Факты и заблуждения по вопросу высокоскоростной балансировки
Одной из самых важных частей турбокомпрессора является компрессорная крыльчатка с валом.
Что бы турбокомпрессор работал тихо и эффективно в течении длительного времени, вращающиеся компоненты должны быть правильно сбалансированы. Проблема в том что многие люди не знают, что такое «правильно сбалансированный» на самом деле означает.
Дисбаланс обычно выражается как произведение массы и радиуса. Если один грамм веса помещается в один миллиметр радиуса, то говорят дисбаланс составляет один грамм-миллиметр.
Современные допуски балансировки турбокомпрессоров, как правило выражаются в миллиграмм – миллиметрах или тысячных долей грамма – миллиметр. Например турбины Garrett T3, T4 имеют допуск баланса около 0.010 грамм-мм.
Нельзя смешивать балансировку и сборку турбокомпрессора. Вращающаяся группа турбины состоит из нескольких частей (вал турбины, компрессорное колесо, гайка, колары). Из этих компонентов только вал турбины и компрессорное колесо сбалансированы. Балансировка этих компонентов имеет решающее значение и должно быть сделано до начала сборки. Осевые прокладки (колары), гайка не сбалансированы при механической затяжке могут вносить осевые изменения. Эти осевые изменения называются «конечный дисбаланс турбины» (КДТ)
КДТ не является основной проблемой для больших турбин. Как правило вал турбины и компрессорное колесо такой турбины сбалансированы более точно чем требует допуск. Таким образом, когда турбина собирается КДТ не является большим что бы вызвать поломку турбокомпрессора.
С ростом популярности маленьких турбин в автомобильной промышленности, КДТ стал вносить больше влияния. Из-за легкой массы и высокой скорости вращения компонентов турбины, просто балансировка отдельных частей недостаточна. Типичные симптомы немного несбалансированной турбины являются утечки масла и звуковые эффекты возникающие на разных оборотах работы турбины.
Для устранения конечного дисбаланса турбины необходимо балансировка картриджа турбины в сборе.
Есть в основном два вида балансировки картриджа: высокоскоростная и низкоскоростная балансировка.
Высокоскоростная балансировка – это машина, которая использует сжатый воздух для разгона турбокомпрессора на относительно высокую скорость (порядка 80000 оборотов в мин), маслонасос и датчик вибрации. Эта машина воспроизводит почти реальные условия работы турбины. После проверка небольшой дисбаланс корректируется путем удаления лишних масс на гайке компрессора или вала.
Любой тип балансировки картриджа турбины – устраняет КДП на приемлемый уровень.
Другое распространенное заблуждение, что балансировка на более высоких скоростях приводит к более лучшим результатам. Так как ротор турбины является жестким, то дисбаланс 10 миллиграмм-миллиметр при 1000 оборотах/мин будет такой же и при 100000 оборотах/мин. Силы создаваемые данным дисбалансам будут увеличиваться с оборотами, но абсолютное количество дисбаланса останется неизменным. Очень важно что бы балансировочное оборудование было достаточно чувствительным.
В заключении хочу сказать, что можно делать турбины которые очень хорошо уравновешенны и без балансировки картриджа. Очень важна точность деталей, качество сборки и соответствие их друг другу.
Ключ к максимальной жизни турбокомпрессора – правильный подбор компонентов, точность балансировки, а также тщательная сборка.
Дополнительная балансировка собранного турбокомпрессора не является абсолютно необходимой, но она дает более высокую степень уверенности в работоспособности турбины.
Восстановление турбины (замена вала, балансировка картриджа, замена актуатора)
Алоха, братья и сестры!
