Зачем моему турбонаддуву вода? Что в этом за польза?
Бывают, нам задают вопросы вроде этого о том, что касается турбокомпрессоров с водяным охлаждением. Иные клиенты сомневаются в необходимости или преимуществах водного охлаждения в виде дополнительных водопроводных линий по бокам центрального корпуса турбины. Почему бы просто не убрать их? Реальность такова, что турбонаддув с водяным охлаждением может быть непоправимо поврежден без надлежащей настройки водопровода. С небольшой предысторией и некоторым объяснением того, что на самом деле делает водяное охлаждение для турбокомпрессоров, мы, возможно, сумеем объяснить, что преимущества, предоставляемые водяным охлаждением, стоят тех усилий и места под капотом, что необходимы для его правильной настройки.
Водяное охлаждение повышает механическую прочность и продлевает срок службы турбокомпрессора. Многие турбонагнетатели спроектированы без портов водяного охлаждения и достаточно охлаждаются воздухом и смазочным маслом, которое проходит через них. Другие турбонагнетатели, такие как многие из линейки шарикоподшипниковых Garrett GT >X, с самого начала предназначены для охлаждения маслом и водой. Как мы можем определить разницу между турбонаддувом с воздушным/масляным охлаждением и турбонаддувом с масляным/водяным охлаждением? Если центральный корпус турбонагнетателя имеет резьбовые отверстия с обеих сторон под углом 90° от фланцев впуска/выпуска масла, то он охлаждается водой. Для достижения большей долговечности ему необходима вода, подаваемая через него.
Основное преимущество водяного охлаждения на самом деле возникает после выключения двигателя. Тепло, накопленное в корпусе турбины и выпускном коллекторе, после выключения “впитывается” обратно в центральную секцию турбонагнетателя. Если вода подведена неправильно, этот сильный нагрев потенциально может привести к разрушению подшипниковой системы и уплотнительного поршневого кольца за колесом турбины.
Физический процесс водяного охлаждения турбонагнетателя интересен и работает иначе, чем может показаться. Это правда, что при нормальной работе двигателя вода проходит через турбонагнетатель в основном из-за давления, создаваемого водяным насосом двигателя. Однако дополнительное явление, известное как “тепловой сифон”, вытягивает воду через центральный корпус турбины, если водопроводные линии проложены правильно, даже после того, как двигатель выключен и водяной насос больше не качает.
Тепло в центральном корпусе передается воде посредством теплопроводности, подобно охлаждающему эффекту, возникающему внутри обычного двигателя с водяным охлаждением (с водяной рубашкой, окружающей каждый цилиндр и проходящей через головку цилиндра). Если воде, проходящей через турбонагнетатель, будет позволено свободно вытекать после поглощения тепла, она будет подниматься через систему охлаждения, втягивая вместе с ней более холодную воду в турбонагнетатель. Таким образом, тепло, которое впиталось обратно в турбину после выключения двигателя, отводится от подшипников и уплотнений и предотвращает серьезные повреждения без помощи водяного насоса двигателя.
“Тепловая отдача” является основным убийцей турбокомпрессоров, и к ней должны серьезно относиться как инженеры турбокомпрессоров, так и пользователи турбокомпрессоров. Это разрушительное тепло исходит из выхлопной системы. Во время интенсивного использования высокие температуры выхлопных газов выделяют огромное количество тепла в выпускной коллектор, корпус турбины и турбинное колесо. Эти компоненты предназначены для работы при очень высоких температурах благодаря тщательному дизайну и выбору материалов. Однако часть этого накопленного тепла естественным образом захочет проникнуть в менее теплостойкий центральный корпус, подшипниковую систему и вал турбонагнетателя, поскольку все эти компоненты находятся в контакте друг с другом. Во время работы двигателя и протекания масла через подшипниковую систему турбонаддува большая часть передаваемого тепла будет поглощаться маслом, предотвращая повреждение подшипников и масляных уплотнений.
