Картриджи турбин: конструктивные особенности, балансирование и стандарты Turbocentras

Что такое картридж турбины и как он работает?

Современные автомобили с турбированными двигателями используют картридж турбокомпрессора как основной элемент системы наддува. Это устройство представляет собой центральный блок турбины, который объединяет в себе все вращающиеся компоненты. Он отвечает за преобразование энергии выхлопных газов в механическую работу, обеспечивая двигатель необходимым объемом сжатого воздуха.

Работа любого картриджа на турбину вне зависимости от его модели основана на использовании энергии выхлопных газов, выходящих из двигателя. Эти газы проходят через выпускной коллектор и попадают в «горячую часть» турбины. Здесь расположена крыльчатка ротора, которая начинает вращение под воздействием давления и потока выхлопных газов. Ротор соединен с валом, передающим вращательное движение к другой стороне турбины — так называемой «холодной части». В «холодной части» располагается аналогичная по конструкции крыльчатка, которая при вращении обеспечивает сжатие поступающего воздуха.

Этот процесс позволяет подать в двигатель увеличенный объем воздуха с высоким содержанием кислорода, благодаря чему:

• улучшается процесс сгорания топлива;
• увеличивается мощность авто без дополнительного расхода горючего;
• повышается эффективность работы системы ДВС и продлевается срок службы турбины.

Для поддержания стабильной работы картриджа турбины необходимо полноценное охлаждение и постоянная смазка его комплектующих. Обычно для этого используется моторное масло, циркулирующее через подшипники и снижающее трение. Также одной из функций масла становится отвод избыточного тепла. В некоторых случаях, особенно при высоких температурах отработавших газов, дополнительно применяется жидкостное охлаждение корпуса подшипников. Как показывает практика, при своевременной замене технических жидкостей и фильтров пробег у турбины будет максимально длительным без дополнительного ремонта.

Как устроены картриджи для турбокомпрессоров

Картриджи для турбин имеют сложную конструкцию, объединяя в себе набор деталей, рассчитанных на экстремальные нагрузки. Это полифункциональный узел, который выполняет сразу несколько задач. И в случае выхода из строя всего турбокомпрессора нередко замена картриджа турбины будет достаточной, что приведет к полному восстановлению работы устройства без необходимости полной замены турбины.

Корпус подшипника

Корпус подшипника в картриджах на турбину считается его несущей основой, на которую крепятся все внутренние элементы. Одна из главных опций – обеспечение стабильного положения запчастей и защита всего механизма. Помимо этого, он выполняет функцию теплоотвода от вращающегося ротора, для чего конструктивно предусмотрены каналы системы охлаждения, которые могут заполняться маслом, антифризом или работать по комбинированной схеме.

Для выдерживания высоких температур и механических нагрузок корпус подшипника изготавливается из чугуна, так как этот металл обладает высокой термостойкостью и прочностью.

Вал турбины с ротором

Вал с крыльчаткой в картридже на турбину предназначен для передачи энергии выхлопных газов на колесо компрессии, обеспечивая подачу сжатого воздуха в двигатель. Турбинная крыльчатка, закрепленная на одном конце вала, вращается за счет потока горячих газов, выходящих из выпускного коллектора. На другом конце установлен компрессорный ротор, который одновременно с вращением турбинной части начинает нагнетать воздух в систему впуска. Этот механизм работает при экстремальных нагрузках, так как частота его вращения может достигать 200 000 об/мин, а температура в зоне турбины колеблется в пределах от 800°C в дизельных двигателях до 1000°C в бензиновых.

Для обеспечения долговечности и надежности вал турбины картриджа изготавливают из жаропрочных сплавов, содержащих никель, хром и кобальт, потому что:

• никель придает материалу термостойкость, предотвращая деформацию при длительном контакте с раскаленными газами;
• хром улучшает антикоррозионные свойства, поскольку турбокомпрессор работает в среде выхлопных газов, содержащих агрессивные соединения;
• кобальт повышает механическую прочность и стойкость к усталостному разрушению, в котором возникают риски при высоких скоростях вращения.

Крыльчатка компрессии

Расположена на противоположной стороне от турбинного колеса и отвечает за сжатие и подачу воздуха в двигатель. Ее размер, количество лопастей, угол их наклона и форма напрямую влияют на объем пропускаемого воздуха, что определяет эффективность нагнетания. Чаще всего крыльчатка компрессии в картриджах турбин изготавливается из алюминиевых сплавов, так как они обладают высокой прочностью, малым весом и хорошей термостойкостью, что также позволило достигать высоких оборотов турбокомпрессора.

В процессе модернизации двигателя, например, при чип-тюнинге, нашей компанией Turbocentras нередко может быть предложена установка увеличенной крыльчатки с улучшенной аэродинамикой, что позволит пропускать больше воздуха, повышая давление наддува и увеличивая мощность двигателя на несколько процентов.

