Tweet
Турбопълнене и турболенция
Импулсно турбопълнене
Една от главните цели на развитието на дизеловите двигатели с турбокомпресори, предназначени за товарни автомобили и автобуси, е да се осигури висок въртящ момент дори и при ниски обороти. Импулсното турбопълнене се е превърнало в най-усъвършенствената техника за търговски превозни средства с дизелови двигатели. (фиг1 ). Много по малките колектори, отколкото използваните при турбокомпресорите с постоянно налягане, позволяват почти пълно оползотворяване на кинетичната енергия на изгорелите газове.
фиг. 1 Схема а импулсно турбопълнене
Налягането в тръбите е постоянно за кратко време, за това единствено при многоцилиндрови двигатели е възможно да се обединят изпускателните тръбопроводи на тези цилиндри, в които буталата не се движат противоположно едно на друго по време на циклите на пълнене и изпускане. В шестцилиндровия двигател две групи от по три цилиндъра са свързани към турбината. Изгорелите газове от всяка група цилиндри захранват поотделно турбинното колело (турбината е с двоен вход). При леките автомобили се използват главно единични изпускателни колектори и турбини с един вход, а успокояването на пулсациите на изгорелите газове се осъществява чрез използването на компактна система от тръбопроводи. Под пулсации се разбира непостоянството на налягането на изгорелите газове в изпускателния колектор. То се колебае, защото тактовете на изпускане в отделните цилиндри се разминават по време и освен това са кратки. С колкото повече цилиндри е двигателя, толкова повече пулсациите се изглаждат, защото тактовете се застъпват
Турбопълнене с постоянно налягане
В турбодвигателите с постоянно налягане успокояването на пулсиращото налягане става чрез иползването на сравнително големи колектори, така че при по високи обороти на двигателя повече изгорели газове при по- ниско налягане могат да прминат прз турбината. Разходът на гориво е намален, докато двигателя е в състояние да изхвърля изгорелите газове срещу по-ниско възвратно налягане. Недостатък на този тип решение е значително по малък въртящ момент, постиган при ниски обороти. По тази причина турбопълненето с постоянно налягане се използва предимно при двигатели, работещи почти в стацинарен режим, Т.е такива за които не е нужен увеличение на въртящия момент чрез ускорение ( например големи корабни двигатели, генератори и индустриални двигатели)
Работния режим на компресора се онагледява най-вече чрез графики (фиг2).
Линия на помпаж – тази линия показва границата на критичното състояние на въздушния поток на входа на компресора. При твърде малък обем на постъпващия въздух и прекалено високо налягане потокът не успява да се задържи задълго към всмукващата страна на лопатките, в резултат на което процесът на нагнетяване се прекъсва. Въздухът в компресора започва да се връща до момента, в който налягането се стабилизира и въздушния поток повиши дебита си, след което налягането отново пада и цикълът се повтаря. Тази нестабилност на потока продължава с постоянна честота , а шумът, който се получава вследствие на този ефект, е известен като помпажиране. Линията на помпаж е изместена към по-ниски стойности на въздушен дебит чрез използването на лопатки, чиито върхове са насочени под малък ъгъл, така че използваемия диапазон на характеристиките на потока, който протича през компресора, става по-голям. Ефектът от насочването на лопатките под малък ъгъл е, че се получават дълги, леко увеличаващи се улеи на потока, които го забавят и водят до по-малко отделяне на граничния слой, от колкото при използване на лопатки с радиално насочени върхове.
Линии на еднакъв кпд – Максималния дебит на въздуха при центробежните компресори обикновено е ограничен от напречното сечение на входа им. Стигне ли потокът на входа на компресора скороста на звука, по-нататашно увеличаване на дебита е невъзможно. Напречното сечение на входа на компресора може да бъде увеличено. Това се постига чрез групиране на лопатките по 2 или повече, като съседни лопатки във всяка група са изместени една спрямо друга и са с различен наклон, при което линиите, в които кпд е еднакъв, се преместват в по-високи стойности на въздушния дебит. Когато входния диаметър се увеличи, съотношението между диаметъра на входа на компресора и диаметера на колелото (т.нар. hub ratio) също се увеличава, в резултат на което нараства максималния обем на входящия въздух. По якостни и аеродинамични причини това съотношение може да достигне стойности от 0,8. По същите причини твърде високите стойности на съотношението позволяват да се постигнат само относително ниски наляганя, каквито се изискват при леките автомобили. По- тънките и по-малко на брой лопатки увеличават свободната проходна площ на входа на колелото, така че линиите на еднакъв кпд се преместват към по високи стойности на въздушен дебит. Минималната дебелина на лопатките е ограничена от технологията на отливане и от изискванята за издражливост. При намаляване броя на лопатките постижимото налягане също е по-ниско. Компресорните колела, използвани при леките автомобили, се характеризират с високо съотношение (hub ratio) и намален брой тънки лопатки, насочени под много малък ъгъл.Наклонът на върховете на лопатките влиае върху нивото на натоварване на колелото. Изработване на канали за рециркулация в корпуса предотвратява опасността от помпаж при твърде малък въздушен дебит, при което част от индуцирания въздух напуска компресора и отново се вливав главния поток на входа на компресора. Благодарение на тази рециркулация потокът се стабилизира и линията на помпаж се премества към по-ниски стойности на дебит на въздуха. При прекалено висок дебит въздухът може да бъде доставен през същите тези канали директно до колелото в точка след зоната на ограниченото входно напречно сечение, така че линиите на еднакъв кпд се преместват към стойностите на по-висок въздушен дебит. Този начин на коригиране на коригиране на характеристиките се използва най-вече при дизелови двигатели за товарни автомобили, за които се изискват и високи наляганя, и разтегнати криви.
Якост – Скороста на въртене на компресорното колело е ограничена от натоварването, на което са подложени материалите. Максималната допустима скорост се ограничава от допустимата скорост за лопатките, чиито върхове са по външния диаметър на колелото. Обикновенно допустими са линейни скорости на върховете на лопатките от около 520 м/с. При по високи скорости ресурсът намалява, освен ако не бъдат взети мерки за намаляване на натоварването.
Сечение на изхода - върху масата и капацитета на потока в турбината влияят площа на преходното сечение на потока в “охлюва” и площа на входа на колелото. Върху преходното сечение, а оттам и върху нарастването на налягането може да се влияе чрез обработването на отлетия контур на турбинното колело. Увеличаването на контура води до по-голямо напречно сечение на потока в турбината. За една и съща серия турбокомпресори производителите предлагат турбинни колела, направени от една отливка, с еднакъв диаметър, но с различни контури.
Съгласуване с геометрията на компресора - за да се постигне висок общ КПД на турбокомпресора , от първостепенно значение е да се съгласуват диаметрите на компресорното и на турбинното колело. Диаметърът на турбината трябва да бъде такъв , че нейният КПД да е максимален в този работен диапазон.
Материали
Турбинно колело - тъй като турбината е подложена на действието на много високи температури по време на работа, а и след като двигателят спре, колелото и спиралният корпус на турбината са направени от материали, които осигуряват достатъчна устойчивост при високи температури. Повечето турбинни колела са изработени от никелови сплави като Inconel 713 и GMR235. Основните съставки на тези сплави са никел и хром. Докато GMR235 е устойчив на температури на изгорелите газове до около 850۫ C на входа на турбината , Inconel 713 /73% никел, 13 % хром/ издържа на температури до около 1000۫
Корпус - изборът на материал за „охлюва” на турбината също зависи от температурата. Днес сферографитният чугун с висока якост GGG40 (до 680۫C) обикновено се използва рядко. При повечето турбини за дизелови двигатели се използва силициево-молибденов чугун GGGSiMo51 (до 760۫C) или GGV SiMo 4.5 0.6 (до 850۫C). Високолегираният с никел и хром чугун GGGNiCrSi 20 2 2 (Niresist D2) се прилага рядко за температури над 850۫C. GGGNiCrSi 35 5 2 (Niresist D5) се използва при повечето турбокомпресори за бензинови двигатели с температури до 970۫C. За най високите температури до 1050۫C, каквито се достигат в концептуалните бензинови двигатели, се използва термоустойчива нелегирана аустенитна стомана.
Керамични турбинни колела
В сравнение с металните турбинни колела керамичните са много по-леки, което води до по-добро съгласуване на характеристиките на турбокомпресора.Съвременните керамични материали правят възможно серийното производство на едно подобно турбинно колело.Все пак те са много крехки и лесно могат да бъдат унищожени при съприкосновение с чуждо тяло. Освен това дебелината на такива лопатки е по-голяма и поради това ефективността им е по-ниска, така че те се използват по-рядко при автомобилите.
Титаниевият алуминид на фиг. 4 има ниска специфична плътност подобно на керамиката.Този материал е значително по-неподатлив на счупване, а лопатките, изработени от него, са тънки колкото металните. Недостатък е ниската му температурна устойчивост – максимум 700۫С.
фиг.4 Титаниево компресорно колело
Спирален корпус на турбината с водно охлаждане
При конструиране на турбокомпресора също така трябва да бъдат взети под внимание и мерките за сигурност. В двигателните помещения на корабите например горещите повърхности се избягват поради опасността от пожар. По тази причина в корабните двигатели се използват турбини, при които спиралният корпус е с водно охлаждане или е покрит с изолационен материал както е показано на фиг 5.
Турбината рядко е подложена на постоянно налягане от изгорелите газове. При импулсните турбокомпресори за дизелови двигатели турбините с два входа позволяват изглаждане на пулсациите на изгорелите газове, тъй като по бързо се повишава налягането в турбината. По този начин чрез увеличаване на свръхналягането нараства кпд и се подобряват всички важни интервали от време, а през турбината по-ефективно преминава по-голяма маса въздух. В резултат на това оптимизиране енергията на изгорелите газове се използва максимално, характеристиките на налягането в двигателя се подобряват, а оттам и въртящият момент, особено при ниски обороти на двигателя.
Два потока на изгорелите газове
Често при 6-цилиндровите двигатели към един тръбопровод, отвеждащ изгорелите газове, се свързват по три цилиндъра. Това се прави, за да се предпазят цилиндрите, движещи се противоположно един от друг по време на работните цикли. Така газовият поток се доставя в турбината поотделно, през два входа фиг. 6 .
При двигателите за леки коли обикновено се използват единични тръбопроводи и спирални корпуси с един вход. Така изпускателният тръбопровод е по-компактен, а турбокомпресорът е по-близо до цилиндровата глава. Когато тръбите са с малко сечение и са свързани близо до входа на турбината, предимствата на пулсиращото налягане се запазват.
Понякога турбините с два входа се използват в бензиновите двигатели за леки автомобили. Предимство в този случай са благоприятните характеристики на въртящя момент при ниско налягане на газовете, изхвърляни от двигателя; недостатъци са високото термично натоварване на разделящата преграда и оскъпеното производство на малки спирални корпуси с вграден байпас, особено когато поради високите температури се налага материалът да е лята стомана.
