Технология тюнинга турбин

Прежде всего определимся с понятием «тюнинг турбин». В общепринятом устоявшемся понимании тюнинг силового агрегата автомобиля подразумевает ряд конструктивных и программных изменений, направленных на «выжимание» из этого агрегата всей его возможной и невозможной мощности. Если идти от начала к концу (т.е. от забора атмосферного воздуха к его выбросу опять таки в атмосферу в виде отработавших газов), то примерный перечень тюнинговых операций выглядит так:

- установка «нулевого» воздушного фильтра;

- увеличение рабочего объема камеры сгорания;

- перенастройка фаз газораспределения (вплоть до замены распредвалов);

- замена штатного выпускного коллектора (как правило – литого) на сварной трубный со встроенным дополнительным Wastegate (перепускным клапаном);

- замена штатного турбокомпрессора на турбокомпрессор с пиковой мощностью в два-три раза большей;

- замена штатного охладителя воздуха (интеркулера) на более объемный, либо установка дополнительного охладителя;

- замена штатной выхлопной системы на прямоточную, увеличенного сечения;

- перепрограммирование системы управления двигателем (чип-тюнинг).

В результате выполнения полностью или частично вышеозвученного списка (список далеко не полный, его можно при желании продолжить) получается суперкар с силовым агрегатом, превосходящим прототип по пиковой мощности и крутящему моменту в 1,5-3 раза. Для примера приведу график замеров значений мощности и крутящего момента на реальном автомобиле после проведения лишь некоторых операций тюнингования (зеленый и желтый графики – до тюнингования, синий и красный графики – после):

Рис. 1

Результаты не впечатлять не могут. После проведения грамотного профессионального тюнинга силового агрегата Вашего авто можно и не найти равных ему по прыти коней (в своем классе, конечно) на наших дорогах.

Но, справедливости ради, следует осветить и некоторые неприятные моменты.

Во-первых, для получения максимального эффекта от такого рода мероприятий (в плане наращивания крутящего момента и мощности) к вопросу следует подходить комплексно и профессионально. Избирательный тюнинг каких-либо элементов (например, установка «нулевого» воздушного фильтра без изменения выхлопной системы, или, наоборот: установка спрямленного «тюнингованного» выхлопа без изменения проходящего через двигатель объема воздуха) скорее всего ожидаемого результата не принесет. Следует понимать, что чем более углубленно и профессионально проводиться тюнинг силового агрегата Вашего авто, тем больших материальных затрат он потребует. На определенном этапе затраты на тюнинг становятся соизмеримы со стоимостью автомобиля. Готовы ли Вы выложить достаточно круглую сумму ради удовольствия изредка эффектно вдавить гашетку в пол?

Во-вторых, если Вы вполне обеспечены и можете позволить себе такое удовольствие (я с Вами согласен – удовольствие выше среднего), не следует забывать о том, что пропорционально возрастанию тяговых характеристик автомобиля (вследствие тюнингования его силового агрегата) ухудшаются ресурсные показатели как двигателя, так и всей трансмиссии. Увеличение мощности двигателя влечет за собой увеличение нагрузок на КПП, карданные передачи, ШРУСы, подшипники ступиц, тормозные системы и т.д. Узлы трансмиссии при пиковых нагрузках «раскрученного» двигателя работают на пределе запаса прочности. Поэтому счастливому обладателю такого болида надо быть готовым к резко участившимся неплановым затратам на ремонт и обслуживание своего авто.

В-третьих, имея в своем распоряжении такого ретивого коня, грешно ездить в общем транспортном потоке, соблюдая скоростной режим, не нарушая разметки, не оставляя черных полос на асфальте и т.д. (бытие определяет сознание – правы были классики). Поэтому, как следствие, неизбежны немалые затраты на поддержание отечественного аппарата ГАИ УВД (по-белорусски «Д А I» - что не может не характеризовать организацию). Но если серьезно – вопрос собственной безопасности за рулем такого авто и вопрос безопасности окружающих участников движения становится более актуальным, чем за рулем обычного серийного автомобиля.