Подшипники

Подшипники в картридже турбокомпрессора используются для поддержки и стабилизации вращения вала. Они делают его положение максимально точным, минимизируя трение и обеспечивая свободное движение вала. Размещаясь внутри корпуса, они находятся в так называемой "масляной ванне", где удерживаются под высоким давлением. В результате образуется тонкая, толщиной в несколько миллиметров, прослойка масла между валом турбины и стенками корпуса подшипников, которая не допускает прямого контакта запчастей и существенно снижает их износ.

В зависимости от конструкции могут использоваться шариковые подшипники или подшипники скольжения, причем последние удерживают вал в слегка смещенном положении, образуя масляный клин, что также приводит к равномерному распределению нагрузки. Обычно подшипники изготавливаются из жаропрочных сталей или бронзовых сплавов. Более детально понять принцип работы механизма можно в этом видео.

Уплотнительные кольца

Это дополнительные прокладки в картриджах турбин, которые устанавливаются на концах вала перед компрессорной и турбинной крыльчатками, создавая барьер даже при усиленных нагрузках. Уплотнительные кольца создают максимальную герметичность, полностью удерживая весь объем масла внутри картриджа, поддерживая баланс давления внутри системы.

Существуют два типа таких колец:

• модели кольца без замка
• модели кольца с замком

Компания Turbocentras при производстве картриджей для турбин использует сталь марки М2, которая отличается низкой эластичностью при высоких температурах. А применение уплотнительных колец с замком позволяет сохранить герметичность системы даже при экстремальных тепловых и механических нагрузках. Аналогичная технология применяется такими крупными производителями турбокомпрессоров OEM, как Garrett, IHI и BorgWarner.

Значение стабильного давления в картридже турбины

Важно поддерживать постоянное давление в системе для правильной работы картриджа турбокомпрессора. Этот показатель должен быть равномерным с обеих сторон: горячей (выходных газов) и холодной (сжатого воздуха). Нарушение этого баланса может привести к серьезным последствиям:

• масло внутри картриджа может перегреться, что приведет к его сворачиванию и образованию твердых частиц;
• твердые частицы масла способны блокировать движение вала, вызывая повышенное трение и нестабильную работу механизма;
• длительное нарушение баланса может привести к поломке вала, его разлому на две части или повреждению лопастей компрессорной и турбинной крыльчатки;
• повреждение стенок корпуса картриджа и других внутренних элементов, в результате чего турбина станет полностью неработоспособной.

Разница между картриджами для турбокомпрессоров в бензиновых и дизельных ДВС

Несмотря на схожесть формы и функционала, картриджи турбин для бензиновых и дизельных двигателей имеют конструктивные различия.

• В бензиновых моторах чаще используется система с клапаном Wastegate, который регулирует давление наддува, сбрасывая избыточные выхлопные газы.
• В турбокомпрессорах дизельных двигателей, наоборот, применяется система изменяемой геометрии, регулируемая актуатором турбины при помощи подвижной лапки закрепленной на тарелце с горячей стороны картриджа. Такая конструкция позволяет более точно контролировать поток выхлопных газов.

Балансировка картриджа турбины

Балансирование — это обязательная процедура, которая проводится с каждым картриджем для турбины после его сборки. На этом этапе проверяется готовность механизма к эксплуатации, а также соответствие его рабочих параметров допустимым нормам. Для проведения балансировки используются специализированные машины с программным управлением, которые сравнивают физические характеристики собранного механизма с идеальными заводскими значениями. Диагностика направлена на изучение характеристик вибраций картриджа на турбину, которые возникают при разгоне вала с турбинным и компрессорным колесами до 240 000 об/мин.

Если показатели балансировки картриджа в турбине не соответствуют параметрам стандартов, проводится срез излишков металла с динамических запчастей.

Какая разница между автоматической и ручной балансировкой?

При ручной балансировке мастер самостоятельно фрезерует нужную область, используя специализированные инструменты, тогда как автоматическая балансировка выполняется самой машиной, оснащенной соответствующим оборудованием. Автоматический метод точнее и снижает вероятность человеческой ошибки, но не все балансировочные станки обладают такой функцией.

Что такое толерация балансирования картриджа турбины и какие стандарты балансировки считаются правильными?

Разные производители имеют различные стандарты балансировки картриджа турбины, что просто объясняется: разными подходами к контролю качества и техническими возможностями оборудования. Чем более серьезный и надежный производитель, тем ниже показатель толерации балансировки.

Современные балансировочные машины позволяют изменять этот показатель, ориентируясь на создаваемый график в режиме реального времени. График представляют собой визуализацию вибрационных характеристик картриджа, где можно отслеживать изменения на разных скоростях вращения. Точность измерений достигается за счет использования высокочувствительных датчиков, фиксирующих даже минимальные колебания, а система автоматической коррекции вносит необходимые изменения в балансировку путем точечного снятия микроскопических слоев металла.

Во время сборки картриджей турбин важно контролировать зазоры между компонентами, так как каждая деталь имеет четко обозначенную геометрию, и даже незначительные отклонения в которой могут нарушить динамическую работу всей системы. В некоторых узлах турбинного картриджа зазор между деталями составляет не более 0,2 мм, поэтому несостыковка форм запчастей во время вращающегося момента может привести к поломке.

