанавливаются последовательно. Первый используется при низких оборотах, а второй — при высоких. Также существует схема установки компрессоров, при которой они располагаются параллельно друг другу. Она используется на V-образных двигателях. На каждый ряд цилиндров приходится по компрессору. Бытует мнение, что один большой турбокомпрессор менее производителен, чем два маленьких.
Система смазки
Это неотъемлемая составляющая любой турбины. Принцип работы системы смазки простой. Масло подается между подшипником и корпусом компрессора через множество каналов под давлением. Также она охлаждает нагретые детали компрессора. На некоторых двигателях турбина сопряжена с общей системой охлаждения. Благодаря этому достигается лучшее охлаждение.
Типы турбин
Для большей производительности на автомобиль может быть установлено два компрессора. Такие системы получили маркировку «Твин-турбо».
Устанавливаются данные механизмы последовательно. При этом первая турбина работает на низких оборотах, а вторая на высоких. На V-образных моторах нагнетатели устанавливаются параллельно (на каждый ряд по одной турбине). Как показывает практика, установка двух небольших компрессоров значительно эффективнее, чем применение одного, но большого.
Паровая турбина
Принцип работы ее немного иной. Пар, который образуется в котле, под давлением попадает на крыльчатку турбины. Последняя совершает обороты, тем самым, вырабатывая механическую энергию. Обычно такая турбина соединена с генератором и применяется на электростанциях. Благодаря механической энергии, генератор производит электричество. Мощность таких агрегатов может достигать 1000 МВт.
Однако данный показатель существенно зависит от перепада давления пара на входе и выходе. Также подобные турбины применяются для привода питательного насоса, на кораблях и судах с ядерной установкой. Что касается военных кораблей, здесь применяется газовая турбина. Принцип работы ее заключается в следующем. Газ поступает через сопловой аппарат компрессора в область низкого давления. При этом он расширяется и ускоряется. Затем поток газа двигает лопатки турбины. Последние передают усилия на вал через диски. Таким образом создается полезный крутящий момент.
Система газотурбинного наддува и охлаждения наддувочного воздуха
Система охлаждения газотурбинной установки (ГТУ)
С ростом начальной температуры газов растет тепловая экономичность цикла ГТУ и уменьшается расход воздуха. Вместе с тем рост начальной температуры ограничен допускаемыми напряжениями в рабочих лопатках. В результате в ГТУ начальные температуры газа значительно ниже теоретически возможных, т.е. температур сжигания топлива с минимальным избытком воздуха, необходимым только для его окисления.
Охлаждение наиболее горячих элементов газовых турбин позволяет снизить их температуру при достаточно высокой температуре газа. Однако применение охлаждения уменьшает полезную работу ГТУ, так как часть теплоты, отбираемая охлаждающей средой от газа, не может быть преобразована в механическую работу, В некоторых случаях, если используется теплота охлаждающей среды, возможно частичное уменьшение этих потерь.
Снижение температуры элементов газовой турбины в результате охлаждения позволяет поднять термодинамический потенциал цикла ГТУ за счет увеличения начальной температуры рабочего газа. Охлаждение целесообразно применять в том случае, когда выигрыш в кпд от возможного повышения начальных параметров рабочего газа больше потерь, вызываемых охлаждением.
Система охлаждения ГТУ должна удовлетворять следующим требованиям:
Кроме того, система охлаждения газотурбинной установки не должна чрезмерно усложнять конструкцию турбины и схему ГТУ и, как следствие, повышать ее стоимость, требовать вмешательства обслуживающего персонала при эксплуатации ГТУ и должна надежно работать при пусках, остановках и на переходных режимах.
В качестве примера рассмотрим систему воздушного охлаждения мощной газовой турбины, работающей при температуре около 900°С (рис.1).
Рис.1. Схема системы охлаждения мощной газовой турбины
Воздух для охлаждения отбирается после компрессора и за двенадцатой и девятой его ступенями. Для охлаждения деталей турбины, работающих при высоких температурах, воздух подводится четырьмя потоками:
Такая система охлаждения обеспечивает работу установки в режиме, при котором температура металла ротора не превышает 315°С.
Условия работы турбины
Температура выхлопных газов дизельного двигателя на выходе перед турбиной составляет в среднем 750-850 градусов по Цельсию. Бензиновые агрегаты имеют еще более разогретый выхлоп. Такие раскаленные газы движутся с большой скоростью и встречаются с турбинным колесом.
