Установка дополнительного радиатора охлаждения АКПП. За и против.
Способы и технологии
Существует устойчивое мнение о том, что в большинстве автомобилей система охлаждения ATF АКПП недостаточна. Особенно когда автомобиль эксплуатируется в тяжелых условиях, под большими нагрузками или в жаркую погоду, установка дополнительного радиатора охлаждения просто необходим и значительно продляет ресурс АКПП. Хотелось бы с ходу развеять этот миф!
Начнем с того, что оптимальный диапазон рабочих температур АКПП находится между 80 С и 120 С, что приблизительно на 20% выше, чем у двигателя. Для удерживания стабильной рабочей температуры система охлаждения АКПП организована таким образом, что ATF охлаждается в специальных блоках, совмещенных с системой охлаждения двигателя, и происходит за счет омывания антифризом со стабильной температурой 90-95 С тонкостенного радиатора, через который прогоняется ATF, что позволяет ее не переохлаждать при низкой температуре внешней окружающей среды.
Заметим, данный фактор в данном случае – сохранение надлежащего параметра жидкотекучести масла.
В случае переохлаждения возникает загустение ATF и сразу две проблемы:
- густое масло плохо смазывает втулки и уплотнения на суппортах, поскольку с трудом проникает в тонкие зазоры
- густое масло образует тонкую пленку на фракционных элементах, препятствую быстрому ее выдавливанию при сжатии пакета сцеплений и как следствие повышенное скольжение и пробуксовку, а при температурах ниже -30 С вообще теряет свои свойства.
Все вышеперечисленное вызывает сильный износ и поломку АКПП в конечном итоге. В дополнение хотелось бы сказать, что штатная система охлаждения АКПП рассчитана с тройным запасом по отводу избыточного тепла, а в полностью исправленной АКПП его столько образовываться просто не должно. Так что же получается… дополнительный радиатор вредит работе АКПП? Конечно же, нет, но лишь в том случае, если дополнительный радиатор установлен правильным образом.
Установка дополнительного радиатора АКПП в стандартном варианте
Многие фирмы специализируются на установке дополнительных радиаторов охлаждения АКПП. В обычном варианте это происходит следующим образом: трубки, подающие ATF в систему охлаждения, обрезаются, дополнительный воздушный радиатор устанавливается вместо стандартной системы на клипсах между передней решеткой и радиатором охлаждения двигателя и закольцовывается дополнительными резиновыми шпагатами к обрезанным трубкам, затягиваясь стандартными хомутами для бензобаков. В результате радиатор дает максимальное охлаждение ATF, обдуваясь встречным потоком свежего воздуха. Как следствие температурный режим АКПП остается без стабилизации, и в холодную погоду АКПП будет просто замерзать. В дополнение нужно сказать, что здесь нельзя применять обычные гидравлические или пневматические шланги, даже маслобензостойкие, т.к. при температуре 100 С и давлении 3-4 атм. в контуре, они просто лопаются как воздушные шарики. Применять можно только термостойкие гидравлические шланги высокого давления с внутренней металлической оплеткой, такие как используются в тормозной системе грузовиков.
Но они очень жесткие и практически не сжимаются обычными хомутами, поэтому всегда велик риск того, что они соскочат с неразборчиво либо нужно применять специальные мощные хомуты.
Правильная система дополнительного охлаждения АКПП выглядит следующим образом: в простейшем варианте дополнительный радиатор подключается не вместо штатной системы, а последовательно с ней, причем в контур он врезается перед штатной системой. В этом случае если в дополнительном радиаторе ATF переохладится, то в штатной системе подогреется. Правда эта схема не гарантирует исключение возможности переохлаждения АКПП.
Установка дополнительного радиатора АКПП в профессиональном варианте
Дополнительный радиатор ставится параллельно штатной системе охлаждения, также ставится термостат, который при превышении температуры будет перебрасывать поток ATF через более производительный дополнительный радиатор (аналогично системе охлаждения двигателя с большим и малым контуром и термостатом). К сожалению, не существует стандартных масляных термостатов для легковых автомобилей, поэтому либо его придется конструировать самостоятельно, что крайне сложно, либо использовать систему от большегрузных грузовиков и тягачей.