Съгласуване на режимите на работа
Съгласуването на характеристиките на турбокомпресора е от първостепенно значение при двигателите за леки автомобили. Забавената реакция при натискане на педала на газта често пъти значително влошава възприятията при шофиране.
В последните години този ефект беше компенсиран чрез използването на по-малки компресори. Техните ротори са значително по-пъргави, защото на по-малкия диаметър на колелата отговарят и значително по-малки инерционни моменти.
Друг начин да се намали инерционният момент на турбинното колело е изрязването на гърба на колелото между лопатките.
Значително подобряване на динамичните характеристики може да се постигне с използването на турбини с променлива геометрия.
Вградена система за обмен на въздух
Оптимални параметри на потока и минимални топлинни загуби се осигуряват чрез вградената въздухообменна система, при която изпускателният тръбопровод и спиралният корпус на турбината са отлети заедно, в резултат на което се подобрява съгласуването на характеристиките. Допълнителни аргументи са намаленото с до 1 кг. тегло и освободеното пространство между двигателя и пътническия отсек, което често пъти е необходимо от съображения за сигурност.
Клапан за рециркулация
При турбокомпресорните бензинови двигатели се използва дроселиращ клапан, който регулира натоварването на двигателя и е разположен във въздушния колектор след турбокомпресора. В случай на внезапно изгасване, дроселиращият клапан се затваря и благодарение на инерцията компресорът доставя въздух срещу вече затворения обем. Вследствие на това компресорът започва да помпажира, а скоростта на турбокомпресора намалява много бързо. За да се избегне това, един натегнат от пружина дроселиращ клапан се отваря и доставя въздуха обратно на входа на компресора, като по този начин се намалява налягането и се избягва помпажът. Скоростта на турбокомпресора остава висока и свръхналягането е на разположение веднага щом бъде натиснат педалът на газта.
Управляваща система
Експлоатационните качества на турбокомпресорните двигатели за леки автомобили трябва да отговарят на същите високи изисквания както атмосферните двигатели с идентична мощност, което означава, че максималното налягане трябва да е на разположение при ниски обороти на двигателя. Това може да се постигне единствено чрез система, контролираща налягането в турбината.
Управление чрез байпас
Турбинният байпас е най-опростеният начин за контрол на налягането.Размерът на турбината се избира така, че изискванията към въртящия момент при ниски обороти на двигателя да бъдат спазени, като в същото време се осигурят и добри експлоатационни качества на автомобила. При тази конструкция в турбината се доставя по-голямо от нужното количество изгорели газове малко преди да се достигне максималният въртящ момент. Затова част от потока изгорели газове се пропуска встрани от турбината чрез байпас веднага след като бъде реализирано необходимото свръхналягане. Преливният клапан фиг 7а , който управлява байпаса, обикновено се задвижва с помощта на зависима от налягането диафрагмена пружина. При обороти на двигателя над специфичните налягането остава на същото равнище.
фиг.7 Турбокомпресор с преливен клапан 7а и централен корпус с водно охлаждане 7б
Управление със саморегулиране на налягането
При това много ефикасно решение една подвижна диафрагма, натегната от вита пружина, е подложена на увеличеното налягане. Когато то преодолее натиска на пружината, байпасният клапан се отваря с помощта на лостов механизъм, потокът изгорели газове преминава покрай турбината и отива директно в изпускателната система.
Електронно управление на налягането
Днес електронните системи за контрол на свръхналягането намират все по-широко приложение в съвременните автомобили. Сравнени с изцяло пневматичните системи фиг 8 за управление, които позволяват единствено пълното ограничаване на налягането, тези системи осигуряват оптималното му частично регулиране благодарение на по-гъвкавия си контрол. Този контрол се осъществява при отчитането на различни параметри като температура на въздуха, ъгъл на предварението и качество на горивото. При тях е възможно и временно нарастване на налягането по време на ускорение.
Подвижната диафрагма е подложена на променливо управляващо налягане, което е по-ниско от пълното и се създава чрез пропорционален клапан. По този начин се осигурява зависимост на диафрагмата от свръхналягането и от налягането на входа на компресора в различни пропорции. Пропорционалният клапан се управлява от електрониката на двигателя и работи с честота от 10 до 15 Hz. В сравнение с конвенционалните управляващи системи натискът на пружината е значително по-малък и това позволява да се осъществи контрол дори при частично натоварване на двигателя, т.е. при много по-ниски налягания. За електрониката, управляваща свръхналягането при дизеловите двигатели, се използват вакуумни регулатори.
Регулиране на напречното сечение на потока чрез подвижни направляващи лопатки – VTG ( Variable Turbine Geometry)
Системите за управление на налягането регулират мощността на турбината чрез пропускане на изгорелите газове покрай турбината.Променливата геометрия на турбината позволява напречното сечение на входа да се изменя в зависимост от режима на двигателя, като по този начин се използва пълната енергия на изгорелите газове. В резултат на това кпд на турбокомпресора, а оттам и кпд на двигателя се повишават повече, отколкото при управлението чрез байпас.
В наши дни турбините с променлива геометрия с подвижни направляващи лопатки са най-съвършената техника за модерните дизелови двигатели за леки автомобили. Разходът на гориво и нивото на вредни емисии са намалени благодарение на възможността за промяна на входното напречно сечение на турбината в зависимост от режима на двигателя. Високият въртящ момент на двигателя при ниски обороти и подходящата програма за управление осигуряват значително подобрение на динамичните характеристики.
Подвижните направляващи лопатки, разположени между корпуса и турбинното колело фиг 9, влияят върху стойностите на налягането, а по този начин и върху мощността на турбината. Това позволява да се регулира нивото на постъпващия въздушен поток в съотношение 1:3 при задоволителни стойности на кпд. При ниски обороти на двигателя напречното сечение се намалява чрез затваряне на направляващите лопатки. Свръхналягането, а оттам и въртящият момент на двигателя нарастват в резултат на по-големия спад на налягането между входа и изхода на турбината. При високи обороти на двигателя направляващите лопатки постепенно се отварят. Изискваното свръхналягане се достига при ниски нива на налягането в турбината и разходът на гориво пада.По време на ускоряване на автомобила от ниски обороти направляващите лопатки се затварят с цел да се повиши максимално енергията на изгорелите газове. С увеличаване на скоростта лопатките се отварят и се адаптират към съответните
работни режими.
В наши дни управлението на направляващите лопатки обикновено е електронно чрез вакум-регулатор фиг 10 и пропорционален клапан. Последните нняколко години започна по широкото използване на електрони регулатори фиг 11.с обратна връзка, които ще позволяват точно и максимално гъвкаво управление на налягането.
Температурата на изгорелите газове в мощните, модерни дизелови двигатели е около 830۫С. Прецизното и надеждно задвижване на направляващите лопатки в горещия поток изгорели газове налага високи изисквания към материалите и към допуските в турбината. Независимо от размера на турбокомпресора направляващите лопатки трябва да са с минимален луфт, за да осигурят надеждна работа по време на целия експлоатационен цикъл на автомобила. Когато размерът на турбокомпресора стане по-малък, тогава загубите на потока в турбината се увеличават, а кпд намалява. Поради това целта на много разработки е да се преместят границите на приложение на VTG колкото е възможно по-близко към турбокомпресори с малки размери.
фиг.10.Вакум регулатор конролиращ фиг 11. Електронен регулатор Siemens/VDO
променливата геометрия
Регулиране на сечението на потока чрез подвижен плъзгащ се пръстен
Турбината с подвижен плъзгащ се пръстен е алтернативно на VTG решение. Простата конструкция на VST и съчетаването на много функции в малко елементи е от особена важност при малки турбини или когато се изискват високи температури. По конкретно то се прилага при малки дизелови двигатели с работен обем под 1,4 л. Предимствата му са висок кпд, ниски разходи и малки размери. VST е надежден вариант за управление на налягането в турбината при малки бензинови двигатели с висока температура на изгорелите газове. Солидният му механизъм е с много по-голяма термоустойчивост от този на VTG с направляващи лопатки. В управляващия механизъм е интегриран байпас, който се изисква дори при бензиновите двигатели с VST поради голямото количество преминаваща въздушна маса.
Корпусът на турбината е подобен на този на турбината с двоен вход.Разделителната стена започва в корпуса и завършва, преди да достигне ръба на входа. При ниски обороти е отворен само единия улей. Вторият улей, който е затворен от плъзгащия се пръстен, постепенно се отваря при увеличаване на оборотите. След това пръстенът отваря и байпасния канал, който започва от входа на турбината, минава покрай външния контур на пръстена и завършва на изхода на турбината. В резултат на това възможностите на турбината по отношение на количеството преминаваща въздушна маса допълнително се увеличават. Управлението на напречното сечение и отварянето на байпасния клапан изискват само един задвижващ механизъм. За целта могат да бъдат използвани както пневматични, така и електрически задвижващи механизми.
Лагеруване
Дълъг живот при най-високи натоварвания
Турбокомпресорният възел вал-турбина се върти със скорост до 300 000 об/мин. Животът на турбокомпресора трябва да отговаря на този на двигателя, който е около
1 000 000 км при товарните автомобили и автобусите. Единствено плъзгащите лагери са в състояние да отговорят на тези високи изисквания при разумна цена.
Лагеруване с радиални лагери
С помощта на плъзгащ лагер валът се върти без триене в лагерната втулка върху маслен филм. При турбокомпресора маслото се доставя от мазилната уредба на двигателя. Медните плаващи втулки се въртят с наполовина по-малка скорост от тази на вала и са разположени между неподвижния централен корпус и въртящия се вал. Това гарантира липсата на метален контакт между вала и лагерите при какъвто и да е работен режим.
Освен мазилни свойства масленият филм в лагерната хлабина служи и за поглъщане на вибрациите, като по този начин допринася за стабилността на възела вал-турбинно колело. Хидродинамичната товароносимост на лагера и характеристиките му на гасене на вибрациите са оптимизирани чрез хлабини. Дебелината на мажещия слой във вътрешната хлабина е избрана в съответствие с издръжливостта на лагера, докато външната хлабина е констуирана така, че лагерът да служи и като амортисьор. Лагерните хлабини са от порядъка на само няколко стотни от милиметъра. По-големите хлабини се отразяват в по-меко гасене на вибрациите и по-ниска товароносимост.
Лагеруването с един елемент е специална разновидност на системата с плъзгащи лагери. Валът се върти в неподвижна втулка, на която се доставя масло от външна страна. Външната лагерна хлабина може да бъде специално подбрана за успокояване на вибрациите. В този случай по-малката ширина на лагера позволява по-компактна конструкция на турбокомпресора.
