7 części najbardziej narażonych na awarię w turbosprężarce

1. Obudowa turbosprężarki oraz obudowa turbiny

Obudowa sprężarki, która współpracuje z wirnikiem sprężarki, zawiera spiralny kanał dolotowy, znany jako dyfuzor. W tym kanale powietrze jest sprężane, a następnie używane w procesie doładowania. Większość obudów obecnie jest produkowana z aluminium lub magnezu. Wybór tych materiałów wynika z ich korzystnych właściwości, takich jak niska masa właściwa, dobra przewodność cieplna i łatwość obróbki. Jednak jedną z wad aluminium jest jego niska twardość, wynosząca od 15 do 30 jednostek twardości Brinella (HB). To może wpłynąć na stabilność trzpieni łożysk osadzonych w obudowie tylnej sprężarki.
W praktyce, wystąpienie niesprawności w którymkolwiek z podzespołów, na przykład utrata równowagi wału, może prowadzić do uszkodzenia gniazda łożyskowego, co uniemożliwia dalszą prawidłową pracę. W wyniku uszkodzenia gniazd i utraty sztywności wału, może dojść do tarcia między wirnikiem sprężarki a obudową. To z kolei powoduje uszkodzenia łopatek wirnika oraz wewnętrznej części obudowy sprężarki. Takie uszkodzenia skutkują utratą szczelności w połączeniu między obudową a wirnikiem. Uszkodzenie elementów wirujących może prowadzić do skrajnych konsekwencji, takich jak rozerwanie kanału środkowego obudowy. To wynika z bezwładności części wirnika sprężarki, które zostają wyrzucone na zewnątrz przez siłę odśrodkową w przypadku jego uszkodzenia. Ten proces może spowodować rozerwanie kanału środkowego obudowy i potencjalnie wywołać poważne uszkodzenia.

Obudowa turbiny, która współpracuje z wirnikiem turbiny, zawiera spiralny kanał wylotowy, nazywany konfuzorem. W tym miejscu następuje przekształcenie energii cieplnej na ruch obrotowy wału turbosprężarki. W urządzeniach wyposażonych w zmienną geometrię kierownicy spalin (VTG), obudowa ma specjalnie wyprofilowaną przestrzeń do zamontowania pierścienia, który zawiera ruchome łopatki. Ten mechanizm jest umieszczony na tarczy, która jest połączona z korpusem środkowym. Materiały używane do produkcji tych elementów są dostosowywane do rzeczywistych temperatur gazów wylotowych. Dla temperatur do 750°C, które są typowe dla większości silników o zapłonie samoczynnym, stosuje się materiał o nazwie niresist. Ten materiał zawiera 11-16% niklu, 2,5% krzemu, do 2% manganu, do 4% chromu i do 8% miedzi. Niresist charakteryzuje się wysoką odpornością na wysokie temperatury, ścieranie i korozję.
Dla wyższych temperatur, około 850°C, często stosuje się GGGNiCr 202 (D2). A dla jeszcze wyższych temperatur, rzędu 1000°C (typowe dla silników o zapłonie iskrowym), używa się GGG-NiCr 35 5 2 (D5).
Obudowa turbiny, pracująca w zakresie temperatur rzędu 1000°C, taka jak w przypadku silników o zapłonie iskrowym, musi być wyjątkowo odporna na zmiany kształtu. Dlatego materiały żeliwne wykorzystywane do produkcji tych elementów charakteryzują się wysoką wytrzymałością na rozciąganie, osiągającą około 300 MPa. Wytrzymałość na ściskanie jest około czterokrotnie wyższa niż wytrzymałość na rozciąganie, a wydłużenie nie przekracza 1%.