Но там она рассчитана на большой объем масла, в этих условиях отрабатывает нечетко. Как вариант можно сделать систему на температурном датчике, неразборчиво блоке и двух электромагнитных клапанах, один из которых открывается, а другой закрывается при определенном значении температуры. Здесь опасность в том, что если оба датчика неразборчиво зависнут в закрытом положении, АКПП мгновенно выйдет из строя из-за недостатка смазки и перегрева.
Вывод из всего вышесказанного состоит в том, что смысл установки дополнительного радиатора есть лишь в том случае, если автомобиль эксплуатируется в критически нестандартных условиях (на гонках, в постоянной жаре, с чрезмерной нагрузкой).
Принцип работы и неисправности радиатора интеркулера
Радиатор интеркулера (ОНВ) — он же промежуточный ОНВ (охладитель наддувочного воздуха). Используется в двигателях с системой турбонаддува, обеспечивает охлаждение воздуха, поступающего в турбину двигателя, что помогает увеличить КПД и мощность двигателя.
Желание производителей «выжимать» из ресурсов автомобиля максимум привело к изобретению турбокомпрессора. Принцип его работы достаточно простой: турбина гонит воздух во впускной коллектор под давлением, а значит, он в большем количестве попадает в камеру сгорания. При соблюдении стехиометрической пропорции достигается максимальная отдача мощности от сгораемого топлива, так что, чем больше воздуха зайдет в цилиндр, тем больше топлива можно подать, и тем больше будет мощность мотора.
Однако воздух при сжатии нагревается и становится более плотным. Горячий воздух не позволяет сгорать топливу интенсивно, образуется детонация, а это нельзя назвать положительным явлением. Для охлаждения этого самого воздуха на пути из турбины в двигатель применяется именно он, интеркулер.
Конструкция радиатора интеркулера практически такая же, как у других радиаторов, используемых в автомобиле (охлаждения двигателя, кондиционера, печки). По сути, интеркулер — это радиатор охлаждения, который работает с воздухом.
От турбины сжатый (и горячий) воздух поступает в радиатор интеркулера, где охлаждается встречным воздушным потоком. Инженеры подсчитали, что охлаждение поступающего в мотор воздуха на 10 градусов дает прирост мощности в 3%.
Хороший интеркулер понижает температуру на 50-60 градусов, а это уже добавляет мотору до 20% мощности. Особенности конструкции определяют эффективность охлаждения: толщина и форма воздушных каналов, количество изгибов (чем больше поворотов делает воздух, тем лучше он охлаждается и тем выше потеря давления), материал и расположение сот для дополнительного охлаждения, расположение входных и выходных патрубков и распределение воздушных потоков в бачках.
Абсолютное большинство интеркулеров на современных автомобилях изготовлены из алюминия (трубки и ламели) с пластиковыми или алюминиевыми бачками и патрубками. Это оптимальный вариант между весом и теплоотдачей устройства.
В интеркулере нет движущихся частей, он представляет собой достаточно простую конструкцию.
Следовательно, и выходит из строя преимущественно из-за внешних факторов, а не по вине естественного износа, учитывая, что он располагается впереди, он часто получает механические повреждения, например при ДТП.
Вторая причина неисправности интеркулера – на сердцевине радиатора оседает пыль, грязь, песок, пух, листья. Весь этот мусор, налипая на радиатор, мешает потоку воздуха свободно проходить между ламелями сердцевины радиатора. Здесь можно обойтись только снятием и очисткой, после чего использовать дальше.
При неисправной турбине в радиатор попадает моторное масло (которое используется для охлаждения турбокомпрессора). Из интеркулера масло попадает во впускной коллектор двигателя, а затем и в камеру сгорания, где закоксовывает поршни и свечи зажигания. При первых признаках масла в интеркулере систему нужно проверять и устранять неполадки.
Ну и естественный износ, хоть и медленно, но берет свое. Коррозия из-за грязи, скопления реагентов и соли, вибрации, перепады температур и давления способствуют снижению производительности и выходу из строя интеркулера.
При поломках интеркулер перестает подавать нужное количество воздуха в двигатель (либо мешает засор, либо утечка) или не охлаждает его до нужной температуры. Во всех случаях признаками неисправности будет неадекватная работа мотора: падение мощности, повышенный расход топлива, в самых тяжелых случаях – детонация.
