ВОДЯНОЕ ОХЛАЖДЕНИЕ "ШАРИКОВЫХ" ТУРБИН.

Возникает много вопросов по поводу необходимости водяного охлаждения «шариковых» турбокомпрессоров. Многие сомневаются в необходимости водяного охлаждения среднего корпуса турбины. В действительности  «шариковые» турбины могут выйти из строя, если не организовать их водяное охлаждение или организовать не правильно.

Для чего нужно водяное охлаждение турбины?

Наличие водяного охлаждения удлиняет жизнь турбокомпрессора! Многие турбины разработаны без водяного охлаждения. Они охлаждаются воздухом и смазывающим маслом, которое через них протекает.  «Шариковые» турбокомпрессоры Garrett серий Т, GT и GTX изначально разрабатывались с учетом наличия водо/масляного охлаждения.  Порты подачи/слива охлаждающей жидкости находятся с обоих сторон среднего корпуса турбокомпрессора и расположены под 90 градусов к портам подачи/слива масла с турбины.

Тепло от сгорания топлива проходит через выпускной коллектор и турбинную «улитку» турбокомпрессора. Часть этого тепла передается лопаткам турбинного вала. Если система охлаждения организована не правильно, это может привести к выходу из строя узла подшипников качения и уплотнительного кольца турбинного вала.

Как работает водяное охлаждение турбокомпрессора ?

Во время работы двигателя охлаждающая жидкость прокачивается через средний корпус турбины за счет давления, создаваемого водяным насосом двигателя. Но даже, когда двигатель выключен, наблюдается движение охлаждающей жидкости сквозь средний корпус благодаря конвекции.

На рисунке  показан средний корпус «шариковой» турбины в разрезе. Голубым цветом окрашены поверхности, которые омывает охлаждающая жидкость. Светло-желтым отмечена масляная полость. Водяная полость практически полностью опоясывает узел подшипников качения (отмечен оранжевым). Водяная рубашка имеет два порта входа/входа с обоих сторон среднего корпуса.

Теплопередача является основным источником проблем, связанных с перегревом турбин. Эта разрушительно высокая температура приходит из системы выпуска. Во время интенсивного использования турбины большое количество тепла из двигателя поступает в выпускной коллектор, турбинную «улитку» и на лопатки турбинного вала. Эти детали рассчитаны на то, чтобы работать при высоких температурах благодаря дизайну и выбору материалов. Но часть этого тепла (в соответствии с закона физики) будет проникать в области с менее высокими температурами, а именно в узел с шариковыми подшипниками и в стержень турбинного вала и другие детали, которые с ними контактируют. 

Во время работы двигателя большая часть переданного тепла передается смазывающему маслу, предотвращая перегрев уплотнительных колец. Как только двигатель включается, прекращается и поток смазывающего масла. Но вся высокая температура выхлопа остается в выпускном коллекторе и турбинной «улитке». Эта высокая температура посредством теплопроводности переходит в средний корпус турбины, в downpipe и в окружающий воздух подкапотного пространства в виде излучения и конвекции. Но значительная часть тепла всёже перейдет в средний корпус турбины т.к. там наиболее низкая температура. Дополнительная часть температуры перейдет от лопастей турбинного вала в стержень турбинного вала и далее в группу шариковых подшипников. Вследствие этого средний корпус и все детали внутри него нагреты в данной фазе больше, чем при работающем двигателе. Эффект такого перегрева будет усугублен большим А/R турбинной «улитки», которая аккумулирует больше тепла.

Как можно повредить турбину недостаточным охлаждением ?

Теперь понятно, чему противостоит охлаждение турбины и к чему может привести недостаточное ее охлаждение. Узел шариковых подшипников и уплотнительные кольца могут пострадать от перегрева. Узел шариковых подшипников выполнен из жаропрочных материалов, но показатели работоспособности подшипников начинают резко ухудшаться при температуре, превышающей 150 градусов Цельсия. Температура может показаться низкой по сравнению с максимально допустимой температурой выхлопных газов, которая составляет 980 градусов Цельсия. Но средний корпус предохраняют от температуры несколько «линий обороны»: жароотражатель между лопастями турбинного вала и средним корпусом, уменьшающий теплопередачу и контакт между средним корпусом и турбинной «улиткой»; масляное и водяное охлаждение среднего корпуса во время работы двигателя и конвекционное охлаждение водой после остановки двигателя. Водяная рубашка «шариковой» турбины сконструирована чтобы огибать внешнюю обойму узла шариковых подшипников и удерживать температуру в этом узле ниже установленных пределов для предотвращения его поломки. Когда вода для охлаждения не используется или охлаждение организовано не правильно, температура в узле подшипников превышает предельно допустимые значения и привести в увеличению зазора внутри подшипников, задевания турбинного и компрессорного колес за турбинную и компрессорную «улитки»  и отказа турбины. Если температура в узле подшипников слишком высокая и при этом скорость вращения турбинного вала выше номинальной, может произойти заклинивание подшипника и катастрофического разрушения турбины. К турбинам, работающим при высоком давлении и высокой скорости вращения турбинного вала предъявляются повышенные требования к установке и устройству линий водяного охлаждения турбины.  Параметры экстремального давления наддува меняются от турбины к турбине меняются, но  в среднем составляет давление свыше 1,7 бара избытка.

