autoExpert




autoExpert » СТАТЬИ » Диагностика, техн. ремонта » Неисправности и ремонт турбокомпрессоров

Неисправности и ремонт турбокомпрессоров

Сегодня актуальность использования турбонаддува в грузовых автомобилях ни у кого не вызывает сомнений, поскольку это позволяет существенно увеличить мощность двигателя. Но любой агрегат рано или поздно приходится ремонтировать и турбокомпрессор - не исключение. О том, с чем сталкиваются специалисты во время обслуживания этих агрегатов, как происходит этот процесс и каковы его особенности, нас проконсультировал директор-основатель киевского инженерно-технологического частного предприятия «Турбосервис» Ростислав Вечеря.

Неисправности и ремонт турбокомпрессоров


Несть числа турбокомпрессорам
Мощность двигателя внутреннего сгорания во многом определяется степенью сжатия рабочей смеси. В обычном ДВС (без турбонаддува) поршень сжимает смесь, первоначальное давление которой равно атмосферному. Если в начале такта сжатия в цилиндр поддуть воздуха и повысить это давление, скажем, на 2 бара, то степень сжатия увеличится, а мощность обычного серийного двигателя повысится в 1,5-2 раза!

Турбокомпрессор служит для подачи в камеру сгорания воздуха под избыточным давлением. Это замечательное устройство создал еще в 1905 г. шведский изобретатель Ханс Ульрих Бюши. На автомобилях SAAB и "Porsche" турбокомпрессоры впервые стали устанавливаться серийно. У спортивных двигателей мыслимых пределов повышения мощности практически вообще нет. Тысячей лошадиных сил уже никого не удивишь, в спорте это реализовано, например у двухлитрового двигателя BMW получали мощность в 1400 л. с. Блоки цилиндров и коленвал ее выдерживали.

Принципиально турбокомпрессоры для грузовых и легковых автомобилей не отличаются ничем, разве что размерами, и ремонтируются, в сущности, одинаково. Ныне эти агрегаты подразделяются по классам, типам, производителям, по системе охлаждения (воздушного и жидкостного), на неуправляемые и управляемые. Последние, в свою очередь, разделяются в зависимости от типа управления: наддувом, вакуумом, электромеханически.

Уже появились турбокомпрессоры в комбинации с электродвигателем, который помогает раскрутке мотора на низких оборотах. На Toyota модельного ряда 2007 г. серийно будут устанавливаться именно такие.

Также турбокомпрессоры подразделяются в зависимости от применяемых подшипников (скольжения или качения). Выбор типа подшипников определяется их преимуществами и недостатками, а также требованиями, предъявляемыми к турбокомпрессору.

Шарикоподшипники имеют в 3-4 раза меньшие механические потери на трение, чем подшипники скольжения, и обеспечивают хорошие условия пуска турбокомпрессора, особенно в холода. Вместе с тем, шарикоподшипниковый узел сложен, сами они дороги, менее долговечны, требуют индивидуальной системы смазки, а также упругих демпфирующих опор, компенсирующих зазоры.

Плавающие подшипники скольжения, в свою очередь, подразделяются на вращающиеся и неподвижные. Они гораздо проще по конструкции, дешевле и могут работать на масле, используемом в системе смазки двигателя. Практически не требуют ухода, весьма долговечны и обеспечивают ресурс работы турбокомпрессора порой до капитального ремонта двигателя.

В автомобильных турбокомпрессорах т. н. "плавающий" подшипник практически вытеснил все остальные. Это бронзовая втулка - опора, в которой вращается турбинный вал (ротор). "Плавающей" она называется потому, что "всплывает" в корпусе на масляной пленке и вращается в корпусе турбокомпрессора со скоростью примерно равной 1/3 скорости вращения вала. Такая конструкция позволяет погасить микровибрации, оставшиеся после балансировки ротора, поскольку сбалансировать его идеально практически невозможно.