Турбокомпрессор отличается высокой производительностью и потребляет достаточно много энергии отработавших газов (в среднем около 25-30 кВт и более). Турбодизель с рабочим объемом 2.0 литра в режиме холостого хода потребляет около 800 литров воздуха за 60 секунд. В режиме максимальной мощности данный показатель доходит до 4 м3. Если учесть, что турбокомпрессор также нагнетает избыток давления до 1 атмосферы, тогда общий объем нагнетаемого устройством воздуха намного больше.
В режиме холостого хода отработавшие газы дизеля имеют температуру около 100 градусов по Цельсию и движутся с небольшой скоростью. Для эффективного вращения колеса турбины и параллельного вращения компрессорного колеса этой энергии достаточно только для того, чтобы турбокомпрессор не препятствовал проходу через него воздуха в объеме, который необходим для поддержания стабильной работы ДВС на холостых оборотах.
Охлаждение корпуса газовой турбины
Охлаждение позволяет снизить температуру корпуса газовой турбины и изготавливать его из относительно дешевых металлов.
Для снижения температуры корпуса используют не только воздушное охлаждение, но и с помощью специальных элементов конструкции (рис.2) уменьшают к нему поток теплоты от газа.
Для этого на корпусе 1 выполняют ребра 4, на которых крепят разрезные обоймы 7 для установки сопловых лопаток 8.
Рис.2. Схема охлаждения корпуса газовой турбины: 1 — корпус, 2,5 — теплоизоляция, 3 — отверстие для подвода охлаждающего воздуха, 4 — ребра, 5 — сегменты, 7 — обойма, 8 — сопловая лопатка
Корпус и обоймы внутри покрыты теплоизоляцией 2. В обоймах крепятся сегменты 6, образующие стенку под рабочими лопатками. Между сегментами и ребрами корпуса уложена теплоизоляция 5. Чтобы еще больше уменьшить приток теплоты к корпусу, в образовавшиеся в нем полости через отверстия 3 поступает охлаждающий ребра и сегменты воздух, который через зазоры выбрасывается в проточную часть турбины.
Рис.3. Охлаждаемая обойма: 1 — отверстия для подвода охлаждающего воздуха, 2 — обойма, 3 — корпус турбины, 4 — сегменты сопловых лопаток, 5 — сопловые лопатки
Для уменьшения притока теплоты к корпусу 3 турбины (рис.3) в него устанавливают охлаждаемую обойму 2 с несколькими рядами сопловых лопаток 5, сегменты 4 которых крепятся в обойме. Охлаждающий воздух, проходя через отверстия 1 в сегментах, охлаждает их. Часть охлаждающего воздуха сбрасывается в проточную часть турбины через щели и создает охлаждающую пленку у торцовых поверхностей сопловых каналов и под рабочими лопатками. Входные и выходные патрубки корпуса обычно внутри защищают теплоизоляцией. Между слоем изоляции и корпусом также продувается воздух.
Особое внимание уделяют охлаждению внутренних (встроенных) подшипников, которые снаружи окружены воздухом после компрессора или горячим газом, имеющим высокие давление и температуру. Так как нагрев подшипников ГТУ до этой температуры, а также попадание горячего газа недопустимы, их помещают в корпус специальной конструкции.
Рис.4. Охлаждение встроенного подшипника: 1 — камера подвода воздуха к уплотнениям турбин, 2 — камера отсоса воздуха от уплотнений турбин, 3,7 — наружный силовой и масляный корпуса, 4 — канал для подвода охлаждающего воздуха, 5 — труба отвода воздуха, 6,10 — роторы турбины и компрессора, 8,9 — опорные подшипники
Охлаждение встроенного подшипника, расположенного между турбинами высокого (ТВД) и низкого (ТНД) давления показано на рис.4. Подшипники роторов ТВД и ТНД заключены во внутренний масляный корпус 7 и наружный силовой корпус 3, покрытый внутри теплоизоляцией. Охлаждающий воздух через канал 4 поступает в камеру между силовым и масляным корпусами. Часть воздуха проходит в масляный корпус и выбрасывается в атмосферу через трубу 5, а оставшийся поступает через лабиринтовые уплотнения в камеры 2, которые также соединены с атмосферой.
Чтобы полностью предотвратить попадание горячих газов в подшипники, в камеру 1 со стороны ротора ТВД подается воздух после компрессора, а в такую же камеру со стороны ТНД поступает воздух из системы охлаждения ротора.