Najczęstszą przyczyną uszkodzeń eksploatacyjnych obudów turbin, takich jak pęknięcia, jest zwiększone naprężenie wywołane dużym gradientem temperatury. Istota pęknięć tkwi w różnicy w składzie chemicznym żeliwa między dwoma obszarami, co prowadzi do lokalnych zmian w zachowaniu skurczu termicznego. Te przypadki uszkodzeń są szczególnie częste w pojazdach wyposażonych w turbodoładowane silniki spalinowe, gdzie turbosprężarka jest narażona na wpływ czynników atmosferycznych.
Niektóre konstrukcje obudów turbin są zintegrowane z kolektorem wylotowym, tworząc jednolity monolit. Celem tego rozwiązania jest poprawa sprawności turbiny poprzez maksymalne zmniejszenie odległości między komorą spalania a wirnikiem. Skracanie tego kanału pozwala wprowadzać spaliny na wirnik turbiny z minimalnymi stratami entalpii. Niestety, wadą tego podejścia jest podatność na odkształcenia, nawet w przypadku użycia odpowiednich materiałów.
Warto zaznaczyć, że obudowa turbiny musi spełniać również inne surowe wymagania dotyczące wytrzymałości. Szczególnie ważne jest, aby w przypadku zerwania wirnika turbiny odłamki nie były w stanie przebić obudowy. Aby zapewnić ten warunek, przeprowadza się testy wytrzymałościowe, znane jako "próba zamknięcia". Wirnik jest przyspieszany do momentu rozerwania, a następnie wszystkie jego elementy są analizowane. Wymaga się, aby prędkość wirnika w momencie rozerwania wynosiła co najmniej 50% więcej niż maksymalna dopuszczalna prędkość robocza określona przez producenta. Dzięki temu testowi eliminuje się ryzyko uszkodzenia obudowy podczas eksploatacji.
Niemniej jednak, uszkodzenia mechaniczne obudowy mogą wystąpić w nietypowych sytuacjach, takich jak nieprawidłowy demontaż lub uszkodzenia podczas wypadków drogowych. W związku z tym ważne jest zachowanie odpowiednich procedur bezpieczeństwa w obszarach, gdzie obudowy turbiny mogą być narażone na potencjalne ryzyko uszkodzeń mechanicznych.

2. Korpus środkowy

Korpus środkowy, po pierwsze, działa jako obudowa, ograniczając ruch wału i zapewniając mu stabilność. Ponadto, w korpusie znajdują się wytoczone gniazda łożysk, które umożliwiają właściwe osadzenie i podtrzymanie wału. Jednak to nie wszystko, korpus również odpowiada za dostarczanie oleju, który służy zarówno do smarowania jak i chłodzenia różnych komponentów wewnątrz turbosprężarki. Dodatkowo, w korpusie wykonane są rowki pierścieniowe, które pełnią istotną rolę w uszczelnianiu. Te rowki pierścieniowe stanowią część systemu uszczelnienia, zapewniając szczelność w kierunku zarówno sprężarki, jak i turbiny. Dzięki temu minimalizowane są straty cieplne i poprawiana jest wydajność turbosprężarki. Z uwagi na bliską odległość pomiędzy łożyskami, a gorącą częścią obudowy turbiny ciepło aktywnie przenika na łożysko. Przenikanie to intensyfikowane jest za pośrednictwem wirnika, który stanowi jedność z wałem. W zależności od stopnia narażenia na wpływ dużych temperatur istnieje kilka rozwiązań umożliwiających zmniejszenie tego problemu. Dzięki odpowiedniej konstrukcji korpusu blok łożyskowy położony blisko turbiny musi być izolowany termicznie poprzez zwiększenie długości przewodzenia ciepła. Dalszą poprawę osiąga się przez stosowanie osłony termicznej umiejscowionej w tylnej części wirnika turbiny, która w znacznym stopniu zapobiega bezpośredniemu kontaktowi pomiędzy gorącymi gazami spalinowymi oraz korpusem, ponadto, doprowadzany chłodzący strumień oleju zmniejsza dopływ ciepła przez wał do łożysk.
Wysoka temperatura w turbosprężarce ma niekorzystny wpływ na olej, który przepływa przez nią. Podwyższona temperatura może spowodować procesy takie jak koksowanie (tworzenie się osadów węglowych), wytrącanie osadów i laków. Te zjawiska są szczególnie intensywne, gdy przepływ oleju jest ograniczony lub zablokowany.