Лагеруване с аксиални лагери
Нито изцяло плаващите лагерни втулки, нито единичната застопорена плаваща лагерна втулка осигуряват вала и турбинното колело в осово направление. Когато изгорелите газове действат на компресорното и турбинното колело в аксиално направление, възелът вал-турбинно колело се премества осово.Аксиалният лагер абсорбира тези премествания. Той е застопорен към централния корпус, а два малки диска му служат за контактни повърхности. Една маслоотражателна пластинка предпазва уплътнената част на вала от навлизане на масло.
Мазане
Маслото навлиза в турбокомпресора под налягане от около 4 бара. Когато то се оттича под ниско налягане, диаметърът на отточния маслопровод трябва да бъде много по-голям от този на входния. Протичането на маслото през лагера трябва да бъде, доколкото е възможно, вертикално отгоре надолу. Отточният маслопровод трябва да се връща в картера над нивото на маслото. Всяко негово запушване влияе на възвратното налягане в системата на лагеруване. В такъв случай маслото преминава през уплътнителните пръстени към компресора и турбината.
Уплътняване
Централният корпус на турбината трябва да бъде защитен от горещите изгорели газове в турбината и от загуба на масло. Поради тази причина и от двете страни на вала са монтирани уплътняващи пръстени. Те не се въртят, а са здраво закрепени към централния корпус. Този безконтактен метод на уплътняване, който е форма на лабиринтното уплътнение, затруднява протичането на масло благодарение на многократното обръщане на посоката на маслото. По този начин се осигурява и изтичането само на малки количества изгорели газове към картера.
Термично натоварване на лагерите
Близостта между централния корпус и горещия корпус на турбината е причината да се създадат условия, при които е възможно маслото да се нагрее до такава степен, че да се превърне в кокс. Тогава овъгленото масло може да попадне в лагерните втулки, да задръсти маслопроводите и да влезе в контакт с уплътненията. Голямото количество овъглено масло може да доведе до недостатъчно мазане и до гранично триене, което се отразява в повишено износване на лагерите.
Топлинен щит и маслено охлаждане
Централният корпус е предпазен от горещите изгорели газове с помощта на топлинен щит, разположен зад турбинното колело. При някои конструкции маслото се впръсква към вала през отвори в лагерната опора на лагера откъм турбината. По този начин валът се охлажда и рискът от овъгляване се намалява.
Най- високите температури в централния корпус възникват малко след като двигателя бъде изгасен. Тогава горещият корпус на турбината нагрява лагерите, които вече не се охлаждат от двигателното масло.
От прптотипно до серийно производство.....................
Развитие, оразмеряване и тестване
Развитие
Развитието на турбокомпресорите винаги следва пазарните изисквания и по този начин повишава техническите стандарти на двигателя с вътрешно горене. Все пак то съвсем не е съвършено. В резултат на продължаващите разработки на турбокомпресори в бъдеще може да се очаква по-нататъшното усъвършенстване на работните характеристики на двигателя, що се отнася до мощността, разхода на гориво и нивото на вредни емисии.
Тъй като турбокомпресорите трябва да отговарят на различни изисквания относно работния диапазон на графиката, характеристиките на кпд, инерционния момент на ротора и работните режими, новите типове компресори и турбини продължават да бъдат развивани за приложение при различни двигатели. Освен това различните регионални изисквания към нивото на вредните емисии водят до различни технически решения.
Компютърно конструиране и оптимизация
Най-голямо влияние върху работните характеристики на турбокомпресорите имат компресорните и турбинните колела. Те са конструирани с помощта на компютърни програми, които позволяват тримерно пресмятане на потоците на въздуха и изгорелите газове. Якостта на колелата е едновременно оптимизирана с помощта на метода на крайните елементи (FEM- finite-element method), а ресурсът им е пресметнат след тестове в условия близки до реалните. Полученото решение е представено чрез CAD-програми. На базата на CAD-данните се произвеждат първите прототипи с помощта на цифрови 5-осови фрези.
Фина настройка на тестов стенд
Независимо от напредналите съвременни компютърни технологии и точно пресмятащи програми, окончателните решения за новите аеродинамични елементи се вземат след тестване. По тази причина фината настройка и проверката на резултатите се осъществяват, след като турбокомпресорът издържи теста. Впоследствие новите елементи се внедряват в серийното производство.
Оразмеряване
Основните елементи на турбокомпресора са турбината и компресорът. Те се произвеждат с различни размери и сходни характеристики, като се използват законите на моделирането. По този начин чрез увеличаване и намаляване работният диапазон на турбокомпресора се установява така, че да се постигне оптимален размер, подходящ за различни двигатели. Свободата да се борави с различните размери обаче е ограничена от невъзможността всички характеристики да бъдат мащабирани размерно. Освен това изискванията се променят в съответствие с различните работни размери на двигателите и невинаги е възможно да се използва същото колело или геометрия.
Индивидуални турбокомпресори на модулен принцип
Принципът на подобието и модулното конструиране все пак позволяват разработката на турбокомпресори, които могат да бъдат индивидуално пригодени към всеки един двигател. Това напасване започва с избирането на подходящ компресор на базата на изискванията към кривата на свръхналягането. Според теорията кривата на пълно натоварване трябва да бъде такава, че кпд на компресора да е максимален в основния работен диапазон на двигателя, а разстоянието до линията на помпажа – достатъчно голямо. Термодинамичното оразмеряване на турбокомпресора се осъществява при отчитането на енергийния баланс и на масата на потока, която представлява сбор от масите на въздуха, доставян от компресора, и на горивото, подавано към двигателя.
Състояние на свободно колело
При устойчиво състояние на работа мощностите на турбината и компресора са идентични.Оразмеряването, направено на базата на якостните разчети, се подлага на повторни изчисления, като този път за отправна точка се използват характеристиките на компресора и турбината, както и най-важните параметри на двигателя.
Размерите могат да бъдат пресметнати много точно, когато се използват компютърни програми, симулиращи работата на двигателя и турбокомпресора. Тези програми включват масата, енергията и уравновесяването на съставните елементи на всички цилиндри и системата от въздухопроводи. Турбокомпресорът участва в пресмятането в графичен вид. Освен това подобни програми разполагат с определен брой емпирични уравнения за описване на взаимодействията, които е трудно да бъдат изобразени по аналитичен път. Компютърните симулации за пресмятане на сложни системи за въздухообмен с няколко турбокомпресора и допълнителни управляващи въздуха елементи са особено интересни. Тези симулации могат да се разглеждат като допълнение към тестването и сами по себе си са базирани на определен брой предположения.
В повечето случаи простото пресмятане на компресори и турбини за автомобилни двигатели осигурява задоволителна точност. Поради това, че компресорът е конструиран на модулен принцип, по време на теста на двигателя препоръчваното свръхналягане може да се достигне много по-бързо чрез индивидуалното променяне на компоненти на турбокомпресора, каквито са турбинният или компресорният корпус.
Съгласуване с двигателя
При конструиране на монтажните връзки с двигателя освен термодинамичните фактори е необходимо да се вземат под внимание и ограничените възможности за инсталиране в мястото, предвидено за двигателя.След избора на компресор и турбина и завършването на чертежа за инсталиране, клиентът може да вгради турбокомпресора в схемата на двигателя и автомобила с помощта на пакета от CAD данни.
Тестване
Турбокомпресорът може да работи също толкова надеждно и дълго, колкото и двигателят. Клиентът очаква това от производителя на автомобила, а производителят разчита за това на своя доставчик. Преди турбокомпресорът да бъде допуснат до серийно производство, той трябва да издържи серия тестове.
Комплексна тестова програма
Тестовата програма включва тестове на индивидуални компресорни компоненти, тестване върху турбокомпресорен тестов стенд и тест на двигателя. Някои от тестовете в тази програма са описани с подробности по-долу.
Защитен тест
Ако компресорното или турбинното колело се разрушат, счупените части от колелото не трябва да проникнат в компресорния или турбинния корпус. За да се постигне това, възелът вал – турбинно колело се ускорява до скорост, при която съответното колело се разрушава. След разрушаването се оценява степента на защита на корпуса. Скоростта при която се достига до разрушаване, обикновено е с 50% по-висока от максимално допустимата скорост.
Тест на умора lcf – low-cycle fatigue – малоциклов тест на умора
Този тест проверява при какво натоварване на турбинните и компресорните колела се разрушават материалите от които са изработени. Той се прилага, за да се определят границите на натоварване на материалите на колелата. Компресорното или турбинното колело бива монтирано върху високооборотен изпитателен стенд, задвижван от електродвигател, и циклично, по определена зависимост, се ускорява и забавя. На база на резултатите при отчетения брой цикли и на кривата на Вьолер /крива, която показва зависимостта между уморната якост и броя цикли на натоварване/ може да бъде пресметнат очакваният живот при всеки един цикъл на натоварване.
Тестване на преливния клапан
По време на този тест се тестват допустимите натоварвания на металните компоненти и на диафрагмата, като на газов стенд се симулира реално натоварване в направление както по посоката на газовете, така и перпендикулярно на нея. Компонентите трябва да издържат 1,5 млн. цикли на натоварване, без да се разрушат. Това е приблизително двойно повече от онова, което компресорът трябва да издържи в реални условия на експлоатация.
Динамично оразмеряване на ротора
Въртеливото движение на ротора се влияе от пулсиращите сили на газовете в турбината. Механичните трептения на двигателя и отсъствието на идеален баланс на въртящите части стимулират вибрации на ротора. В лагерните хлабини могат да настъпят големи амплитуди, които да доведат до нестабилост особено при твърде ниско налягане или при твърде висока температура на маслото. В най-лошия случай това ще стане причина за метален контакт и прекомерно механично износване.
Движението на ротора се измерва и записва по метода на вихровите токове, с безконтактни датчици, разположени в сечението на входа на компресора. Във всички състояния и във всички работни точки амплитудите на ротора не трябва да надхвърлят 80% от максимално допустимата стойност. Движението на ротора не трябва да показва каквато и да е нестабилност.
Измерване на вибрациите на лопатките на турбината
Този метод позволява измерване на динамичните натоварвания на лопатките на турбината по време на работа на двигателя при най-високи температури. За измерване на натоварването като датчици се използват уреди, устойчиви на високи температури, които са монтирани върху лопатките на турбината в точктите на най-голямо натоварване. Получените сигнали се предават към измервателната апаратура с помощта на телеметрична система, която се върти заедно с турбокомпресора. При специфични скорости на въртене в лопатките могат да възникнат вибрации, които да застрашат сигурната работа на турбокомпресора и да преминат в резонансни явления.
Рискът от прекомерно динамично натоварване на лопатките на турбината се премахва, като вибрационнните характеристики на всички образци се проверяват и след това се оптимизират.
