Почему ломаются турбины

Презумпция невиновности

Когда в двигателе с принудительным наддувом выходит из строя турбокомпрессор, не стоит сразу обвинять в этом саму «турбину». Разумнее исходить из принципа презумпции ее невиновности. Практикой установлено, что в большинстве случаев отказ турбокомпрессора вызывается «внешними» причинами.

Специалисты в области систем турбонаддува в один голос утверждают, что современный турбокомпрессор – надежное изделие, ресурс которого сравним с ресурсом двигателя. На практике получается, что в течение срока службы двигателя турбину приходится менять. Иногда дорогостоящую замену приходится делать настолько часто, что это сводит на нет преимущества эксплуатации турбированного мотора, вызывает раздражение автовладельцев и авторемонтников и нарекания с их стороны на надежность конструкции и качество изготовления этого моторного агрегата. В чем причина такой противоречивой ситуации?

Слово «ответчику»

По мнению разработчиков турбокомпрессоров, обвинения в недостаточной конструктивной надежности и качестве их продукции необоснованны. К настоящему времени все физические процессы, протекающие в агрегатах турбонаддува, детально изучены, закономерности выявлены и буквально «разложены по полочкам». За последние 15-20 лет, благодаря техническому прогрессу их конструкция достигла высокой степени совершенства. Разработка новых моделей ведется методами компьютерного проектирования с применением пространственного моделирования. При изготовлении деталей ТК используются особые материалы с тщательно выверенными рецептурами и самые передовые технологические процессы (высокоточное литье, электронно-лучевая сварка, сварка трением и т.д.). Прежде чем «выйти в серию», каждая деталь, узел и изделие в целом проходят многостадийный цикл испытаний. Турбокомпрессор вначале тестируется на испытательном стенде, затем – в составе двигателя. В ходе испытаний проверяется прочность корпусных деталей и точность работы системы регулирования, измеряются величины предельных нагрузок, динамических колебаний ротора и резонансных вибраций лопаток турбины, моделируются неблагоприятные условия работы уплотнений ротора, исследуется работоспособность ТК в режиме «старт-стоп» и при многочасовых циклических нагрузках.

Качество изготовления турбокомпрессоров также вне подозрений. Система менеджмента качества на предприятиях известных мировых производителей ТК, в какой бы части света они ни находились, соответствует единым, жестким стандартам. Вероятность заводского брака, конечно, не исключена полностью, но она мизерна и не превышает нескольких процентов. Высокий технический уровень изделий является непреодолимым препятствием для появления на рынке суррогатной продукции неизвестного происхождения. В деле производства турбокомпрессоров «бодяжничество» нерентабельно. И, тем не менее, зачастую ТК не отрабатывает положенный ресурс.

Дело в том, что турбина – наиболее высоконагруженный агрегат двигателя. Условия, в которых работает турбокомпрессор, характеризуются огромным перепадом температур. В то время как его турбинная часть подвергается воздействию отработавших газов с температурой порядка 10000С, со стороны компрессора температура конструкции почти на порядок ниже. Температурный фактор усугубляется высокими динамическими нагрузками, возникающими вследствие огромной частоты вращения ротора, которая может достигать величины 300 000 мин-1. Номинальные режимы работы турбокомпрессора, определяющиеся требованиями разработчиков двигателей и зависящие от заявленных параметров мотора, близки к предельным. Поэтому любые отклонения характеристик двигателя, даже на первый взгляд незначительные, оказывают губительное влияние на работоспособность ТК и могут привести к его отказу. С этой точки зрения турбину можно рассматривать как своего рода индикатор состояния двигателя. Ситуация усугубляется тем, что турбокомпрессору по определению суждено работать «на перекрестке» многих систем двигателя: системы впуска и выпуска отработавших газов, системы смазки и охлаждения, вакуумной системы и системы вентиляции, а также системы управления двигателем. Неисправность каждой из них оборачивается нарушением нормального (расчетного) режима работы ТК. Так что надежность турбокомпрессора зависит от многочисленных внешних факторов.