W wyniku tych procesów olej może gromadzić się w kanałach i przewodach, co prowadzi do zmniejszenia ich średnicy. To utrudnia przepływ oleju i może umożliwiać rozprowadzanie twardych cząstek węgla, które się odrywają, w przestrzeni między łożyskami. Takie zabrudzenia i utrudnienia w przepływie mogą negatywnie wpływać na wydajność i trwałość turbosprężarki.
Dlatego ważne jest, aby monitorować i utrzymywać odpowiednią jakość oleju oraz zadbać o jego ciągły przepływ, aby zapobiec powyższym problemom w eksploatacji turbosprężarki. Aby zmniejszyć ryzyko występowania opisanych zjawisk, ważne jest stosowanie oleju o odpowiednich parametrach jakościowych. Wraz ze wzrostem temperatury, lepkość oleju zmniejsza się, co z kolei zwiększa jego zdolność do oczyszczania i usuwania zanieczyszczeń. Po przejściu przez łożyska, olej grawitacyjnie spływa do misy olejowej. Dlatego jest istotne, aby utrzymać prawidłowy poziom oleju w silniku i zapewnić sprawną pracę systemu odpowietrzenia skrzyni korbowej. Pojawienie się przeciwciśnienia utrudniającego ujście oleju z korpusu w skrajnych przypadkach może uniemożliwić przepływ. Uszkodzenie lub zwężenie kanału odprowadzającego olej może ograniczać wymianę ciepła z łożyskami, co z kolei może prowadzić do uszkodzenia układu smarowania, większego zużycia łożysk i potencjalnego wycieku oleju w kierunku wirników. Często takie problemy wynikają z nieprawidłowo wykonanych napraw lub wymiany. Najczęstszym problemem jest stosowanie uszczelnień króćca odprowadzającego olej z użyciem mas silikonowych. Nadmiar uszczelniacza może dostać się do kanału olejowego po dokręceniu rury, co utrudnia przepływ oleju. W przypadku rozwiązań z zastosowaniem sita w śrubie, odrywające się nawisy mogą całkowicie zablokować ujście oleju.

3. Elementy układu chłodzenia i systemy łożyskowania

W przypadku silników wyposażonych w zapłon iskrowy, gdzie temperatura spalania jest znacznie wyższa (o około 200-300°C) niż w przypadku silników o zapłonie samoczynnym, niektóre korpusy lub obudowy turbosprężarek wyposażane są w zintegrowany z silnikiem system chłodzenia.
W przypadku problemów z nadmierną akumulacją ciepła, na przykład po zatrzymaniu silnika bezpośrednio po intensywnej pracy pod dużym obciążeniem, pompa wody musi być dodatkowo sterowana, aby umożliwić efektywne chłodzenie korpusu oraz łożysk.

Turbo posiada złożony system łożyskowania, wirnik łożyskowany jest ślizgowo: osiowo i promieniowo. Łożyska promieniowe często występują w formie tulei lub tulejek wykonanych ze stopu miedzi. Tuleja łożyska w korpusie środkowym może być osadzona na stałe lub pływająco. Łożysko promieniowe składa się najczęściej z dwóch głównych części: płytki wykonanej ze stopu miedzi, trwale osadzonej w korpusie, oraz ruchomego talerzyka wykonanego ze stali stopowej. Łożysko tego typu ma za zadanie przenosić siły osiowe generowane przez promieniowe wirniki turbiny i sprężarki. Te siły wynikają z oddziaływania rozprężanych gazów spalinowych oraz sprężanego powietrza.
Łożysko promieniowe jest smarowane olejem, który pochodzi z magistrali silnika. Olej ten jest dostarczany do łożysk za pomocą wąskiego kanału smarującego. Zaburzenia w parametrach jakościowych lub ilościowych oleju, takie jak zmiany temperatury, ciśnienia, poziomu w misie lub jakości płynu, mogą stanowić potencjalne zagrożenie dla łożysk, czopów łożyskowych, i wału. Takie zaburzenia mogą prowadzić do uszkodzenia tych komponentów, co w dalszej perspektywie może skutkować poważniejszymi uszkodzeniami lub awariami w turbosprężarce. Dlatego monitorowanie i utrzymywanie właściwych parametrów oleju jest kluczowe dla zapewnienia niezawodności i trwałości turbosprężarki. Przepływający przez wąskie kanały olej narażony jest na działanie wysokich temperatur, dlatego może być to wadą eksploatacyjną.