Тестване на уплътнителния пръстен
По време на работа маслото не трябва да навлиза в компресора или в турбината. По тази причина турбокомпресорът се тества заедно с двигателя върху тестов двигателен стенд при всички възможни стойности на натоварване и скорост.
За да се тества уплътнителният пръстен, който е към страната на компресора, на входа на компресора постепенно се създава подналягане с помощта на замърсен въздушен филтър. Не се допуска никакво проникване на масло в компресора, независимо какъв е работният режим.
За да се тества уплътнителния пръстен от страната на турбината, в картера на двигателя чрез блокиране на въздушната система на двигателя постепенно се създава налягане. И тук изискването е при каквито и да е обстоятелства да не се наблюдава изтичане на масло.
Тестване при пускане и спиране
Разликата в температурата на газовете от горещата страна на турбината и тези на входа на студения компресор може да достигне до 1000۫С на разстояние от само няколко сантиметра . Когато двигателят работи, маслото преминава през лагерите по такъв начин, че охлажда централния корпус, така че различните компоненти да не достигат критични температури.След като двигателят бъде изгасен, особено след високи натоварвания, в централният корпус може да се акумулира топлина, която да превърне маслото в кокс. Следователно от жизненоважно значение е да се определят максималните температури на компонентите в критичните състояния, така че да се избегне образуването на овъглено масло в областта на лагерите от страната на турбината и при уплътнителния пръстен.
Натрупаната в турбокомпресора топлина се измерва, когато двигателят бъде изгасен, след като е работил при пълно натоварване.След определен брой цикли елементите на турбокомпресора се преглеждат.Тестът е преминал успешно само ако максимално допустимите температури на компонентите не са били прехвърлени и се прецени, че количеството овъглено масло около лагерите е достатъчно малко.
Тестване на цикличната издръжливост
Цикличният тест включва проверката на всички компоненти и определянето на нивата на износването им.При този тест турбокомпресорът и двигателят работят неколкостотин часа при различни натоварвания. Нивата на износването се определят преди и след теста чрез прецизни измервания на съставните елементи.
Производство на турбокомпресора
Точност на размерите, съосност и качество на повърхнините
Функционирането и работните режими на турбокомпресорите изискват при производството да се спазват изключително малки допуски. Особено строги са изискванията към размерите и съосността на елементите, както и към качеството на повърхнините. Тъй като възелът „вал-турбинно колело” се върти с много висока скорост в корпуса, отклонения дори от само няколко хилядни от милиметъра могат да причинят разрушаване на лагерите и повреждане на турбокомпресора.
През последните 30 години процесът на производство на турбокомпресори непрекъснато се оптимизира.
Производсво на възел „вал-турбинно колело”
Отливане на турбинното колело
Турбинните колела са направени от устойчиви на висока температура никелови сплави, които са стопени и отлети във вакум. Керамичните форми на матриците се изработват с помощта на разтопен восък. За тази цел се правят точни восъчни копия, съответстветстващи на определени турбинни колела. Тези восъчни копия се групират в „гроздове” които се потапят неколкократно в керамичен разтвор, след което повърхностите им се почистват с песъкоструен апарат. По такъв начин около тях се изгражда огнеупорна керамична черупка дебела 6-10 мм. След като се изсуши и втвърди, тази черупка се подлага на нагряване, при което восъкът в нея се разтапя и излива.Докато кухите черупки още са горещи, в тях се налива стопеният метал.Следва охлаждане, сваляне на черупките и обработване на отливките.
Фрикционно заваряване
Турбинното колело се закрепва към вала чрез фрикционно заваряване. За да стане това, валът и маховикът се завъртат до над 1000 об/мин. След това въртенето на маховика се преустановява, а въртящият се вал се притиска към турбинното колело. Температурата в зоната на контакта между двете части става толкова висока, че металът се разтопява и те се заваряват една към друга.
Отнемане на напреженията
Фрикционно заваряване е съпроводено с възникване на напрежения, които са недопустими за възела. За тяхното снемане турбинният ротор през нарочна термообработка, която по същество е втора.
Престъргване на вала
Валът придобива окончателните си размери след престъргване. През тази част от производствения процес се налага да се спазват особено високи изисквания към точността на размерите и на формата. Диапазонът на допустимите отклонения е в рамките на само няколко хилядни от милиметъра. Освен това се шлифова контурът на турбинното колело и се изрязва каналът за уплътнителния пръстен, който впоследствие допълнително се валцува.
Балансиране на ротора
Изработеният по такъв начин турбинен ротор се уравновесява на специални балансиращи машини фиг 12 . Тази операция е изключително отговорна за ради свръхвисоките обороти, при които работи роторът – до около 300 000 об/мин. при леките автомобили.
фиг. 12 Балансира
Производство на компресорното колело
Производството на компресорното колело започва с еталонния образец, който е направен на 5-осова фреза с помощта на CAD-данните за конструкцията. Този еталонен образец се създава на базата на модел с действителни размери, куха метална черупка и смес от изкуствени смоли. Еталонният образец служи за направата на работещи гумени мостри чрез друг междинен процес на обработка. Гумените мостри се монтират върху еталонна плоскост и се затварят в кутия за отливане, в която след това се излива гипс. Когато гипсът изсъхне, гумените мостри се изваждат чрез завъртане. Гипсовата отливка се прикрепя добре между плоскостите на агрегата за отливане и се запълва с течен алуминий под налягане. След като металът се охлади, гипсът се сваля, а компресорното колело се подлага на термообработка.
Механична обработка на частите
Механичната обработка на компресорното колело започва със стругуване на външния диаметър и на задната страна, последвано от пробиване на централния отвор. Съосността между компресорното колело и пробития отвор се осигурява с помощта на специално закрепване. Впоследствие контурите на компресорното колело се стругуват, а повърхността на централния отвор се шлифова. Компресорното колело се балансира по същия начин както турбинният ротор.
Производство на турбинния корпус
Механичната обработка на отливките се осъществява с помощта на CNC-машина фиг 13 и представлява многоетапен процес. Първо се фрезуват повърхностите на отвора за изгорелите газове и на преливния отвор, след това се стругува контурът, а най-накрая се фрезува и шлифова отворът за входящите газове.Процесът завършва с монтиране на турбинния корпус и заваряване на запушващите елементи.
фиг. 13 CNC-машина
Производство на компресорния корпус
При масово производство компресорният корпус обикновено се изработва алуминиева сплав, отлята под налягане в пресформи. При по-малки серии се практикува гравитационно леене в пясъчни форми или в кокили, тъй като разходите за изработка на пресформи са твърде големи. Компресорните корпуси, отлети в матрици, не изискват много довършителни обработки благодарение на високата точност на размерите си и на доброто качество на повърхнините си. Стругуването на кунтура от вътрешната страна на корпуса и обработката на местата за уплътняване се поверяват на струг с програмно управление.Нарезите се правят с помощта на многошпинделни машини.
Обработка на централния корпус
Обработката на централния корпус е подобна на тазина турбинния корпус и се прави в модерни производствени цехове. Започва се със стругуване на централния отвор и на фланците за сглобяване, които се намират в краищата на компресора и турбината, като то се прави с помощта на многошпинделни машини с програмно управление. Следва фрезуване чрез CNC-фрези на отворите, през които постъпва и се оттича маслото, както и на входящите и изходящите отвори за водата. После се извършват довършителните обработки на останалите отвори и нарези. Едва след това централният корпус се комплектува със свързващи фланци и се тества на плътност.
Монтаж
Монтажът може да бъде разделен на две части:монтаж на вътрешните елементи и монтаж на корпуса.След като завърши монтажът на вътрешните елементи, роторът заедно с въртящите се детайли отново се балансира при високи обороти.
Вътрешният монтаж включва монтирането на лагерите, на роторния възел, на компресорното колело и на задния капак на компресора.По време на сглобяването лагерните елементи се монтират в централния корпус, а валът и турбинното колело в комплект с подходящите уплътнителни пръстени се поставят в лагерите. След това се монтират осовите лагери и се прикрепя задният капак. Компресорното колело се поставя върху свободния край на вала и се фиксира с гайка.
Монтажът на вътрешните детайли се осъщесвява на индивидуални работни места или в монтажни клетки, като и в двата случая основната цел е постигането на минимален брой дефекти. Днес масовото производство на турбокомпресори е довело до все по голяма автоматизация на монтажа.
Съществуват различни процедури за проверка на качеството на окончателното сглобяване на вътрешните детайли.Роторът се балансира в съответствие с изискванията, поставени за определения му работен диапазон. Тогава вътрешните възли се сглобяват с турбината, с компресорния корпус и с другите елементи, така че да се получи завършен турбокомпресор. Последната операция е поставянето на контролните елементи, т.е на преливния клапан и на механизма, който променя геометрията на турбината.
Наличните устройства за сглобяване позволяват турбокомпресорите да бъдат напълно сглобени, изпитани и балансирани.Следва опаковане в специални кутии, които са различни за различни клиенти и доставка „точно навреме”.
Импулсно турбопълнене
Една от главните цели на развитието на дизеловите двигатели с турбокомпресори, предназначени за товарни автомобили и автобуси, е да се осигури висок въртящ момент дори и при ниски обороти. Импулсното турбопълнене се е превърнало в най-усъвършенствената техника за търговски превозни средства с дизелови двигатели. (фиг1 ). Много по малките колектори, отколкото използваните при турбокомпресорите с постоянно налягане, позволяват почти пълно оползотворяване на кинетичната енергия на изгорелите газове.
фиг. 1 Схема а импулсно турбопълнене
Налягането в тръбите е постоянно за кратко време, за това единствено при многоцилиндрови двигатели е възможно да се обединят изпускателните тръбопроводи на тези цилиндри, в които буталата не се движат противоположно едно на друго по време на циклите на пълнене и изпускане. В шестцилиндровия двигател две групи от по три цилиндъра са свързани към турбината. Изгорелите газове от всяка група цилиндри захранват поотделно турбинното колело (турбината е с двоен вход). При леките автомобили се използват главно единични изпускателни колектори и турбини с един вход, а успокояването на пулсациите на изгорелите газове се осъществява чрез използването на компактна система от тръбопроводи. Под пулсации се разбира непостоянството на налягането на изгорелите газове в изпускателния колектор. То се колебае, защото тактовете на изпускане в отделните цилиндри се разминават по време и освен това са кратки. С колкото повече цилиндри е двигателя, толкова повече пулсациите се изглаждат, защото тактовете се застъпват
Турбопълнене с постоянно налягане
В турбодвигателите с постоянно налягане успокояването на пулсиращото налягане става чрез иползването на сравнително големи колектори, така че при по високи обороти на двигателя повече изгорели газове при по- ниско налягане могат да прминат прз турбината. Разходът на гориво е намален, докато двигателя е в състояние да изхвърля изгорелите газове срещу по-ниско възвратно налягане. Недостатък на този тип решение е значително по малък въртящ момент, постиган при ниски обороти. По тази причина турбопълненето с постоянно налягане се използва предимно при двигатели, работещи почти в стацинарен режим, Т.е такива за които не е нужен увеличение на въртящия момент чрез ускорение ( например големи корабни двигатели, генератори и индустриални двигатели)
Работния режим на компресора се онагледява най-вече чрез графики (фиг2).