Как видим, разнообразие конструкций турбокомпрессоров весьма велико.

Наиболее распространенный сегодня вид автомобильных турбокомпрессоров - это центробежный воздушный насос, приводимый в действие выхлопными газами, которые раскручивают турбинную крыльчатку, соединенную валом с компрессорной (нагнетающей) крыльчаткой в другой части корпуса насоса.

Отдельно следует отметить механические шнековые, или, как их еще называют, роторные компрессоры, приводимые во вращение с помощью ремня от коленвала двигателя и нагнетающие воздух при помощи двух соединенных червяков, работающих совместно наподобие шестеренчатого насоса. Их появление в автомобилестроении можно отнести к разряду экспериментов заводов-производителей, отрабатывающих новые технологии.

Неисправности и ремонт турбокомпрессоров

На турбинной крыльчатке видны выборки металла при балансировке.

Разница между компрессорами и турбокомпрессорами заключается в том, что первые гарантируют достаточную подачу воздуха на низких оборотах двигателя, и обеспечивают крутящий момент с минимальных оборотов. А вот на максимальных они с подачей воздуха справляются, к сожалению, слабо.

Турбокомпрессор - противоположность механическому нагнетателю. Он запаздывает в зоне низких оборотов двигателя (до 2000 мин-1), но хорошо справляется с подачей на максимальных оборотах. Следует заметить, что современные системы управления турбокомпрессором позволяют минимизировать этот провал, т. н. "турбояму" низких оборотов.

Есть много технических решений в управлении подачей воздуха. Самое распространенное в турбокомпрессорах для дизельных двигателей - система VNT, изобретённая специалистами фирмы Garrett. Это система подвижных лопастей, которая находится в корпусе турбины. С помощью вакуумного механизма и регулирующего клапана лопасти поворачиваются и меняют проходное сечение выхлопных газов в зоне работы крыльчатки турбины. С изменением проходного сечения меняется скорость выхлопных газов, раскручивающих турбину, следовательно, изменяется и давление нагнетаемого в камеру сгорания воздуха.

Когда автомобиль заводится, срабатывает вакуумное устройство, приводящее в действие клапан, который наклоняет лопасти, и турбина с минимальных оборотов начинает эффективно работать. После того, как она достигла необходимых оборотов, вакуум ослабевает, лопасти возвращаются в первоначальное положение, и турбина продолжает работать, но без переизбытка надува.

Воздух в турбину забирается из воздушного фильтра через расходомер. В корпусе компрессора он раскручивается и под воздействием центробежных сил, обеспечивающих необходимое избыточное давление, попадает во впускной коллектор двигателя.

Ахиллесовы пяты турбокомпрессора

Наиболее уязвимый узел турбокомпрессора - это подшипник и ротор, т. е. обе крыльчатки, соединенные валом. Они работают в критических режимах. Скорость скольжения вала в подшипнике достигает 70 м/с. Окружная скорость лопастей зашкаливает за 600 м/с. На таких сверхзвуковых режимах попадание малейшего инородного предмета выводит турбокомпрессор из строя. Поэтому для его нормальной работы требуется высокая очистка, во-первых, воздуха, а во-вторых - смазки, подаваемой под расчетным давлением. Самый незначительный перебой с подачей масла выводит ротор из строя: при таких оборотах без смазки любой подшипник моментально сгорит. Малейшие частички сажи или масла из двигателя, тем более - окалина или кусочки поршневых колец, могут повредить крыльчатку. То есть для нормальной работы турбокомпрессора поршневая группа двигателя должна быть исправна.

Кроме того, очень высокие требования предъявляются к материалу, из которого изготавливаются крыльчатки. Турбинная, например, должна выдерживать температуру от 9000°С и выше (в некоторых турбинах рабочая температура достигает 11000°С). Поэтому она делается из сверхтермостойкого кобальто-никелевого сплава со всевозможным пакетом присадок. Железо в ней отсутствует вообще как вредная примесь.