Как только двигатель выключен, поток масла прекращается, как и поток выхлопных газов через турбину, но все это тепло, накопленное выпускным коллектором и корпусом турбины, все еще остается. Эта жара должна куда-то уходить. Его единственные пути отвода должны либо использовать проводимость материала для отвода тепла в центральную секцию турбины и выхлопную трубу, либо излучаться в окружающий воздух под капотом. Небольшое количество тепла будет передаваться окружающему воздуху посредством излучения и конвекции, но подавляющее большинство будет поступать из корпуса турбины в центральный корпус, поскольку центральный корпус имеет более низкую температуру. Кроме того, часть тепла будет передаваться от турбинного колеса в вал и наружу к подшипниковой системе.
Во время этой фазы охлаждения турбины и выхлопных газов, когда тепло “впитывается” обратно в центральную секцию турбины, температура центрального корпуса, сальника, подшипников и любого масла, оставшегося в турбине, повышается выше нормальных рабочих температур, которые имели место во время работы двигателя, поскольку поток масла больше недоступен для отвода тепла. Этот эффект усугубляется большим корпусом турбины. Чем больше A/R турбины (и/или чем массивнее корпус турбины), тем больше тепла сохраняется в корпусе во время работы. Поэтому существует больший риск повреждения турбокомпрессора во время обратного нагрева после выключения.
Теперь, когда мы увидели, как работает водяное охлаждение с турбонаддувом и с чем оно связано, мы можем начать понимать последствия недостаточного охлаждения. Перегрев может привести к повреждению как подшипниковых систем, так и систем уплотнения масла. Патроны с шарикоподшипниками очень прочны и выдерживают многократное превышение нормальной рабочей температуры, но существуют пределы того, что они могут выдержать. Патроны с шарикоподшипниками состоят из набора внутренних колец, двух комплектов шариков и фиксаторов и внешнего кольца. Как внутреннее, так и наружное кольца изготовлены из различных марок стали, которые очень прочны и тверды в нормальных условиях эксплуатации, но которые снижаются при слишком высоких температурах. Прочность и твердость типичного кольца шарикоподшипника начинают быстро ухудшаться при температурах выше 300°F (150°C).
Это может показаться низким, учитывая, что температура выхлопных газов может достигать 1800°F (980°C) в типичном бензиновом двигателе с турбонаддувом с высокой производительностью, но подшипник надежно защищен несколькими линиями защиты: тепловой кожух за колесом турбины, уменьшенная площадь контакта между центральным корпусом и корпусом турбины (снижение скорости теплопередачи), охлаждение маслом и водой во время работы и, наконец, водяное охлаждение после горячих отключений. В частности, при исследовании водяного охлаждения водяная рубашка внутри центрального корпуса турбонагнетателя оборачивается вокруг картриджа шарикоподшипника и предназначена для поддержания температуры шарикоподшипников ниже допустимых значений, чтобы предотвратить выход подшипника из строя. Когда вода не используется или неправильно подведена, температура подшипников может легко превысить заданные пределы и привести к увеличению зазора в подшипниках, трению колес турбины и компрессора в соответствующих корпусах и, в конечном счете, к катастрофическому выходу турбины из строя.
В дополнение к деградации материала, высокие температуры подшипников приводят к уменьшению внутренних зазоров в стальном шарикоподшипниковом патроне. Если температура становится слишком высокой, а турбонагнетатель работает с более высокими, чем номинальные, скоростями турбонаддува, картридж со стальным шарикоподшипником может физически заблокироваться или зацепиться, что приведет к полному отказу турбонаддува. Высокие скорости происходят рука об руку с очень высоким давлением наддува, поэтому владельцы автомобилей с <>турбонаддувом, использующие систему с высоким наддувом, должны быть очень внимательны к настройке и состоянию линий водяного охлаждения турбонаддува. “Высокий наддув” варьируется от турбонаддува к турбонаддуву, но обычно может рассматриваться как что-либо выше 25 фунтов на квадратный дюйм (1,7 бар).
