ТКР

 

   Устройство турбокомпрессора 

 

ТУРБОКОМПРЕССОР

     Это компрессор, или воздушный насос, который приводится от турбины. Турбина вращается за счет использования энергии потока отработавших газов. Частота вращения рабочих колес турбокомпрессора дизельного двигателя находится в пределах от 1000 до 130 000 об/мин (это значит, что лопатки турбины разгоняются почти до линейной скорости звука).

     Турбина непосредственно соединяется с компрессором жестким валом. Компрессор засасывает через воздушный фильтр свежий воздух, сжимает его и затем под давлением подает во впускной коллектор двигателя. Чем большую энергию имеют отработавшие газы, тем быстрее будет вращаться турбина, а значит вал компрессора тоже будет вращаться быстрее. Чем больше воздуха попадает в цилиндры, тем больше топлива может сгореть, а это повышает мощность двигателя.  

 

ТУРБИНА

      Турбинная часть состоит из корпуса турбины и рабочего колеса турбины. Отработавшие газы из выпускного коллектора двигателя попадают в приемный патрубок турбокомпрессора. Проходя по постепенно сужающемуся внутреннему каналу корпуса турбины, они ускоряются и приводят в движение рабочее колесо турбины. 

     Скорость вращения колеса турбины определяется размером и формой канала корпуса. Это напоминает поливочный шланг: чем больше вы перекрываете пальцем выходное отверстие, тем дальше бьет струя воды. Размеры корпуса турбины зависят от конкретного двигателя. 

      Корпуса турбин значительно различаются в зависимости от сферы применения. Корпус турбины двигателя грузовика может быть разделен на два параллельных канала, в результате на колесо воздействуют два потока отработавших газов. 

      При таком типе корпуса становится возможным использование импульсного движения потока газов и достижение резонансных явлений. Отсюда и обязательность разделения выпускных каналов для каждого цилиндра. 

      В корпусе турбины, имеющем двойной канал, каждый поток распределяется по всей поверхности колеса турбины, что позволяет использовать импульсы давления (поток распределяется симметрично с каждой стороны ротора). 

      В турбокомпрессоры с большим объемом часто устанавливают дополнительное кольцо с направляющими лопатками. Оно облегчает создание постоянного потока отработавших газов на колесе турбины и делает возможным регулирование потока.

Корпус турбины отливается из сплава с высокой термостойкостью. Колесо турбины также изготавливается из высококачественных материалов, имеющих высокую температурную стойкость. Ту часть, через которую входят отработавшие газы, называют впуском, а часть идущую к выхлопной трубе - выпуском. 

      Колесо турбины жестко соединено с валом посредством сварки трением. Материал вала отличается от материала, используемого для колеса турбины. Сборка этого соединения осуществляется следующим способом. Вал и колесо, вращающиеся в противоположных направлениях на очень большой скорости, прижимают друг к другу. Выделяющееся при трении тепло сплавляет их друг с другом, образуя неразъемное соединение, которое называется валом ротора. 

      Вал в месте соединения пустотелый. Эта пустота затрудняет передачу тепла от колеса турбины к валу. 

      На вале ротора со стороны турбины имеются канавки, в которых располагаются уплотнительные кольца. Рабочая поверхность радиальных подшипников упрочняется и полируется. 

      После того, как ротор изготовлен, он должен быть отбалансирован с максимально возможной точностью, прежде чем он будет установлен в корпус подшипников. 

 

КОМПРЕССОР

      Компрессорная часть состоит из корпуса компрессора и рабочего колеса компрессора. Размеры корпуса компрессора определяются количеством воздуха, требуемого для двигателя, и скоростью вращения колеса компрессора. 

      Колесо компрессора закреплено на валу ротора и, следовательно, вращается с той же скоростью, что и колесо турбины. 

      Лопатки колеса компрессора, изготавливаемые из специального сплава на основе алюминия и имеют такую форму, что воздух засасывается через центр ротора. Всасываемый таким образом воздух направляется к периферии колеса и при помощи лопаток отбрасывается на стенку корпуса компрессора. В результате воздух сжимается и через впускной коллектор попадает в двигатель. Корпус компрессора также изготовлен из алюминия. 

 

КОРПУС ПОДШИПНИКОВ 

      Смазка турбокомпрессора производится от системы смазки двигателя. Корпус подшипников является средней частью турбокомпрессора и расположенную между колесом турбины и колесом компрессора. Ротор вращается в подшипниках скольжения. Моторное масло по каналам проходит между корпусом и подшипниками, а также между подшипниками и ротором. В большинстве турбокомпрессоров радиальные подшипники вращаются со скоростью, равной половине скорости ротора. 

