Достаточно распространенной является ситуация, когда происходит выброс масла из подшипникового узла в корпус компрессора (при наличии – в интеркулер) или турбины. Часто при этом делается однозначный вывод о неисправности турбины, однако это далеко не всегда соответствует действительности. Масло из исправного турбокомпрессора может утекать по целому ряду причин, причем в отдельных случаях утечки происходят сразу в обе стороны.
Для того, чтобы разобраться в этих причинах, следует рассмотреть типичную конструкцию ТК. В качестве примера используется турбокомпрессор производства компании Garrett модели GT15 (рис. 1). Корпус подшипников ТК имеет внутреннюю полость, которая изолирована от компрессорной части уплотнительным кольцом 5, а от турбинной части уплотнительным кольцом 6. Данные уплотнения работают в основном на невысоких оборотах турбокомпрессора, поскольку неспособны удержать масло при высоком давлении. Они по сути являются конструктивными элементами, призванными затруднить утечку масла и прорыв газов в полость корпуса подшипников. При рабочих режимах работы ТК давление газов в обеих частях превышает давление внутри корпуса подшипников. Таким образом, часть газов все же прорывается внутрь, смешивается с маслом и попадает в картер, после чего удаляется в атмосферу через систему вентиляции картера.
Рис. 1 — Схема турбокомпрессора Garrett GT15
1. Journal Bearing (Slender Shaft) — радиальный подшипник скольжения
2. Spiral snap ring (Brg retainer) — спиральное пружинное стопорное кольцо
3. «O« Ring Insert (Square) — манжета уплотнительного диска (квадратного сечения)
4. «O« Ring Brg Hsg to CC — манжета корпуса компрессора
5. Piston Ring (Turbine End) — уплотнительное кольцо (сторона турбины)
6. Piston Ring (Comp 10mm) — уплотнительное кольцо (сторона компрессора)
7. Thrust Flinger (10-pad /10mm P/Ring) — наружная упорная втулка
8. Thrust Collar (10-pad) — упорная внутренняя втулка
9. Anti rotation pin (journal brg) — противопроворотный штифт радиального подшипника
10. Thrust Bearing (New 360 degree 10-pad) — упорный подшипник
11. Shaft nut LHT — гайка вала с левой резьбой
13. Locking screw (s/plate to brg hsg) — крепежный винт
14. Bolt (Turb Hsg) — болт крепления корпуса турбины
20. Compressor Wheel — колесо компрессора
21. Shaft & Wheel — вал с колесом турбины
22. Bearing Housing — корпус подшипников
23. Seal Plate — уплотнительный диск
Использование в турбокомпрессорах масляных уплотнений контактного типа (сальников, манжет и т.д.) не представляется возможным по причинам, во-первых, создания слишком большого сопротивления вращению, а во-вторых, слишком быстрому износу ввиду запредельной частоты вращения ротора ТК. Стоит упомянуть б одном типе контактных уплотнений – карбоновых (подобные используются для уплотнения ротора водяного насоса (помпы) двигателя). Однако они применяются лишь на низкооборотистых турбокомпрессорах, частота вращения которых не превышает 80 тыс. об./мин. Тем не менее, это довольно экзотический вид уплотнений, в большинстве турбокомпрессоров применяется другой подход.
Для обеспечения отсутствия протечек масла без создания сопротивления вращению используются так называемые динамические уплотнения. В основе их работы лежит принцип использования центробежных сил, которые не позволяют маслу вытекать наружу. Динамическое уплотнение на примере турбокомпрессора Garrett GT15 представляет собой две канавки, проточенные на валу ротора (фото 1). В одну из них устанавливается уплотнительное кольцо, а вторая канавка при разнице диаметров D и d и является динамическим уплотнением. Центробежные силы, воздействующие на масло после того, как оно отработало в подшипниках, приводит к его разбрызгиванию внутри корпуса, после чего оно самотеком поступает в картер двигателя.
Фото 1. Ротор турбокомпрессора
Принципы работы динамических уплотнений со стороны турбины и компрессора и турбины идентичны. Разница лишь в конструктивных особенностях – со стороны компрессора динамическое уплотнение создает разница диаметров наружной упорной втулки (рис. 1 поз. 7).
Таким образом, нормальная работа подшипникового узла турбокомпрессора обеспечивается наличием динамических уплотнений, для нормальной работы которых должны соблюдаться некоторые условия. Основное требование – наличие внутри корпуса подшипников воздуха. При определенных проблемах корпус может быть заполнен маслом, либо нарушается правильное соотношение давления внутри и снаружи. При этом работа динамических уплотнений невозможна по физическим причинам, что и приводит к появлению утечек масла в сторону компрессора, турбины либо в обе стороны одновременно.
Некорректная работа динамических уплотнений может иметь под собой несколько причин, рассмотренных ниже.
Наиболее распространенная причина отказа в работе динамических уплотнений турбокомпрессора – нарушения в работе системы вентиляции картера. Как известно, эта система призвана обеспечить отвод газов из картера, которые попадают туда, прорываясь из цилиндров двигателя через поршневые кольца. Для эффективной работы данной системы выпускной патрубок должен быть присоединен к зоне разрежения (пониженного давления). Для атмосферных двигателей это может быть впускной коллектор, а в случае мотора с турбонаддувом, где во впускном коллекторе наблюдается повышенное давление, патрубок отвода картерных газов подключается к впуску турбокомпрессора. Масло из турбокомпрессора сливается самотеком, и присоединение к системе смазки обычно ниже уровня масла в системе. Если же в картере возникает избыточное давление, то естественный слив масла нарушается, и оно может накапливаться в корпусе подшипников, вызывая эффект подпора и нарушая нормальную работу динамических уплотнений. Наиболее распространенная причина нарушения вентиляции картера – закоксовывание патрубка отвода картерных газов или масляного сепаратора. Также причиной может стать механическая деформация патрубка.
Вторая распространенная причина кроется в частичном перекрытии сливной магистрали турбокомпрессора. Это может быть та же закоксованность, попадание посторонних предметов (герметик, куски прокладок), механическое повреждение магистрали. Эта причина без особого труда поддается диагностике и устранению
Третья причина – недостаточно количество воздуха на входе в турбокомпрессор. К этому может привести несвоевременная замена воздушного фильтра, либо использование некачественного фильтра, прохождение воздуха через который затруднено. Также причиной может стать механическое повреждение – патрубок перегнут, и через него проходит меньше воздуха, чем необходимо. При этом в компрессорной зоне создается некоторое разрежение, вследствие чего масло вытекает в корпус компрессора.
Четвертая причина может крыться на стороне выхлопной системы. Прежде всего, может быть деформирована какая-либо часть выхлопной системы. Также может быть закоксован узел катализатора. Вследствие этого повышается давление в турбинной части и часть газов прорывается в корпус подшипников, создавая избыточное давление и там. Масло в этом случае будет вытекать в сторону компрессора.
Вышеперечисленные причины могут сосуществовать в комбинации, но в любом случае индикатором будет сизый выхлоп. Стоит еще раз заметить, что при этом турбина может быть полностью исправной, и после устранения описанных неполадок работа турбокомпрессора придет в норму, а утечки масла прекратятся. При их появлении прежде всего следует проверить систему вентиляции картера.