- фиг.2 Характеристика на компресор за лек автомобил
- Конструкция и начин на действие и работни характеристики на турбокомпресора
- Конструкция, начин на действие
- Турбокомпресорната турбина, която се състои от турбинно колело и корпус, преобразува енергията на изгорелите газове в механична енергия, задвижваща компресора. Преминаването на газове е ограничено от входното сечение на турбината и между входа и изхода температурата и налягането спадат. Турбинното колело преобразува пада на налягането в кинетична енергия, задвижваща ротора, следователно и компресорното колело.
- Съществуват два основни типа турбини: осови и радиални. При осовия тип потокът в колелото се движи само в осово направление. При радиалните турбини потокът е центростремителен, т.е. навлиза в радиално, но вътре променя посоката си и излиза в осово направление.
- За турбинните колела с диаметър до около 160 мм. се използвата само радиални турбини. Това съответства на двигатели (оборудвани с турбокомпресори) с върхова мощност от приблизително 1000кВт. Над 300 мм. се използват само осови турбини. Между тези две стойности са възможни и двата варианта. Големите осови турбини имата по-висок КПД от радиалните, производството им е по-просто и разходите са по-ниски. При малки диаметри на колелата ефективността на осовите турбини намалява значително в резултат на увеличените загуби. По високият КПД на малките радиални турбини в сравнение с равностойните им осови турбини е причината те да се използват обикновенно при двигатели за леки и товарни автомобили, както и при промишлените двигатели. Когато производството е масово, себестойноста на радиалните турбини е много по ниска от тази на осовите. Докато радиалните турбини са най-популярният тип, иползван при автомобили, другите им приложения са ограничени от конструкцията и начина им на действие.
- В спиралния корпус (т.нар. “охлюв”) на подобни радиални или центростремителни турбини налягането на изгорелите газове се преобразува в кинетична енергия и газовете се насочват с постоянна скорост към периферията на турбинното колело. За да се постигне това преобразуване, при турбокомпресорите се използват турбинни корпуси без дюзи, подобряващи характеристиките на потока, макар че подобни корпуси имат и недостатъци по отношениена ефективността. Превръщането на кинетичната енергия на газовете във въртящ момент на вала се осъществява от турбинното колело; то е така конструирано, че почти цялата кинетична енергия се преобразува за времето до момента, в който газовете достигнат изхода на колелото.
- Работни характеристики
- Експлоатационните качества на турбината са толкова по-високи, колкото по-голям е спадът на налягането между входа и изхода, т.е. колкото по-голяма е използваната част от напора на газовете. Това се случва, когато в турбината постъпват повече изгорели газове (в резултат на работа на двигателя при по-високи обороти) или в случай че температурата на същите газове е повишена, т.е. енергията им е по висока (например поради натоварване на двигателя).
- Характеристиките на работните режими на турбината се определя от специфичното проходно сечение на потока, от входното сечение и от преходната площ между входния улей и спираловидния корпус.Когато входното сечение се намали, налягането на газовете се увеличава и по този начин се подобряват експлоатационните качества.
- Площа на преходното сечение на потока, постъпващ в турбината, може лесно да се променя чрез промяна на “охлюва”. Повечето производители на турбокомпресори предлагат спирални корпуси с различни размери за всеки тип турбина, което позволява налягането да се променя в широк диапазон чрез променяне на преходното сечение, през което минава потокът.
- фиг.3 Характеристика на турбината
Линия на помпаж – тази линия показва границата на критичното състояние на въздушния поток на входа на компресора. При твърде малък обем на постъпващия въздух и прекалено високо налягане потокът не успява да се задържи задълго към всмукващата страна на лопатките, в резултат на което процесът на нагнетяване се прекъсва. Въздухът в компресора започва да се връща до момента, в който налягането се стабилизира и въздушния поток повиши дебита си, след което налягането отново пада и цикълът се повтаря. Тази нестабилност на потока продължава с постоянна честота , а шумът, който се получава вследствие на този ефект, е известен като помпажиране. Линията на помпаж е изместена към по-ниски стойности на въздушен дебит чрез използването на лопатки, чиито върхове са насочени под малък ъгъл, така че използваемия диапазон на характеристиките на потока, който протича през компресора, става по-голям. Ефектът от насочването на лопатките под малък ъгъл е, че се получават дълги, леко увеличаващи се улеи на потока, които го забавят и водят до по-малко отделяне на граничния слой, от колкото при използване на лопатки с радиално насочени върхове.
Линии на еднакъв кпд – Максималния дебит на въздуха при центробежните компресори обикновено е ограничен от напречното сечение на входа им. Стигне ли потокът на входа на компресора скороста на звука, по-нататашно увеличаване на дебита е невъзможно. Напречното сечение на входа на компресора може да бъде увеличено. Това се постига чрез групиране на лопатките по 2 или повече, като съседни лопатки във всяка група са изместени една спрямо друга и са с различен наклон, при което линиите, в които кпд е еднакъв, се преместват в по-високи стойности на въздушния дебит. Когато входния диаметър се увеличи, съотношението между диаметъра на входа на компресора и диаметера на колелото (т.нар. hub ratio) също се увеличава, в резултат на което нараства максималния обем на входящия въздух. По якостни и аеродинамични причини това съотношение може да достигне стойности от 0,8. По същите причини твърде високите стойности на съотношението позволяват да се постигнат само относително ниски наляганя, каквито се изискват при леките автомобили. По- тънките и по-малко на брой лопатки увеличават свободната проходна площ на входа на колелото, така че линиите на еднакъв кпд се преместват към по високи стойности на въздушен дебит. Минималната дебелина на лопатките е ограничена от технологията на отливане и от изискванята за издражливост. При намаляване броя на лопатките постижимото налягане също е по-ниско. Компресорните колела, използвани при леките автомобили, се характеризират с високо съотношение (hub ratio) и намален брой тънки лопатки, насочени под много малък ъгъл.Наклонът на върховете на лопатките влиае върху нивото на натоварване на колелото. Изработване на канали за рециркулация в корпуса предотвратява опасността от помпаж при твърде малък въздушен дебит, при което част от индуцирания въздух напуска компресора и отново се вливав главния поток на входа на компресора. Благодарение на тази рециркулация потокът се стабилизира и линията на помпаж се премества към по-ниски стойности на дебит на въздуха. При прекалено висок дебит въздухът може да бъде доставен през същите тези канали директно до колелото в точка след зоната на ограниченото входно напречно сечение, така че линиите на еднакъв кпд се преместват към стойностите на по-висок въздушен дебит. Този начин на коригиране на коригиране на характеристиките се използва най-вече при дизелови двигатели за товарни автомобили, за които се изискват и високи наляганя, и разтегнати криви.
Якост – Скороста на въртене на компресорното колело е ограничена от натоварването, на което са подложени материалите. Максималната допустима скорост се ограничава от допустимата скорост за лопатките, чиито върхове са по външния диаметър на колелото. Обикновенно допустими са линейни скорости на върховете на лопатките от около 520 м/с. При по високи скорости ресурсът намалява, освен ако не бъдат взети мерки за намаляване на натоварването.
Сечение на изхода - върху масата и капацитета на потока в турбината влияят площа на преходното сечение на потока в “охлюва” и площа на входа на колелото. Върху преходното сечение, а оттам и върху нарастването на налягането може да се влияе чрез обработването на отлетия контур на турбинното колело. Увеличаването на контура води до по-голямо напречно сечение на потока в турбината. За една и съща серия турбокомпресори производителите предлагат турбинни колела, направени от една отливка, с еднакъв диаметър, но с различни контури.
Съгласуване с геометрията на компресора - за да се постигне висок общ КПД на турбокомпресора , от първостепенно значение е да се съгласуват диаметрите на компресорното и на турбинното колело. Диаметърът на турбината трябва да бъде такъв , че нейният КПД да е максимален в този работен диапазон.
Материали
Турбинно колело - тъй като турбината е подложена на действието на много високи температури по време на работа, а и след като двигателят спре, колелото и спиралният корпус на турбината са направени от материали, които осигуряват достатъчна устойчивост при високи температури. Повечето турбинни колела са изработени от никелови сплави като Inconel 713 и GMR235. Основните съставки на тези сплави са никел и хром. Докато GMR235 е устойчив на температури на изгорелите газове до около 850۫ C на входа на турбината , Inconel 713 /73% никел, 13 % хром/ издържа на температури до около 1000۫
Корпус - изборът на материал за „охлюва” на турбината също зависи от температурата. Днес сферографитният чугун с висока якост GGG40 (до 680۫C) обикновено се използва рядко. При повечето турбини за дизелови двигатели се използва силициево-молибденов чугун GGGSiMo51 (до 760۫C) или GGV SiMo 4.5 0.6 (до 850۫C). Високолегираният с никел и хром чугун GGGNiCrSi 20 2 2 (Niresist D2) се прилага рядко за температури над 850۫C. GGGNiCrSi 35 5 2 (Niresist D5) се използва при повечето турбокомпресори за бензинови двигатели с температури до 970۫C. За най високите температури до 1050۫C, каквито се достигат в концептуалните бензинови двигатели, се използва термоустойчива нелегирана аустенитна стомана.
Керамични турбинни колела
В сравнение с металните турбинни колела керамичните са много по-леки, което води до по-добро съгласуване на характеристиките на турбокомпресора.Съвременните керамични материали правят възможно серийното производство на едно подобно турбинно колело.Все пак те са много крехки и лесно могат да бъдат унищожени при съприкосновение с чуждо тяло. Освен това дебелината на такива лопатки е по-голяма и поради това ефективността им е по-ниска, така че те се използват по-рядко при автомобилите.
Титаниевият алуминид на фиг. 4 има ниска специфична плътност подобно на керамиката.Този материал е значително по-неподатлив на счупване, а лопатките, изработени от него, са тънки колкото металните. Недостатък е ниската му температурна устойчивост – максимум 700۫С.
фиг.4 Титаниево компресорно колело
Спирален корпус на турбината с водно охлаждане
При конструиране на турбокомпресора също така трябва да бъдат взети под внимание и мерките за сигурност. В двигателните помещения на корабите например горещите повърхности се избягват поради опасността от пожар. По тази причина в корабните двигатели се използват турбини, при които спиралният корпус е с водно охлаждане или е покрит с изолационен материал както е показано на фиг 5.