Каждый отдельный шарикоподшипник внутри картриджа с двойным шарикоподшипником удерживается на месте фиксатором, и на набор шариков приходится один фиксатор: один со стороны компрессора турбины и один со стороны турбины. Повышенные температуры также могут повредить эти фиксаторы, что может привести к сильному перемещению вала (или люфту), трению колес в корпусах и, опять же, к катастрофическому отказу турбины.
Недостаточное охлаждение и очень высокие температуры не только угрожают здоровью подшипниковой системы, но и потенциально могут привести к разрушению масляных уплотнений. Когда масло перегревается, оно окисляется и образует “кокс”, твердый остаток на основе углерода, который выглядит как черное запекшееся закопченное вещество. Масляные уплотнения турбонагнетателя не являются обычными резиновыми уплотнениями вала, как на коленчатом валу двигателя, поскольку резиновые уплотнения или уплотнительные кольца не смогут сохранить свои уплотнительные свойства при высоких температурах внутри турбонагнетателей. Вместо этого они представляют собой стальные “поршневые кольца”, которые проходят в пазах турбовала. Они пружинистые и предназначены для прижатия к отверстию в центральном корпусе, как поршневые кольца в цилиндре двигателя.
Они также должны иметь некоторый люфт для правильной работы – необходимо небольшое осевое перемещение (внутрь и наружу, в направлении вала). Если перегретое масло превращается в кокс в области уплотнения, канавка уплотнения поршневого кольца может быть заполнена коксом и приведет к чрезмерному напряжению кольца. Это может привести к трению кольца о вал, чего делать не следует. Это ограничение свободного движения в сочетании с перегревом приведет к пластической деформации кольца при его расширении наружу в отверстие уплотнения в центральном корпусе. Пластическая (необратимая) деформация известна как разрушение кольца, и как только турбонагнетатель остынет, уплотнение поршневого кольца потеряет свою упругость и больше не сможет функционировать в качестве масляного уплотнения. Таким образом, отсутствие функционального водяного охлаждения может привести к серьезной утечке масла из центрального корпуса в корпус турбины, что приведет к образованию дыма при сжигании масла горячими выхлопными газами.
Разрушительное воздействие обратного теплового потока на турбокомпрессор может быть предотвращено путем правильной установки водяных трубопроводов в системе охлаждения. Водяное охлаждение турбокомпрессора не обязательно должно быть сложным. Водяные линии турбонаддува должны быть подключены к существующей системе охлаждения двигателя и при этом могут быть отключены от линий обогревателя. Охлаждающую жидкость двигателя (антифриз) можно использовать совершенно спокойно – турбонагнетатели с водяным охлаждением испытываются при тепловом воздействии с использованием типичной смеси 50/50 воды и антифриза при температуре 91°C. Чтобы получить наибольшую выгоду от водяного охлаждения, центральный корпус турбонагнетателя следует повернуть вокруг центральной оси (вала) так, чтобы отверстия для воды находились под углом примерно 20° от горизонтали. Это необходимо для усиления эффекта теплового сифонирования.
Входная вода (более холодная, из системы охлаждения двигателя) должна быть подключена к нижнему из двух отверстий после поворота корпуса. Более горячая выходная вода, ведущая обратно в систему охлаждения двигателя, должна быть подключена к более высокому порту, чтобы перемещаться “в гору” до самого места, где она встречается с системой охлаждения. В этой точке не должно быть перегибов вверх/вниз или “ловушек”. В качестве выходного отверстия можно использовать любую сторону турбонагнетателя – водяной сердечник рассчитан на поток в любом направлении. Правильная настройка водоподвода таким образом, чтобы более холодная вода поступала с нижней стороны, затем поступала во вращающийся центральный корпус и выходила с верхней стороны, уменьшит образование воздушных карманов и обеспечит постоянное движение воды в течение всего периода теплового сифонирования после выключения двигателя. Будет получена полная выгода от эффекта теплового сифонирования, а температуры внутри турбокомпрессора будут сведены к минимуму. Лабораторные испытания показали, что пиковые температуры в центральном корпусе могут быть снижены на целых 90°F (50°C), когда центральный корпус поворачивается, чтобы обеспечить выход более горячей воды из верхнего порта. Поворот корпуса более чем на 20° от горизонтали может еще больше снизить температуру, но также может препятствовать сливу масла, поэтому лучше придерживаться максимального значения 20°.
