Как выбрать турбину для двигателя

Как выбрать турбину для авто

Турбина способствует увеличению плотности воздуха, который поступает в двигатель автомобиля, обеспечивая тем самым возможность сжигания большего количества топлива. Чем больше сгорает топлива, тем больше возникает энергии от процесса сгорания, и соответственно создается больший момент.

Преимущество турбовых двигателей заключается в том, что имеется возможность значительно увеличить давление.
Турбина имеет в своем составе два основных элемента, которыми являются непосредственно сама турбина и компрессор. Выпускной газ воздействует на крыльчатку, а именно раскручивает ее, проходя через турбину. Вращение крыльчатки, которая представляет собой вентилятор в корпусе турбины, передается в другую часть устройства — компрессору. Компрессорный вентилятор нагнетает воздух в область двигателя.

Как уже можно было догадаться, чем большим будет давление, тем большее количество воздуха будет поступать в мотор. Однако бесконечное увеличение давления в двигателе, без возникновения проблем, просто невозможно. В том случае, если турбина работает в усиленном режиме, возникает лишнее тепло, обратное давление и пульсация, что может привести к появлению трещины на корпусе турбины, сокращению срока службы подшипников, протечке масла и даже повреждению двигателя. Поэтому давление должно увеличиваться, не злоупотребляя этим.

Стандартный вариант замены турбины заключается в монтаже высокопоточного компрессора, а также в некоторых случаях и увеличенной крыльчатки турбины. Это позволяет достичь обратного эффекта, который заключается в том, что уровень воздействия выпускных газов на турбину будет снижен, что способствует в свою очередь снижению ее скорости и давления на начальном этапе раскручивания. Чаще всего, корпуса турбины и компрессора могут быть заменены на большие размеры, что открывает возможность для пропуска более значительного количества газа.

Однако следует не забывать, что для отдельной модели автомобиля, турбина была подобрана производителем. Это означает, что им было предусмотрено правильное соответствие диаметра выхода и входа, а именно их размеры. Но в последнее время большим спросом стали пользоваться «гибридные» турбины. Стоит понимать, что такой вид турбины неспособен обеспечить такую же мощность, как стандартная турбина.
В большей части турбин используются 180-градусные упорные подшипники, которые располагаются в корпусе. Такой подшипник отлично справляется со своими функциями при воздействии нормального давления, однако при повышении уровня давления быстро поддается изнашиванию. Данную проблему способен решить 360-градусный подшипник, который увеличивает надежность и срок эксплуатации самой турбины.

Возможная замена
Если владелец автомобиля располагает небольшим бюджетом, то для него оптимальным вариантом могут стать японские б/у запчасти, которые предлагаются в большом ассортименте и размерах. В этом случае ориентиром должен быть объем двигателя, по размерам которого и должна подбираться турбина.

Современные турбины
При изготовлении современных турбин, очень часто используют керамический материал, который обладает меньшей плотностью, в отличие от стали, что позволяет уменьшать инерцию и быстрее раскручивать турбину. Большая часть современных турбин изготавливаются из сплава, в основу которого входит никель. Турбины из керамики часто устанавливались на старые модели Ниссанов (запчасти для современных моделей Ниссанов, например, для Ниссан Кашкай смотрите здесь). А все потому, что именно этот производитель первым обнаружил тот факт, что керамика положительно воздействует на турбину. Однако данный материал, наиболее чувствителен к воздействиям неблагоприятных элементов, которые поступают из выпускного коллектора. Также такие турбины могут повреждаться от ударов, поэтому их лучше не ронять.

Шариковые подшипники
Цель использования шариков заключается в достижении уменьшения уровня трения, а значит увеличения силы выпуска. И опять же, первенцем в достижении таких показателей стал Ниссан.

Турбины Garrett шарикоподшипникового или роллерного типа отличаются шестью болтами на корпусе. Этот производитель является лидером шарикоподшипниковых турбин, и снабжает своей продукцией многие знаменитые фирмы.

Турбины с раздвоенным пульсом
Данный вид турбин имеет раздельные пути, которые ведут к турбине, что приводит к улучшению отдачи. Турбины с двойным выходом сегодня доступны от многих компаний, предлагающих тюнинговые услуги.

Перепускные клапана
Целью перепускного клапана является пуск некоторой части выпускного газа в турбинный обход, что способствует ограничению скорости вращения самой турбины, и, следовательно, давления на выпускном коллекторе. Перепускные клапаны бывают внутренними и внешними. На большей части турбин используют внутренние клапаны. Они обеспечивают ограниченный поток воздуха проходящего по турбине, что предотвращает повреждение двигателя.
Внешние клапаны устанавливаются в отдельности от турбины.

Источник

Как выбрать Б/У турбину?

Большинство двигателей уже давно оснащаются системами турбонаддува. Без турбин дизельные моторы не обходятся уже лет 20, а бензиновые моторы начали повальный переход на наддув лет 15-10 назад. С турбинами силовые агрегаты стали резвее и мощнее, но у владельцев автомобилей добавилось хлопот. Сегодня мы поговорим о том, что такое турбина, зачем она нужна и как выбрать хорошую бывшую в эксплуатации (БУ) турбину.

Мы сняли видео по теме выбора БУ турбины, посмотреть его вы можете на нашем YouTube-канале.

