Зачем балансировать картридж?

Турбокомпрессор в сборе — это, по сути, вращающийся узел в центральном корпусе (картридж, также называемый сердцевиной) с корпусами, установленными по бокам. Корпус турбины направляет поток выхлопных газов для приведения в действие рабочего колеса турбины, а корпус компрессора направляет воздух в двигатель. Корпус турбины будет снабжен клапаном сброса давления для регулирования частоты вращения турбины, или, как это чаще встречается в дизельных двигателях, механизмом с регулировкой положения лопаток геометрии, который значительно улучшает управление турбонаддувом, сокращая задержку и повышая производительность. Клапан для сброса давления или геометрия управляется приводом, который может управляться либо электронной крышкой, либо с помощью вакуумной системы.

Картридж же представляет собой ротор (колесо турбины с одной стороны, колесо компрессора с другой), который удерживается в системе подшипников, позволяющих ему вращаться с высокой скоростью на масляной пленке под давлением, аналогичной двигательной. Специалисты по ремонту турбин обычно разбирают турбокомпрессор и картридж в сборе, проверяют все отдельные компоненты, заменяя их при необходимости, и устанавливают новые подшипники и уплотнения. При этом точно так же, как колесо нуждается в балансировке после замены шины, картридж турбины также нуждается в балансировке после его разборки и сборки.

Важно понимать, что все объекты, вращающиеся вокруг центральной оси, имеют определенный дисбаланс, и этот дисбаланс создает резонансную частоту – или вибрацию – при определенных оборотах в минуту. Скорость и сила вибрации напрямую зависят от степени дисбаланса в картридже. Если сравнить это с работой автомобильного колеса, то вибрация ощущалась бы на рулевом колесе. Однако при более точной балансировке колеса резонансная частота как снижается, так и повышается до более высоких оборотов в минуту, что превышает максимальную скорость автомобиля, что, таким образом, решает проблему.

Турбокомпрессор картриджа – это сам по себе сложный механизм, который разрабатывается для работы при температурах до 800°C и скорости вращения, превышающей 230 000 оборотов в минуту (это более 3800 оборотов в секунду!). Для работы в таких экстремальных условиях каждый компонент картриджа турбокомпрессора изготавливается с соблюдением самых жестких допусков в автомобильной промышленности (всего 0,002 мм). Рабочие колеса турбины и компрессора также проектируются с высокой точностью и балансируются на специальном оборудовании в рамках производственного процесса. Однако при сборке ротора накопление оставшегося незначительного дисбаланса во всех деталях может привести к тому, что ротор выйдет из равновесия и будет вибрировать на критических скоростях в пределах рабочего диапазона картриджа.

Аналогично тому, как колесо автомобиля балансируется на низких оборотах, традиционно более крупные коммерческие турбокомпрессоры балансировались на более низких оборотах. При достижении определенного уровня точности балансировки на низких оборотах резонансная частота ротора была бы значительно выше рабочей частоты вращения турбокомпрессора. Однако по мере того, как турбины становились все меньше, частота вращения значительно увеличивалась, так что небольшой картриджа турбокомпрессора теперь работает на резонансных частотах в пределах своего рабочего диапазона. Чтобы гарантировать, что эти небольшие картриджи не будут чрезмерно вибрировать во время работы, их необходимо сбалансировать на высокоскоростном балансировочном станке, который способен разгонять картридж до полной рабочей скорости и измерять вибрацию при прохождении ротором резонансных частот.

В более чем 99% испытаний несбалансированный картридж имеет вибрации, выходящие за допустимые пределы, и для обеспечения правильной работы турбонаддува его необходимо дополнительно сбалансировать. Отказ от проведения балансировки картриджа на специальном оборудовании может вызвать чрезмерную вибрацию при увеличении скорости турбонаддува, что приводит к шуму (свисту) и разрушению масляной пленки в подшипниках. Это, в свою очередь, может привести к преждевременному выходу из строя подшипниковой системы, часто без явных признаков отсутствия смазки или загрязнения маслом.

Таким образом, срок службы турбокомпрессора значительно сократится, если картридж не будет должным образом сбалансирован – в худшем случае турбокомпрессор будет издавать неприемлемый шум во время работы и выйдет из строя в течение нескольких дней.

Благодаря высокой частоте вращения уровень точности при изготовлении сменных деталей турбины чрезвычайно высок. Проще говоря, использование некачественных запасных частей затрудняет балансировку картриджа. Это, в свою очередь, означает, что картриджи изначально низкого качества часто не сбалансированы должным образом и выходят из строя гораздо раньше, чем ожидалось. Использование деталей, которые не были изготовлены с высокой точностью с соблюдением заданной плоскостности, допусков или размеров, может привести к накоплению проблем с дисбалансом компонентов, что также может привести к преждевременному выходу турбины из строя.

Поэтому после разборки и сборки картриджа он должен быть сбалансирован заново в обязательном порядке – даже если используются все те же компоненты, ослабление и повторное затягивание гайки вала приведет к изменению точного баланса ротора, поэтому невозможно аккуратно демонтировать турбокомпрессор, установить новое уплотнение и восстановить его. Ключом к увеличению срока службы отремонтированного турбокомпрессора является использование качественных, точно изготовленных и сбалансированных компонентов, соответствующего высокоскоростного балансировочного оборудования для картриджей и тщательная сборка и калибровка турбокомпрессора.