Охлаждение и смазка турбокомпрессора
Колесо турбины выполнено из специальной жаропрочной стали, компрессорное колесо изготавливают из сплавов алюминия. Разные материалы применяются для снижения инерционности турбины. Вал турбины (ось, стержень) закреплен и вращается в плавающих подшипниках скольжения. Также в некоторых турбокомпрессорах могут использоваться шариковые подшипники.
Для смазки подшипников турбокомпрессора реализован подвод моторного масла из системы смазки двигателя. Кроме снижения потерь на трение и препятствования износу трущихся элементов смазка турбины также выполняет важную функцию по отводу тепла из области трения.
В трущихся элементах турбины выделяется большое количество тепла. Сама ось нагнетателя нагревается от контакта с разогретым турбинным колесом, нагрев еще более усиливается в результате высокой частоты вращения и возникающего трения. Во время работы ДВС масло активно подается к подшипникам, охлаждая их. Если мотор сразу заглушить после серьезных нагрузок на двигатель, тогда нагретая ось остановится практически сразу после остановки двигателя. Подача масла к подшипникам сразу прекращается, а сам вал и подшипники усиленно нагреваются от раскаленного колеса турбины. Сильный нагрев приводит к тому, что масло в турбине начинает закоксовываться.
Охлаждение ротора газовой турбины
Рис.5. Охлаждение ротора турбины продувкой воздуха через хвостовые крепления рабочих лопаток: 1 — ротор, 2 — канал для подвода охлаждающего воздуха, 3 — корпус турбины, 4 — дефлектор, 5 — рабочие лопатки, 6 — хвостовики лопаток, 7 — диски
В настоящее время широко используются различные схемы охлаждения роторов газовых турбин.
Схема охлаждения ротора турбины продувкой воздуха через хвостовые крепления рабочих лопаток показана на рис.5. Охлаждающий воздух подается через каналы 2 и, проходя между дефлектором (покрывным диском) 4 и диском 7, попадает в зазоры хвостовиков 6 рабочих лопаток 5. Охлаждая хвостовики рабочих лопаток, воздух препятствует поступлению теплоты к ротору. Если ротор состоит из дисков с большим полотном, такая система охлаждения оказывается недостаточной.
Наибольшее распространение получили три схемы охлаждения дисков: с радиальным обдувом, струйное и комбинированное струйно-радиальное.
Радиальное течение охлаждающей среды в зазоре между корпусом и боковыми поверхностями дисковых или барабанных роторов возникает во многих конструкциях газовых турбин. Такое течение может быть направлено как от оси вращения ротора к периферии дисков, так и в противоположную сторону.
Пять типичных режимов течения охлаждающей среды, возникающих при радиальном обдуве, показаны на рис.6,а—д. Возникновение обратных течений возможно, если расход охлаждающей среды мал.
Рис.6. Схемы радиального течения охлаждающей среды в зазоре между диском и корпусом турбины
Вследствие закрутки потока возникает радиальный перепад давлений, вызывающий в пограничном слое на корпусе течение от периферии диска к центру. Возникновению обратных токов препятствует расходное течение. Увеличение расхода среды уменьшает закрутку потока и снижает перепад давлений. Характер течения в зазоре между диском и корпусом зависит от значения кинематического фактора.
Рис.7. Охлаждение диска с дефлектором: 1 — уплотнение, 2 — корпус, 3 — дефлектор, 4 — диск
Разновидностью охлаждения радиальным обдувом является охлаждение с помощью специального покрывного диска — дефлектора (рис.7). Такая схема охлаждения позволяет быть уверенным, что даже если в зазор между диском и корпусом проникнут горячие газы, то они не будут перемешиваться с охлаждающим воздухом и, следовательно, нагревать диск. Как правило, охлаждающий воздух после дефлекторa проходит через зазоры между хвостовиками рабочих лопаток и пазами диска, отводя часть теплоты, поступающей к диску, через перо рабочей лопатки.
Струйное охлаждение применяют для резкого усиления теплообмена на ограниченной поверхности. В газовых турбинах обычно возникает необходимость охладить периферию диска (наиболее нагретую его часть). Струйное охлаждение позволяет, не повышая расхода охлаждающей среды, увеличить скорость ее натекания на поверхность диска.