Вообще правильно и грамотно этот узел называется турбокомпрессор. Он состоит из трех основных частей. Из корпуса турбины («горячая» часть, заключенная в чугунную «улитку»), из корпуса компрессора («холодная» часть в алюминиевом корпусе) и расположенного между ними корпуса подшипников (он же «картридж»). В корпусах крыльчаток при работе турбины создается повышенное давление газов, а в картридже – разряжение.

Внутри картриджа находится ротор (вал), на концах которого закреплены крыльчатки турбины и компрессора. Обычно на крыльчатках помещается от 9 до 12 лопастей. Вал крепится на опорном и упорном подшипниках, которые представляют собой втулки, в которых удерживается и вращается вал. Однако сегодня широкое распространение также получают и турбины с шариковыми подшипниками.

В подшипниках турбины обязательно должно быть масло, которое образует масляный клин, на котором и вращается ротор турбины – он словно левитирует на тонком слое масла, скользит без сопротивления и не задевая поверхность картриджа.

Масло непрерывно подается в картридж и сливается из него. Для того чтобы масло не убегало из корпуса подшипников в корпуса турбины и компрессора, используются стальные уплотнительные кольца. Они хитро установлены – с осевым и торцевым зазором. Нужное уплотнение достигается при работе турбины.

Как работает турбина?

Турбокомпрессор приводится в движение потоком выхлопных газов. Газы раскручивают крыльчатку турбины, одновременно с этим вращается и крыльчатка компрессора, всасывающая воздух и создающая необходимое давление. У турбокомпрессора рабочий диапазон не беспредельный. Так, при недостаточном потоке выхлопных газов производительность турбины не высока – создаваемое давление наддува относительно не велико. А вот если мотор «раскрутить», то он начнет производить достаточное выхлопных газов, и тогда турбина выйдет на свою максимальную производительность. Как говорят в народе, «турбина включится». Однако для того, чтобы турбина дула всегда, почти с холостых оборотов, производители применяют различные хитрости.

Как управляется турбина?

Турбина – это всегда компромиссное решение. Например, для гражданского дизелька важно иметь хорошую тягу на низах. Для этого производители создают турбокомпрессоры, роторы которых раскручиваются до высоких рабочих оборотах при низкой скорости работы мотора. Но что случится с такой турбиной, если водитель решит выкрутить мотор до отсечки? В этом случае она может выйти на запредельную скорость работы, возникнет т так называемый «передув», от которого не будет хорошо ни самой турбине, ни двигателю. Как быть? Нужно управлять производительностью турбины!

Самое простое решение заключается в использовании перепускного клапана (байпас, уэстгейт). Этот клапан открывается по достижении максимального значения наддува, и отработавшие газы через него уходят прямо в выхлопную систему, минуя колесо турбины. Просто, надежно, но не слишком гибко. За открытие клапана отвечает пневматический актуатор.

Более гибкое решение заключается в управлении направлением потока выхлопных газов. Для этого в «улитке» горячей части на пути потока газов устанавливаются лопатки, угол атаки которых регулируется. На невысоких оборотах, когда газов мало, угол атаки лопаток большой: они буквально направляют и отклоняют газы на лопасти турбины. Когда давление наддува вырастает, мощность мотора и количество производимых выхлопных газов вырастает, лопатки становятся вдоль потока газов, не оказывая на них никакого направляющего воздействия. Такое решение называется «управляемой геометрией». За управление положением лопаток отвечает пневматический привод, либо электронный с сервомотором. Последний точнее, но в случае чего с ним больше хлопот в плане ремонта и калибровки.

Здесь же упомянем, что перепускные клапаны используются на турбинах бензиновых и дизельных моторов. А управляемая геометрия – это удел турбин дизельных двигателей. Лишь на оппозитных турбобензиновых моторах спортакоров Porsche используются турбины с управляемой геометрией. Дело в том, что температура выхлопных газов бензиновых моторов очень высока и использование лопаток с непростым механизмом привода требует использования дорогостоящих жаропрочных сплавов.

Также на высокооборотистых и мощных двигателях используется перепускной клапан во впускном коллекторе. Он служит для сброса избыточного давления наддува в тех случаях, когда, например, после интенсивного разгона водитель отпускает акселератор (при этом дроссель закрывается), а поток и давление воздуха во впуске очень высоко. В этом случае воздух необходимо стравить, иначе нагрузка на крыльчатку компрессора и ротор в целом критически возрастет.

Какие разновидности турбин бывают?

Помимо типа управления турбины можно разделить еще на несколько типов. Турбокомпрессоры могут быть одиночными, так и парными: наддув может быть двойным, тройным и даже четверным (есть и такие моторы). В этом случае применяется очень сложная разводка впускного и выпускного коллектора, обводные каналы перепускных клапанов для реализации ступенчатого наддува или параллельной работы нескольких турбокомпрессоров.

Также существуют так называемые «твинскрольные» турбины. Они применяются на легковых бензиновых моторах и на грузовых дизельных. Суть в том, что потоки выхлопных газов от цилиндров собираются в два раздельных канала – ради исключения взаимного противодавления и гармонизации импульсов выхлопных газов, в итоге приводящее к небольшому улучшению топливной экономичности. К крыльчатке турбины газы поступают по двум каналам.

И последнее веяние в моде на турбокомпрессоры – компрессор с электрическим приводом. То есть, работа выхлопных газов не используется. Вместо крыльчатки турбины используется мощный электромотор, работающий от 48-вольтовой электросети. Компрессорная часть устроена, можно сказать, традиционным образом.