4. System uszczelnień

Połączenie między wałem a korpusem jest zabezpieczane za pomocą rozprężnego pierścienia lub kilku pierścieni po stronie turbiny oraz uszczelki po stronie sprężarki. Te pierścienie są nieruchome i znajdują się sztywnie osadzone w rowku korpusu, tworząc rodzaj bezstykowego uszczelnienia labiryntowego. Takie rozwiązanie ma na celu ochronę przed utratą oleju oraz zapobieganie przedostawaniu się gazów spalinowych do wnętrza korpusu turbosprężarki, co jest istotne dla jej niezawodnego działania. Dla wszystkich układów uszczelniających przeprowadza się testy funkcjonalne. W przypadku testowania pierścienia uszczelniającego po stronie sprężarki, ciśnienie na wlocie do sprężarki jest obniżane do poziomu, który mógłby wystąpić w przypadku, gdy filtr powietrza jest zanieczyszczony. W celu sprawdzenia uszczelnienia po stronie turbiny, ciśnienie w skrzyni korbowej jest podwyższane. W obu przypadkach olej nie powinien przedostawać się na wirniki. W rzeczywistości, przedostawanie się niewielkiej ilości oleju smarującego do układu dolotowego i komory spalania może być zjawiskiem niepożądanym. Niestety, brakuje narzędzi i procedur weryfikujących wpływ takich przecieków na emisję szkodliwych związków spalin oraz na prawidłową pracę silnika. Systemy diagnozujące pracę silnika zazwyczaj nie monitorują bezpośrednio parametrów pracy turbosprężarki, a brak jest urządzeń i algorytmów, które sprawdzałyby prawidłowe działanie układu doładowania. Co istotne, układ turbodoładowania w sprzężeniu z silnikiem nie jest wyposażony w specjalne czujniki, które by to monitorowały. To oznacza, że istnieje potrzeba rozwoju takich narzędzi i procedur, które pozwoliłyby na monitorowanie i ocenę wpływu tych przecieków na działanie silnika oraz emisję spalin.

5. Wirnik

W systemach turbodoładowania, które są powszechnie stosowane w pojazdach samochodowych, wykorzystuje się koła wirnikowe sprężarek i turbin, które są osiowo-promieniowe (lub promieniowo-osiowe). Jak wspomniano wcześniej, temperatura pracy wirnika turbiny wynosi zazwyczaj od 850 do 1000°C. Przekroczenie dopuszczalnej temperatury może prowadzić do topienia końcówek łopatek. Wirniki turbin są zazwyczaj wykonane w formie otwartej i często trwale połączone z wałkiem wirnika za pomocą metody zgrzewania tarciowego. Materiały stosowane do produkcji wirników turbiny to przeważnie wysokostopowe stale żarowytrzymałe, stopy niklu, kadmu, tytanu i inne. Napływ i wypływ spalin z wirnika turbiny jest ograniczony przez korpus wykonany z żeliwa. Mimo że wirniki są wyjątkowo wytrzymałe mechanicznie, fragmenty ciał obcych, często pochodzące z komory spalania lub układu rozrządu (np. krawędzie zaworów), są narażone na ryzyko uszkodzenia wirników.
W przypadku turbosprężarek istotnym parametrem w osiągnięciu wysokiej sprawności jest utrzymanie odpowiedniej szczelności między wirnikami a obudową. Konieczność zachowania niewielkich odległości, jest związana z ryzykiem uszkodzenia obudowy w przypadku wystąpienia niewielkich luzów promieniowych między wałem a wirnikami. W eksploatacji taki stan rzeczy jest dość częsty.
Wirniki sprężarek są również wykonane jako oddzielne elementy bez tarczy nakrywającej (najczęściej z aluminium), a przepływ powietrza wewnątrz wirnika sprężarki jest ograniczony spiralnym korpusem. Łopatki sprężarki są narażone na uszkodzenia spowodowane przedostawaniem się ciał obcych przez filtr powietrza.

6. Układy regulacji

Regulacja mocy turbiny może być osiągnięta na kilka sposobów, takich jak stosowanie zaworu upustowego, zmiana kąta napływu spalin na łopatki, modyfikacja pulsacji strumienia spalin oraz regulacja czynnej powierzchni łopatek. Rozwiązania te są wykorzystywane zależnie od potrzeb projektowych i oczekiwań, chociaż obserwuje się tendencję ku bardziej złożonym rozwiązaniom, które pozwalają na szeroki zakres regulacji. Jednym z takich rozwiązań jest regulacja ze zmienną geometrią kierownicy spalin.
W przypadku tej metody regulacji (w przeciwieństwie do turbiny z zaworem upustowym), cały strumień spalin wytwarzany przez silnik kierowany jest na łopatki turbiny, napędzając wał. Ciśnienie doładowania kontrolowane jest poprzez zmianę prędkości przepływu spalin, które napływają na łopatki turbiny. Do tego celu stosuje się dodatkowy element zamontowany w obudowie turbiny, zwany kierownicą spalin. Odpowiednie ustawienie kątowe łopatek kierownicy spalin pozwala na zwiększenie lub zmniejszenie energii, z jaką spaliny trafiają na łopatki turbiny. Ten system jest płynnie (bezstopniowo) kontrolowany między dwoma skrajnymi położeniami.
W fazie "A", gdy silnik pracuje z niską prędkością obrotową i niewielkim obciążeniem, wytwarzany jest strumień spalin o niskiej energii i prędkości przepływu. W tym przypadku łopatki kierownicy spalin ułożone są w położeniu "zamkniętym", co zmniejsza szczeliny, przez które spaliny przepływają zanim trafią na łopatki turbiny.
W fazie "B", gdy silnik pracuje z wysoką prędkością obrotową i dużym obciążeniem, wytwarzany jest strumień spalin o dużej energii i prędkości przepływu. Łopatki kierownicy spalin, w tym przypadku ustawiane są w położeniu "otwartym", co zwiększa szczeliny, przez które spaliny przepływają zanim trafią na łopatki turbiny.
To rozwiązanie, jest bardziej zaawansowane i bardziej skomplikowane z uwagi na większą liczbę komponentów, jest również bardziej podatne na potencjalne usterki. Częstym problemem jest blokowanie mechanizmu łopatek, zacieranie się trzpieni, a także uszkodzenia powierzchni lub profilu łopatek.