Под торговой маркой LUZAR производится широкий ассортимент радиаторов интеркулера и турбокомпрессоров как для легковых, так и для грузовых автомобилей и спецтехники.
Ознакомиться с ассортиментом и подобрать необходимую деталь для своего автомобиля возможно на нашем сайте https://luzar.ru/.
Будьте в курсе — подписывайтесь на нас в социальных сетях:
YouTube
VK
Одноклассники
Telegram
TikTok
Охлаждение турбины — Исследовательский центр Гленна
Исследователь NACA Джек Эсгар обсуждает исследования охлаждения турбины во время инспекции 1948 года.
Статическая лаборатория реактивного движения (JPSL) перешла на работу с турбинами, поскольку охлаждение турбины стало приоритетом в конце 1940-х и 1950-х годах.
Обзор
К концу 1940-х реактивный двигатель зарекомендовал себя как будущее авиационных двигателей. Подстрекаемые военными, производители двигателей стремились постоянно улучшать характеристики и эффективность двигателя при одновременном снижении затрат. Рост мощности реактивных двигателей рос в геометрической прогрессии в начале 19 века.50-е годы. Лаборатория Национального консультативного комитета по аэронавтике (NACA) в Кливленде, штат Огайо, переименовала в Лабораторию летных двигателей Льюиса, реорганизовала свой персонал в 1949 году и добавила новые помещения для работы с более мощными двигателями. Кроме того, на территории цеха Статической лаборатории реактивного движения (JPSL) были установлены три спиннинговых ямы.
Одной из проблемных областей была турбина. Турбина представляет собой вентилятор, закрепленный на приводном валу после компрессора и камеры сгорания.
Горячий выхлоп проходит через турбину на выходе из выхлопной трубы. Это вращает турбину, которая, в свою очередь, вращает приводной вал, который вращает компрессор, поддерживая работу двигателя. Сложные турбинные лопатки должны выдерживать не только нагрузку от высокоскоростного вращения, но и экстремальный нагрев, исходящий от камеры сгорания. Исследователи NACA стремились улучшить характеристики турбин, уточнив их форму, проанализировав термостойкие материалы и тепловые покрытия, а также разработав системы охлаждения. Льюис сделал исследования турбин приоритетом в конце 19-го века.40-х и 1950-х годов.
Документы
- Турбинное исследование Inspection Talk (1947)
- Доклад об инспекции исследований турбин (1949)
- Ограничения и перспективы охлаждения турбины (1970 г.)
Величина тяги двигателя ограничена количеством тепла, которое может выдержать турбина. Одним из способов повышения этой способности является охлаждение горячих поверхностей.
Цель состоит в том, чтобы обеспечить максимальное охлаждение с использованием минимального количества охлаждающей жидкости. Льюис исследовал три типа конвективного охлаждения лопаток турбины: отвод тепла у основания лопатки, поток воздуха через полые лопатки и поток жидкого хладагента через полые лопатки. Лаборатория также изучала различные термостойкие материалы, но охлаждение было более рентабельным методом. Воздушное охлаждение, которое отводит избыточный поток воздуха от компрессора на полые лопатки турбины для отвода тепла, является наименее дорогим типом охлаждения.
В 1945 году исследователи Льюиса начали изучать поток воздуха через полые лопатки турбины. Они определили, что эффективность этой системы повысилась, когда в проходы были помещены плавники. Они также экспериментировали с модифицированными передними или задними кромками. В 1948 и 1949 годах Льюис разработал метод изготовления этих ребристых лопастей и установил методы прогнозирования характеристик двигателя по отношению к охлаждению турбины.
Большая часть этих первоначальных исследований проводилась на испытательных стендах только с турбиной. К 1950 эти экспериментальные турбины были испытаны на полномасштабных двигателях, включая General Electric I-40 в ячейках 3 и 4 JPSL.