Агонизирующая турбина выла с каждым днем все громче, дымила все больше, но при этом надувала даже больше требуемого давление (передув). Планировал летом заняться её профилактикой, поэтому заранее прикупил ремкомплект картриджа на Али — Turbo DFO или PowerTec (бронзовая втулка — подшипник скольжения в масляном клину, бронзовая шайба — подшипник качения в масляном клину, маслоуловительные кольца). Из отчетов выяснил, что возможно снять выпускной коллектор через верх, предварительно открутив впускной коллектор с охладителем ЕГР и впускной патрубок турбины. Арендовал подходящий для работы гараж 25м² с ямой и поехал ремонтироваться в надежде отделаться малой кровью. Но примерно где-то за километр до гаража чую турбина больше не воет, зато повалил густейший дымовал. Зачадил напрочь всю проезжую часть, глушась на светофорах таки доехал до гаража и обратил внимание, что с выхлопной гофры уже просто льется масло.
Подготовив пациента, приступил к операции.
Орудовал ключами сверху и снизу мотора, забираясь в яму. Открутилось все благополучно. Извлекаем выпускной коллектор.
При вскрытии все прояснилось. Худшее произошло, но не столь катастрофично — вал сломался, горячую крыльчатку затянуло в улитку изрядно потрепав лепестки.
Зато холодная крыльчатка практически не пострадала.
На всех трущихся деталях очевидный след износа, на втулке снаружи была выработка в районе стопора.
А также отсутствовало маслоупорное кольцо со стороны турбинного колеса!
Аккуратно зашкурил мелкие заусенцы на компрессорной крыльчатке. Собрал картридж и отвез к хорошим ребятам в Стартер на ул. Планерной (будете у них, обязательно расскажите, что видели их в Youtube — сделают хорошую скидку) для балансировки. До них пытался договориться еще с тремя конторами, в числе коих Bosch — все отказались работать с картриджем, в который залез клиент особенно с китайскими з/ч.
Раз уж все снято, надо заняться механизмом изменяемой геометрией: разбираем, промываем, разрабатываем.
Собираем турбину, заливаем маслица вовнутрь, меняем актуатор, не забывая предварительно грубо настроить длину штока нового актуатора по-старому актуатору.
Устанавливаем на двигатель, попутно меняя прокладки коллекторов.
Ремонт турбины (турбокомпрессора) своими руками
Перед ремонтом турбины нужно ее тщательно осмотреть с внешней стороны с целью выявления наличия всех составных частей, внешних дефектов и деформаций.
Затем с турбины снимаются обе «улитки» и визуально определяется состояние обеих крыльчаток. Довольно часто крыльчатки имеют физические повреждения видные не вооруженным глазом. Такие повреждения сразу говорят о том, что ремонт турбины неизбежен.
Если турбина гонит масло
После этого разбирается центральный корпус турбины, так называемый «картридж», и все детали турбины необходимо промыть и прочистить моечным раствором, который снимает с деталей все эксплуатационные загрязнения и отложения.
Затем происходит дефектовка всех составляющих частей турбины для выявления пригодности каждой части к восстановлению. Части признанные не пригодными — необходимо заменить новыми.
Ремонт турбин дизельных и бензиновых двигателей в принципе ничем не отличаются и происходит в несколько этапов:
Если «улитки» турбины, а так же турбинная и компрессорная крыльчатка не имею повреждений, им нужно сделать двойную дробеструйную обработку, в которой они обрабатываются сначала мельчайшим песком и затем микроскопическими стеклянными шариками, так называемой «стеклянной дробью».
После этого, детали прошедшие дробеструйную обработку снова промываются для смыва и полного удаления возможно оставшихся на деталях твердых частиц.
Многочисленные повреждения лопаток компрессорного колеса.
Причина: Попадание посторонних предметов. При ремонте необходимо заменить компрессорное колесо на новое. Обязательная замена фильтра и проверка впускного тракта на герметичность.
Многочисленные повреждения лопаток турбинного колеса.
Причина: Попадание посторонних предметов. При ремонте необходимо заменить вал на новый. Обязательная проверка выпускного коллектора на целостность и других элементов двигателя.
Повреждения опорных подшипников, стопорных колец, втулок и вала.