Эти соображения, подкрепленные многолетними исследованиями причин отказов ТК, позволили сформулировать правило, которым следует руководствоваться при анализе неисправности системы турбонаддува.

Если вышел из строя турбокомпрессор, возможно, что причина неисправности кроется в нем самом. Если на одном двигателе отказали два турбокомпрессора, виноваты скорее всего не они. Если вышло из строя более двух турбокомпрессоров, то они здесь гарантированно не причем.

Из этого правила, справедливость которого подтверждается опытом российских специалистов, занимающихся сервисом систем турбонаддува, следует логичный вывод. Прежде чем ставить новый турбокомпрессор вместо вышедшего из строя нужно обязательно выявить и устранить причину его отказа. Если этого не сделать, то с большой долей вероятности и новая турбина вскоре будет повреждена. Чтобы отсрочить замену турбокомпрессора или вовсе исключить ее, нужно иметь четкое представление о причинах, провоцирующих отказ турбокомпрессора, и принимать превентивные меры по их устранению.

Турбоужасы…

Среди огромного числа возможных причин поломки турбокомпрессора производители ТК выделяют несколько основных факторов, которые вызывают до 90% всех отказов. На первом месте в «черном списке» значатся нарушения в работе системы смазки ротора ТК. Для этой теплонагруженной детали, вращающейся с частотой, трудно поддающейся осмыслению, смазка играет важнейшую роль. Так вот, выражаясь образно, можно сказать, что турбокомпрессор, в отличие от каши, можно запросто испортить маслом. Причем, на работоспособность турбины оказывает влияние и качество масла, и его количество.

Распространенная причина выхода из строя турбокомпрессора – присутствие в масле загрязнений. Чаще это бывают твердые частицы различного размера, к сожалению, обладающие абразивными свойствами. Попадая в зазоры между трущимися поверхностями, они вызывают их механический износ. Результат «работы» мелких, невидимых глазом частиц, выглядит как полирование контактных поверхностей вала и подшипников, сопровождающееся «зализыванием» их внешних кромок. Крупные частицы оказывают более радикальное абразивное воздействие, интенсивно шлифуют поверхности трения с образованием глубоких рисок и задиров. Подшипники, изготовленные из более мягкого материала, повреждаются сильнее. И при мягкой, и при грубой механической обработке пар трения твердыми частицами конечный результат один – унос материала и увеличение зазоров, что в конечном счете приводит к резкому снижению прочности масляной пленки и ее разрушению. В первом случае агония турбокомпрессора длится дольше, во втором развязка наступает очень быстро. Причины загрязнения масла твердыми частицами хорошо известны: несвоевременная замена масла, применение некачественного масляного фильтра, плохое общее состояние системы смазки.

Качество моторного масла, а вместе с ним и турбина могут пострадать от наличия в нем химических загрязнений. Наиболее распространенный случай – попадание в масло топлива вследствие нарушения рабочего процесса в двигателе или некомпетентного выполнения работ по его обслуживанию и ремонту, например, некорректного измерения компрессии. Еще один вариант химического загрязнения масла – чрезмерная «люксация» масла различными добавками и присадками. Негативное воздействие химических загрязнений сводится к тому, что они снижают прочность масляной пленки. При высоких динамических нагрузках она разрушается и наступает губительное «сухое» трение. Характерным признаком отказа ТК в результате химического отравления масла является сильный износ трущихся поверхностей со следами перегрева в виде интенсивных цветов побежалости.