Аналитическое исследование показало, что применение системы охлаждения к двигателям, работающим при современных температурах, скорее всего, приведет к повышению производительности по сравнению с охлаждением двигателей, работающих при более высоких температурах. Цель состояла в том, чтобы уменьшить количество критически важных и дорогостоящих необходимых материалов. В 1953 году исследователи проверили эту теорию на Westinghouse TG-190 в ячейке 6 JPSL. Компрессор подавал охлаждающий воздух на железные лопатки турбины с гофрированными вставками для увеличения теплоотдачи. При постоянной скорости тяга увеличивалась пропорционально уровню охлаждающего воздуха. Полученные данные подтвердили теоретические предсказания.
По мере увеличения оборотов двигателя температура воздуха на входе повышается, что снижает эффективность воздушного охлаждения.
Тем не менее, внутреннее конвективное воздушное охлаждение было основным методом охлаждения двигателя в 1960-х и 1970-х годах. С 1970-х годов он используется в сочетании с внешним пленочным охлаждением и импинджментом. Пленочное охлаждение выбрасывает охлаждающий воздух из отверстий в лезвии, в результате чего на поверхности лезвия образуется тонкий слой холодного воздуха. Ударные системы направляют охлаждающий воздух внутрь стенок лопастей для облегчения теплопередачи. Охлаждение позволило двигателям работать при температурах выше температурных пределов их материалов, тем самым создавая большую тягу.
Документы
- Исследование охлаждающего воздуха на двух реактивных двигателях (1956)
- Характеристики осевого двигателя с турбиной с воздушным охлаждением (1955 г.)
- Турбина с воздушным охлаждением в турбореактивном двигателе при температуре до 2500 ° F (1961 г.)
Турбина с воздушным охлаждением для General Electric I-40 в JPSL (1950 г.) Инженеры осматривают GE TG-190 установлен в ячейке 6 для испытаний охлаждения турбины (1953 г.) Двигатель General Electric TG-190, установленный в ячейке 6 для испытаний охлаждения турбины (1953 г.) Жидкостное охлаждение Системы жидкостного охлаждения обеспечивают лучший способ снижения температуры лопаток турбины, но они требуют дополнительных компонентов и увеличивают вес двигателя. Существуют различные подходы к жидкостному охлаждению, в том числе пленочное охлаждение и лопасти с охлаждающими каналами. Однако самый ранний метод охлаждения с помощью жидкостей включал распыление воды в воздушный поток перед турбиной. Вода ударяется о горячие лопасти и испаряется, унося тепло на выходе из выхлопной трубы. Ранние системы распылительного охлаждения испытывались на реактивных двигателях в Великобритании. Хотя охлаждение оказалось неравномерным, оно было достаточным для дальнейших исследований.
Распылительное охлаждение требует большого количества воды. Следовательно, это было бы нецелесообразно для обычного полета, но инженеры NACA надеялись, что его можно будет использовать для снижения температуры турбины во время взлета и форсажа. Исследователи установили систему распыления на двигатель General Electric I-40 и испытали ее на стенде Torque в 1950 и 1951 годах. Вода охлаждала лопасти, но возникающие в результате перепады температуры приводили к выходу из строя некоторых лопастей. Система была модифицирована и повторно испытана в JPSL летом 1919 г.52. Тяга И-40 увеличилась, но тепловой удар и недостаточное охлаждение законцовок и кромок лопастей привели к поломке лопастей. Дальнейшие испытания с использованием лопаток, отлитых из различных сплавов, дали аналогичные результаты. Таким образом, спрей-охлаждение было отложено.
Эксперименты NACA с турбиной с жидкостным охлаждением, а также эксперименты таких производителей, как General Electric, были разработаны без понимания сложностей распределения тепла двигателя.
НАСА и промышленность продолжают исследовать эту концепцию по мере появления новых и более мощных двигателей, но на сегодняшний день не существует жидкостного охлаждения для турбинных технологий, которые доказали бы свою летную пригодность. Это связано со сложностями, плохой теплопередачей и отсутствием данных о расходе теплоносителя в системах с жидкостным охлаждением.
Документы
- Характеристики двигателя И-40 с внешним водяным охлаждением (1954 г.)
- Состояние технологии жидкостного охлаждения газовых турбин (1979 г.)
Помимо охлаждения, исследователи NACA также изучали новые материалы для лопаток турбин, которые могли работать при высоких температурах.
