Устройство турбокомпрессора

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

турбокомпрессор колесо вал ротор самолет

Неудивительно, что слово "турбокомпрессор" вызывает у вас ассоциацию с дизельными двигателями, на это есть историческая предпосылка. Первый управляемый выхлопными газами турбокомпрессор, или "супер-нагнетатель", был разработан доктором Alfred Buchi, главным инженером Отдела Исследований фирмы Sulzer Brothers (Швейцария) в период между 1909 и 1912 (основанный на идее, которую он запатентовал в 1905). Тремя годами позже, в 1915, Buchi предложил первый прототип дизельного двигателя с турбиной. Двигатель не был принят инженерным обществом.

Но Buchi упорно продолжал работать над этим проектом, и в конечном итоге его идея нашла свое применение. Индустриальный гигант General Electric был один из первых, кто экспериментировал с изобретением Buchi, разрабатывая собственную технологию турбонагнетания под руководством доктора Sanford Moss. Команда Moss-а была ответственна за разработку турбокомпрессора в компании General Electric, которая позволила в феврале 1920 года биплану LaPere достичь, тогда рекордной, высоты 10000 метров. Эта демонстрация привлекла внимание инженеров во всем мире.

К 1924 году в составе вооруженных сил Франции было две эскадрильи турбированных самолетов с двигателями, использующими "ускоритель двигателя", основанный на проектах французского инженера Auguste Rateau. В следующем году, в Германии, получили крещение два корабля с дизельными турбодвигателями. А в Англии, где почти отказались от разработки двигателей с турбонагнетателями для самолетов, первыми были оснащены турбиной океанский лайнер и стационарный (промышленный) дизельный двигатель. Оба были представлены в 1928. Не отставала в разработках и Россия, оснастив двигатель первой в мире подводной лодки турбиной, сделанной в Швейцарии. Японцы установили дизельный двигатель с турбиной на электростанции в оккупированном Китае. Наконец, изобретение доктора Buchi получило признание, которого заслуживало.

Именно во время Второй Мировой Войны технология турбонагнетания достигла пика своего развития. В США, где дизельные локомотивы с турбинными двигателями были уже обычным явлением, акцент переместили на применение турбодвигателей в военной авиации. Фактически, пять из наиболее известных самолетов войны - B-17 "Летающая Крепость", B-24 "Освободитель", B-29 "Суперкрепость", P-38 "Молния" и P-47 "Удар Молнии" были оснащены двигателями с турбиной, что позволяло им летать выше и быстрее. Америка заняла лидирующую позицию в развитии технологии турбонагнетания. В период между 1940 и 1945 годами, в Соединенных Штатах было произведено большее количество турбонагнетателей и двигателей с турбинами, чем во всем остальном мире. К 1952 году, в США использовалось более 20,000 дизельных и газовых двигателей с турбиной.

Во всем мире, везде, где турбированные двигателя применялись наряду с обычными атмосферными двигателями, двигателя с турбиной могли перемещать более тяжелые грузы, исполнять режимы работы быстрее и экономить деньги операторов. Не удивительно, что темпы применения турбодвигателей возросли в 1960-ых и 1970-ых годах. Вскоре, каждый тип транспортного средства - от трактора до скоростных лодок и гоночных машин - оборудовался двигателем с турбиной. И когда в начале 1970-ых наступил нефтяной кризис легковые автомобили с турбированными двигателями, также стали очень популярными. Сегодня, турбонагнетатель применяется на земле, на море и воздухе. Они заставляют самолеты с поршневыми двигателями лететь выше, насосы качают большее количество воды, и генераторы вырабатывают большее количество энергии. Они позволяют грузовикам перевозить более тяжелые грузы, кораблям, поездам и автомобилям преодолевать большие расстояния на меньшем количестве топлива.

Двигатель, при первом же подозрении на неисправности в работе турбокомпрессора, ни в коем случае нельзя эксплуатировать, так как это может привести к его выходу из строя.

1. Устройство турбокомпрессора турбонаддува ДВС

Рис. 1. Устройство современного турбокомпрессора

1 - корпус подшипников - металлический корпус системы подшипников обеспечивает местоположения для плавающей системы подшипника вала турбины и компрессора, который может вращаться со скоростью до 170,000 оборотов/минут. Сложная геометрическая конструкция для охлаждения. Основные требования: качество обработки, жесткость, термостойкость;

2 - турбинное колесо - установлено в корпусе турбины и соединено штифтом, который вращает крыльчатку компрессора. Покрыто никелевым сплавом. Сделано из прочных и стойких сплавов. Выдерживает температуры работы до 760 °C. Основные требования: стойкость к изнашиванию, к деформациям, к коррозии;