В завершение темы о качестве моторного масла хочется напомнить о том, что для двигателей с турбонаддувом применяются специальные сорта масел. Их рецептура и характеристики отличаются от обычных с учетом более напряженных условий работы по температуре и нагрузкам. Поэтому срок службы турбины можно ненамеренно сократить использованием качественного, но не предназначенного для таких целей масла. К примеру, производители ТК негативно относятся к использованию в турбодвигателях так называемых энергосберегающих масел классов вязкости 0W-… Отличающиеся хорошей «прокачиваемостью» при отрицательных температурах, эти продукты были неоднократно уличены в недостаточно эффективной работе при смазке турбины. Говоря проще, применять их настоятельно не рекомендуется.

Примерно такую же картину, как и при химическом загрязнении масла, можно наблюдать, разобрав турбокомпрессор, испытывавший дефицит или полностью лишенный смазки. Если в зону трения масла поступает меньше, чем положено, это грозит серьезным нарушением работоспособности ТК. Недостаток масла в турбине может быть результатом неисправности системы смазки двигателя (износ масляного насоса, отказ редукционного клапана, засорение масляного фильтра и т.п.). Стоит отметить и более любопытную ситуацию, когда падение производительности системы смазки вызывается большим количеством отложений в поддоне двигателя. В этом случае при умеренных оборотах двигателя система развивает требуемое давление. С повышением оборотов давление не только не возрастает, а напротив, падает практически до нуля. Увеличение потока масла, отбираемого из картера, приводит к тому, что поднимающийся со дна поддона мусор полностью блокирует сетку маслоприемной трубки. В результате и двигатель, и турбина лишаются смазки именно тогда, когда они нуждаются в ней больше всего.

Иногда дефицит и даже полное отсутствие смазки ТК случается по более банальным причинам, например, из-за снижения пропускной способности трубки, по которой масло подается к турбокомпрессору. Она может быть засорена или повреждена механически. Такого рода неисправности могут носить чисто эксплуатационный характер или быть результатом неграмотного ремонта. Пример первого – хорошо известный массовый турбодвигатель семейства VW 1,8T (модели AEB, AWT). В нем масло подается к турбине по длинной (порядка метра) металлической трубке небольшого сечения, проложенной в горячей зоне, непосредственно над выпускным коллектором. То есть конструктивно предусмотрено все, чтобы масло, остающееся в трубке после останова двигателя, коксовалось. И оно коксуется, причем так, что иногда перекрывает сечение маслопровода полностью с соответствующими последствиями для турбокомпрессора.

Нередко непоправимый вред турбине наносят мотористы в ходе ремонтных работ. При подсоединении к турбине трубок для подачи смазки и охлаждения и слива масла они «улучшают» надежность их соединения с корпусом с помощью герметика. Кстати, производители ТК делать это категорически запрещают. Выдавливаясь при уплотнении, герметик частично или полностью перекрывает отверстия для прохода масла и антифриза. После такого «ремонта» турбина мучается недолго, что является единственным утешением для автовладельца.

К числу распространенных причин отказа турбокомпрессора относится попадание в него посторонних предметов. Как правило, это заканчивается необратимыми повреждениями компрессорного или турбинного колес. Причем, вне зависимости от тяжести дефекта он в итоге всегда приводит к гибели турбины. Даже самое незначительное повреждение, прежде всего, нарушает балансировку ротора, а уже дисбаланс окончательно добивает весь агрегат. Впрочем, для этого случая незначительные последствия являются исключением, а не правилом. Обычно дело оборачивается серьезным искажением формы лопаток, их разрушением или того хуже – отрывом колеса.

Колесо компрессора часто подвергается абразивному воздействию пыли и песка, попадающих во впуск через поврежденный воздушный фильтр. Результат напоминает качественную пескоструйную обработку, аккуратно удаляющую впускную часть крыльчатки. Немалую лепту в дело истребления компрессорной части ТК вносят автовладельцы и работники сервисов. Достаточно при замене воздушного фильтра по неосмотрительности уронить во впускной патрубок маленькую шайбу, кусочек ветоши или даже бумаги, и можно начинать копить деньги на аварийную замену турбины.