Компрессорная крыльчатка крепится к валу гайкой через набор специальных шайб (одна из них работает в паре с опорным подшипником, а во второй есть канавка под компрессионное кольцо, удерживающее масло со стороны компрессора). Она изготавливается из высококачественного алюминиевого сплава, и должна противостоять атмосферной коррозии, выдерживать очень высокие центробежные нагрузки, а также не деформироваться в процессе работы, то есть ее материал обладает очень высоким пределом текучести.

Вал изготавливается из стали и сваривается с турбинной крыльчаткой методом сварки трением. Делается это так: крыльчатка вращается в станке, вал неподвижен. В зону контакта подается электрический ток (для такой сварки нагрева одним только трением недостаточно), сопряжение нагревается, вращение резко прекращается, соединение сваривается и остывает. Затем заготовку обрабатывают на токарном станке, после чего она проходит термическую обработку с последующей шлифовкой, накаткой резьбы, финишной полировкой и двухступенчатой балансировкой. Турбинный вал готов. Операция эта очень точная, ответственная, дорогостоящая и производится на спецоборудовании. Автоматическая линия на заводе, где производятся эти валы, начиная от литья и заканчивая готовым изделием, состоит из 48 автоматизированных центров, а ее общая стоимость превышает 2 млн. долларов.

Неисправности и ремонт турбокомпрессоров

Здесь производится пескоструйная обработка деталей.

Проблемы, возникающие вследствие трения в паре вал-втулка, фирмы-производители решают по-разному. Одни насыщают поверхностный слой вала турбины серой. Сера вал не упрочняет, но улучшает его фрикционные свойства. Другие вместо серы применяют азотирование с целью придания поверхностному слою вала максимальной твердости. Третьи делают упор на различные способы термической закалки. Цель у всех одна - повысить износостойкость пары.

Неисправности и ремонт турбокомпрессоров

Неисправности и ремонт турбокомпрессоров

Этот балансировочный стенд на "Турбосервисе" сделали сами с помощью московских коллег.

Турбинный вал - самая дорогая часть турбокомпрессора, 160-300 евро за штуку. Поэтому Ростислав Борисович рекомендует автовладельцам в тех случаях, когда турбина начинает посвистывать или дымить, или в двигателе ощущается недостаточность тяги, немедленно обратиться на сервис, потому что если довести турбину до поломки ротора, стоимость ремонта удвоится. Лучше упредить, чем потом, как говорится, "чесать репу".

Коль скоро в механизме есть вал и смазка, должны быть и уплотнения, предотвращающие течи масла. Сверхзвуковых скоростей вращения ротора не выдержат никакие сальники, они сгорят в первые же секунды работы. Поэтому в турбокомпрессорах применяются уплотнения динамического типа, т. н. лабиринтные, отбрасывающие масло назад в систему и препятствующие перетеканию газов и смазки из корпуса подшипника. Заводское название лабиринтных уплотнений - компрессионные кольца.

Неисправности и ремонт турбокомпрессоров

На стенде "TURBO Technics" производится окончательная балансировка турбокомпрессора

Неисправности и ремонт турбокомпрессоров

На ротор действуют разные нагрузки, в т. ч. и осевые, вызываемые продольным давлением выхлопных газов на турбинную крыльчатку (давление выхлопа всегда больше давления наддува). Поэтому во избежание осевых смещений в устройстве турбокомпрессора предусмотрен упорный подшипник скольжения, у которого стальная катушка, поддерживающая вал, вращается в неподвижной, закрепленной в корпусе бронзовой обойме. Конечно, этот узел тоже должен противостоять интенсивному изнашиванию.

Неисправности и ремонт турбокомпрессоров

Станок особо высокой точности для изготовления "плавающих" подшипников.

