Рассмотрите турбину и компрессор на общем валу. Меняйте обороты, газ и уставку наддува, наблюдайте работу вестгейта и движение масла.
Как работает турбокомпрессор
Как турбина загоняет в двигатель больше воздуха
Мощность двигателя ограничена воздухом, который поместится в цилиндры. Турбокомпрессор берёт энергию выхлопа, которая иначе ушла бы в трубу, и сжимает ею впускной воздух. При наддуве 1 бар в цилиндр попадает почти вдвое больше воздуха, и можно сжечь вдвое больше топлива.
Турбина. Горячие газы входят в улитку по касательной. Сечение сужается, газ разгоняется и бьёт по лопаткам колеса снаружи внутрь, затем уходит вдоль оси.
Компрессор. Колесо на том же валу забирает воздух по оси и разгоняет его к краю. В диффузоре и расширяющейся улитке скорость превращается в давление.
Масло. Вал крутится до 200 тыс. об/мин на плавающих втулках. Масло смазывает и охлаждает подшипники, поэтому ему нужны чистота, давление и свободный слив.
Вестгейт. Без ограничения наддув рос бы с оборотами до опасного. Актуатор приоткрывает заслонку, и часть газов идёт мимо колеса.
Детали в модели «Турбокомпрессор»
Турбокомпрессор в сборе. Две улитки на одном валу. Выхлоп раскручивает турбинное колесо, компрессорное колесо на другом конце вала сжимает воздух для двигателя. Вал делает до 200 тыс. оборотов в минуту и плавает на масле.
Корпус компрессора (улитка). Алюминиевая улитка. Воздух входит по оси, колесо отбрасывает его к краю, в щелевом диффузоре он тормозится, и скорость переходит в давление. Сечение улитки растёт по ходу потока до выходного патрубка.
Колесо компрессора. Фрезерованное алюминиевое колесо Ø50 мм: 6 полных лопаток и 6 укороченных между ними. Забирает воздух осевым входом и выбрасывает его по радиусу со скоростью до 400–450 м/с.
Корпус подшипников (картридж). Чугунный корпус между двумя улитками. Сверху в него приходит масло под давлением, по каналам идёт к втулкам и упорному подшипнику и стекает вниз через широкий слив. Экран отсекает жар турбины.
Подшипники и уплотнения вала. Две плавающие бронзовые втулки: масло есть и внутри, и снаружи, втулка сама вращается примерно втрое медленнее вала. Упорный подшипник держит вал вдоль оси. Разрезные кольца на концах вала, как поршневые, не пускают масло в улитки.
Вал ротора. Стальной вал приварен к турбинному колесу, компрессорное колесо надето на него и затянуто гайкой. Ротор балансируют в сборе: на таких оборотах даже граммы дисбаланса разрушают подшипники.
Колесо турбины. Литое колесо Ø44 мм из жаропрочного никелевого сплава, 11 лопаток. Газы 800–950 °C входят на него по радиусу, отдают энергию и выходят вдоль оси.
Корпус турбины (улитка). Улитка из жаропрочной стали. Сечение сужается по ходу газа, поэтому газ разгоняется и закручивается к колесу. В корпусе есть обходной канал вестгейта и фланцы к коллектору и приёмной трубе.
Заслонка вестгейта. Тарелка на оси закрывает обходной канал. Рычаг на оси снаружи корпуса связан тягой с актуатором. Открытая заслонка пускает часть газов мимо колеса, и турбина перестаёт разгоняться.
Актуатор вестгейта. Банка с мембраной и пружиной. На мембрану подаётся давление наддува; когда оно превышает усилие пружины, шток выдвигается и через тягу открывает заслонку. Блок управления корректирует давление на мембране клапаном.
Подвод и слив масла. Тонкая трубка подаёт масло из главной магистрали двигателя (2–4 бар), широкий шланг сливает его самотёком в поддон. Слив должен идти вниз без перегибов.