3 - перепускной клапан - управляемый пневматическим приводом (см. рис. 1), при определенной величине давления наддува направляет часть отработавших газов в обход турбины, тем самым ограничивает давление наддува ДВС. Ограничение давления наддува осуществляют с целью защитить двигатель от перегрузки;

4 - корпус (улитка) турбины - изготавливается из различных сортов сфероидированного чугуна, чтобы противостоять тепловому воздействию и разрушению. Как и крыльчатка, профиль улитки обработан до полного соответствия форме лопастей крыльчатки. Впускной фланец улитки турбины работает как установочная база для закрепления турбины, несущая нагрузку. Основные требования: ударопрочность, стойкость к окислению, жаропрочность, жаростойкость, легкость механической обработки;

5 - масляные каналы;

6 - вал ротора;

7 - подшипник скольжения - изготовлен из специально разработанных бронзовых или медных сплавов. Специально разработанный производственный процесс предназначен, чтобы создать подшипники с необходимыми качествами термостойкости и износостойкости. Стопорные, упорные стальные кольца и масляные проточки изготавливаются особенно точно. Осевое давление поглощается бронзовым гидродинамическим подшипником осевого давления, расположенным в конец сборки вала. Точная калибровка обеспечивает равномерную нагрузку подшипника.

8 - компрессорное колесо - выполнено из алюминиевых сплавов методом литья, на некоторых моделях крыльчаток, для очень тяжелой и продолжительной работы при больших температурах, лопасти изготавливаются из титана. Точные размеры лопастей крыльчатки и точная механическая обработка важны для нормальной работы компрессора. Расточка и полирование повышает коэффициенты сопротивления усталости. Крыльчатка расположена на сборке вала. Основные требования: высокое сопротивление усталости, растяжению, коррозии;

9 - корпус (улитка) компрессора - отлита из алюминия. Используются различные сплавы для различных типов компрессоров. Используются как вакуумное литье так "песочное" литье. Точная финальная обработка для соблюдения размеров и качества поверхностей, необходимые для нормальной работы турбины. Основные требования: прочность к ударным и механическим нагрузкам, высокое качество обработки и точные размеры;

10 - пневмопривод перепускного клапана - управляет перепускным клапаном, для ограничения давления наддува и защиты двигателя от перегрузок.

Рис. 2. Общее устройство турбокомпрессора

Общее устройство турбокомпрессора включает в себя основные части: корпус компрессора 1, компрессорное колесо 2, вал ротора 3, корпус турбины 4, турбинное колесо 5 и корпус подшипников с ротором в сборе.

- Корпуса турбины и компрессора в обиходе называют "улитки". Турбинный корпус связан с выпускным, а компрессорный - с впускным трубопроводами.

- В корпусе подшипников установлен ротор в сборе, представляющий собой вал, на котором жестко закреплены турбинное и компрессорное колеса с лопастями. Ротор вращается на подшипниках скольжения. Они смазываются и охлаждаются моторным маслом, поступающим из системы смазки двигателя. Для снижения температуры корпуса в нем могут быть предусмотрены каналы подачи охлаждающей жидкости.

Работа турбокомпрессора происходит под воздействием потока отработавших газов, вращающих турбинное колесо и вал ротора. Установленное на том же валу компрессорное колесо нагнетает воздух во впускной трубопровод. На некоторых режимах работы мотора проявляют себя особенности турбонаддува:

- "Турбояма" ("турболаг") - задержка увеличения оборотов и мощности двигателя при резком нажатии на педаль акселератора ("газа"). Эффект связан с инерционностью системы - требуется время, чтобы ускорившийся поток выхлопных газов раскрутил турбину. Основной способ устранения - снижение размеров и массы вращающихся деталей для облегчения их быстрого раскручивания. Однако это ведет к снижению производительности турбокомпрессора и для сохранения необходимого давления наддува приходится увеличивать частоту вращения ротора или применять корпус турбины с изменяемым проходным сечением.

- "Турбоподхват" - возникает при увеличении оборотов и скорости движения выхлопных газов после преодоления "турбоямы". Вследствие этого резко увеличивается давление наддува, создаваемого турбокомпрессором и, соответственно, мощность двигателя. Чтобы исключить перегрузку деталей кривошипно-шатунного механизма и детонацию (в бензиновых двигателях), необходимо такое же резкое ограничение давления наддува.

2. Причины поломки турбокомпрессора

Факт, что большинство отказов турбонаддува вызвано проблемами вне турбокомпрессора! Если турбокомпрессор поврежден, очень важно найти причину отказа, перед его заменой.

Загрязненное масло

Мелкие частицы загрязнения - не могут быть замечены в масле визуально, но о причине износа поверхности говорит округление внешних граней. Часто подшипник компрессора, может сужаться на внешнем диаметре.