- фиг.5 Турбокомпресор за корабен агрегат
Турбината рядко е подложена на постоянно налягане от изгорелите газове. При импулсните турбокомпресори за дизелови двигатели турбините с два входа позволяват изглаждане на пулсациите на изгорелите газове, тъй като по бързо се повишава налягането в турбината. По този начин чрез увеличаване на свръхналягането нараства кпд и се подобряват всички важни интервали от време, а през турбината по-ефективно преминава по-голяма маса въздух. В резултат на това оптимизиране енергията на изгорелите газове се използва максимално, характеристиките на налягането в двигателя се подобряват, а оттам и въртящият момент, особено при ниски обороти на двигателя.
Два потока на изгорелите газове
Често при 6-цилиндровите двигатели към един тръбопровод, отвеждащ изгорелите газове, се свързват по три цилиндъра. Това се прави, за да се предпазят цилиндрите, движещи се противоположно един от друг по време на работните цикли. Така газовият поток се доставя в турбината поотделно, през два входа фиг. 6 .
При двигателите за леки коли обикновено се използват единични тръбопроводи и спирални корпуси с един вход. Така изпускателният тръбопровод е по-компактен, а турбокомпресорът е по-близо до цилиндровата глава. Когато тръбите са с малко сечение и са свързани близо до входа на турбината, предимствата на пулсиращото налягане се запазват.
- фиф. 6 Турбокомпресор с два входа
- за изгорелите газове
Понякога турбините с два входа се използват в бензиновите двигатели за леки автомобили. Предимство в този случай са благоприятните характеристики на въртящя момент при ниско налягане на газовете, изхвърляни от двигателя; недостатъци са високото термично натоварване на разделящата преграда и оскъпеното производство на малки спирални корпуси с вграден байпас, особено когато поради високите температури се налага материалът да е лята стомана.
Съгласуване на режимите на работа
Съгласуването на характеристиките на турбокомпресора е от първостепенно значение при двигателите за леки автомобили. Забавената реакция при натискане на педала на газта често пъти значително влошава възприятията при шофиране.
В последните години този ефект беше компенсиран чрез използването на по-малки компресори. Техните ротори са значително по-пъргави, защото на по-малкия диаметър на колелата отговарят и значително по-малки инерционни моменти.
Друг начин да се намали инерционният момент на турбинното колело е изрязването на гърба на колелото между лопатките.
Значително подобряване на динамичните характеристики може да се постигне с използването на турбини с променлива геометрия.
Вградена система за обмен на въздух
Оптимални параметри на потока и минимални топлинни загуби се осигуряват чрез вградената въздухообменна система, при която изпускателният тръбопровод и спиралният корпус на турбината са отлети заедно, в резултат на което се подобрява съгласуването на характеристиките. Допълнителни аргументи са намаленото с до 1 кг. тегло и освободеното пространство между двигателя и пътническия отсек, което често пъти е необходимо от съображения за сигурност.
Клапан за рециркулация
При турбокомпресорните бензинови двигатели се използва дроселиращ клапан, който регулира натоварването на двигателя и е разположен във въздушния колектор след турбокомпресора. В случай на внезапно изгасване, дроселиращият клапан се затваря и благодарение на инерцията компресорът доставя въздух срещу вече затворения обем. Вследствие на това компресорът започва да помпажира, а скоростта на турбокомпресора намалява много бързо. За да се избегне това, един натегнат от пружина дроселиращ клапан се отваря и доставя въздуха обратно на входа на компресора, като по този начин се намалява налягането и се избягва помпажът. Скоростта на турбокомпресора остава висока и свръхналягането е на разположение веднага щом бъде натиснат педалът на газта.
Управляваща система
Експлоатационните качества на турбокомпресорните двигатели за леки автомобили трябва да отговарят на същите високи изисквания както атмосферните двигатели с идентична мощност, което означава, че максималното налягане трябва да е на разположение при ниски обороти на двигателя. Това може да се постигне единствено чрез система, контролираща налягането в турбината.
Управление чрез байпас
Турбинният байпас е най-опростеният начин за контрол на налягането.Размерът на турбината се избира така, че изискванията към въртящия момент при ниски обороти на двигателя да бъдат спазени, като в същото време се осигурят и добри експлоатационни качества на автомобила. При тази конструкция в турбината се доставя по-голямо от нужното количество изгорели газове малко преди да се достигне максималният въртящ момент. Затова част от потока изгорели газове се пропуска встрани от турбината чрез байпас веднага след като бъде реализирано необходимото свръхналягане. Преливният клапан фиг 7а , който управлява байпаса, обикновено се задвижва с помощта на зависима от налягането диафрагмена пружина. При обороти на двигателя над специфичните налягането остава на същото равнище.
фиг.7 Турбокомпресор с преливен клапан 7а и централен корпус с водно охлаждане 7б
Управление със саморегулиране на налягането
При това много ефикасно решение една подвижна диафрагма, натегната от вита пружина, е подложена на увеличеното налягане. Когато то преодолее натиска на пружината, байпасният клапан се отваря с помощта на лостов механизъм, потокът изгорели газове преминава покрай турбината и отива директно в изпускателната система.
Електронно управление на налягането
Днес електронните системи за контрол на свръхналягането намират все по-широко приложение в съвременните автомобили. Сравнени с изцяло пневматичните системи фиг 8 за управление, които позволяват единствено пълното ограничаване на налягането, тези системи осигуряват оптималното му частично регулиране благодарение на по-гъвкавия си контрол. Този контрол се осъществява при отчитането на различни параметри като температура на въздуха, ъгъл на предварението и качество на горивото. При тях е възможно и временно нарастване на налягането по време на ускорение.
Подвижната диафрагма е подложена на променливо управляващо налягане, което е по-ниско от пълното и се създава чрез пропорционален клапан. По този начин се осигурява зависимост на диафрагмата от свръхналягането и от налягането на входа на компресора в различни пропорции. Пропорционалният клапан се управлява от електрониката на двигателя и работи с честота от 10 до 15 Hz. В сравнение с конвенционалните управляващи системи натискът на пружината е значително по-малък и това позволява да се осъществи контрол дори при частично натоварване на двигателя, т.е. при много по-ниски налягания. За електрониката, управляваща свръхналягането при дизеловите двигатели, се използват вакуумни регулатори.
- фиг.8 Пневматичен регулатор
- фиг.8 Пневматичен регулатор
Регулиране на напречното сечение на потока чрез подвижни направляващи лопатки – VTG ( Variable Turbine Geometry)
Системите за управление на налягането регулират мощността на турбината чрез пропускане на изгорелите газове покрай турбината.Променливата геометрия на турбината позволява напречното сечение на входа да се изменя в зависимост от режима на двигателя, като по този начин се използва пълната енергия на изгорелите газове. В резултат на това кпд на турбокомпресора, а оттам и кпд на двигателя се повишават повече, отколкото при управлението чрез байпас.
В наши дни турбините с променлива геометрия с подвижни направляващи лопатки са най-съвършената техника за модерните дизелови двигатели за леки автомобили. Разходът на гориво и нивото на вредни емисии са намалени благодарение на възможността за промяна на входното напречно сечение на турбината в зависимост от режима на двигателя. Високият въртящ момент на двигателя при ниски обороти и подходящата програма за управление осигуряват значително подобрение на динамичните характеристики.
Подвижните направляващи лопатки, разположени между корпуса и турбинното колело фиг 9, влияят върху стойностите на налягането, а по този начин и върху мощността на турбината. Това позволява да се регулира нивото на постъпващия въздушен поток в съотношение 1:3 при задоволителни стойности на кпд. При ниски обороти на двигателя напречното сечение се намалява чрез затваряне на направляващите лопатки. Свръхналягането, а оттам и въртящият момент на двигателя нарастват в резултат на по-големия спад на налягането между входа и изхода на турбината. При високи обороти на двигателя направляващите лопатки постепенно се отварят. Изискваното свръхналягане се достига при ниски нива на налягането в турбината и разходът на гориво пада.По време на ускоряване на автомобила от ниски обороти направляващите лопатки се затварят с цел да се повиши максимално енергията на изгорелите газове. С увеличаване на скоростта лопатките се отварят и се адаптират към съответните
работни режими.
- фиг 9. Фланец с подвижните направляващи лопатки
В наши дни управлението на направляващите лопатки обикновено е електронно чрез вакум-регулатор фиг 10 и пропорционален клапан. Последните нняколко години започна по широкото използване на електрони регулатори фиг 11.с обратна връзка, които ще позволяват точно и максимално гъвкаво управление на налягането.
Температурата на изгорелите газове в мощните, модерни дизелови двигатели е около 830۫С. Прецизното и надеждно задвижване на направляващите лопатки в горещия поток изгорели газове налага високи изисквания към материалите и към допуските в турбината. Независимо от размера на турбокомпресора направляващите лопатки трябва да са с минимален луфт, за да осигурят надеждна работа по време на целия експлоатационен цикъл на автомобила. Когато размерът на турбокомпресора стане по-малък, тогава загубите на потока в турбината се увеличават, а кпд намалява. Поради това целта на много разработки е да се преместят границите на приложение на VTG колкото е възможно по-близко към турбокомпресори с малки размери.
фиг.10.Вакум регулатор конролиращ фиг 11. Електронен регулатор Siemens/VDO
променливата геометрия
Регулиране на сечението на потока чрез подвижен плъзгащ се пръстен
Турбината с подвижен плъзгащ се пръстен е алтернативно на VTG решение. Простата конструкция на VST и съчетаването на много функции в малко елементи е от особена важност при малки турбини или когато се изискват високи температури. По конкретно то се прилага при малки дизелови двигатели с работен обем под 1,4 л. Предимствата му са висок кпд, ниски разходи и малки размери. VST е надежден вариант за управление на налягането в турбината при малки бензинови двигатели с висока температура на изгорелите газове. Солидният му механизъм е с много по-голяма термоустойчивост от този на VTG с направляващи лопатки. В управляващия механизъм е интегриран байпас, който се изисква дори при бензиновите двигатели с VST поради голямото количество преминаваща въздушна маса.
Корпусът на турбината е подобен на този на турбината с двоен вход.Разделителната стена започва в корпуса и завършва, преди да достигне ръба на входа. При ниски обороти е отворен само единия улей. Вторият улей, който е затворен от плъзгащия се пръстен, постепенно се отваря при увеличаване на оборотите. След това пръстенът отваря и байпасния канал, който започва от входа на турбината, минава покрай външния контур на пръстена и завършва на изхода на турбината. В резултат на това възможностите на турбината по отношение на количеството преминаваща въздушна маса допълнително се увеличават. Управлението на напречното сечение и отварянето на байпасния клапан изискват само един задвижващ механизъм. За целта могат да бъдат използвани както пневматични, така и електрически задвижващи механизми.