Как выбрать БУ турбину?

Ведется много споров о том, что лучше: восстанавливать турбину или покупать БУ. Если говорить объективно, то БУ турбина дешевле восстановленной не на заводе-изготовителе примерно в 3 раза. В нашем каталоге самая дорогая БУ турбина стоит 600 рублей, самая дешевая – 80 рублей. Да, БУ турбина имеет некоторый износ. Но в ее защиту скажем, что восстановленные не на заводе-изготовителе турбины оснащаются доступными расходниками и картриджами от китайских производителей. Оригинальная новая турбина на популярные автомобили стоит от 1000 до 4000 долларов. Поэтому многие, сопоставляя суммы, в том числе приходят и к выбору БУ турбин.

Итак, на что обратить внимание при выборе турбины? Прежде всего, должен отсутствовать люфт ротора. Для этого касаемся кончиков вала пальцами и пытаемся расшатать турбину. Продольного осевого люфта быть не должно (вернее, он должен быть, но в пределах от 0,06 до 0,09 мм – а этого «пальцометром» не почувствуешь). Радиальный (поперечный) люфт допускается – это именно тот зазор, который восполняется маслом, на котором вращается ротор. Но крыльчатки ни в коем случае не должны задевать за корпус. Также на лопастях не должно быть повреждений и сколов. Корпуса турбины должны быть сухими – без потеков масла, которые свидетельствуют об износе и негерметичности уплотнений. Улитка холодной части вообще должна быть сухой изнутри. Также немаловажно чтобы трубки, по которым масло подается в турбину и сливается из нее, были не просто обрезаны, а еще и завальцованы (сплющены и как бы запечатаны) – ради предотвращения попадания грязи в картридж.

Как правильно установить турбину?

Теперь, когда вы знаете, как выбрать БУ турбину, важно рассказать о том, как правильно ее установить. В принципе в этом случае действуют все те же правила, которые существуют в отношении восстановленной и новой турбины. И эти правила установки важно соблюдать, так как турбина, что новая, что БУ, может быстро выйти из строя.

Дело в том, что на самом деле турбина сама по себе из строя не выходит. Ее жизнь может подпортить старое некачественное моторное масло, забитый воздушный фильтр, проблемы с сажевым фильтром и катализатором. Если эти проблемы не решить, то на проблемном моторе «помрет» и дорогущая новенькая турбина с завода.

Итак, перед установкой БУ турбины меняем масло, фильтр, желательно вычистить поддон от грязи и важно устранить причину загрязнения моторным маслом. Например, есть немалое количество двигателей, где масло загрязняется пылью и стружкой от проблемных трущихся деталей. При этом турбина лишь первой выходит из строя, а через несколько сотен или тысяч километров «встанет» и сам мотор.

Если на старом турбокомпрессоре пострадала крыльчатка турбины или масло из картриджа пошло во впуск – разбираемся с сажевым фильтром и катализатором, так как их засорение привело к снижению пропускной способности и возникновению противодавления.

Чистим от масла впуск, выливаем масло из интеркулера или покупаем новый интеркулер.

Осматриваем каналы подачи и слива масла из картера. Если они забиты – чистим, меняем трубки. Попутно диагностируем систему вентиляции картерных газов. Часто турбины дают течь во впуск или выпуск из-за того, что масла из картриджа не сливается в поддон из-за высокого давления газов в нем.

В общем, одним словом, нужно устранить все те причины, которые привели к выходу турбины из строя. Еще раз обращаем ваше внимание на то, что поломка турбины – во многих случаях индикатор или первый звоночек о начавшихся проблемах в двигателе.

При установке турбины используем только новый комплект прокладки и других расходников (никакого герметика!). В картридже турбины должно быть несколько граммов свежего масла, чтобы обеспечить смазывание. Запуск мотора с установленной турбиной необходимо производить без подачи топлива – ради создания необходимого давления масла.

При выполнении этих важных требований и соблюдении правил установки БУ турбина точно прослужит на вашем моторе не один год и пройдет десятки тысяч километров без проблем и поломок. Выбрать и заказать хорошую БУ турбину вы можете в каталоге на нашем сайте.

Источник

Как быстро подобрать турбину под свой двигатель.