Кроме визуально видных повреждений крыльчаток, основными повреждениями являются повреждения опорных подшипников, стопорных колец, втулок и самого вала. Обычно эти повреждения происходят от отсутствия поступления масла к рабочим поверхностям при работе турбины или использование не рекомендованных масел.
Повышенный износ шейки вала.
Причина: Количество или давление масла, подаваемого в ТКР, меньше требуемого. При ремонте возможно придется заменить вал на новый. В большинстве случаев вал не меняется.
Значительный неравномерный износ шейки вала.
Причина: Грязное масло. При ремонте необходимо вал заменить на новый.
Значительный неравномерный износ подшипника.
Причина: Грязное масло. При ремонте все подшипники заменяются на новые.
Пригоревшее масло в масляных каналах подшипников.
Причина: Перегрев двигателя или резкое выключение двигателя, некачественное масло. При ремонте все подшипники заменяются на новые.
Начало ремонта турбины своими руками.
Затем вал турбины замеряется на износ.
Если износ вала турбины находится в пределах нормы, то он поступает на специальный токарно-шлифовальный станок, где шлифуется в ремонтный размер.
На специальном станке правиться канавка запорного кольца.
Затем происходит процесс балансировки. Он состоит из двух этапов. Сначала вал турбины балансируется в двух плоскостях турбинного колеса.
После этого на вал устанавливаются втулки и компрессорная крыльчатка и в таком виде, снова поступает на балансировку.
Балансировка турбины на стенде.
Для балансировки турбин для грузовых и легковых автомобилей существуют отдельные специализированные стенды.
Во время балансировочных работ наносятся специальные балансировочные метки, по которым собирается «картридж» турбины. В принципе получается собранная турбина только без «улиток».
Собранный таким образом картридж поступает для тестирования на до балансировочный стенд, на котором на «холодную» крыльчатку подается сжатый воздух и турбина раскручивается до 5.000 оборотов в минуту.
Если все параметры турбины в норме, то к картриджу прикручиваются «улитки».
Нужно ли балансировать купленный картридж?
Хотя мы не рекомендовали бы заниматься ремонтом турбины самостоятельно, а обратиться для этого к специалистам, но каждый человек сам принимает решение, что ему делать, в прочем, как и ответственность за последствия своих решений несет сам.
При ремонте турбин возникает множество нюансов, столкнувшись с которыми далеко не каждый сможет правильно с ними справиться. Очень часто из-за ремонта осуществляемого не специалистами своего дела происходят повреждения турбины во время попыток ремонта такие как заломы, повреждения лопастей картриджа, механизмов геометрии, целостности чугунных и алюминиевых улиток, клапанов, актуаторов, срывы резьбовых соединений (и это далеко не полный список)… Это приводит к ненужному удорожанию ремонта как самостоятельно, так и при обращении в последствии к специалистам. Так же при неверных настройках турбины могут происходить разрушение её механизмов при эксплуатации.
Если же вы все таки уверены, что вашей квалификации и умений достаточно для выполнения работ по ремонту турбины самостоятельно, то мы бы рекомендовали вам покупать картридж не просто в магазине, а в специализирующихся на ремонте турбин мастерских. Аргументируем эту рекомендацию на конкретном примере.
Заказчик приобрёл картридж у организации (магазин), которая занимается только торговлей и не выполняет работ по ремонту, обслуживанию и диагностике турбин. Сняв турбину (для которой был куплен картридж) с двигателя и реально оценив свои возможности, выполнять работы по ремонту турбины заказчик не решился и обратился для выполнения этих работ к нам.
К купленному картриджу прилагалась бумага, на которой указывалось что картридж прошел балансировку с нарисованным графиком собственно этой балансировки и на коробке имелась весомо звучащая надпись «balanсed in uk». (балансируется в Великобритании).
Так как качество балансировки один из важнейших факторов влияющих на срок службы турбины.