Наше предприятие предлагает несколько иное направление тюнинга турбин, менее агрессивное, лояльное к ресурсным характеристикам силового агрегата и достаточно бюджетное. Это направление будет более актуально для городского цикла движения, т.е. в режиме разгон-торможение-разгон. Объясню, в чем заключается разница между стандартным турбокомпрессором и тем же турбокомпрессором после некоторых конструктивных изменений.

На нашем сайте в статье «Основы турбонаддува» достаточно подробно рассмотрена методика чтения компрессорных карт. Поэтому, не вдаваясь в подробности, приведу для наглядности следующий график:

Рис. 2

Карта синего цвета – характеристика турбокомпрессора без Ported Shroud, карта красного цвета – характеристика аналогичного турбокомпрессора, только имеющего Ported Shroud компрессорного корпуса.

Ported Shroud – это, по сути своей, система обводных воздушных каналов, встроенных в компрессорный корпус. Благодаря этим каналам удается сместить границу Surge левее по компрессорной карте, за счет того, что часть воздуха может выйти из компрессора назад во впуск. Как видно из графиков, зона Surge (т.е. зона нестабильности компрессора) турбокомпрессора с Ported Shroud (красного цвета) располагается гораздо левее, чем зона Surge непортированного турбокомпрессора (синего цвета). Попросту говоря, диапазон безопасной работы турбокомпрессора при его портировании значительно расширяется, вероятность попадания турбины в зону Surge при резком разгоне с низких оборотов и при резком сбросе газа значительно снижается (что весьма актуально при городских режимах движения).

Как это выглядит в реальной жизни? Ниже приведено фото двух турбин 30й серии, первая 3071 без Ported Shroud (рис. 3), вторая 3076 с Ported Shroud (рис. 4):

Рис. 3

Рис. 4

Дополнительное портирование корпуса компрессора – это один из этапов модернизации.

Мы не ставим перед собой целью ни повышение пиковой мощности двигателя, ни увеличение давления наддува. Наша задача – оптимизировать работу турбокомпрессора в динамичных условиях городского движения. Для этого нам нужно добиться выхода турбокомпрессора на значение номинального давления наддува с более низкого диапазона частот работы двигателя. Попросту говоря, нужен более ранний «подхват» турбины. Для наглядности приведу примерный график, где пунктиром показано желаемое изменение характеристик:

Рис. 5

Как можно добиться такого результата путем наименьших затрат?

Опуская предварительные математические выкладки, сразу отмечу, что производительность компрессора и давление наддува зависит в прямой пропорциональности от окружной скорости на выходе из колеса компрессора (касательная к окружности колеса или к радиусу вращения)

Окружная U2, относительная W2 и абсолютная С2

скорости на выходе из колеса компрессора.

Рис. 6

Окружная скорость U2, в свою очередь, определяется из выражения:

где nk - частота вращения ротора, D2К - наружный диаметр колеса компрессора. Грубо говоря, для увеличения производительности компрессора на низких оборотах двигателя (как видно из последнего выражения) нужно или увеличивать число оборотов ротора, или увеличивать наружный диаметр колеса компрессора.

Для увеличения числа оборотов ротора (при всех прочих неизменных условиях) потребуется изменение корпуса турбины, т.е. изменение его A/R. Использование меньшего A/R увеличивает скорость потока в турбинном корпусе, приходящего на турбинное колесо. Это дает возможность увеличить отдачу турбины на низких нагрузках, приводит к более быстрому отклику на дроссель и снижает значение минимальных оборотов двигателя, требуемых для выхода турбины на рабочий наддув. Тем не менее, меньший A/R приводит к тому, что газ попадает на крыльчатку практически по касательной, что уменьшает максимальный поток газа, который турбинное колесо способно пропустить. Это также увеличивает подпор газа перед турбиной, ухудшает продувку мотора на высоких оборотах, повышает EGT и как результат всего этого снижает максимальную пиковую мощность. Помимо всего вышеперечисленного, метод изменения A/R турбинного корпуса трудоемок и нетехнологичен.