После того, как я написал пост о том, как я подбирал железо под свой конфиг, мне стали задавать вопросы по поводу правильного подбора турбины. Многим не совсем понятно, как это правильно сделать. Чтобы упростить процесс, предлагаю выделить под это дело отдельный пост. На самом деле все очень просто и все, что нужно для этого- лишь умение обращаться с калькулятором.
Единственное, что вы должны четко представлять себе перед вабором размера турбины- это реальное значение мощности, которое ваш мотор способен переварить без последствий. Если вы уверены в этой цифре, то дальнейшие действия для вас будут проще простого.
Итак, предположим, что у вас двигатель объемом 2.2 литра, внутрянка подготовлена (ковка-шмовка, валы и все такое) и вы хотете получить с этого двигателя 550 лс на маховике. Какую турбину выбрать для такого дела? Достаточно просто посмотреть на турбокарту и вы сразу же поймете, какая турбина вам подойдет, а какая нет. Дело в том, что большинство турбокарт публикуется с расходом воздуха в фунтах в минуту, lbs/min. Если нет, то это легко можно исправить пересчитав на калькуляторе другие единицы в lbs/min- интернет подскажет, как это правильно сделать. Как только вы увидели ( или посчитали) расход воздуха турбины в фунтах в минуту, вы сразу можете определить ее максимальную производительность в нормальном режиме ( без выдувания всех соплей из нее). В среднем, для получения 10 лс необходим расход воздуха в 1 фунт в минуту. Таким образом, для того, чтобы получить 550 лс нам необходима турбина, которая может обеспечить расход воздуха в 55 lbs/min ( 550 / 10 = 55). Все просто, как я и говорил. Если вы смотрите на турбокарту и видете, что максимальный расход воздуха в ней всего 45 lbs/min, то она вам вряд ли подойдет для получения 550 лс. Точно так же и турбина с максимальным расходом воздуха в 65 lbs/min скорее всего будет великовата под ваши задачи. Просто смотрим турбокарты и отбираем те, которые ближе всего нам по максимальному расходу.
Посмотерли, выбрали. Получилсь несколько вариантов. Как быть дальше, какую именно выбрать? Дальше нужно немножко поработать на калькуляторе. Нужно а) высчитать расход воздуха чуть точнее, б) высчитать наддув, на котором можно будет получить требуюмую мощность. Эти две цифры в дальнейшем помогут нам с оптимальным выбором турбины.
Итак, считаем расход воздуха :
Необходимый расход воздуха( Wa) = требуемая мощность х целевая смесь (AFR) x BSFC / 60
AFR — смесь, при которой мы планируем получить необходимую мощность, возьмем 11
BSFC — коэффициент, показыващий насколько эффективно двигатель сжигает топливо для получения мощности, для турбомоторов это значение находится в пределах 0.5-0.6. Мы возьмем среднее число, 0.55.
Подставляем все цифры в формулу:
Необходимый расход воздуха = 550 х 11 х 0.55 / 60 = 55.46 lbs/min
Как видно, наш конечный результат всего на 0.46 lbs/min отличается от наших изначальных оценок- мы искали турбину с максимальным расходом воздуха в 55 lbs/min, а расчет показал, что нам нужно чуть-чуть больше. Так или иначе, мы высчитали необходимый нам расход воздуха. Теперь нам нужно посчитать величину давления, при котором мы получим нужную нам мощность.

В этой формуле:
Wa — расход воздуха, мы его посчитали- 55, 5 lbs/min
R — константа для газа — 639.6
Тm — температура воздуха во впускном коллкеторе ( в фаренгейтах), у нас она будет порядка 130F
N — обороты двигателя, на которых мы планируем получить нужную мощность, у нас будет 7500
VE — объемная эффективность двигателя при оборотах максимальной мощности, у нас будет 0.92
Vd — объем двигателя в кубических дюймах, у нас 2.2 литра, равно 140.34 кубических дюймов
Подставляем все цифры в формулу и получаем вличину давления в 43.25 psi. Из него мы высчитываем Pressure Ratio турбины:
PR = (43.25 + 2) / ( 14.7-1) = 3.3
Вот собственно и все. Еще раз смотрим все отобранные нами турбоарты и выбираем ту, где точка на пересчечении PR 3.3 и расхода воздуха 55.5 lbs/min будет находится с правой стороны от центра турокарты, но максимально приблеженно к зоне оптимальной термоэффективности

Источник

Как выбрать турбину для двигателя

Выбор турбины и расчёт производительности

Выбор турбины.

Размер колеса компрессии и выбор ротора турбины для проекта, значительно влияет на степень успеха, который будет иметь система. Это никоим образом не значит, что вал турбины и колесо компрессии только этого размера будут работать при заданных условиях. Компромиссы между задержкой, порогом наддува, тепловыделением, моментом на низких оборотах и мощностью — это переменные оптимизационной модели в процессе определения соответствия турбонагнетателя предъявляемым требованиям. Эти требования могут быть уточнены путем внесения в список обязательных рабочих характеристик для данного транспортного средства.

Классический турбонагнетатель.

Цели могут быть различны в случаях автомобилей для повседневного использования, автомобилей с рекордной максимальной скоростью, автомобилей для дрэг-рейсинга, уличных супер-каров, настоящих гоночных автомобилей, и даже для транспортных средств, называемых пикапами. Определяющими критериями будут параметры вроде желательного порога наддува, пика момента и расчетной мощности. Транспортные средства с высокой максимальной скоростью требуют больших турбин, уличные автомобили более требовательны к моменту на средних оборотах, а низкоскоростные утилитарные транспортные средства нуждаются в небольших турбинах. Как выбрать подходящий турбонагнетатель в каждом конкретном случае и какие нюансы наиболее важны, мы обсудим в этой статье.
Чтобы пояснить, насколько могут различаться турбонагнетатели различного назначения, сравним эти устройства на Nissan 300ZX и на Porsche 911. Эти два автомобиля имеют сходные размеры, вес и рабочий объем двигателя, и все же их турбины существенно различаются. По размеру турбонагнетателя Porsche достаточно легко заметить, что конструкторы Porsche точно знали, что они хотели. Они установили большой турбонагнетатель на 911 по трем основным причинам:

Конструкторы Nissan, с другой стороны, имея намного более благоприятный с точки зрения тепловыделения двигатель с водяным охлаждением, были свободнее в выборе турбонагнетателя для почти немедленной реакции прямо с холостых оборотов. Этот небольшой турбонагнетатель дает быструю реакцию наддува в обмен на крайне высокое противодавление на выпуске и высокую температуру воздуха на впуске. Nissan, очевидно, не стремился получить серьезную мощность, поскольку они не посчитали необходимым установить какой-нибудь интеркулер для снижения этой высокой температуры. Их целью, кажется, был автомобиль, нацеленный на разгон от 0 до 60 км/ч. Конечно, они были нацелены на совершенно не такого покупателя, каким является клиент Porsche. Хотя Porsche был объявлен всеми его дорожными испытателями ярчайшим примером конструкции с высоко инерционным турбонагнетателем, этот путь был выбран из-за меньшего нагрева. Небольшие турбонагнетатели не могли быть использованы на 911 вследствие тепловых ограничений двигателя с воздушным охлаждением, и, конечно, из-за того, что целью была серьезная мощность. Porsche, тем не менее, вполне можно назвать примером замечательно выполненной работы. Nissan же выступает в качестве примера продажи большого количества автомобилей большому количеству людей.

Базовые руководящие принципы

Влияние размеров колеса компрессора и ротора турбины на характеристики системы, будет целиком следовать этим руководящим принципам:

Колесо компрессора

Колесо компрессора имеет определенную комбинацию расхода воздуха и давления наддува, при которой он является наиболее эффективным. Хитрость в выборе оптимального размера колеса компрессора состоит в том, чтобы расположить точку максимальной эффективности в наиболее используемом диапазоне оборотов двигателя. В процессе выявления наиболее полезного диапазона оборотов придется немного подумать. Не забывайте, что всегда, когда эффективность компрессора снижается, тепловыделение, производимое турбонагнетателем, увеличивается. Если был выбран такой размер турбонагнетателя, что максимальная эффективность приходится на первую треть диапазона оборотов двигателя, эффективность на максимальных оборотах и в близких к тому режимах будет настолько низкой, что температура воздуха на впуске будет просто обжигающей. В другом крайнем случае, если максимальная эффективность системы достигается ближе к предельным оборотам двигателя, температура на средних оборотах вполне способна выйти за разумные пределы. Нагнетатель такого размера был бы полезен только для двигателя, работающего на этих оборотах. Где-то в середине диапазона оборотов двигателя находится наилучшее место, чтобы расположить там точку максимальной эффективности компрессора.
Большие или малые размеры компрессора не оказывают критического влияния на инерционность турбонагнетателя или на порог наддува. Рабочее колесо компрессора — самая легкая вращающаяся часть турбонагнетателя, следовательно, его вклад в полную инерцию вращающегося ротора довольно низок. Порог наддува — главным образом функция скорости турбонагнетателя, которая управляется ротором турбины.

Когда точка максимальной эффективности находится на более высоких оборотах, это означает более низкую температуру воздуха в этом режиме. Более низкая температура даёт более плотный воздух, который облегчает пик момента на более высоких оборотах.

В конечном счете, реальная потребительская ценность выбранного оборудования будет зависеть не только от мощности, термодинамических коэффициентов или числа турбин. Скорее, это будет выражаться в том, каким образом Ваша машина ведет себя на дороге. Она в самом деле быстра, и ее скорость прекрасно Вами ощущается? Она действительно отзывчива на педаль и легко бежит? Она плавно и непринужденно разгоняется до максимальных оборотов? Она заставляет Вас улыбаться, когда никто вокруг не увидит вашей улыбки?
Начните с выбора нескольких кандидатов на роль Вашего турбокомпрессора, чьи степень повышения давления и расход воздуха, согласно их картам, находятся в требуемом диапазоне оборотов при значении эффективности не ниже 60 %. Когда Вы отсеете заведомо непригодные устройства и остановитесь на двух-трёх вариантах, необходимо будет произвести некоторые расчеты, чтобы выбрать между ними.

Ротор Турбины.

Задача ротора турбины — осуществлять привод колеса компрессора, при этом он должен раскручивать его до достаточных оборотов, чтобы он мог обеспечить требуемый расход воздуха при заданном давлении наддува. Небольшая турбина будет вращаться быстрее, чем большая при той же энергии выхлопных газов. Однако меньшая турбина является большим сужением на пути потока этих газов, что приводит к образованию обратного давления между турбиной и камерой сгорания. Обратное давление — нежелательный побочный эффект турбонагнетателя, и нужно иметь это в виду. В действительности, при выборе турбины нужно ориентироваться на обороты, достаточные для обеспечения желаемой реакции и давления наддува, воздерживаясь от минимизации обратного давления.

Выбор размера колеса компрессора.

Необходимо выработать в себе понимание требуемых степени повышения давления, расхода воздуха, его плотности и эффективности компрессора прежде, чем приступать к выбору колеса компрессора подходящего размера.

Зависимость относительной плотности от степени повышения давления. Плотность падает при увеличении температуры,
поэтому фактическая степень увеличения массы воздуха всегда меньше чем степень повышения давления.

Степень повышения давления

Степень повышения давления рассчитывается как полное абсолютное давление, произведенное турбокомпрессором, разделенное на атмосферное давление. Абсолютное давление означает давление выше ноля. Отсутствие давления это ноль, атмосферное абсолютное давление составляет 1 бар. 0,5 бара наддува создают 1,5 бара абсолютного давления, 0,8 бара наддува это 1,8 бара абсолютного давления и так далее. Таким образом, абсолютное давление — это показания манометра плюс 1 бар. Другими словами, степень повышения давления является значением произведенного давления относительно атмосферного.

