Зазоры и люфты в турбокомпрессоре

Люфт вала ротора турбины — это расстояние на которое можно сместить вал в любой из плоскостей. Присутствие люфтов  это характерная  особенность центробежного турбокомпрессора на подшипниках скольжения. Центробежные турбокомпрессоры выпускаются как на подшипниках скольжения, так и на шарикоподшипниках.

В маркировке турбокомпрессора на шарикоподшипниках присутствует буква R. Например GTX5008R. Но такие турбины в данный момент не столь распространены как турбины на подшипниках скольжения. В них тоже есть люфт ротора, но алгоритм проверки  люфтов турбокомпрессора на шарикоподшипниках несколько иной и зависит от модели. В ситуации с турбокомпрессорами на подшипниках скольжения определение допустимых люфтов можно обобщить.

Величина люфта в любом из направлений ограничена зазорами в подшипниках

Опорой для вала в турбокомпрессоре являются радиальные и упорный подшипники скольжения. В связке эти подшипники задают величину люфтов в радиальном и осевом направлениях.  Ось вала ротора всегда находится в горизонтальной плоскости. И в этой плоскости вал опирается на радиальные подшипники в двух точках.

Конструктивно радиальные подшипники могут быть выполнены как два раздельных подшипника, вращающиеся вместе с валом, но с меньшей частотой, или же как один моноподшипник с двумя опорными шейками по краям и выборкой между ними. В раздельных вращающихся подшипниках присутствуют технологические зазоры между валом и корпусом подшипников. Моноподшипник всегда зафиксирован и не вращается вместе с валом. Но у него, так же как и у раздельных подшипников, присутствуют зазоры между валом и корпусом подшипников.

Упорный подшипник находится в корпусе в зафиксированном положении. Зазоры в нем определяют дистанционные шайбы.

Зазоры служат для поступления масла в подшипниковые узлы и для их охлаждения проточным маслом. Слив масла из корпуса подшипников всегда направлен вниз. Подача к подшипниковым узлам масла под давлением реализуется из условий монтажа турбокомпрессора на двигателе и может быть выполнена с любого направления.  Смазка в зазоры этих подшипников должна подаваться под давлением, которое обеспечивает создание прочной масляной пленки, т.н. масляного клина. При подаче масла под давлением, вал ротора принимает взвешенное положение, удерживаясь на масляной пленке, которая предотвращает сухое трение. За счет того что зазоры заполняются маслом под давлением — люфты которые можно заметить у сухой турбины исчезают.

Наряду с зазорами в подшипниках (определяющих люфты вала), существуют зазоры между лопатками колеса компрессора, колеса ротора и корпусными деталями.  При увеличении этих зазоров, снижается производительность турбокомпрессора.

При проектировании турбокомпрессора, исходя из зазоров в подшипниках, определяется величина зазоров между лопатками колеса компрессора,  колеса ротора  и корпусными деталями. Выбираются наименьшие допустимые значения. Ведь величина зазоров влияет на производительность турбокомпрессора. Чем они меньше – тем более эффективной будет работа турбины.

На практике зазоры колеса компрессора или колеса ротора варьируются от 0,25 мм на сторону (при входном/выходном  диаметре колеса ≈30 мм) и до значений превышающих 1 мм. Все зависит от диаметра и конструкции подшипниковых узлов. Чем больше входной/выходной диаметр – тем большим будет зазор. К примеру, при диаметре 80 мм, зазор на каждую сторону будет ≈ 0,6 мм. Зазоры в подшипниках намного меньше радиального люфта вала и точно замерять эти зазоры без разборки турбокомпрессора невозможно.

Чаще всего радиальный люфт определяют по смещению гайки колеса компрессора. Этот люфт определяется из суммарного зазора в радиальном подшипнике скольжения (зазор вал-подшипник + подшипник-корпус) и расстояния от подшипника до гайки. Размер вала, зазоры и положение радиальных подшипников в корпусе влияет на величину радиального люфта.

Можно рассмотреть пример виртуального турбокомпрессора:

У турбокомпрессора с двумя раздельными радиальными подшипниками скольжения суммарный зазор в каждом из них составляет 0,13 мм.

Это расстояние, на которое можно сместить вал в направлении параллельно оси. Проверяя радиальный люфт, смещение вала происходит не параллельно оси, а относительно средней точки расположенной между подшипниками. В примере эта точка находится на расстоянии 24 мм от внешнего края подшипников.

Гайка, за которую раскачивают вал, проверяя радиальный люфт, находится на расстоянии 120 мм от средней точки. Радиальный люфт на расстоянии 24 мм от средней точки будет 0,13 мм (величина суммарного зазора в подшипнике), но при увеличении длинны плеча будет увеличиваться и значение радиального люфта. На расстоянии 120 мм он уже будет составлять 0,65 мм.

Так что не стоит удивляться радиальным люфтам порой кажущимися слишком большими. Большее значение имеет зазор по колесу компрессора и колесу турбины и условие что лопатки не касаются стенок корпуса.

Пытаясь определить степень износа подшипников и допустимость зазоров по колесу компрессора и колесу ротора, следует придерживаться простого алгоритма:

• ֍ Проверка плавного вращения вала ротора.  Вращение вала ротора турбины должно быть плавным, легким и без малейших подклиниваний.
• ֍ Проверка на механические повреждения и истирание лопаток. Не должно быть заметно следов касания лопатками о корпус. Проворачивая вал и прикладывая усилие на гайку колеса компрессора или бобышку колеса ротора в радиальном направлении, не должно происходить касания лопаток о корпус и должен сохраняться минимальный зазор порядка 0,1 мм на сторону.