Корпусные детали турбокомпрессора образуют проточную часть турбины и компрессора за пределами крыльчаток и в значительной степени определяют его КПД, напрямую зависящий от плавности формируемого ими газового и воздушного потоков. Корпус состоит из двух частей: чугунной, присоединяемой к выхлопному коллектору, и силуминовой, работающей в паре с впускным. Обе части соединяются между собой через две уплотнительные резиновые прокладки.

Чугунная часть корпуса на инжекторном двигателе нагревается докрасна, т. е. до 600-700, а затем остывает до температуры окружающей среды. Вследствие резких перепадов температуры (особенно зимой и особенно при мойке двигателя) он может начать растрескиваться. Это происходит постепенно, в течение нескольких лет, но, тем не менее, чугунная часть корпуса турбокомпрессора - один из самых термонапряженных узлов автомобиля.

Следует помнить, что если после интенсивного движения заглушить двигатель, то в турбокомпрессоре перестает циркулировать смазка, ее остатки могут пригореть на роторе, и впоследствии довольно быстро выведут турбокомпрессор из строя. Поэтому после интенсивной езды не глушите двигатель сразу, а дайте ему поработать еще 2 - 3 минуты. Автомобили Toyota, например, вообще оснащены системой турботаймера, и даже при вытащенном из замка зажигания ключе двигатель продолжает работать, чтобы турбина не остывала быстро.
Принцип действия турбокомпрессоров одинаков и для грузовых, и для легковых автомобилей, однако первые по размерам, естественно, больше. Они менее оборотистые, зато на современных тягачах создают очень высокое давление (на двигателях DAF - 2 бар, MAN - 1.4 бар), а их пробег гораздо солиднее. Если на легковом автомобиле компрессор служит 250 - 300 тыс. км пробега, то норма для грузовиков - 700 - 800 тыс. км. На тягачах Mercedes и Volvo попадаются турбокомпрессоры, отработавшие вдвое дольше.

У этого явления есть своя причина.
На долговечность турбокомпрессора влияет, главным образом, подача смазки. Турбокомпрессоры для легковушек не уступали бы по пробегу своим грузовым собратьям, однако им мешает иной режим эксплуатации. Дело в том, что в момент запуска ротор начинает вращаться раньше, чем на него поступит смазка. При выключении двигателя турбокомпрессор продолжает вращаться, а смазка к нему уже не поступает. В эти моменты механизм изнашивается гораздо интенсивнее. Большая, в сравнении с грузовиками, частота включений-выключений мотора и определяет снижение ресурса турбокомпрессора на легковых автомобилях. Ведь тягач в рейсе едет сотни километров без остановки, и его турбокомпрессор работает все время в одном режиме.

На современных автомобилях турбокомпрессор управляется электроникой. В "управленческую цепочку" турбокомпрессора дизельного двигателя входят расходомер воздуха, компьютер управления двигателем, а также электроклапан, управляющий вакуумным клапаном. Когда компьютер "видит", что достаточное давление воздуха уже создано, он подает сигнал на электроклапан, который открывает сбрасывающую магистраль. Вакуум пропадает, и турбина снижает обороты. То есть она работает как бы в поисковом режиме, и компьютер постоянно оптимизирует ее работу в зависимости от нажатия на педаль газа, перемены передачи и т. п. Схема управления турбокомпрессором на инжекторных двигателях от вышеприведенной существенно не отличается.

Раньше турбокомпрессоры были проще. Сбрасывающий клапан связывался напрямую с корпусом компрессора, и когда там создавалось достаточное давление, газы воздействовали на этот клапан, он открывал шторку, и избыточное давление сбрасывалось. В современных моделях такая схема неприемлема, поскольку слишком инертна, и не успевает срабатывать вовремя.

Менять или ремонтировать?

Неисправности, подлежащие устранению при ремонте турбокомпрессора, возникают как в корпусе (подлежат восстановлению посадочные места под подшипники, компрессионные кольца), так и у деталей ротора (износ опорного подшипника, втулок, компрессионных колец и канавок под них, опорного подшипника, ротора). Посадочные места восстанавливаются наплавкой. Сварочные работы "Турбосервис" поручает своему партнеру, киевскому предприятию "Плазмамастер", а вот многие детали ротора изготавливает самостоятельно.