Высокая температура заставляет атомы вибрировать и двигаться, что снижает долговечность материала. Ускользающие атомы также могут вызывать коррозию, поскольку они реагируют с другими элементами. Хотя сплавы, традиционно используемые для турбин, армированы твердыми частицами, они могут терять прочность при более высоких температурах. Керметы, также известные как керамиды, представляют собой композиционные материалы, в состав которых входят как металлы, так и керамика. Они легче сплавов, могут выдерживать более высокие температуры и не требуют большого количества стратегических материалов. К недостаткам относятся сложность их крепления к турбинному колесу и чувствительность к ударным повреждениям, особенно к повреждениям от сломанной лопасти.
Льюис провел интенсивное исследование лопаток турбины из кермета в середине 1950-х годов, которое включало фундаментальные исследования спекания, разработку технологий изготовления и испытания двигателя лопаток на JPSL и других испытательных стендах.
Особый интерес представляли карбид-кобальтовые керметы титана. Ранние испытания этих лопастей на вращение показали, что отказы чаще всего происходили у основания лопасти. Исследователи изучали различные способы крепления лопастей к колесу.
Они использовали JPSL для испытания металлокерамических лопаток на основе карбида титана и кобальта различной формы с четырьмя различными конфигурациями хвостовика на двигателе General Electric I-40. Они повторно испытали две наиболее перспективные конструкции с двигателем, работающим на более высоких оборотах, но лопасти быстро вышли из строя. Исследователи смогли повысить долговечность, сместив и перекосив основание лезвия. Последующие испытания подтвердили модификации корня и показали, что металлокерамика достаточно стабильна для использования в полномасштабных двигателях.
Исследователи продолжили исследование, заменив прямоугольную форму корня на изогнутый, что упростило конструкцию и уменьшило нагрузки. Новая корневая конструкция была включена в двигатель И-40 и испытана в течение 150 часов в JPSL.
В отличие от предыдущих тестов, они сосредоточились на надежности лопастей в течение срока службы, а не пытались определить их максимальный срок службы. Изогнутая конструкция основания оказалась лучше, чем прямоугольное основание, поэтому исследователи решили использовать General Electric TG-19.0, чтобы испытать двигатель с осевым компрессором. Турбинные колеса в осевых двигателях меньше нагружают лопатку, чем в центробежных двигателях типа И-40. TG-190 16 раз запускался в JPSL с различными установками лопастей и геометрией. Испытания выявили только один отказ корня, но на других частях лезвий были широко распространены выкрашивания. Это привело исследователей к выводу, что керметы неприменимы для двигателей с осевым потоком.
В центре продолжаются исследования металлокерамики и других композиционных материалов. В последние годы General Electric ввела в свои двигатели композитные лопасти вентилятора. Однако композиты еще не использовались для лопаток турбин.
Документы
- Исследование конструкции корневой части лопаток турбины из металлокерамики: изменение конструкции корневой части (1953 г.
- Исследование конструкции основания лопаток турбины из металлокерамики: конструкция с изогнутым основанием (1955 г.)
- Исследование металлокерамических лопаток турбины осевого двигателя (1957)
Система охлаждения газотурбинного двигателя
Интенсивное выделение тепла при сгорании топлива и воздуха требует наличия некоторых средств охлаждения для всех двигателей внутреннего сгорания. Поршневые двигатели охлаждаются либо путем пропускания воздуха через ребра, прикрепленные к цилиндрам, либо путем пропускания жидкого хладагента через кожухи, окружающие цилиндры.
Проблема охлаждения упрощается, поскольку сгорание происходит только во время каждого четвертого такта четырехтактного двигателя.
Процесс горения в газотурбинном двигателе является непрерывным, и почти весь охлаждающий воздух должен проходить через внутреннюю часть двигателя. Если бы в двигатель подавалось достаточно воздуха, чтобы обеспечить идеальное соотношение воздух/топливо 15:1, внутренняя температура повысилась бы до более чем 4000 °F. На практике в двигатель поступает большое количество воздуха, превышающее идеальное соотношение. Большой избыток воздуха охлаждает горячие участки двигателя до приемлемых температур в диапазоне от 1500° до 2100°F. Из-за эффекта охлаждения температура снаружи корпуса значительно ниже, чем внутри двигателя. Самая горячая область находится внутри и вокруг турбин. Хотя в этот момент газы начали немного остывать, проводимость металла в корпусе переносит тепло непосредственно на внешнюю кожу.