Относительная плотность

В конечном счете, мощность, полученная от использования турбонаддува, зависит от числа молекул воздуха, упакованных в каждый кубический сантиметр объема. Это называется плотностью воздушного заряда. При прохождении через систему турбонаддува плотность немного изменяется. Когда воздушные молекулы принудительно «утрамбовываются» в нагнетателе до некоторой степени сжатия, плотность не увеличивается на то же самое значение, потому что при сжатии увеличивается температура, и воздух расширяется обратно в прямой зависимости оттого, насколько он нагрет. Хотя воздушный заряд после сжатия окажется более плотным, его плотность будет всегда меньше, чем степень повышения давления. Усилия разработчиков, направленные на использование эффективных турбокомпрессоров и промежуточных охладителей позволяют относительной плотности все ближе и ближе приблизиться к значению степени сжатия, но полное совпадение величин никогда не достигается.

Расход воздуха

Расход воздуха через двигатель обычно измеряется в кубических метрах воздуха в минуту при стандартном атмосферном давлении. Технически правильный, но реже используемый термин — килограммы в минуту. Мы будем использовать полуправильный термин «кубические метры в минуту».
Для вычисления расхода воздуха в двигателе без турбонагнетателя т.е. при отсутствии наддува:

Здесь расход воздуха выражается в м3, а объем в см3, 0,5 означает, что у четырехтактного двигателя воздух в цилиндр поступает только во время одного оброта из двух, Ev — объемная эффективность. Чисто 1000000 служит для конвертации кубических сантиметров в кубические метры.
Пример: Пусть объем двигателя = 2000 см3, частота вращения двигателя = 5500 мин-1, и Ev = 85 %.

Значение расхода воздуха для четырех тактных двигателей. Выберите объем двигателя (ось абсцисс) и обороты в минуту, на оси ординат отсчитайте расход.

КПД колеса компрессора

Эффективность (КПД) колеса компрессора — это показатель того, как хорошо колесо компрессора может сжимать воздух, не нагревая его в большей степени, чем диктуют законы термодинамики. Термодинамика говорит, что температура воздуха должна увеличиваться пропорционально степени повышения давления. Такое увеличение температуры наблюдалось бы в идеальных условиях. Однако фактически температура всегда выше, чем в термодинамических расчетах. Измеренное увеличение температуры, конечно, является фактической температурой. Эффективность (КПД) — расчетное увеличение температуры, разделенное на её фактическое увеличение. По сути, эффективность — мера термодинамического совершенства компрессора.
Центробежные турбокомпрессоры имеют максимальный КПД порядка 70%. Выбор размера колеса компрессора становится, главным образом, вопросом того, где достигает максимума эффективность турбокомпрессора относительно характеристик расхода системы двигатель/турбина. Если Вам понятен физический смысл степени повышения давления, относительной плотности, расхода воздуха и эффективности компрессора, основная информация, необходимая для выбора компрессора под Ваши задачи, находится у Вас в руках.
Принято считать, что до 0,5 бара — низкое давление наддува, 0,5 — 0,8 бара — среднее, и более 0,8 бара — высокое давление наддува. В дальнейшем, на примере двигателя объемом 2000 см3 с несколькими вариантами компрессоров будут показаны примеры вычислений и поиска максимума эффективности.
На рисунке показано влияние эффективности компрессора на температуру впускного воздуха. Вообще, КПД компрессора без промежуточного охладителя должен составлять по меньшей мере 60%. Если система включает промежуточный охладитель, минимальный КПД может быть несколько меньше.

Зависимости давления воздуха, температуры и относительной плотности от высоты места

Компрессор G/t GT2860RS. Цифры справа — число оборотов турбины в минуту. Видно, что линия соединяющая точки PR=1 и РК=1,8 проходит за границей устойчивой работы компрессора.

Компрессор G/t GT2557R, не смотря на КПД, меньший чем у G/t GT2860RS, лучше подходит для заданного применения.

Характеристики переходных процессов колеса компрессора в случае конкретного применения также должны быть исследованы перед окончательным выбором. Это может быть сделано довольно простым способом. Предположим, что желаемая степень сжатия достигается на 50 % от максимальных оборотов двигателя. Отметьте эту точку на диаграмме турбокомпрессора. Выше был упомянут пример с оборотами в минуту = 2750, что соответствует точке с расходом воздуха 4,27 м З /мин и PR = 1,8. Постройте линию от этой точки до точки, соответствующей PR = 1 и значению расхода, равному 20% от максимального, что в нашем случае составит 1,68 м 3 /мин. Принципиально важно, чтобы эта линия полностью располагалась справа от линии на карте компрессора, обозначенной как граница помпажа. Граница помпажа (граница устойчивой работы) не всегда подписывается на картах турбокомпрессора, но Вы можете смело полагать, что ею является крайняя левая линия. Этот пример показывает, что компрессор G/t GT2557R, при КПД 71%, лучше подходит для выбранного применения чем G/t GT2860RS, с КПД 75%.