Крупные частицы загрязнения - перенесенные маслом большие частицы загрязнения, могут проточить глубокие канавки, как показано слева. Отверстие в подшипнике может быть также задрано, но обычно в меньшей степени. Вал и центр корпуса обычно повреждаются немного меньше, т. к. изготовлен из более твердого материала. Световой блик, показанный ниже, был образован перенесенными маслом крупными частицами загрязнения.

Химическое загрязнение - причина большого износа опорного вала и перегрева. Визуальные признаки являются почти такими же, как и от недостаточного смазывания. Обычно причиной является разжижение масла топливом, уменьшающим смазочные свойства масла.

Недостаточное смазывание.

Минимальное смазывание - там, где уменьшена подача масла на турбину (например, когда материалы прокладки частично блокируют доступ маслу или образовывают кромку). Характеризуется чрезвычайным обесцвечиванием вала и шейки вала (как показано ниже).

Полное отсутствие масла - по подобным причинам, дает аналогичные повреждения, но более крупные. Повреждение происходит очень быстро!

Предельные режимы эксплуатации.

Высокая скорость, нагрузка и температура - типичное повреждение высокой температурой - на опорной шейке вала, как правило, масляный нагар и закоксовывание вала. Часто задняя поверхность колеса турбины немного вогнута, обычно это явление сопровождаемое «оранжевой коркой» на задней части колеса компрессора - очень верные признаки езды с превышением скорости и чрезмерной нагрузки.

Езда с превышением скорости - Езда с превышением скорости может также быть причиной потери части лопастей турбины. Может выглядеть подобно повреждениям посторонними объектами, но часто сопровождается, трещиной у основания лопасти и в чрезвычайных случаях, колесо может разорвать из-за езды с превышением скорости. От кратковременных перегрузок появляются трещины, поскольку колесо «растягивается» больше его расчетных пределов. Трещины увеличиваются при следующих перегрузках, в итоге приводя к быстрому отказу.

Повреждение посторонними предметами.

Твердые посторонние предметы, попавшие в компрессор - это повреждение вызвано посторонним предметом, попавшим в компрессор. Предмет может рикошетить по кругу во входном отверстии компрессора, порождая показанные слева повреждения.

Соль или песок причиняют серьезную эрозию и коррозию, в конечном счете, приводя к сильным повреждениям лопастей компрессора.

Мягкие посторонние предметы - мягкие посторонние предметы (протирочная ткань или даже бумага), могут причинить повреждение, показанное слева. Как правило, лопасти изгибаются, а в предельном случае лопасть может сломаться из-за усталости металла.

Твердые посторонние предметы, попавшие в турбину - Твердый посторонний предметы, попавший в турбину, повреждают переднюю кромку лопасти, как показано слева. Даже такие маленькие предметы, как частицы ржавчины, отделяющиеся от коллектора могут причинить значительное повреждение таким быстро движущимся деталям.

3. Системы наддува

В первую очередь к ним следует отнести самый распространенный вид - турбонаддув - наддув за счет использования энергии выхлопных газов (рис. 3). Этот вид наддува более подробно рассмотрим далее.

Второй вариант наддува - это наддув от приводного нагнетателя - так называемый SUPERCHARGER. На современных двигателях данная схема применяется редко из-за сложности конструкции нагнетателя и его недостаточной надежности. Преимуществом его по сравнению с турбонаддувом является более высокое давление наддува на пониженных режимах, а также отсутствие так называемой "турбоямы", т.е. характерного "провала" мощности при резком открытии дроссельной заслонки. Это определяет область применения приводного нагнетателя - в основном на не слишком быстроходных двигателях (FORD, GM), хотя в последние годы наметилась тенденция их использования и на высокооборотных двигателях (MERCEDES).

На дизелях автомобилей MAZDA установлен волновой обменник давления COMPREX, обеспечивающий наддув за счет взаимодействия волн давления и разрежения, распространяющихся в каналах вращающегося ротора. Этот тип наддува позволяет достичь более высокого форсирования, чем другие системы наддува, но пока не получил распространения из-за сложности конструкции (рис. 5).

Рис. 3. Турбонаддув

1 - форсунка подачи топлива;

2 - компрессор;

3 - регулятор давления наддува;

4 - турбина;

Рис. 4. Приводной компрессор

5 - передача клиновым ремнем;

6 - приводной компрессор;

7 - регулятор давления наддува;

Рис. 5. Волновой обменник давления

8 - передача зубчатым ремнем;

9 - ротор волнового обменника;

Сравнение различных систем наддува по крутящему моменту двигателя на различных частотах вращения:

Рис. 6

1. базовый двигатель без наддува;

2. двигатель с турбонаддувом;

3. двигатель с приводным нагнетателем;

4. двигатель с волновым обменником давления.