Лагеруване
Дълъг живот при най-високи натоварвания
Турбокомпресорният възел вал-турбина се върти със скорост до 300 000 об/мин. Животът на турбокомпресора трябва да отговаря на този на двигателя, който е около
1 000 000 км при товарните автомобили и автобусите. Единствено плъзгащите лагери са в състояние да отговорят на тези високи изисквания при разумна цена.
Лагеруване с радиални лагери
С помощта на плъзгащ лагер валът се върти без триене в лагерната втулка върху маслен филм. При турбокомпресора маслото се доставя от мазилната уредба на двигателя. Медните плаващи втулки се въртят с наполовина по-малка скорост от тази на вала и са разположени между неподвижния централен корпус и въртящия се вал. Това гарантира липсата на метален контакт между вала и лагерите при какъвто и да е работен режим.
Освен мазилни свойства масленият филм в лагерната хлабина служи и за поглъщане на вибрациите, като по този начин допринася за стабилността на възела вал-турбинно колело. Хидродинамичната товароносимост на лагера и характеристиките му на гасене на вибрациите са оптимизирани чрез хлабини. Дебелината на мажещия слой във вътрешната хлабина е избрана в съответствие с издръжливостта на лагера, докато външната хлабина е констуирана така, че лагерът да служи и като амортисьор. Лагерните хлабини са от порядъка на само няколко стотни от милиметъра. По-големите хлабини се отразяват в по-меко гасене на вибрациите и по-ниска товароносимост.
Лагеруването с един елемент е специална разновидност на системата с плъзгащи лагери. Валът се върти в неподвижна втулка, на която се доставя масло от външна страна. Външната лагерна хлабина може да бъде специално подбрана за успокояване на вибрациите. В този случай по-малката ширина на лагера позволява по-компактна конструкция на турбокомпресора.
Лагеруване с аксиални лагери
Нито изцяло плаващите лагерни втулки, нито единичната застопорена плаваща лагерна втулка осигуряват вала и турбинното колело в осово направление. Когато изгорелите газове действат на компресорното и турбинното колело в аксиално направление, възелът вал-турбинно колело се премества осово.Аксиалният лагер абсорбира тези премествания. Той е застопорен към централния корпус, а два малки диска му служат за контактни повърхности. Една маслоотражателна пластинка предпазва уплътнената част на вала от навлизане на масло.
Мазане
Маслото навлиза в турбокомпресора под налягане от около 4 бара. Когато то се оттича под ниско налягане, диаметърът на отточния маслопровод трябва да бъде много по-голям от този на входния. Протичането на маслото през лагера трябва да бъде, доколкото е възможно, вертикално отгоре надолу. Отточният маслопровод трябва да се връща в картера над нивото на маслото. Всяко негово запушване влияе на възвратното налягане в системата на лагеруване. В такъв случай маслото преминава през уплътнителните пръстени към компресора и турбината.
Уплътняване
Централният корпус на турбината трябва да бъде защитен от горещите изгорели газове в турбината и от загуба на масло. Поради тази причина и от двете страни на вала са монтирани уплътняващи пръстени. Те не се въртят, а са здраво закрепени към централния корпус. Този безконтактен метод на уплътняване, който е форма на лабиринтното уплътнение, затруднява протичането на масло благодарение на многократното обръщане на посоката на маслото. По този начин се осигурява и изтичането само на малки количества изгорели газове към картера.
Термично натоварване на лагерите
Близостта между централния корпус и горещия корпус на турбината е причината да се създадат условия, при които е възможно маслото да се нагрее до такава степен, че да се превърне в кокс. Тогава овъгленото масло може да попадне в лагерните втулки, да задръсти маслопроводите и да влезе в контакт с уплътненията. Голямото количество овъглено масло може да доведе до недостатъчно мазане и до гранично триене, което се отразява в повишено износване на лагерите.
Топлинен щит и маслено охлаждане
Централният корпус е предпазен от горещите изгорели газове с помощта на топлинен щит, разположен зад турбинното колело. При някои конструкции маслото се впръсква към вала през отвори в лагерната опора на лагера откъм турбината. По този начин валът се охлажда и рискът от овъгляване се намалява.
Най- високите температури в централния корпус възникват малко след като двигателя бъде изгасен. Тогава горещият корпус на турбината нагрява лагерите, които вече не се охлаждат от двигателното масло.
От прптотипно до серийно производство.....................
Развитие, оразмеряване и тестване
Развитие
Развитието на турбокомпресорите винаги следва пазарните изисквания и по този начин повишава техническите стандарти на двигателя с вътрешно горене. Все пак то съвсем не е съвършено. В резултат на продължаващите разработки на турбокомпресори в бъдеще може да се очаква по-нататъшното усъвършенстване на работните характеристики на двигателя, що се отнася до мощността, разхода на гориво и нивото на вредни емисии.
Тъй като турбокомпресорите трябва да отговарят на различни изисквания относно работния диапазон на графиката, характеристиките на кпд, инерционния момент на ротора и работните режими, новите типове компресори и турбини продължават да бъдат развивани за приложение при различни двигатели. Освен това различните регионални изисквания към нивото на вредните емисии водят до различни технически решения.
Компютърно конструиране и оптимизация
Най-голямо влияние върху работните характеристики на турбокомпресорите имат компресорните и турбинните колела. Те са конструирани с помощта на компютърни програми, които позволяват тримерно пресмятане на потоците на въздуха и изгорелите газове. Якостта на колелата е едновременно оптимизирана с помощта на метода на крайните елементи (FEM- finite-element method), а ресурсът им е пресметнат след тестове в условия близки до реалните. Полученото решение е представено чрез CAD-програми. На базата на CAD-данните се произвеждат първите прототипи с помощта на цифрови 5-осови фрези.
Фина настройка на тестов стенд
Независимо от напредналите съвременни компютърни технологии и точно пресмятащи програми, окончателните решения за новите аеродинамични елементи се вземат след тестване. По тази причина фината настройка и проверката на резултатите се осъществяват, след като турбокомпресорът издържи теста. Впоследствие новите елементи се внедряват в серийното производство.
Оразмеряване
Основните елементи на турбокомпресора са турбината и компресорът. Те се произвеждат с различни размери и сходни характеристики, като се използват законите на моделирането. По този начин чрез увеличаване и намаляване работният диапазон на турбокомпресора се установява така, че да се постигне оптимален размер, подходящ за различни двигатели. Свободата да се борави с различните размери обаче е ограничена от невъзможността всички характеристики да бъдат мащабирани размерно. Освен това изискванията се променят в съответствие с различните работни размери на двигателите и невинаги е възможно да се използва същото колело или геометрия.
Индивидуални турбокомпресори на модулен принцип
Принципът на подобието и модулното конструиране все пак позволяват разработката на турбокомпресори, които могат да бъдат индивидуално пригодени към всеки един двигател. Това напасване започва с избирането на подходящ компресор на базата на изискванията към кривата на свръхналягането. Според теорията кривата на пълно натоварване трябва да бъде такава, че кпд на компресора да е максимален в основния работен диапазон на двигателя, а разстоянието до линията на помпажа – достатъчно голямо. Термодинамичното оразмеряване на турбокомпресора се осъществява при отчитането на енергийния баланс и на масата на потока, която представлява сбор от масите на въздуха, доставян от компресора, и на горивото, подавано към двигателя.
Състояние на свободно колело
При устойчиво състояние на работа мощностите на турбината и компресора са идентични.Оразмеряването, направено на базата на якостните разчети, се подлага на повторни изчисления, като този път за отправна точка се използват характеристиките на компресора и турбината, както и най-важните параметри на двигателя.
Размерите могат да бъдат пресметнати много точно, когато се използват компютърни програми, симулиращи работата на двигателя и турбокомпресора. Тези програми включват масата, енергията и уравновесяването на съставните елементи на всички цилиндри и системата от въздухопроводи. Турбокомпресорът участва в пресмятането в графичен вид. Освен това подобни програми разполагат с определен брой емпирични уравнения за описване на взаимодействията, които е трудно да бъдат изобразени по аналитичен път. Компютърните симулации за пресмятане на сложни системи за въздухообмен с няколко турбокомпресора и допълнителни управляващи въздуха елементи са особено интересни. Тези симулации могат да се разглеждат като допълнение към тестването и сами по себе си са базирани на определен брой предположения.
В повечето случаи простото пресмятане на компресори и турбини за автомобилни двигатели осигурява задоволителна точност. Поради това, че компресорът е конструиран на модулен принцип, по време на теста на двигателя препоръчваното свръхналягане може да се достигне много по-бързо чрез индивидуалното променяне на компоненти на турбокомпресора, каквито са турбинният или компресорният корпус.
Съгласуване с двигателя
При конструиране на монтажните връзки с двигателя освен термодинамичните фактори е необходимо да се вземат под внимание и ограничените възможности за инсталиране в мястото, предвидено за двигателя.След избора на компресор и турбина и завършването на чертежа за инсталиране, клиентът може да вгради турбокомпресора в схемата на двигателя и автомобила с помощта на пакета от CAD данни.
Тестване
Турбокомпресорът може да работи също толкова надеждно и дълго, колкото и двигателят. Клиентът очаква това от производителя на автомобила, а производителят разчита за това на своя доставчик. Преди турбокомпресорът да бъде допуснат до серийно производство, той трябва да издържи серия тестове.
Комплексна тестова програма
Тестовата програма включва тестове на индивидуални компресорни компоненти, тестване върху турбокомпресорен тестов стенд и тест на двигателя. Някои от тестовете в тази програма са описани с подробности по-долу.
Защитен тест
Ако компресорното или турбинното колело се разрушат, счупените части от колелото не трябва да проникнат в компресорния или турбинния корпус. За да се постигне това, възелът вал – турбинно колело се ускорява до скорост, при която съответното колело се разрушава. След разрушаването се оценява степента на защита на корпуса. Скоростта при която се достига до разрушаване, обикновено е с 50% по-висока от максимално допустимата скорост.
Тест на умора lcf – low-cycle fatigue – малоциклов тест на умора
Този тест проверява при какво натоварване на турбинните и компресорните колела се разрушават материалите от които са изработени. Той се прилага, за да се определят границите на натоварване на материалите на колелата. Компресорното или турбинното колело бива монтирано върху високооборотен изпитателен стенд, задвижван от електродвигател, и циклично, по определена зависимост, се ускорява и забавя. На база на резултатите при отчетения брой цикли и на кривата на Вьолер /крива, която показва зависимостта между уморната якост и броя цикли на натоварване/ може да бъде пресметнат очакваният живот при всеки един цикъл на натоварване.