Взглянем на график напечатанный на этой бумаге жирная зеленая линия указывает на значения колебаний(дисбаланса) чем эти значения меньше тем ниже должна проходить эта линия на графике и собственно это и определяет то на сколько качественно отбалансирован картридж, что на прямую влияет на долговечность его службы.
Так как вал картриджа вращается на оборотах превышающих 100000об.мин., то, чем сильнее его колебания при вращении, тем быстрее разбиваются втулки, приводя к очередной поломке турбины после не малостоящего ремонта. Смотрим на график конкретно в нашем случае: над зелёной линией проходит черная линия показывающая предельно допустимые значения колебаний. Даже не опытный человек увидев, где проходит линия колебаний «отбалансированного» картриджа относительно максимально допустимых значений поймёт что при балансировке в UK картридж отбалансирован так, что его колебания еле-еле укладываются в предельно допустимые значения, что не может не сказаться на сроке его службы в сторону его снижения.
Но и это еще не все. Мы установили картридж на балансировочный стенд и увидели график колебаний совершенно не совпадающий с графиком прилагаемым к картриджу.
Создалось впечатление, что бумажка, прилагаемая к покупке, абсолютно не от этого изделия. Но, если даже и от этого изделия, то лично мне было бы стыдно назвать отбалансированным изделие с такими значениями колебаний (дисбаланса), как на этом графике.
Пришлось «отбалансированный» картридж балансировать заново.
Значения колебаний (дисбаланса) после перебалансировки нами стали примерно в шесть раз меньше по сравнению с значениями до балансировки, что не может не сказаться на сроке службы турбины в сторону его увеличения. В особенности это сильно влияет, если ваш двигатель (скажем помягче) не новый.
Вот конечный результат:
Качество балансировки картриджа описанного выше случая к сожалению не является исключением, а по опыту работы в сфере ремонта турбин, я бы сказал, закономерность. И только примерно 1 из каждых 20 картриджей, поступавших для ремонта турбин, не нуждался в балансировке. И не имея оборудования при покупке картриджа не возможно проверить качество его сборки, остается только надеяться на то, что он изготовлен и отбалансирован качественно, как в лотерее повезло не повезло…
При принятии решения главное помните, что зачастую «дешевле», совсем не означает ВЫГОДНЕЕ.
Ниже для примера размещаем фотографии балансировочных графиков реальных заводских картриджей и графики балансировок картриджей на стенде нами.
Новые картриджи для турбин: почему им необходима финальная балансировка?
При поломке турбины и последующем ремонте чаще всего приходится прибегать к замене картриджа. Картридж является основным конструктивным элементом любой турбины. Он состоит из вала, на концах которого закреплены роторы (крыльчатка, турбинное и компрессорное колеса), и корпуса с подшипниками, на которых вращается вал.
Собранный картридж турбины.
Что угрожает картриджу турбины?
Упомянутые детали картриджа – самые уязвимые в конструкции турбины. Крыльчатка компрессорного колеса может получать повреждения из-за «мусора», проникающего со стороны впускного коллектора. Крыльчатка турбинного колеса, расположенного в горячей части, угрожает гораздо больше посторонних предметов: от отколовшейся с внутренней поверхности выпускного коллектора окалины до фрагментов разрушенного катализатора. Даже засорившийся сажевый фильтр, из-за которого ухудшается проходимость выхлопной системы в целом, может вызвать образование обратных вихревых потоков выхлопных газов, способных повредить («скрутить») вал турбины. Отдельную опасность для турбины представляют проблемы с моторным маслом, которое смазывает (а также охлаждает) подшипники и вал. Загрязнение масла или его недостаток вызывают интенсивный износ вала и подшипников: задиры и царапины на валу вызывают его дисбаланс и люфт. При работе вал турбины совершает до 150 000 (на многих самых современных моторах – до 250 000) оборотов в минуту, поэтому любой дисбаланс проявляется моментально и ярко: гулом, биением. Все перечисленное – лишь часть факторов риска, которые могут негативно сказаться на работоспособности турбины.