Температура нагрева воздуха в компрессоре в зависимости от степени повышения давления. Вот почему все хотят обеспечишь самую высокую возможную эффективности турбокомпрессора: большая эффективность — более низкая температура.

Выбор размера ротора турбины

Предполагаемое применение системы двигатель+турбонагнетатель является также основным критерием при выборе размера ротора турбины, поскольку определяет выбор между моментом на низких, средних или максимальных оборотах двигателя. При этом выборе приходится иметь дело с двумя величинами: основной размер ротора турбины и отношение площадь/радиус (A/R).

Основной размер ротора турбины

Предполагается, что основной размер ротора турбины характеризует её способность производить мощность на валу, необходимую для привода колеса компрессора при желаемом расходе воздуха. Поэтому большие турбины, вообще говоря, обеспечивают более высокие отдаваемые мощности, чем небольшие. Для простоты картины оценивать размер турбины можно по диаметру её выходного отверстия. Строго говоря, это является упрощением теории турбин, однако на практике такой подход даёт возможность оценить способность турбины обеспечить тот или иной расход.

Диаграмма диаметра выходного отверстия ротора турбины относительно расхода воздуха на впуске — не точный инструмент для выбора, но приблизительный критерий первоначального отсеивания.

Определение диаметра выходного отверстия

Разумный метод выбора ротора турбины состоит в том, чтобы проконсультироваться с источником, у которого Вы приобретаете турбокомпрессор. Конечно, при выборе будет существовать возможность допустить ошибку в ту или иную сторону. И так как выбор происходит в пределах первоначального предназначения системы турбонаддува, имеет смысл выбирать каждый раз запас в большую сторону.

Приблизительный диаметр выходного отверстия ротора турбины, требуемый для привода колеса компрессора при заданном расходе воздуха

Определение отношения A/R

Все «А», разделенные на соответствующие им «R», дадут одинаковый результат:

где A-площадь, R-радиус

«R» тоже оказывает сильное влияние на управление скоростью ротора турбины. Представьте, что кончики лопаток ротора турбины движутся с той же скоростью, что и газ, когда он попадает на лопатки. Отсюда легко понять, что чем меньше «R», тем выше частота вращения ротора турбины. Следует заметить, что увеличение «R» дает прирост момента на валу турбины для привода рабочего колеса компрессора, поскольку та же самая сила (поток выхлопных газов) прикладывается на большем плече рычага (R). Это позволяет приводить большее рабочее колесо компрессора, если этого требуют условия применения. Тем не менее, чаще всего при выборе турбины варьируют параметр «А», в то время как радиус остается постоянным.

Увеличение скорости вращения турбины, которая зависит от отношения А/R, почти всегда достигает с изменением площади выходного сечения кожуха турбины при остающемся неизменном радиусе.

Выбор, который кажется логичной отправной точкой для отношения A/R — это одно, а фактически полученный правильный результат — это совсем другое. Обычно неизбежны пробы и ошибки.

Эффект изменения отношения А/R,все прочие параметры неизменны.

Разумный выбор может быть обоснован количественным образом или, в некоторой степени, качественной характеристикой адекватности реакций турбо системы. Количественная оценка требует измерения давления в выпускном коллекторе или на входе турбины и сравнения его с давлением наддува. Результатом неправильного выбора отношения А/R может стать увеличение инерционности наддува, если отношение слишком велико. Отношение А/R может быть столь большое, что не позволит турбокомпрессору развить обороты, достаточные для достижения желаемого давления наддува. Если отношение, напротив, чрезмерно мало, реакция турбокомпрессора может быть столь быстра, что будет казаться нервной и трудной для управления. Результат проявится и в виде отсутствия мощности в верхней трети диапазона оборотов двигателя. Это будет похоже на атмосферный двигатель с небольшим карбюратором, у которого закрыта воздушная заслонка.

Разделенный выхлопной коллектор

Разделенный выхлопной коллектор позволяет импульсам выхлопных газов быть сгруппированными (или отделенными) по цилиндрам на пути к турбине. Ценная идея такого технического приёма состоит в том, чтобы донести энергию каждого импульса выхлопа к турбине нетронутой с энергией других импульсов. Это может давать ротору турбины немного больший толчок, который заставит ее вращаться. Если рассматривать случай абсолютного разделения импульсов и энергии, подводящихся по выхлопным каналам от восьмицилиндрового двигателя, то ротор турбины получит большее количество энергии, чем это необходимо почти в любой ситуации. Таким образом, разделенный выхлопной коллектор не будет давать значительного улучшения на V8 с одним турбонагнетателем. Для сравнения, четырехцилиндровый двигатель, в котором один рабочий ход происходит каждые 180° вращения коленчатого вала, нуждается во всей энергии, которую он может получить от каждого выхлопного импульса. Сохранение этих импульсов изолированными и не подверженными интерференции позволит получить некоторые улучшения.

Улитка турбины с разделенным входом теоретически дает небольшое преимущество в характеристиках, обеспечивая подачу импульсов выхлопа в плотной связке к ротору турбины. Этот эффект более заметен в случае двигателей с меньшим числом цилиндров, имеющих таким образом меньшее количество импульсов за каждый оборот двигателя

Две турбины или одна?

