Как подобрать турбину под двигатель

Большинство двигателей уже давно оснащаются системами турбонаддува. Без турбин дизельные моторы не обходятся уже лет 20, а бензиновые моторы начали повальный переход на наддув лет 15-10 назад. С турбинами силовые агрегаты стали резвее и мощнее, но у владельцев автомобилей добавилось хлопот. Сегодня мы поговорим о том, что такое турбина, зачем она нужна и как выбрать хорошую бывшую в эксплуатации (БУ) турбину.

Мы сняли видео по теме выбора БУ турбины, посмотреть его вы можете на нашем YouTube-канале.

Что такое турбина?

Вообще правильно и грамотно этот узел называется турбокомпрессор. Он состоит из трех основных частей. Из корпуса турбины («горячая» часть, заключенная в чугунную «улитку»), из корпуса компрессора («холодная» часть в алюминиевом корпусе) и расположенного между ними корпуса подшипников (он же «картридж»). В корпусах крыльчаток при работе турбины создается повышенное давление газов, а в картридже – разряжение.

Внутри картриджа находится ротор (вал), на концах которого закреплены крыльчатки турбины и компрессора. Обычно на крыльчатках помещается от 9 до 12 лопастей. Вал крепится на опорном и упорном подшипниках, которые представляют собой втулки, в которых удерживается и вращается вал. Однако сегодня широкое распространение также получают и турбины с шариковыми подшипниками.

В подшипниках турбины обязательно должно быть масло, которое образует масляный клин, на котором и вращается ротор турбины – он словно левитирует на тонком слое масла, скользит без сопротивления и не задевая поверхность картриджа.

Масло непрерывно подается в картридж и сливается из него. Для того чтобы масло не убегало из корпуса подшипников в корпуса турбины и компрессора, используются стальные уплотнительные кольца. Они хитро установлены – с осевым и торцевым зазором. Нужное уплотнение достигается при работе турбины.

Как работает турбина?

Турбокомпрессор приводится в движение потоком выхлопных газов. Газы раскручивают крыльчатку турбины, одновременно с этим вращается и крыльчатка компрессора, всасывающая воздух и создающая необходимое давление. У турбокомпрессора рабочий диапазон не беспредельный. Так, при недостаточном потоке выхлопных газов производительность турбины не высока – создаваемое давление наддува относительно не велико. А вот если мотор «раскрутить», то он начнет производить достаточное выхлопных газов, и тогда турбина выйдет на свою максимальную производительность. Как говорят в народе, «турбина включится». Однако для того, чтобы турбина дула всегда, почти с холостых оборотов, производители применяют различные хитрости.

Сколько нужно количество лопаток на колесе?

Существуют формулы и для определения количества лопаток на колесе, но результаты вычислений сегодня имеют лишь познавательный эффект, так как за десятилетия сложилась достаточно устойчивое суждение об их численности в зависимости от диаметров колес. Для колес компрессора, если наружный их диаметр не превышает 80 мм, количество лопастей не может быть больше 12-14 для соблюдения условия 3-5 миллиметрового расстояния между входными кромками лопаток у основания наименьшего диаметра. На большем диаметре, естественно, возможно размещение большего количества лопастей. Увеличение их числа приводит к повышению КПД за счет уменьшения зон срыва потока и протечек на периферии. Но с определенного момента начинают расти потери на трение, и КПД перестает повышаться.

В общем случае, с увеличением числа лопаток на колесе сужается диапазон эффективной работы компрессора. Для повышения эффективности с сохранением широты диапазона прибегают к переменному по диаметру количеству лопаток. На меньшем диаметре число лопаток иногда даже уменьшают для сдвига границы помпажа в область меньшей производительности. Уменьшение производится укорочением или подрезкой лопастей на расстоянии 5-10 мм от входных кромок. Лопатки могут быть укорочены как все, так и через одну.

Раньше конструкторы старались сохранять равенство диаметров колес турбины и компрессора, считая, что это лучший способ обеспечить равную результирующую линейную скорость газов на кромках крыльчаток с обеих сторон чарджера. Собственно, это еще и облегчало задачу расчета, так как при таком подходе предполагался и одинаковый расход газов через обе улитки. Но разница в температурах и, соответственно, в плотности выхлопных газов и воздуха все-таки разрушает подобное равенство. Из уравнения степени понижения давления в турбине (одного из тех, что используются для проектирования турбины с чистого листа) следует, что диаметры и число лопаток турбинных колес меньше примерно на 10-15%, что подтверждают стендовые показатели.