В Turbocentras этот вопрос решается двухступенчатым контролем:

1. Сначала проводится полноценное измерение отдельных деталей перед сборкой.
2. Во время балансировки картриджа турбины дополнительно выполняется тест на пропуск масла. Специальное оборудование измеряет объем масла, проходящего через картридж в турбине за единицу времени.

Если все параметры соответствуют норме – картридж проходит тестирование, если нет – его отправляют на повторную сборку.

Точная балансировка картриджа турбины сказывается на ее конечном качестве и, если толерация балансировки имеет минимальное значение, турбокомпрессор прослужит очень долго. В противном случае возникают большие риски поломок по ряду таких причин:

• масляный осадок, который со временем оседает на крыльчатке, из-за неточной формы детали может привести к нарушению баланса;
• даже незначительные механические повреждения крыльчатки, определенные и неисправленные во время балансировки, усиливаются во время эксплуатации;
• увеличенная постоянная нагрузка на подшипники приводит к их ускоренному износу, сокращая срок службы картриджа в турбине;
• неравномерное распределение центробежных сил увеличивает риск повреждения корпуса картриджа.

Компания Turbocentras придерживается одного из самых высоких стандартов на рынке, устанавливая значение параметра толерации, стремящееся к нулю. Это означает, что наши картриджи для турбокомпрессоров отличаются высокой точностью и долговечностью. К каждому картриджу прилагается протокол балансировки, содержащий серийный номер и все данные о его тестировании. Данный номер выгравирован на корпусе, что позволяет легко идентифицировать деталь и убедиться в ее качестве.

Чтобы картриджи турбин поступали к потребителю в идеальном состоянии, мы разработали специальную упаковку, предотвращающую образование коррозии на деталях. Использование антикоррозийных материалов, таких как защитная бумага и пакет с влагозащитным слоем, не допускают развития ржавчины на поверхности и внутри механизма.

Производители картриджей турбин

Среди самых известных производителей картриджей турбин на рынке выделяются Turbocentras, E&E Turbo, Melett, CZ, которые зарекомендовали себя благодаря высокому качеству продукции. Например,  Turbocentras и Melett  известен точностью изготовления, что делает его товар популярным среди сервисных центров. E&E Turbo предлагают сбалансированное сочетание цены и качества.

Цена на такие картриджи турбокомпрессора является одной из самых высоких на рынке, однако это не та запчасть, на которой стоит экономить. Турбина работает в экстремальных условиях, и даже минимальные отклонения в качестве могут привести к серьезным поломкам. Низкокачественный картридж на турбину часто становится причиной разрушения не только самой турбины, но и других узлов двигателя. Замена дешевого картриджа через короткое время может обернуться дополнительными расходами на ремонт в СТО, замену масла и повторную установку турбокомпрессора. Поэтому использование качественного картриджа турбокомпрессора является единственным решением для стабильной работы двигателя.

Однако, экономия также возможна, но только при выборе качественного аналога, который официально произведен с учетом всех требований OEM.  Компания Turbocentras в точности соблюдает утвержденные технологии при проектировании картриджей и использует специальные сплавы, аналогичные OEM-производителям, поэтому мы полностью уверены в долговечности картриджей для турбин, про что также свидетельствуют отзывы наших клиентов.

Преимущества картриджей для турбин Turbocentras

Наши картриджи проходят сверхточную автоматическую балансировку, при которой допуски толерации доводятся практически до нулевого значения, что гарантирует их стабильную работу даже при появлении следов естественного износа (например, появления нагара масла, микрочастиц от воздушного фильтра или пыли и др.). Благодаря этому даже после длительного пробега картридж турбокомпрессора Turbocentras продолжает функционировать без вибраций и перегрузок, сохраняя правильное распределение нагрузки.

С увеличением пробега характер работы картриджа на турбину может измениться из-за накопленных микрочастиц, однако это не приведет к выходу из строя детали или повреждению других узлов. Достаточно провести профилактическое обслуживание узла, в том числе замену масла, но целостность турбокомпрессора при этом останется неизменной. Наши технологии балансировки обеспечивают долговечность картриджей, что делает их надежным выбором для любого типа турбокомпрессоров.

Дополнительным преимуществом картриджей марки “Turbocentras” являється технология построения вала турбины. Вал турбины, как вспоминалось ранее, работает в суровых температурных условиях и давлением, поэтому в его состав входит много различных металлов. Но что еще интереснее, так это построение вала. В оригинальных деталях производители ОЕМ предпочитают вносить больше Никеля (Ni) и других прочных металлов в состав сплава, чем очень редко могут похвастаться производители заменных запчастей к турбонам на вторичном ринке. Компания Turbocentras в то же время, ставит ставку на качество материалов, производя свои изделия в соответствии с технологиями производителей турбокомпрессоров ОЕМ что демонстрирует на примере валов турбокомпрессора. С таким приемуществом позволяет качества, компания дополнительно выделяться среди конкурентов.