Существуют несколько причин для ложного предоставления о целесообразности использовании двух турбин там, где могла бы работать одна. Вероятно, наиболее популярное мифическое преимущество двух турбин взамен одной связано со снижением инерционности. Это заблуждение вообще трудно оправдать. Разделение пополам энергии выхлопа, подаваемой в каждую из двух турбин пропорционально квадрату инерции и кубу расхода газов, необязательно способствует уменьшению инерционности. Несколько турбин подразумевают большее количество мощности, которая зависит от эффективности турбокомпрессора. При прочих равных условиях, выбор турбины большой более эффективен, чем малой.

Для использования двух турбин должны существовать серьезные основания. В частности, такой вариант может быть актуальным в случае V-образных или горизонтальных оппозитных двигателей. Конструкция выпускного коллектора — один из ключей к получению большой мощности, и компоновка с двумя турбонагнетателями, вообще говоря, может сделать конструкцию более совершенной. Потери тепла в окружающую среду из перекрестной трубы в V-образных двигателях может быть значительна. Помните, что это та самая теплота, которая приводит в действие турбину.

Компоновка с двумя турбонагнетателями обычно требует двух вестгейтов. Другая, не менее важная задача — синхронизация этих двух вестгейтов, может быть достигнуто намного лучшее управление скоростью турбины при низких давлениях наддува. Стабильность давления наддува при высоких расходах газов также улучшена. Если используются внешние вестгейты, в отличии от интегрированных, фактическое проходное сечение для отработанных газов может быть увеличено, установив отдельные выхлопные трубы для вестгейтов.

Большая площадь сечения выхлопа для турбины — это всегда усовершенствование системы. Выхлопные трубы от двух турбин будут фактически всегда давать большее увеличение расхода. Например, две трубы диаметром 50 мм обеспечивают существенно большее проходное сечение, чем одна труба диаметром 75 мм.

Еще одна причина превосходства двух турбин при известных условиях то, что теплота разделяется между двумя агрегатами, позволяя каждому, работать с более низким подводом тепла. Теплота, поглощенная материалом турбонагнетателя пропорциональна температуре газов и их массовому расходу. Температура останется тот же самой, но массовый расход газа будет уменьшен вдвое. Таким образом рабочую температуру турбокомпрессора можно понизить, а его предполагаемый срок службы несколько увеличить.

Полезные детали конструкции:

Корпус турбины с жидкостным охлаждением.

Корпус турбины с жидкостным охлаждением — разновидность конструкции, которая может увеличить срок эксплуатации турбокомпрессора в среднем в два раза. Наличие потока охлаждающей жидкости существенно снижает нагрев смазочных материалов при их прохождении через подшипники. Пониженные температуры предохраняют масло от превращения в то, что называют маслом марки X в рекламе Mobil 1. Твердые отложения, накапливающиеся внутри турбокомпрессора, блокирующие, в конечном счете, поток масла и убивающие турбокомпрессор, являются страшной болезнью, названной «закоксовка среднего корпуса турбины» Жидкостно охлаждаемый корпус был создан, потому что слишком многие владельцы автомобилей не удосуживались менять масло по графику, продиктованному наличием турбокомпрессора. Как ни странно, присутствие корпуса турбины с жидкостным охлаждением не предполагает серьезное увеличение интервалов замены масла.

Поворот улитки турбонагнетателя.

Возможность поворота одной улитки турбокомпрессора относительно другой является полезной особенностью конструкции. Хотя интегрированный весггейт предлагает ряд удобств при проектировании неспортивных систем турбонаддува, он обычно не позволяет улиткам турбокомпрессора поворачиваться на 360″ относительно друг друга. Ограничение поворота улиток может серьезно препятствовать свободе компоновки системы турбонаддува в моторном отсеке.

Соединения турбонагнетателя.

Фланцы кожуха турбины, которые соединяют турбокомпрессор с выпускным коллектором и выхлопной трубой — два наиболее вероятных места неисправностей в системе. Тепловые деформации, конструкция крепежа и прокладок — всё это нельзя сбрасывать со счетов. Вообще говоря, фланцы с большим количеством крепёжных элементов и более толстыми улитками перенесут нагрев с меньшим количеством проблем. Некоторые роторы турбины изготовлены из жаропрочных сплавов с повышенным содержанием никеля. Такие материалы дают заслуживающее внимание увеличению стойкости к высокой температуре и вследствие этого увеличивают долговечность улитке выхлопа.

Выход холодной улитки турбины почти всегда имеет соединение при помощи гибкого патрубка. Гибкость в этом соединении обычно необходима для компенсации возникающих тепловых деформаций турбокомпрессора. Системы с высоким уровнем наддува могут потребовать установки соединительного стержня на выходном патрубке для обеспечения прочности воздуховода, подверженного значительным растягивающим усилиям.

На входе улитки турбины также применяются соединения с использованием гибких патрубков. Их применение допускается в тех системах, где перед турбокомпрессором к воздуху не примешивается топливо. При расположении турбины после карбюратора (в системах с протяжкой воздуха через карбюратор), использования любых резиновых деталей между карбюратором и турбонагнетателем нужно избежать, поскольку топливо будет разрушающе воздействовать на резиновый патрубок. Патрубок большого диаметром позволяет использовать больший диаметр входа в турбину. Большой диаметр на входе обеспечивает низкие потери, а это жизненно необходимо для турбокомпрессора. Будьте уверены, что все патрубки и соединения достаточно жестки, чтобы избежать деформации от небольшого разрежения, созданного воздушным фильтром и расходомерами воздуха, если они имеются.

Источник