Как управляется турбина?

Турбина – это всегда компромиссное решение. Например, для гражданского дизелька важно иметь хорошую тягу на низах. Для этого производители создают турбокомпрессоры, роторы которых раскручиваются до высоких рабочих оборотах при низкой скорости работы мотора. Но что случится с такой турбиной, если водитель решит выкрутить мотор до отсечки? В этом случае она может выйти на запредельную скорость работы, возникнет т так называемый «передув», от которого не будет хорошо ни самой турбине, ни двигателю. Как быть? Нужно управлять производительностью турбины!

Самое простое решение заключается в использовании перепускного клапана (байпас, уэстгейт). Этот клапан открывается по достижении максимального значения наддува, и отработавшие газы через него уходят прямо в выхлопную систему, минуя колесо турбины. Просто, надежно, но не слишком гибко. За открытие клапана отвечает пневматический актуатор.

Более гибкое решение заключается в управлении направлением потока выхлопных газов. Для этого в «улитке» горячей части на пути потока газов устанавливаются лопатки, угол атаки которых регулируется. На невысоких оборотах, когда газов мало, угол атаки лопаток большой: они буквально направляют и отклоняют газы на лопасти турбины. Когда давление наддува вырастает, мощность мотора и количество производимых выхлопных газов вырастает, лопатки становятся вдоль потока газов, не оказывая на них никакого направляющего воздействия. Такое решение называется «управляемой геометрией». За управление положением лопаток отвечает пневматический привод, либо электронный с сервомотором. Последний точнее, но в случае чего с ним больше хлопот в плане ремонта и калибровки.

Здесь же упомянем, что перепускные клапаны используются на турбинах бензиновых и дизельных моторов. А управляемая геометрия – это удел турбин дизельных двигателей. Лишь на оппозитных турбобензиновых моторах спортакоров Porsche используются турбины с управляемой геометрией. Дело в том, что температура выхлопных газов бензиновых моторов очень высока и использование лопаток с непростым механизмом привода требует использования дорогостоящих жаропрочных сплавов.

Также на высокооборотистых и мощных двигателях используется перепускной клапан во впускном коллекторе. Он служит для сброса избыточного давления наддува в тех случаях, когда, например, после интенсивного разгона водитель отпускает акселератор (при этом дроссель закрывается), а поток и давление воздуха во впуске очень высоко. В этом случае воздух необходимо стравить, иначе нагрузка на крыльчатку компрессора и ротор в целом критически возрастет.

Какие разновидности турбин бывают?

Помимо типа управления турбины можно разделить еще на несколько типов. Турбокомпрессоры могут быть одиночными, так и парными: наддув может быть двойным, тройным и даже четверным (есть и такие моторы). В этом случае применяется очень сложная разводка впускного и выпускного коллектора, обводные каналы перепускных клапанов для реализации ступенчатого наддува или параллельной работы нескольких турбокомпрессоров.

Также существуют так называемые «твинскрольные» турбины. Они применяются на легковых бензиновых моторах и на грузовых дизельных. Суть в том, что потоки выхлопных газов от цилиндров собираются в два раздельных канала – ради исключения взаимного противодавления и гармонизации импульсов выхлопных газов, в итоге приводящее к небольшому улучшению топливной экономичности. К крыльчатке турбины газы поступают по двум каналам.

И последнее веяние в моде на турбокомпрессоры – компрессор с электрическим приводом. То есть, работа выхлопных газов не используется. Вместо крыльчатки турбины используется мощный электромотор, работающий от 48-вольтовой электросети. Компрессорная часть устроена, можно сказать, традиционным образом.

Какой нужен размер турбины? Выбор турбины.

Раз выбор режимов является приоритетным, то вопреки правилу, устоявшемуся у составителей учебных программ, описание поиска оптимальных размеров турбо компрессора стоит начать с его турбинной части, но перед этим рассмотрим некоторые общие положения.