Если возникает необходимость заменить вал или компрессорную крыльчатку, то здесь выход только один - закупать у производителей готовое изделие, то есть сваренные вал и крыльчатку. Сделать подобное своими силами в Украине пока что не может никто.

Неисправности и ремонт турбокомпрессоров

Высокоточный шлифовальный станок предназначен для шлифовки осей и деталей, работающих вместе с ротором, в т. ч. и компрессионных колец.

Важное значение при ремонте имеет выбраковка деталей. К дальнейшей работе будет пригоден ротор, не имеющий следов касания крыльчатки по корпусу турбины. Во-вторых, если у него канавка под компрессионное кольцо разбита больше определенного допуска, такой ротор следует заменить. Если ротор согнут на более чем 0.02 мм, он тоже выбраковывается. О его непригодности к дальнейшей работе свидетельствуют и следы прижогов из-за отсутствия смазки, поскольку из-за перегрева сталь могла отпуститься, т. е. утратить закалку.
Выбраковка производится визуально и с помощью микрометрических замеров и проверки допусков. В некоторых случаях, например, если вал имеет деформацию, его рассматривают под микроскопом на предмет выявления трещин.

Станочный парк КИТЧП "Турбосервис" дает полное представление о том, как и что здесь ремонтируется.

Но сначала турбокомпрессор поступает на разборочный стол, где разбирается и дефектуется. Затем его детали подвергаются двухступенчатой очистке. Пескоструйной обработке подвергаются детали со следами ржавчины, пригоревшего масла, окалины, коррозии.

Неисправности и ремонт турбокомпрессоров

Неисправности и ремонт турбокомпрессоров

Участок подготовки производства. Здесь изготавливаются такие опорные подшипники.

Другие детали моют в ультразвуковой ванне. "Ультразвуковой" она называется потому, что очистка деталей в ней происходит с помощью кавитации, создаваемой ультразвуковыми волнами в жидкой среде, водном растворе лобомида - промышленного стирального порошка.

Напомним, что кавитация - это процесс образования пустот, вакуумных пузырьков в жидкости при ее движении относительно других тел. При схлопывании эти пустоты разрушают, например, подводные крылья судна. Однако при ультразвуковой мойке этот процесс контролируемый, и микроскопические пузырьки, невидимые невооруженным глазом, возникающие на миллисекунды, при схлопывании "разрыхляют" грязь, ржавчину и окалину. После этого детали споласкиваются обычной водой и, абсолютно чистые, поступают в работу.

Ротор, как уже упоминалось, изготовливаются только на заводе со специальным оборудованием. Единственное, что с ним можно сделать в условиях ремонтного предприятия, для увеличения ресурса - отшлифовать и отбалансировать.

Балансировка ротора - одна из самых ответственных операций при изготовлении и ремонте турбокомпрессора, поэтому остановимся на ней подробнее.

Геометрически крыльчатку изначально невозможно приварить к оси точно, и в любом случае будет неоднородность масс, вызванная малейшим смещением. Из-за этого в процессе работы возникнет биение контура крыльчатки относительно геометрической оси вала. Для приведения этих биений в соответствие с допусками на внутренней стороне турбинной крыльчатки и бобышке производятся балансировочные запилы. По аналогии с балансировкой колес заметим, что на колесный диск прикрепляются грузики-балансиры, на роторе же никакие "нашлепки" невозможны, и его балансировка производится исключительно за счет удаления излишков материала. В процессе эксплуатации балансировка ротора может нарушиться, но на "Турбосервисе" ее могут восстановить.