Для турбинного колеса ТК источниками серьезных неприятностей являются двигатель и система выпуска отработавших газов. Двигатель иногда «выстреливает» в турбину твердыми кусочками нагара, осколками поршня или клапана, а из выпускной системы в нее могут залетать (на некоторых режимах работы) частицы разрушившегося катализатора. Учитывая предельную динамику турбины, и то, и другое губительно.

Перечень основных причин отказов ТК завершается превышением допустимых режимов его работы. Прежде всего речь идет о превышении предельной частоты вращения ротора, что сопровождается ростом передаваемой турбокомпрессором мощности и «перенаддувом» двигателя. Распространенный источник «перекручивания» турбины – резкое повышение температуры отработавших газов, обычно, вследствие неисправности системы топливоподачи. Типичные повреждения: перегретые опорные шейки вала ротора, множественные наслоения закоксованного масла, часто – искривление тыльной плоскости турбинного колеса и образование на ней структуры, по виду напоминающей апельсиновую корку. Превышение допустимой частоты вращения также может вызывать выкрашивание периферийной части лопаток турбины и даже их взрывное разрушение.

Помимо нарушения состава топливной смеси перенаддув может быть следствием неправильной работы элементов системы регулирования турбокомпрессора – байпасного пневмоклапана (waste gate) или управляющего им сервоклапана. Казалось бы, это чисто «внутренние» причины, касающиеся надежности самой системы турбонаддува, но и они могут провоцироваться внешними неисправностями. К примеру, ложными сигналами датчиков системы управления двигателем, таких как расходомер воздуха или датчик абсолютного давления во впускном коллекторе.

Зачастую к такому же результату приводит некомпетентное вмешательство в работу системы регулирования турбины. В большинстве случаев в конструкцию элементов, контролирующих давление наддува, заложена возможность его регулировки. Она служит главным образом для заводской настройки характеристик системы. Если крутить регулировочные винты, имея смутные представления о тонкостях работы системы наддува, можно накрутить так, что «мало не покажется». И практика ремонта ТК свидетельствует о том, что крутят…. Оказывать воздействие на работу системы регулирования можно и другими способами. К примеру, за рубежом существует индустрия производства специальных «клапанов-бустеров». Установив такой клапан, можно прямо из салона автомобиля вмешиваться в работу системы регулирования с целью увеличения давления наддува. Когда эта новинка станет широко доступна российским любителям быстрой езды, работы у мотористов и специалистов по турботехнике несомненно прибавится.

Турбопамятка

Продолжительный рассказ о «турбоужасах» хочется завершить оптимистической нотой и дать простые рекомендации, следование которым позволяет их избежать. Рекомендации наверняка будут полезны как владельцам автомобилей с турбированными моторами, так и тем, кто их обслуживает.

Чтобы система турбонаддува работала долго и эффективно, соблюдайте следующие правила.

1. Регулярно проводите техническое обслуживание двигателя, сокращая межсервисный интервал в тяжелых условиях эксплуатации.
2. При выполнении ТО:

• применяйте качественное моторное масло, предназначенное для форсированных моторов с турбонаддувом, и одобренное заводом-изготовителем;
• избегайте использования моторных масел классов вязкости «0W-»;
• уделяйте внимание качеству и своевременной замене воздушного фильтра;
• не забывайте контролировать состояние и проводить профилактику систем смазки двигателя, вентиляции картера, дозирования топлива и выпуска отработавших газов в соответствии с рекомендациями завода-изготовителя.

3. При эксплуатации автомобиля:

• заправляйтесь качественным топливом на проверенных АЗС известных нефтеперерабатывающих компаний;
• для заправки искровых турбомоторов используйте только высокооктановые бензины;
• не применяйте присадки к моторному маслу и добавки в топливо;
• не останавливайте двигатель сразу после продолжительного движения в режиме с высокой нагрузкой – дайте ему поработать несколько минут в щадящем режиме;
• не нагружайте двигатель немедленно после «холодного» пуска, особенно в зимний период.