      В настоящее время появились конструкции, в которых подшипник неподвижен, а ротор вращается в масляной ванне. Масло не только служит для смазки ротора, но и охлаждает его, подшипники и корпус. 

      Для герметичности корпуса компрессора и колеса компрессора в месте пристыковки со средней частью устанавливаются маслоотражательные прокладки. С двух сторон устанавливаются также уплотнительные кольца.

     Но, несмотря на то, что эти кольца помогают избежать утечек масла, они в действительности не являются уплотнительными прокладками. Их нужно рассматривать как элемент, затрудняющий утечку масла и газов между турбиной, компрессором и корпусом подшипника. В обычном режиме работы турбокомпрессора давление в турбине и компрессоре больше давления в корпусе подшипника. Часть газов из турбины и часть воздуха, сжатого в компрессоре, попадают в корпус подшипника и вместе с моторным маслом по сливному маслопроводу проходят в масляный картер двигателя.  

     Все масляные уплотнения - динамического типа, т.е. работают на принципе разности давлений:

      1. Разница в диаметрах вала из-за действия центробежных сил образует разность давлений, что затрудняет просачивание масла к турбине. 

      2. Со стороны турбины уплотнительные кольца расположены в канавках ротора. Этот же принцип установки колец применен и со стороны компрессора. Уплотнительные кольца являются элементом, играющим главную роль в обеспечении герметичности. 

      3. Внутренняя часть корпуса подшипников имеет своеобразную форму с целью предотвращения просачивания масла к компрессору. 

      Когда обороты двигателя низкие или он работает без нагрузки, давление в корпусе подшипников больше, чем в компрессоре. 

      В компрессоре воздух отводится от центра на периферию и сжимается. Этот же эффект мы можем наблюдать при быстром размешивании кофе в чашке: кофе будет отброшен на стенки чашки. Воздух в компрессоре завихряется и отбрасывается на стенки компрессора, после чего этот сжатый воздух поступает в двигатель. Поэтому становится ясно, почему в случае слабого наддува в двигателе с турбокомпрессором (т.е. когда давление турбокомпрессора близко к нулю) за ротором компрессора образуется небольшое разрежение. 

      Естественно, при работе турбокомпрессора могут иметь место утечки масла из корпуса подшипников в компрессор. Скорость вращения ротора турбокомпрессора может быть настолько высокой, что избежать утечек масла, используя обычные , манжеты (устанавливаемые, к примеру, в коробке передач), невозможно. 

      Поэтому в корпус подшипников устанавливают несколько уплотнительных колец, используя разные методы для наиболее качественного уплотнения мест возможной утечки масла. 

      Вот некоторые из них: 

      *Механический сливной маслопровод турбокомпрессора Garrett. 

      В этом компрессоре главную роль при уплотнении играет уплонительное кольцо. Когда двигатель работает на малых оборотах либо без нагрузки, за ротором компрессора образуется область пониженного давления (разрежения). Масло и газы, которые находятся в корпусе подшипников, устремляются между задней стенкой и уплотнительным кольцом к компрессору. 

      Когда эта смесь проходит через динамическое уплотнение, масло, более тяжелое, чем газы, отбрасывается к наружной стороне кольца, но остается в корпусе подшипника, в то время как газы продолжают свое движение в компрессоре. 

      Таким образом, маслоотражатель (динамическое уплотнение), который вращается на большой скорости вместе с ротором турбокомпрессора, действует как центробежный сепаратор масла. 

     *Экран

      Большинство производителей турбокомпрессоров в той или иной форме используют эту схему. Это неподвижная пластина, расположенная поперечно со стороны компрессора. 

      Масло, идущее от подшипникового узла, стекает по внутренней стороне пластины вниз, то есть к отверстию для слива масла. Верхняя часть этой пластины имеет такую форму, что она постоянно находится выше нормального уровня масла в корпусе подшипников. В случае возможного образования разрежения в компрессоре газы засасываются легче, чем более тяжелое масло. 

      Со стороны турбины проблема отвода масла не так важна, если принять во внимание, что в нормальных условиях давление в турбине всегда выше, чем в корпусе компрессора. При некоторых условиях эксплуатации может иметь место падение давления в турбине; в таком случае требуется установка экрана для отвода масла со стороны турбины. 

      Любая конструкция корпуса подшипника подразумевает также необходимость максимального снижения теплообмена между турбиной с уплотнительными кольцами и компрессором. С этой целью со стороны турбины устанавливается термоизоляционная прокладка, а в корпусе подшипников имеется множество элементов для теплообмена.