Можно успешно использовать множество различных типов водяных труб, но при выборе их необходимо следовать нескольким рекомендациям. Обязательно используйте шланги или трубы, которые рассчитаны по крайней мере на такую температуру охлаждающей жидкости двигателя, которая в некоторых случаях может достигать 121°C или выше. Линии или шланги должны быть сконструированы таким образом, чтобы они были совместимы с водой и антифризом, и большинство из них удовлетворяет этим требованиям. Фитинги в стиле AN (37° fl) рекомендуются для легкой установки и систем без утечек, а множество адаптеров для водяных портов Garrett доступны у многих дистрибьюторов. Можно использовать либо линии из твердой стали, либо гибкие линии, но необходимо позаботиться о том, чтобы жесткие линии не подвергались разрушительной вибрации. При работающем двигателе будет наблюдаться нормальная вибрация двигателя, но движение воды также будет наблюдаться, когда двигатель вращается на своих опорах во время высокого крутящего момента.
Жесткие трубы без какого-либо гибкого участка между их концами могут треснуть или изогнуться от вращения двигателя или устать от нормальной вибрации двигателя, в зависимости от того, как они проложены. Треснувшие жесткие трубы приведут к утечке охлаждающей жидкости, поэтому при использовании жестких линий следует уделять особое внимание движению и вибрации. Большинство автомобильных двигателей имеют водяное охлаждение, а это означает, что трубы для водяного охлаждения в турбонагнетателе должны быть довольно несложными. Однако двигатели с воздушным охлаждением применяются в мощных автомобилях и могут привести к некоторой дополнительной проблеме для тех, кто управляет ими, если имеется турбина с водяным охлаждением. В идеале должна быть построена отдельная система водяного охлаждения с резервуаром, небольшим радиатором и, возможно, электрическим водяным насосом. Если при установке труб и размещении резервуара приоритет отдается тепловому сифонирующему эффекту, водяной насос может не потребоваться, так как тепло внутри турбонагнетателя естественным образом будет работать для циркуляции охлаждающей воды по системе. В случае сомнений настоятельно рекомендуется внимательно следить за температурой охлаждающей жидкости с помощью датчиков и/или регистрации данных, чтобы убедиться, что система исправна и турбонагнетатель снабжен водой или охлаждающей жидкостью при температуре ниже приблизительно 121°C со стороны входа.
Автомобилям с чрезвычайно низкими температурами выхлопных газов и без системы водяного охлаждения (например, дизели с низкой производительностью или специально изготовленные драгстеры, работающие на метаноле / спирте) может не потребоваться система водяного охлаждения турбонагнетателя. В этом случае следует внимательно следить за состоянием всех компонентов турбины, чтобы убедиться, что подшипники остаются в хорошем состоянии и не образуется масляный кокс. Если вы сомневаетесь, установите простую систему водяного охлаждения. Таким образом, водяное охлаждение является важным и довольно простым требованием для турбокомпрессоров, оснащенных водяными портами. Последствия перегрева турбонагнетателя с водяным охлаждением могут быть чрезвычайно вредными, и наградой за продуманную систему водяного охлаждения в хорошем рабочем состоянии является турбонагнетатель, которому будет служить максимально долго в чрезвычайно сложных условиях.