Для этого охлаждающую среду подают через узкий кольцевой канал либо отдельными струями, вытекающими из расположенных на одной окружности круглых или прямоугольных сопл (рис.8,а-г). В зоне, расположенной между осью вращения ротора и местом подвода воздуха, возникает циркуляционное течение, в которое, как правило, вовлекаются горячие газы из проточной части турбины. Следовательно, при струйном охлаждении необходимо тщательно уплотнять приторцовую полость диска, отделяя ее от проточной части турбины.
Рис.8. Формы каналов (а,б,в) и схема течения воздуха (г) при струйном охлаждении диска: 1 — корпус, 2 — каналы для подвода охлаждающего воздуха, 3 — диск
В большинстве случаев как по условиям распределения температур в диске турбины, так и по чисто конструктивным соображениям нельзя применять чисто струйное охлаждение. Поэтому используют комбинированное струйное охлаждение периферии диска и радиальный обдув его внутренней части (рис.9). Такая схема охлаждения позволяет отбирать основное количество теплоты от диска в наиболее нагретой его части — местах крепления хвостовиков рабочих лопаток.
Рис.9. Комбинированное струйно-радиальное охлаждение диска: 1,3 — каналы подвода охлаждающего воздуха, 2 — корпус, 4 — диск
Подбором расхода воздуха на радиальный обдув можно предотвратить или резко снизить приток горячих газов из проточной части турбины в зазор между диском и корпусом. Кроме того, соответствующее соотношение расходов воздуха на струйное и радиальное охлаждение обеспечивает необходимое распределение температур в диске.
Можно ли глушить современный турбодвигатель сразу после остановки?
Есть среди автолюбителей такое правило: “турбированный двигатель нельзя глушить сразу после остановки, нужно дать время турбине остыть”. С чем это связано? Давайте разберемся с технической точки зрения.
Турбина использует давление выхлопных газов, которые раскручивают крыльчатку так называемой горячей части (часть называется горячей, потому что выхлопные газы горячие, абсурдно, но просто).
Крыльчатка горячей части соединена с крыльчаткой в холодной части, у которой другая задача – создавать избыточное давление на впуске двигателя и это уже холодная часть.
Чем больше давление на впуске, тем больше воздуха попадет в цилиндры, а, следовательно, больше кислорода. Если просто, то это примерно, как подуть на тлеющие угли, они начнут разгораться – выделять больше энергии.
Турбина во время работы может разогреваться до 800 градусов, именно поэтому воздух, который она нагнетает на впуск проходит также через контур охлаждения “интеркулер”.
Чтобы при такой температуре механизм мог работать его нужно смазывать = охлаждать, в картридж турбины подается масло, которое смазывает и охлаждает ротор и его составные части.
Что происходит если нагреть турбину и не остудить её (даже на холостом ходу её температура достигает 100 градусов)?
Масло, которое в ней осталось подгорает и оставляет на стенках кокс и нагар, который в последствии работает как абразив.
Но всё это имеет отношение по больше степени к старым автомобилям, а как дела сейчас?
Просто представьте, что в германии производители напишут, что нужно постоять на холостом после поездки? Да их сразу оштрафуют экологи, там строго всё, места мало, воздуха тоже. С другой стороны, как им быть, если клиенты толпами поедут на гарантию для замены турбины? Им и так хватает негативной славы.
К современным турбинам подводится не только масло, а также контур с антифризом.
Таким образом, турбина изначально лучше охлаждается и пиковое значение нагрева у неё значительно меньше. Но суть даже не в этом, в системе охлаждения стоит отдельная электропомпа, которая даже после остановки двигателя какое-то время продолжает “гонять антифриз”.
Также в некоторых турбо моторах отдельный контур охлаждения проходит через выпускной коллектор (который отлит одним элементом с головкой блока цилиндров), такой подход применяется для быстрого прогрева антифриза, а также для дополнительно охлаждения выпускного коллектора в режимах «тапок в пол».
О том, что жить без турбо таймера можно, глушить сразу можно, но всё-таки думайте, как вы ехали, даже минуты хватит, чтобы масло с антифризом быстро сделали свою работу. Если время позволяет хуже от недолгой работы на холостом не будет. Но если вы ехали умеренно, то ничего критичного не произойдет.
Всем спасибо за внимание! Если статья вам понравилась, то поддержите нас большим пальцем вверх, а также подписывайтесь на канал, так вы не пропустите новые публикации!