Если же, несмотря на все старания, вам не удалось избежать проблем с системой наддува, не спешите винить в случившемся турбину. Право слово, разумнее исходить из принципа презумпции ее невиновности…

Как по маслу

Ротор турбокомпрессора вращается в подшипниках скольжения. Радиальные нагрузки воспринимаются опорными подшипниками. Они могут быть выполнены в виде двух отдельных втулок, или единого подшипникового узла, так называемого патрона. Втулки при работе ТК вращаются (частота их вращения примерно вдвое меньше частоты вращения вала), в то время как патрон фиксируется от проворачивания. В любом случае подшипники устанавливаются по «плавающей» схеме, то есть с зазором относительно центрального корпуса ТК и вала ротора. Каждый зазор составляет величину в несколько сотых долей миллиметра. Четыре зазора (по два «на сторону») в сумме дают «слабину» уже в несколько «десяток». Поэтому если пальцами покачать ротор «сухого» турбокомпрессора в радиальном направлении, можно почувствовать заметные перемещения. У людей, имеющих смутное представление о внутреннем устройстве ТК, «биение» ротора вызывает недоумение и сомнения в исправности изделия. Сомнения, надо сказать, абсолютно необоснованные. Наличие зазоров строго определенной величины – залог работоспособности конструкции.

При работе турбокомпрессора к опорным подшипникам под давлением поступает моторное масло от системы смазки двигателя. За счет гидродинамических явлений в зазорах образуется прочная масляная пленка. Вращающийся ротор как бы «всплывает» на масляной пленке и ею же центрируется. Так что при любых режимах работы контакт между металлическими вращающимися поверхностями исключается. В зазоре между подшипником и валом масляная пленка выполняет функцию смазки и восприятия радиальных нагрузок, между подшипником и корпусом – смазки и демпфирования подшипников и ротора в целом. Еще одна важная функция смазки – охлаждение вала, подшипников и центрального корпуса (прежде всего, со стороны турбины).

Газы, протекающие через турбокомпрессор, воздействуют на крыльчатки компрессора и турбины с разным давлением. В результате ротор испытывает не только радиальные, но и осевые нагрузки. Для их компенсации в конструкции предусмотрен упорный подшипник. Упорный подшипник представляет собой массивную шайбу с плоскими контактными поверхностями, которая крепится в корпусе со стороны компрессорного колеса. Зазор между упорным подшипником и ответными поверхностями вала ротора также составляет несколько «соток», а потому «пальцами» практически не ощущается. Масло поступает в зазор по проточкам и каналам, выполненным в теле подшипника, и также образует пленку, удерживающую ротор от осевых перемещений.

Как говорилось выше, масло подается в центральный корпус ТК под давлением. Пройдя через зоны смазки, масло резко меняет физические свойства. Во-первых, избыточное давление падает до нуля и слив масла обратно в масляный картер двигателя происходит «самотеком», под действием гравитационных сил. Чтобы процесс слива протекал нормально, турбокомпрессор должен быть ориентирован строго определенным образом, а именно – сливной трубкой вертикально вниз. При этом отклонение продольной оси ТК от горизонтали допускается не более чем на 10-15°. Во-вторых, бешено вращающийся вал воздействует на масло как миксер и превращает однородную жидкость во вспененную субстанцию. Чтобы своевременно удалять ее из корпуса, используется сливная трубка большого сечения. Она должна выходить в масляный картер выше уровня масла. В противном случае, так же как и при любых других препятствиях для слива масла, в системе смазки ТК возникает противодавление, приводящее к просачиванию масла из центрального корпуса в корпус турбины или компрессора. В-третьих, повышается температура масла. На отдельных режимах работы ТК прирост его температуры может достигать величины порядка 80°С. Соответственно, температура масла в поддоне турбодвигателя может быть намного выше, чем у атмосферного мотора.