Oснова турбонаддува

Основой системы турбонаддува двигателя, и в то же время наиболее сложным ее элементом, является турбокомпрессор. Принцип работы турбокомпрессора заключается в том, что энергия оставшаяся в выхлопных газах не уходит в атмосферу, а идет на повышение давления и плотности воздуха поступающего в двигатель.

Отработанные двигателем газы через выпускной коллектор попадают в корпус турбины (горячая улитка). Давление газов и тепловая энергия газов вращают колесо турбины (горячая крыльчатка), которое, в свою очередь, вращает колесо компрессора (холодная крыльчатка). После этого выхлопные газы выбрасываются в атмосферу.

При вращении колесо компрессора всасывает воздух через воздушный фильтр. Лопасти колеса компрессора ускоряют и выталкивают воздух в корпус компрессора (холодная улитка), где воздух сжимается и во впускной коллектор двигателя. Воздух на выходе из компрессора имеет не только повышенное давление, но и температуру, снижающую плотность заряда, что неблагоприятно отражается на наполнении и, следовательно, мощности двигателя. Поэтому на многих двигателях с турбонаддувом с целью повышения плотности воздуха и, соответственно, улучшения наполнения цилиндров применяют промежуточное охлаждение наддуваемого воздуха (intercooler). Для этого, после компрессора воздух направляют в специальный "воздухо-воздушный" радиатор, установленный рядом с радиатором системы охлаждения.

Особенности работы двигателя с наддувом

Наддув является эффективным способом повышения мощности двигателя при сохранении его объема. Если степень форсирования двигателя характеризовать литровой мощностью Nn = N/Vh, где N - максимальная мощность; Vh - рабочий объем, то у двигателей с наддувом литровая мощность достигает порядка 85-90 кВт/л (110-120 л. с./л), что на 30-40% выше, чем у современных двигателей без наддува.

Двигатели с наддувом имеют меньшую геометрическую степень сжатия. Если в двигателях без наддува (бензиновых) ее значение порядка 9,5-10,0, то с наддувом степень сжатия, как правило, не превышает 8,5. Дело в том, что при увеличении давления смеси в начале сжатия (что и дает наддув) на величину степени повышения давления в компрессоре = Рк/Ро, где Рк - давление за компрессором, пропорционально увеличивается и давление в конце сжатия. Если его не уменьшить увеличением объема камеры сгорания (т.е. уменьшением геометрической степени сжатия, то в конце сжатия давление будет больше на величину Это равносильно тому, что двигатель будет иметь степень сжатия, что придаст увеличение на 1-1,5 единицы. Такой двигатель не сможет надежно работать из-за детонации на основных рабочих режимах. Наддув, таким образом, дает увеличение мощности за счет увеличения количества топливовоздушной смеси, поступившей в цилиндр на такте впуска при сохранении давления в цилиндре в конце сжатия приблизительно на прежнем уровне.

Поскольку количество топливовоздушной смеси увеличивается при сохранении рабочего объема, то увеличивается и количество выделившегося при сгорании тепла. Это приводит к необходимости усиливать детали двигателя, т.к. возрастает температура и давление в цилиндрах. В первую очередь увеличивают толщину стенок поршня и, особенно, его днища, изменяют головку блока цилиндров, фазы газораспределения, применяют клапаны из более жаропрочных материалов, а подшипники коленчатого вала увеличенной ширины и диаметра. Чем выше давление наддува, тем больше изменений требует конструкция. Применяются радиатор системы охлаждения увеличенного объема и площади, а также масляное охлаждение поршней, для чего приходится ставить масляный насос повышенной производительности и радиатор в системе смазки.

Очень высокая частота вращения ротора и теплонапряженность турбокомпрессора приводят к тому, что он становится "слабым" элементом двигателя. Именно при турбонаддуве приходится применять специальные сорта масел, обеспечивающие эффективную смазку подшипников ротора и их работу в тяжелых условиях. И если в случае неисправности системы смазки или некачественного масла у обычных двигателей в первую очередь выходят из строя, как правило, шатунные подшипники, то в двигателях с наддувом - подшипники ротора турбокомпрессора. Кстати, следует отметить, что разрушение подшипников ротора практически сразу приводит к потере герметичности его масляных уплотнений. А это весьма опасно, т.к. из турбокомпрессора масло под давлением может попасть во впускной трубопровод. Если масла окажется много, то в одном из цилиндров может произойти гидроудар, в результате которого разрушается шатун со всеми вытекающими отсюда последствиями.

Размещено на Allbest.ru