После того, как вал ротора и его канавка под компрессионное кольцо прошлифованы в ремонтный размер, он поступает на балансировку. Балансировка поэлементная и происходит в несколько этапов. Сначала балансируется только ротор (турбинная крыльчатка с валом), затем ротор в сборе.

Некоторое время на "Турбосервисе" для балансировки ротора использовали стенд немецкой фирмы Schenc, однако в какой-то период он перестал удовлетворять требованиям точноти, да и просто морально устарел. Тогда Ростислав Вечеря связался с одним из московских институтов, занимающихся балансировочными системами, и с их помощью изготовил собственный стенд. Его механическая часть состоит из корпуса, станины, подвесов, электродвигателя, блоков его управления, электронного управления и датчиков - индукционных и оптического.

Электродвигатель вращает вал на призмах из специальной пластмассы, через пас, и дисбалансные колебания от неуравновешенных масс передаются на два индукционных датчика. Ориентируясь по отметке краской на крыльчатке, оптический датчик "видит" положение вала, при котором эти колебания происходят. Данные датчиков обрабатываются на компьютере, и координаты места дисбаланса, а также вес металла, который необходимо убрать, выводятся на дисплей. В данном случае на нем мы видим надпись "Угол легкого места". Поскольку дисбаланс - это неуравновешенность масс, устранить его можно, либо добавляя груз в "легкое" место, либо убирая лишнее с "тяжелого". Как уже упоминалось, при балансировке турбины применяется только второе. Его координаты компьютер тоже рассчитывает. По этим координатам мастер делает запил бормашиной. Эта операция очень трудно поддается автоматизированию, и на "Турбосервисе" делается вручную. Для такой работы требуется большой опыт.

Гордость фирмы - стенд для балансировки турбокомпрессора в сборе, позволяющий сбалансировать турбину в рабочих режимах. На сегодняшний день это уникальное оборудование, изделие английской компании "TURBO Technics", имеется в Украине в единственном экземпляре. На нем производится финишная балансировка всего устройства.

На подсоединенный к стенду турбокомпрессор подается под давлением 4 атмосферы подогретая смазка. Оператор разгоняет воздухом турбокомпрессор до его рабочих оборотов. На дисплее рисуется график вершины дисбаланса и его угла.

Если вести курсором по графику, стрелка укажет угол дисбаланса. Дело в том, что дисбаланс - штука очень капризная, и на разных оборотах проявляет себя по-разному. Полностью устранить его невозможно, главное - чтобы его не было в зоне рабочих оборотов. На данном графике он в пределах допуска, то есть турбокомпрессор - сбалансированный. График также указывает максимальные обороты, на которых данный механизм может работать без угрозы разрушения от дисбаланса (в данном случае - 118 000 мин-1, что соответствует надуву 0,8 бар; для несбалансированного турбокомпрессора эти цифры могут снизиться до 50 000-80 000 мин-1, а при таких оборотах он уже не сможет обеспечить наддув).

Очень интересен и станок особо высокой точности, на котором на "Турбосервисе" изготавливают плавающие подшипники. Вот уже 14 лет он работает без всяких ремонтов, обеспечивая точность обработки детали до 2 мкм, то есть до третьей цифры после запятой. Но самое интересное, что Ростислав Вечеря сделал его своими руками.

В завершение приведем таблицу, в которую Ростислав Вечеря свел возможные неисправности турбокомпрессоров и способы их устранения.


Подготовил Виктор Ганский
Уважаемый посетитель, Вы зашли на сайт как незарегистрированный пользователь.
Мы рекомендуем Вам зарегистрироваться либо войти на сайт под своим именем.
 (голосов: 0)


Информация
Посетители, находящиеся в группе Гости, не могут оставлять комментарии в данной новости.

Архив

Май 2018 (15)
Апрель 2018 (26)
Март 2018 (26)
Февраль 2018 (21)
Январь 2018 (9)
Декабрь 2017 (26)


Для размещения рекламы обращайтесь в рекламный
отдел по телефону:

+38 (067) 537-82-42