Улучшение одних параметров за счет ухудшения других не входит в перечень наших задач, поэтому от этого метода следует отказаться.

Рассмотрим второй метод увеличения «раннего» наддува – увеличения наружного диаметра колеса компрессора (как следствие – изменение A/R корпуса компрессора). Здесь тоже не все так красиво, как кажется глядя на формулу. Значительно изменять Trim компрессора (см. рис. 7) не следует, нельзя значительно выходить за рамки расчетных оптимальных соотношений Trim компрессора и Trim турбины.

Рис. 7

Колесо компрессора при меньшем диаметре имеет меньшую массу и менее инерционно (быстрее реагирует на изменение нагрузки), но увеличивает потери энергии в результате уменьшения проходных сечений каналов. Чрезмерное увеличение диаметра колеса компрессора влечет за собой ухудшение динамических характеристик турбокомпрессора в целом и значительное увеличение нагрузок на вал.

Таким образом, расчетное увеличение диаметра колеса компрессора (и, соответственно, изменение A/R корпуса компрессора) в рамках ограничений соотношений A/R компрессора и турбины – следующий этап модернизации.

Далее проводится ряд операций, направленных на максимальное снижение потерь на трение. Проходят дополнительную механообработку (полировку) все элементы турбокомпрессора, имеющие отношение к вращательному движению ротора (вал, упорные дистанционные втулки, уплотнительные кольца и т.д.).

Самый ответственный этап – четырехуровневый цикл балансировочных работ.

Первый уровень: Балансировка вала (добалансировка, если вал устанавливается новый) на стенде СМТ-47. Вал балансируется в диапазоне 0-10 000 об/мин. Как показывает практика, балансировка вала – наиболее ответственный момент во всем цикле балансировки турбокомпрессора. От того, как сбалансирован вал, в дальнейшем будут зависеть выходные дисбалансные характеристики во всем рабочем диапазоне турбокомпрессора.

Рис. 8

Второй уровень: Балансировка ротора в сборе (вал с колесом турбины, дистанционные втулки, колесо компрессора, гайка крепления). Балансировка проводится на том же стенде СМТ-47, меняются только калибровочные данные для компьютерной системы.

Рис. 9

Третий уровень: Собирается картридж турбокомпрессора, устанавливается на стенд СМТ-48TWIN, позиция «А». Подключается подача масла (температура 50-55 град. С, давление 0,40-0,45 МПа), устанавливается сопло подачи воздуха. Ротор разгоняется до 20-30 тыс. об/мин., значения остаточного дисбаланса снимаются в двух плоскостях. Как правило, если ротор хорошо сбалансирован на стенде СМТ-47, корректировка массы ротора в позиции «А» не требуется. Проводится 5-7 минутная обкатка картриджа, одновременно картридж проверяется на герметичность.

Рис. 10

Четвертый уровень: Картридж устанавливается на стенд СМТ-48TWIN в позицию «В». Это завершающий этап балансировочного цикла. Здесь ротор разгоняется до 150-250 тыс. об/мин (в зависимости от типа турбокомпрессора). Снимаются значения остаточного дисбаланса во всем диапазоне рабочих частот. Допуск значения остаточного дисбаланса для модернизированных турбокомпрессоров ужесточается примерно в 10 раз, практически убирается «в ноль».

Рис. 11

На графике (рис. 12): верхняя зеленая линия – допустимое значение остаточного дисбаланса, синяя линия – значение дисбаланса до корректировки массы ротора в позиции «В» стенда СМТ-48TWIN, нижняя зеленая линия - значение дисбаланса после корректировки массы ротора.

Рис. 12

Модернизация турбокомпрессора осуществляется по желанию Заказчика, одновременно с проведением ремонта турбокомпрессора (что наиболее целесообразно), либо вне зависимости от необходимости ремонта.