Турбина призвана раскручивать компрессорную часть до тех скоростей, которые смогут обеспечить в ней желательные величины потока воздуха и давления наддува. Маленькая турбина будет раскручиваться быстрее, чем большая, при той же самой энергии выхлопных газов. Потом, правда, такая турбина создаст большее ограничение потоку выхлопа, а оно вызовет противодавление в выпускном коллекторе – неприятный побочный эффект. Это не означает поиск компромисса. Размер турбинной части, даже когда основной целью выбора является обеспечение максимально возможной скорости раскрутки, должен сохранять уровень противодавления на минимуме.

Давление в выпускном коллекторе служит хорошим показателем успешности того насколько хорошо турбинная часть подобрана для конкретного двигателя. Чем меньше показания манометра, установленного в выпускном коллекторе, тем больше мощности мотора. Давление в выпускном коллекторе не должно превышать давление наддува приблизительно в 2,5 раза.

Резвый отклик турбины на педаль газа, ранний подхват, и, как следствие, ощутимые показатели избытка на впуске, которые расхваливает какой-нибудь производитель турбин малого размера, порадуют только владельцев тихоходных пикапов для перевозки печатной продукции от склада до торгового ларька. Для легкового автомобиля даже при обычном городском режиме с рваным ритмом передвижения такие турбо-малютки становятся проблемой, отбирая уже на оборотах чуть выше средних до 20% мощности.

Процесс выбора турбинной части во многом заключается в оценке двух параметров: размера турбины и отношения A/R. Размер турбины вообще можно оценивать по диаметру ее выходного отверстия (рис.1). Хотя такой подход, конечно же, грубоват, но все же дает представление о потенциале потока выхлопных газов, пропускаемых турбиной. Выбор турбины, в отличие от компрессора, в большей степени основывается не на прямых вычислениях, а на результатах измерений (как самостоятельных, так и накопленных предшественниками и инженерами в лабораториях).

По графику зависимости расхода воздуха в компрессоре от размера выходного диаметра турбинной части (рис.2), построенного по усредненным статистическим результатам тестирования и испытаний существующих турбодвигателей, можно начать рассмотрение группы чарджеров, подпадающих под интересующий диапазон расхода. Более простая формула для вычисления расхода (в сравнении с приведенной выше) будет приведена в главе, посвященной подбору компрессоров. у производителей турбо-китов имеются собственные графики подобных зависимостей, лучше характеризующие их продукцию. Но в любом случае оценка по этому показателю очень приблизительна.

Как выбрать БУ турбину?

Ведется много споров о том, что лучше: восстанавливать турбину или покупать БУ. Если говорить объективно, то БУ турбина дешевле восстановленной не на заводе-изготовителе примерно в 3 раза. В нашем каталоге самая дорогая БУ турбина стоит 600 рублей, самая дешевая – 80 рублей. Да, БУ турбина имеет некоторый износ. Но в ее защиту скажем, что восстановленные не на заводе-изготовителе турбины оснащаются доступными расходниками и картриджами от китайских производителей. Оригинальная новая турбина на популярные автомобили стоит от 1000 до 4000 долларов. Поэтому многие, сопоставляя суммы, в том числе приходят и к выбору БУ турбин.

Итак, на что обратить внимание при выборе турбины? Прежде всего, должен отсутствовать люфт ротора. Для этого касаемся кончиков вала пальцами и пытаемся расшатать турбину. Продольного осевого люфта быть не должно (вернее, он должен быть, но в пределах от 0,06 до 0,09 мм – а этого «пальцометром» не почувствуешь). Радиальный (поперечный) люфт допускается – это именно тот зазор, который восполняется маслом, на котором вращается ротор. Но крыльчатки ни в коем случае не должны задевать за корпус. Также на лопастях не должно быть повреждений и сколов. Корпуса турбины должны быть сухими – без потеков масла, которые свидетельствуют об износе и негерметичности уплотнений. Улитка холодной части вообще должна быть сухой изнутри. Также немаловажно чтобы трубки, по которым масло подается в турбину и сливается из нее, были не просто обрезаны, а еще и завальцованы (сплющены и как бы запечатаны) – ради предотвращения попадания грязи в картридж.