Детали, из которых состоит картридж турбины
Как поступить с неисправным картриджем?
Во многих случаях для восстановления нормальной работоспособности турбины приходится прибегать к замене картриджа. Конечно, есть еще широко распространенный вариант с покупкой бывшей в эксплуатации турбины. Но тут гарантий никаких: в лучшем случае можно обойтись потерей времени и некоторой суммы денег на установку и возврат «бэушной» турбины, если качество ее работы оказалось неудовлетворительным.
Обычно люди прибегают к установке новых картриджей, тем более что сегодня они не так уж дороги и доступны для всех самых распространенных моделей турбин.
Распакованный новый картридж «из коробки».
Зачем новым картриджам для турбин нужна проверка и финальная балансировка?
Но и тут есть подводные камни. Фактически все картриджи собраны и отбалансированы на заводах-изготовителях, которые дают определенную гарантию на свою продукцию. Обычно на СТО эти картриджи устанавливают на турбины прямо «из коробки», не проводя немаловажной проверки ее балансировки. Вот о чем идет речь.
Результат проверки картриджа «из коробки»: балансировка в пределах допуска (граница допуска обозначена зеленой линией), но биение при скорости вращения порядка 55 000 об/мин едва не выходит за пределы. Другими словами, остаточный дисбаланс картриджа достаточно велик и в первое время эксплуатации никак себя не проявит.
На фото выше представлены результаты проверки балансировки: в целом картридж в норме и будет хорошо служить, но лишь до той поры, пока на нем не соберется нагар, масса которого станет критической для баланса турбины. То есть, фактически картридж хороший, но он едва ли сможет прослужить долго. Что делать? Можно ли продлить жизнь новому картриджу?
Стенд, предназначенный для проверки герметичности и балансировки картриджа, раскручивает вал до 170 000 – 250 000 об/мин.
Доверяй, но проверяй, или в чем преимущества добалансированных картриджей?
Перед установкой нового картриджа настоятельно рекомендуется проверять его балансировку и при необходимости выполнять добалансировку – то есть балансировать его буквально в идеал, уменьшая остаточное биение до минимума. Впоследствии это положительно скажется на ресурсе картриджа турбины и его устойчивости к определенным поверхностным загрязнениям крыльчатки.
Балансировка выполняется сошлифовыванием металла с ротора: достаточно удалить несколько милиграммов металла в определенных местах для достижения практически идеального баланса.
Результат добалансировки того же картриджа: остаточное биение гораздо ниже допусков и практически отсутствует. Теперь радиальные перегрузки не превышают 0,2g, тогда как биение этого же картриджа сразу «из коробки» достигало почти пограничной величины в 0,6g.
Выполненная добалансировка, сводящая к минимуму остаточные вибрации вала, позволяет увеличить ресурс и срок службы нового картриджа.
Где приобрести добалансированные картриджи для турбин?
Добалансировкой картриджей турбин в Минске занимается компания PolBel. Здесь продают только добалансированные новые картриджи, гарантия на которые составляет 2 года без ограничения пробега (при условии их установки специализированным и квалифицированным сервисом). По опыту компании PolBel, добалансированные картриджи для турбин служат в течение пробега в 250 000 – 300 000 км.
Компания PolBel поставляет отремонтированные турбины и новые добалансированные картриджи в фирменной упаковке.
Компания PolBel прилагает к добалансированному картриджу отчет о динамической балансировке, в котором приведены реальные значения остаточного радиального биения вала в сравнении с предельно допустимыми значениями биения.
Сколько стоит добалансированный картридж от PolBel?
Стоимость добалансированного картриджа от компании PolBel не отличается от стоимости того же самого картриджа (аналогичной модели). Для сборки картриджей компания PolBel использует проверенные высококачественные детали от лидирующих производителей компонентов турбин.
По вопросам приобретения новых добалансированных картриджей для турбин в Минске обращайтесь в компанию PolBel.