Тестване на преливния клапан
По време на този тест се тестват допустимите натоварвания на металните компоненти и на диафрагмата, като на газов стенд се симулира реално натоварване в направление както по посоката на газовете, така и перпендикулярно на нея. Компонентите трябва да издържат 1,5 млн. цикли на натоварване, без да се разрушат. Това е приблизително двойно повече от онова, което компресорът трябва да издържи в реални условия на експлоатация.
Динамично оразмеряване на ротора
Въртеливото движение на ротора се влияе от пулсиращите сили на газовете в турбината. Механичните трептения на двигателя и отсъствието на идеален баланс на въртящите части стимулират вибрации на ротора. В лагерните хлабини могат да настъпят големи амплитуди, които да доведат до нестабилост особено при твърде ниско налягане или при твърде висока температура на маслото. В най-лошия случай това ще стане причина за метален контакт и прекомерно механично износване.
Движението на ротора се измерва и записва по метода на вихровите токове, с безконтактни датчици, разположени в сечението на входа на компресора. Във всички състояния и във всички работни точки амплитудите на ротора не трябва да надхвърлят 80% от максимално допустимата стойност. Движението на ротора не трябва да показва каквато и да е нестабилност.
Измерване на вибрациите на лопатките на турбината
Този метод позволява измерване на динамичните натоварвания на лопатките на турбината по време на работа на двигателя при най-високи температури. За измерване на натоварването като датчици се използват уреди, устойчиви на високи температури, които са монтирани върху лопатките на турбината в точктите на най-голямо натоварване. Получените сигнали се предават към измервателната апаратура с помощта на телеметрична система, която се върти заедно с турбокомпресора. При специфични скорости на въртене в лопатките могат да възникнат вибрации, които да застрашат сигурната работа на турбокомпресора и да преминат в резонансни явления.
Рискът от прекомерно динамично натоварване на лопатките на турбината се премахва, като вибрационнните характеристики на всички образци се проверяват и след това се оптимизират.
Тестване на уплътнителния пръстен
По време на работа маслото не трябва да навлиза в компресора или в турбината. По тази причина турбокомпресорът се тества заедно с двигателя върху тестов двигателен стенд при всички възможни стойности на натоварване и скорост.
За да се тества уплътнителният пръстен, който е към страната на компресора, на входа на компресора постепенно се създава подналягане с помощта на замърсен въздушен филтър. Не се допуска никакво проникване на масло в компресора, независимо какъв е работният режим.
За да се тества уплътнителния пръстен от страната на турбината, в картера на двигателя чрез блокиране на въздушната система на двигателя постепенно се създава налягане. И тук изискването е при каквито и да е обстоятелства да не се наблюдава изтичане на масло.
Тестване при пускане и спиране
Разликата в температурата на газовете от горещата страна на турбината и тези на входа на студения компресор може да достигне до 1000۫С на разстояние от само няколко сантиметра . Когато двигателят работи, маслото преминава през лагерите по такъв начин, че охлажда централния корпус, така че различните компоненти да не достигат критични температури.След като двигателят бъде изгасен, особено след високи натоварвания, в централният корпус може да се акумулира топлина, която да превърне маслото в кокс. Следователно от жизненоважно значение е да се определят максималните температури на компонентите в критичните състояния, така че да се избегне образуването на овъглено масло в областта на лагерите от страната на турбината и при уплътнителния пръстен.
Натрупаната в турбокомпресора топлина се измерва, когато двигателят бъде изгасен, след като е работил при пълно натоварване.След определен брой цикли елементите на турбокомпресора се преглеждат.Тестът е преминал успешно само ако максимално допустимите температури на компонентите не са били прехвърлени и се прецени, че количеството овъглено масло около лагерите е достатъчно малко.
Тестване на цикличната издръжливост
Цикличният тест включва проверката на всички компоненти и определянето на нивата на износването им.При този тест турбокомпресорът и двигателят работят неколкостотин часа при различни натоварвания. Нивата на износването се определят преди и след теста чрез прецизни измервания на съставните елементи.
Производство на турбокомпресора
Точност на размерите, съосност и качество на повърхнините
Функционирането и работните режими на турбокомпресорите изискват при производството да се спазват изключително малки допуски. Особено строги са изискванията към размерите и съосността на елементите, както и към качеството на повърхнините. Тъй като възелът „вал-турбинно колело” се върти с много висока скорост в корпуса, отклонения дори от само няколко хилядни от милиметъра могат да причинят разрушаване на лагерите и повреждане на турбокомпресора.
През последните 30 години процесът на производство на турбокомпресори непрекъснато се оптимизира.
Производсво на възел „вал-турбинно колело”
Отливане на турбинното колело
Турбинните колела са направени от устойчиви на висока температура никелови сплави, които са стопени и отлети във вакум. Керамичните форми на матриците се изработват с помощта на разтопен восък. За тази цел се правят точни восъчни копия, съответстветстващи на определени турбинни колела. Тези восъчни копия се групират в „гроздове” които се потапят неколкократно в керамичен разтвор, след което повърхностите им се почистват с песъкоструен апарат. По такъв начин около тях се изгражда огнеупорна керамична черупка дебела 6-10 мм. След като се изсуши и втвърди, тази черупка се подлага на нагряване, при което восъкът в нея се разтапя и излива.Докато кухите черупки още са горещи, в тях се налива стопеният метал.Следва охлаждане, сваляне на черупките и обработване на отливките.
Фрикционно заваряване
Турбинното колело се закрепва към вала чрез фрикционно заваряване. За да стане това, валът и маховикът се завъртат до над 1000 об/мин. След това въртенето на маховика се преустановява, а въртящият се вал се притиска към турбинното колело. Температурата в зоната на контакта между двете части става толкова висока, че металът се разтопява и те се заваряват една към друга.
Отнемане на напреженията
Фрикционно заваряване е съпроводено с възникване на напрежения, които са недопустими за възела. За тяхното снемане турбинният ротор през нарочна термообработка, която по същество е втора.
Престъргване на вала
Валът придобива окончателните си размери след престъргване. През тази част от производствения процес се налага да се спазват особено високи изисквания към точността на размерите и на формата. Диапазонът на допустимите отклонения е в рамките на само няколко хилядни от милиметъра. Освен това се шлифова контурът на турбинното колело и се изрязва каналът за уплътнителния пръстен, който впоследствие допълнително се валцува.
Балансиране на ротора
Изработеният по такъв начин турбинен ротор се уравновесява на специални балансиращи машини фиг 12 . Тази операция е изключително отговорна за ради свръхвисоките обороти, при които работи роторът – до около 300 000 об/мин. при леките автомобили.
фиг. 12 Балансира
Производство на компресорното колело
Производството на компресорното колело започва с еталонния образец, който е направен на 5-осова фреза с помощта на CAD-данните за конструкцията. Този еталонен образец се създава на базата на модел с действителни размери, куха метална черупка и смес от изкуствени смоли. Еталонният образец служи за направата на работещи гумени мостри чрез друг междинен процес на обработка. Гумените мостри се монтират върху еталонна плоскост и се затварят в кутия за отливане, в която след това се излива гипс. Когато гипсът изсъхне, гумените мостри се изваждат чрез завъртане. Гипсовата отливка се прикрепя добре между плоскостите на агрегата за отливане и се запълва с течен алуминий под налягане. След като металът се охлади, гипсът се сваля, а компресорното колело се подлага на термообработка.
Механична обработка на частите
Механичната обработка на компресорното колело започва със стругуване на външния диаметър и на задната страна, последвано от пробиване на централния отвор. Съосността между компресорното колело и пробития отвор се осигурява с помощта на специално закрепване. Впоследствие контурите на компресорното колело се стругуват, а повърхността на централния отвор се шлифова. Компресорното колело се балансира по същия начин както турбинният ротор.
Производство на турбинния корпус
Механичната обработка на отливките се осъществява с помощта на CNC-машина фиг 13 и представлява многоетапен процес. Първо се фрезуват повърхностите на отвора за изгорелите газове и на преливния отвор, след това се стругува контурът, а най-накрая се фрезува и шлифова отворът за входящите газове.Процесът завършва с монтиране на турбинния корпус и заваряване на запушващите елементи.
фиг. 13 CNC-машина
Производство на компресорния корпус
При масово производство компресорният корпус обикновено се изработва алуминиева сплав, отлята под налягане в пресформи. При по-малки серии се практикува гравитационно леене в пясъчни форми или в кокили, тъй като разходите за изработка на пресформи са твърде големи. Компресорните корпуси, отлети в матрици, не изискват много довършителни обработки благодарение на високата точност на размерите си и на доброто качество на повърхнините си. Стругуването на кунтура от вътрешната страна на корпуса и обработката на местата за уплътняване се поверяват на струг с програмно управление.Нарезите се правят с помощта на многошпинделни машини.
Обработка на централния корпус
Обработката на централния корпус е подобна на тазина турбинния корпус и се прави в модерни производствени цехове. Започва се със стругуване на централния отвор и на фланците за сглобяване, които се намират в краищата на компресора и турбината, като то се прави с помощта на многошпинделни машини с програмно управление. Следва фрезуване чрез CNC-фрези на отворите, през които постъпва и се оттича маслото, както и на входящите и изходящите отвори за водата. После се извършват довършителните обработки на останалите отвори и нарези. Едва след това централният корпус се комплектува със свързващи фланци и се тества на плътност.
Монтаж
Монтажът може да бъде разделен на две части:монтаж на вътрешните елементи и монтаж на корпуса.След като завърши монтажът на вътрешните елементи, роторът заедно с въртящите се детайли отново се балансира при високи обороти.
Вътрешният монтаж включва монтирането на лагерите, на роторния възел, на компресорното колело и на задния капак на компресора.По време на сглобяването лагерните елементи се монтират в централния корпус, а валът и турбинното колело в комплект с подходящите уплътнителни пръстени се поставят в лагерите. След това се монтират осовите лагери и се прикрепя задният капак. Компресорното колело се поставя върху свободния край на вала и се фиксира с гайка.
Монтажът на вътрешните детайли се осъщесвява на индивидуални работни места или в монтажни клетки, като и в двата случая основната цел е постигането на минимален брой дефекти. Днес масовото производство на турбокомпресори е довело до все по голяма автоматизация на монтажа.
Съществуват различни процедури за проверка на качеството на окончателното сглобяване на вътрешните детайли.Роторът се балансира в съответствие с изискванията, поставени за определения му работен диапазон. Тогава вътрешните възли се сглобяват с турбината, с компресорния корпус и с другите елементи, така че да се получи завършен турбокомпресор. Последната операция е поставянето на контролните елементи, т.е на преливния клапан и на механизма, който променя геометрията на турбината.
Наличните устройства за сглобяване позволяват турбокомпресорите да бъдат напълно сглобени, изпитани и балансирани.Следва опаковане в специални кутии, които са различни за различни клиенти и доставка „точно навреме”.
. Че има нужда...
Коментар