Вторичный воздух, проходящий через двигатель, охлаждает гильзы камеры сгорания.
Вкладыши сконструированы таким образом, чтобы создать тонкую быстро движущуюся воздушную пленку как на внутренней, так и на внешней поверхностях вкладыша. Горелки кольцевого типа часто снабжены центральной трубой для подачи охлаждающего воздуха в центр горелки, что способствует высокой эффективности сгорания и быстрому разбавлению горячих дымовых газов при минимальных потерях давления. Во всех типах газовых турбин большое количество относительно холодного воздуха соединяется и смешивается с отработанными газами за горелками для охлаждения горячих газов непосредственно перед их входом в турбины.
Впускные отверстия для охлаждающего воздуха часто располагаются вокруг внешней части двигателя, чтобы обеспечить поступление воздуха для охлаждения корпуса турбины, подшипников и сопла турбины. Внутренний воздух отбирается из секции компрессора двигателя и подается к подшипникам и другим частям двигателя. Воздух, поступающий в двигатель или из двигателя, выбрасывается в поток выхлопных газов.
При расположении сбоку от двигателя корпус охлаждается наружным воздухом, обтекающим его. Наружная часть двигателя и гондола двигателя охлаждаются за счет обдува двигателя и гондолы воздухом от вентилятора. Моторный отсек часто делится на две части. Передняя секция называется холодной секцией, а задняя секция (турбина) — горячей секцией. Сливы картера отводят практически возможные утечки за борт, чтобы предотвратить скопление жидкости в гондоле.
Вспомогательная зона охлаждения
Турбинные силовые установки могут быть разделены на основные зоны, которые изолированы друг от друга противопожарными переборками и уплотнениями. Зоны представляют собой отсек корпуса вентилятора, отсек корпуса промежуточного компрессора и основной отсек двигателя. [Рисунок 1] Откалиброванные потоки воздуха подаются в зоны для поддержания температуры вокруг двигателя на приемлемом уровне. Поток воздуха обеспечивает надлежащую вентиляцию для предотвращения скопления любых вредных паров. Зона 1, например, находится вокруг корпуса вентилятора, в котором находится корпус принадлежностей и электронный блок управления двигателем (ЕЕС).
Эта область вентилируется с помощью набегающего воздуха через впускное отверстие в носовом обтекателе и выбрасывается через жалюзийное вентиляционное отверстие в правом кожухе вентилятора. | Рисунок 1. Охлаждение вспомогательной зоны |
Если давление превышает определенный предел, открывается клапан сброса давления и сбрасывается давление. Зона 2 охлаждается вентиляторным воздухом из верхней части канала вентилятора и выбрасывается на нижнем конце обратно в воздушный поток вентилятора. В этой области есть как топливные, так и масляные магистрали, поэтому важно удалить любые нежелательные пары.
Зона 3 — зона от компрессора высокого давления до корпуса турбины. В этой зоне также находятся топливные и масляные магистрали и другие аксессуары. Воздух поступает из выхлопа предохладителя и других зон и выбрасывается из зоны через заднюю кромку внутренней стенки реверсора тяги и выпускной патрубок турбины.
Изоляционные одеяла для газотурбинных двигателей
Чтобы снизить температуру конструкции вблизи выхлопного канала или усилителя тяги (форсажной камеры) и исключить возможность контакта топлива или масла с горячими частями двигателя, иногда необходимо обеспечить изоляцию на выхлопном канале газотурбинных двигателей. Температура поверхности выхлопного канала довольно высока. Типичный изоляционный слой и температуры, полученные в различных местах, показаны на рис. 2. Этот слой содержит стекловолокно в качестве материала с низкой проводимостью и алюминиевую фольгу в качестве радиационного экрана. Одеяло накрывают соответствующим образом, чтобы оно не пропиталось маслом. Изоляционные покрытия довольно широко использовались на многих установках, где требуется длинный выхлоп. Некоторые вспомогательные силовые установки (ВСУ), установленные в хвостовом обтекателе транспортных самолетов, имеют воздух, который окружает выхлопную хвостовую трубу, что обеспечивает охлаждение и защиту окружающей конструкции.