Зазоры взаимосвязаны между собой. Увеличенные зазоры в подшипниках повлекут за собой увеличение люфтов. Если при проверке радиального люфта происходит касание лопаток о корпус, то это однозначно говорит об износе радиальных подшипников.

Среди причин износа радиальных подшипников основной является проблема со смазкой. Несоблюдение регламента замены масла, некачественное масло, масло не соответствующих допусков или загрязненное во время проведения работ по двигателю, низкое давление в системе подачи масла – все это приводит к износу рабочих поверхностей радиальных подшипников. Так же сюда следует отнести случаи нарушения балансировки из за повреждений лопаток колес при попадании на них посторонних предметов.

Нарушенная балансировка ведет к повышенным вибрациям вала ротора. При этом  оказывается слишком большая нагрузка на подшипники. Масляная пленка в этом случае уже не может защитить рабочие поверхности и происходит активный износ подшипников и сопряженных с ними поверхностей вала и дистанционных шайб.

Как следствие, увеличиваются люфты, происходит трение лопаток колеса компрессора или колеса турбины о корпус и увеличиваются зазоры между ними.  На начальных этапах это будет выражено в потере производительности турбокомпрессора. Возможна повышенная шумность работы турбины по причине нарушения балансировки вала ротора.  Дальнейшая эксплуатация приведет к более существенной поломке.

Выше был рассмотрен случай износа подшипников и последующее увеличение зазора в корпусе компрессора или корпусе турбины. Но возможен случай увеличения зазоров в корпусе компрессора по причине абразивного износа лопаток. При попадании на колесо компрессора воздуха с пылью люфт вала остается в пределах нормы, но внешние углы лопаток колеса компрессора закругляются и на внешней стороне образуется ступенчатая выработка, уменьшающая входной диаметр колеса и увеличивающая зазор. Происходит это из-за не плотных соединений и подсоса воздуха с пылью в магистрали, идущей от корпуса воздушного фильтра к входной горловине компрессорной части турбины. Так же причиной может служить дефектный или не плотно прилегающий к корпусу воздушный фильтр.

При обнаружении увеличенных зазоров по колесу компрессора или ротора требуется ремонт турбокомпрессора с заменой деталей обеспечивающих допустимые зазоры.

֍ Проверка осевого люфта. Смещение в осевом направлении не должно превышать 0,1 мм. Осевой люфт более 0,1 мм свидетельствует о том, что упорный подшипник поврежден.

Упорный подшипник в турбокомпрессоре чаще всего выходит из строя из за проблем в системе отвода выхлопных газов. Катализатор, давно требующий замены, излишне частое пользование горным тормозом или его заклинившая заслонка – все это приводит к избыточному давлению выхлопных газов. В результате создается подпор выхлопными газами на вал ротора в осевом направлении и происходит выработка поверхности упорного подшипника на стороне, обращенной к колесу ротора турбины.

Со временем эта выработка достигает критических размеров. Происходит касание лопаток колеса компрессора о корпус с последующим увеличением зазоров и потерей производительности турбокомпрессора.

Эксплуатация двигателя с засоренным или некачественным воздушным фильтром так же ведет к повреждению упорного подшипника. При снижении пропускной способности воздушного фильтра ниже допустимых норм, турбина может войти в режим помпажа. Помпаж представляет собой срыв плавного прохождения воздушного потока через компрессорную часть турбины. Проявляется при работе как хлопки или звуковые пульсации в воздушной магистрали, идущей от воздушного фильтра к турбокомпрессору. При этом на ротор турбины воздействуют силы возвратно-поступательного характера направленные вдоль оси вала. Чаще всего помпаж в турбокомпрессоре возникает из-за слабой пропускной способности воздушного фильтра. Хотя может  быть и по причине переизбытка давления в магистрали наддува двигателя (турбина – интеркулер – головка двигателя).  Плохая пропускная способность интеркулера, не правильная работа вихревых заслонок, клапана Blow off или байпаса, скажется не только на работе двигателя, но и на работе турбины. При работе турбокомпрессора в режиме помпажа, рабочие поверхности упорного подшипника быстро изнашиваются с обеих сторон и как следствие – увеличение осевого люфта.

Не качественное или загрязненное масло, низкое давление масла в системе, нарушенная балансировка являются общей проблемой как для радиальных подшипников, так и для упорного. В этом случае происходит интенсивный износ рабочих  поверхностей подшипников и узлов ротора турбины. При увеличении допустимых люфтов, наряду с подшипниками выходят из строя и газомасляные уплотнения турбокомпрессора.

Одним из важных правил эксплуатации турбированного двигателя является работа двигателя на холостых оборотах перед тем, как заглушить его. Делается это для того что бы обороты вала турбины снизились. Заглушив двигатель, останавливается работа масляного насоса, но вал турбокомпрессора, по инерции продолжает некоторое время вращаться на остатках масла в системе. Если не придерживаться этого правила и глушить двигатель, не дав поработать на холостых оборотах,  то за счет высоких оборотов ротора и малого количества масла в подшипниках может наступить критический износ подшипников, который повлечет за собой увеличение осевого и радиального люфта. Произойдет касание лопаток колес о корпус их износ и снижение производительности турбокомпрессора.