На рисунке представлены последствия повреждения шарикового подшипника из-за высокой скорости вращения и высокой температуры. Каждый из подшипников узла оснащен сепаратором, который удерживает шарики.Повышение температуры выше допустимой может повредить сепараторы и привести к катастрофическому разрушению турбины.

Повышенные температуры рискуют повредить не только узел шариковых подшипников, но и разрушить уплотнительные кольца. Когда масло перегрето, оно окисляется и образуется «кокс»  - твердое вещество на основе углерода. Уплотнительное кольцо изготавливается из специальной жаропрочной нержавеющей стали. Оно располагается в углублении турбинного вала и прижимается к седлу среднего корпуса. При образовании кокса данный узел заполняется им, что приводит  к местному перегреву и деформации уплотнительного кольца. При остывании происходит пластическая деформация уплотнительного кольца, что приводит в потере работоспособности данным узлом и утечки масла в турбинную часть турбокомпрессора.

Как правильно установить охлаждаемый водой турбокомпрессор?

Вредное воздействие теплопередачи на турбокомпрессор может уменьшить правильной организацией водяного охлаждения. Водяные линии должны быть интегрированы в существующую систему охлаждения двигателя. Для охлаждения турбины наиболее эффективна смесь 50/50 воды и антифриза при температуре 91 градус Цельсия. Чтобы эффективность охлаждения была наибольшей, порты подвода/слива воды в средний корпус турбины располагают в пределах плюс/минус 20 градусов от горизонтали. Более холодная вода из системы охлаждения двигателя должна подводиться к нижнему из двух портов. Более горячая вода после охлаждения турбины выходит из порта, расположенного выше и поступает обратно в систему охлаждения двигателя. Правильная организация линий охлаждения турбины снизу вверх предохраняет от образования воздушных пробок и обеспечивает конвекционный проток воды через средний корпус после остановки двигателя. Тестирование исследовательской лаборатории Garrett показало, что правильная организация системы охлаждения турбины при котором после остановки двигателя организован конвекционный ток воды от верхнего порта к нижнему может снизить температуру внутри среднего корпуса на 50 градусов. Больший угол отклонения расположения водяных портов от горизонтали не желателен т.к. может помешать свободному сливу масла из среднего корпуса турбины.

Для организации магистралей водяного охлаждения могут быть использованы различные патрубки. Необходимо, чтобы они выдерживали максимальную температуру в 121 градус Цельсия и даже немного выше в некоторых случаях. Если используются жесткие металлические водяные магистрали, они должны быть проложены так, чтобы не наступило их разрушение от вибрации. Если турбокомпрессор установлен на двигатель воздушного охлаждения – необходима организация отдельной системы охлаждения со своим  радиатором. В установке водяного насоса нет необходимости т.к. жидкость в системе охлаждения будет перемещаться посредством конвекции. 

В итоге можно отметить, что применение системы охлаждения турбины – прямое требование завода-изготовителя. Правильная организация и применение системы водяного охлаждения турбины приводит к многократному увеличению срока службы турбины, а не правильная – ее быстрому входу из строя.

Список операций по организации водяного охлаждения турбины:

1. Установите порты водяного охлаждения турбины в пределах 20 градусов от горизонтали.

2. Выберете место соединения системы охлаждения двигателя и турбины. Турбина может быть подсоединена в линию печки.

3. При использовании линии печки необходимо гарантировать, что ток воды через турбину гарантирован при открытом и закрытом кране печки.

4 Важно правильно выбрать водяные магистрали.

5. Присоедините патрубок более холодной воды в нижний порт водяного охлаждения турбины.

6. Присоедините патрубок более горячей воды в верхний порт водяного охлаждения турбины.

7. При использовании жестких металлических магистралей, проследите, чтобы они не пострадали от вибрации.

8. Для герметизации соединения водяных портов используйте медные шайбы.

9. После установки турбины проверьте и внимательно следите за уровнем охлаждающей жидкости.

10. Проконтролируйте отсутствие паровых пробок в системе охлаждения.