Показ по шагам
Холостой ход. Выхлопа мало, ротор крутится около 30 тыс. об/мин, но почти ничего не сжимает. Вестгейт закрыт.
Газы крутят турбину. Газ в пол: горячий выхлоп входит в улитку турбины, сужающийся канал разгоняет и закручивает его на лопатки. Газы отдают энергию и уходят вдоль оси в приёмную трубу.
Компрессор сжимает воздух. На другом конце вала колесо компрессора забирает воздух по оси и отбрасывает его к краю. В диффузоре и улитке скорость переходит в давление, воздух нагревается от сжатия.
Вал плавает на масле. Масло под давлением приходит сверху, омывает плавающие втулки и упорный подшипник и стекает вниз. Металл вала не касается металла втулок.
Вестгейт держит давление. Наддув дошёл до уставки: давление на мембране актуатора тянет тягу, заслонка отходит от седла и открывает обходной канал. В разрезе видно, как часть газов идёт мимо колеса. Ротор больше не разгоняется.
Всё вместе в разрезе. Синий — холодный воздух; после компрессора он светлеет до жёлто-белого: так показан нагрев от сжатия. Оранжевый — выхлоп, янтарный — масло.
Что ломается и как это проявляется
Износ подшипников. Признаки: вой или свист, растущий с оборотами, сизый дым при разгоне и после холостого хода, уходит масло, в патрубках наддува масляная плёнка. Что проверить: люфт вала: осевой почти нулевой, радиальный в пределах нормы производителя; следы касания на стенках улиток; масло в патрубках. Найти причину: старое масло, засорённая подача, перегнутый слив, остановка горячего двигателя.
Вестгейт закис закрытым. Признаки: машина резко подхватывает, затем дёргается и теряет тягу, загорается лампа, в памяти ошибка «превышение давления наддува». Что проверить: ход тяги от руки на холодном двигателе, подача давления на актуатор (тяга должна двигаться плавно), шланг и клапан управления. Ось чистят и разрабатывают; при большом люфте меняют корпус турбины или картридж в сборе.
Вестгейт не закрывается. Признаки: двигатель тянет как атмосферный, наддув почти не растёт, на холостом ходу металлический стрёкот у турбины. Что проверить: люфт оси заслонки и рычага, регулировка длины тяги (заслонка должна закрываться с натягом), седло на прогар. Сравнить наддув в данных сканера с требуемым.
Повреждено колесо компрессора. Признаки: сильный вой или визг, вибрация, наддув ниже нормы, воздух после компрессора горячее обычного. Что проверить: снять патрубок перед турбиной и осмотреть кромки лопаток с фонарём, проверить люфт вала. Найти, откуда прилетел предмет: фильтр, его корпус, хомуты. Колесо отдельно не меняют: картридж в сборе с балансировкой.
Упрощения модели
Давление, температура и обороты ротора посчитаны по простым формулам сжатия, без карт компрессора и турбины. Задержка раскрутки условная, 0,5–1,5 с.
Ротор вращается в тысячи раз медленнее настоящего, иначе движение не разглядеть.
Показан картридж только с масляным охлаждением; у многих турбин в корпусе подшипников есть ещё рубашка с антифризом.
Нагар на оси вестгейта, полупрозрачный контур заслонки и красные линии сколов на лопатках — условные метки неисправностей, а не точная форма повреждений.
Вестгейт пневматический: пружина держит заслонку закрытой, пока наддув на мембране не дойдёт до уставки, поэтому на частичной нагрузке он закрыт. У многих современных двигателей вестгейтом управляет электромотор, и его часто держат открытым на частичной нагрузке; такая стратегия здесь не показана. Интеркулер, коллектор и приёмная труба не показаны: весь тракт — в лаборатории «Впуск и турбонаддув».
Связанные узлы
Модель показывает принцип работы. Геометрия и расчёты упрощены для обучения.