7. Wyrównoważenie

Najważniejszym etapem w procesie montażu turbosprężarki jest wyważanie jej wirników ze względu na bardzo wysoką prędkość obrotową, wynoszącą około 250 tysięcy obr./min. Główną przyczyną zakłóceń w ruchu obrotowym zespołu wirującego, składającego się z wirnika i wału turbosprężarki, są odśrodkowe siły bezwładności. Te siły wynikają z braku równoważenia osi wirowania z jedną z głównych osi centralnych układu wirującego. Najczęściej bierze się to za niewyrównoważenie mas wirujących.
Niewyważony zespół wirujący charakteryzuje się wzrostem amplitudy drgań w łożyskach, zwłaszcza wraz z rosnącą prędkością obrotową. Jeśli ta prędkość znacząco różni się od najbliższej prędkości krytycznej, amplitudy drgań łożysk wzrastają w sposób nieliniowy, związek ten jest kwadratowy w stosunku do prędkości obrotowej. Drgania te zawsze mają charakter drgań harmonicznych o częstotliwości równej prędkości obrotów wirnika. W przypadku bardzo wysokich prędkości obrotowych zespołu wirującego częstość drgań własnych staje się kluczowym parametrem. Krytyczna prędkość obrotowa, przy której występuje rezonans między drganiami wymuszonymi a własnymi turbosprężarki, powinna znacząco przewyższać prędkości obrotowe w normalnej pracy. Dodatkowo, turbosprężarka nie powinna wykazywać skłonności do drgań w całym zakresie prędkości obrotowych wału korbowego silnika.
Inną przyczyną drgań może być nadmiernie zwiększone lub zmniejszone luzowanie w łożyskach, co może wywołać tzw. samowzbudne drgania olejowe. W niektórych przypadkach te drgania są na tyle intensywne, że uniemożliwiają normalną pracę turbosprężarki lub nawet prowadzą do uszkodzenia łożyska. Cieplna niestabilność wirnika to kolejna potencjalna przyczyna drgań. W takim przypadku charakterystyczną cechą jest szybki wzrost amplitudy drgań wraz z wzrostem temperatury czynnika w kadłubie turbiny.

Uszkodzenia turbosprężarek we współczesnych silnikach spalinowych są powszechnym zjawiskiem, a ich źródeł należy szukać w dysfunkcjach wszystkich układów współpracujących. Elektronizacja, automatyzacja, miniaturyzacja obecna w motoryzacji zmierza do wyeliminowania szeroko rozumianych napraw. Od wielu lat najpowszechniejszą metodą naprawiania maszyn i urządzeń jest wymiana całych zespołów na nowe. Z jednej strony stają się one niedemontowalne, a z innej naprawa wiąże się z koniecznością użycia drogiego i skomplikowanego sprzętu. W przypadku uszkodzeń turbosprężarek jednak najlepszym rozwiązaniem będzie regeneracja tego podzespołu, dzięki czemu będziemy w stanie zaoszczędzić nawet parę tysięcy złotych. Przed podjęciem decyzji o regeneracji turbo warto skonsultować się ze specjalistą od naprawy turbosprężarek. Pamiętaj, że dobrze przeprowadzona regeneracja przywraca turbinie pełną sprawność i przedłużyć jej żywotność, co jest opłacalne w dłuższej perspektywie czasu.