Основи турбонаддуву. Частина 3

Основи турбонаддува. Частина 3
Ця і наступна частина будуть дещо складнішими за перші два, в нихми розглянемо складові компресорної карти, як оцінити "співвідношення тисків" і масову витрату повітря вашого двигуна, атак само як малювати точки на компресорній карті для правильногопідбору турбокомпресора. Знадобиться при вивченні цієї та наступноїстатті :)

Для початку позначимо і роз'яснимо деякі терміни, з якими намдоведеться зіткнутися в цій статті:

<
Поняття абсолютного та відносного тиску.
Під абсолютним тиском ми розумітимемо тиск щодо повного вакууму, відповідно він може бути тільки більшим або рівним нулю. На Земліна рівні моря воно прийнято рівним одній атмосфері або 1атм.залежно від того більше чи менше воно ніж атмосферне. Давайтерозглянемо їх на прикладі тиску у впускному колекторі двигуна. Всінапевно бачили у своєму житті прилади, що показують наддув. Такіприлади показують щодо тиску. На двигуні, що працює на неодруженомуходу, вони показують розрядження -0.65.-0.75атм. На наддуві миможемо бачити значення 1.0…2.0 і від атмосфер. Усе це значеннявідносного тиску. Абсолютні значення будуть завжди на 1.0 більшими, оскільки ми повинні додати одну атмосферу атмосферного тиску, щодоякої прилад і показує свої значення.
Тобто. На ХХ абсолютний тиск дорівнюватиме +0.25.+0.35, а нанаддуві, відповідно, 2.0.3.0.

Компресорна карта це графік, що описує конкретні характеристикикомпресора в різних режимах його роботи. Серед цих характеристик мирозберемо:ефективність компресора, діапазон масової витратиповітря, можливості роботи на різних тисках наддуву, а такожшвидкість обертання валу турбіни. Нижче наведена типова компресорнакарта з назвами її складових Розглянемо їх по порядку:Повертикальній осі у нас розташований Pressure Ratio, або "співвідношення тисків", величина, що описується як відношенняабсолютного тиску на виході з компресора до абсолютного тиску найого вході:

PR = Pcr/Pin
Pcr — абсолютний тиск на виході компресора
Pin — абсолютний тиск на вході компресора
*Дуже грубо кажучи ця величина просто показує скільки разівкомпресор стиснув повітря. Як розрахувати Pressure Ratio:Наприкладми хочемо розглянути ситуацію роботи компресора при 0.7 атм наддувув колекторі. Для початку пригадаємо, що "наддув" це відносний тиск, а ми скрізь оперуємо лише абсолютним. Тому відразу додаємо до нього1.0 атмосферного тиску і далі маємо на увазі, що у нас 1.7атмабсолютного тиску в колекторі. У нашому випадку, при нормальномуатмосферному тиску на вході в турбіну, співвідношення тисків будетаким:PR=Pcr/Pin=1.7/1.0=1.7Але насправді все дещо складніше. Зогляду на наявність у системі повітряного фільтра тиск на вході вкомпресор, як правило, дещо менший за атмосферний. Залежно відрозміру та якості фільтра воно може бути меншим на 0.02-0.10атм.Допустимо у нас воно менше атмосферного на 0.05атм.
= 1.7/(1.0-0.05) = 1.7/0.95 = 1.79
Повторимо ще раз - для обчислення Pressure Ratio нам треба знатинаддув для якого ми його рахуємо і розрядження на впуску передкомпресором. Після цього PR = (1.0 + тиск на виходікомпресора)/(1.0 - розрядження на впуску)

<
У випадку спортивної машини без повітряного фільтра, ми можемоприйняти наш дільник завжди рівним одиниці і просто вважати PR = 1+ ТискНаВиході. >

По горизонтальній осі у нас розташована "масова витратаповітря".

Це величина, що показує, масу повітря, проходить за одиницю часучерез компресор і, відповідно, далі через двигун. Історично цявеличина на компресорних картах виражається в lb/min або російськоюмовою в фунтах повітря за хвилину часу. Фунт це 0.45кг, а хвилинаце 60 секунд :) Оскільки, як ми вже проходили, потужність двигунабезпосередньо залежить від кількості паливо-повітряної суміші якапроходить через нього, масовий витрата, це, одна з основниххарактеристик, яку ми можемо отримати, вивчаючи компресорнукарту.При проходженні через мотор 1 фунт повітря в хвилину, сучаснімотори виробляє в середньому 9-11 кінських сил потужності.Відповідно навіть побіжний погляд на компресорну карту може намсказати, на яку потенційну потужність ми можемо розраховувати зцією турбіною. На наведеному вище прикладі, область роботикомпресора закінчується приблизно на 52 фунтах, відповідно цютурбіну грубо можна відразу оцінити на 500лс.
Кордон Surge це крайня ліва лінія компресорної карти. Роботакомпресора ліворуч від цього кордону, тобто. За межами позначеноїкомпресорною картою, пов'язана з нестабільністю повітряного потоку, сплесками та провалами наддуву. Тривала робота компресора в такомурежимі призводить до передчасного виходу його з ладу через великезмінне навантаження на підшипники і крильчатку компресора. Турбінаможе потрапити в режим Surge в одному з двох випадків. Першийнайпоширеніший - при різкому закритті дроселя, коли масова витратаповітря через мотор різко падає, але турбіна все ще обертаєтьсядосить швидко. Це миттєво перекидає нас ліворуч компресорною картоюв зону Surge. Але швидке спрацьовування Blow Off клапана відновлюєвитрату повітря через турбіни, випускаючи надлишок наддутогоповітря в атмосферу. Коли турбіна тільки починає виходити наддув.Він значно небезпечніший, оскільки може продовжуватися відноснодовго, особливо на високих передачах. Як правило, це пов'язано ззанадто великою швидкістю обертання турбіни і великому тиску, щостворюється в компресорі, при відносно малому загальному витратіповітря через мотор. Зазвичай спостерігається на гібридах змаленькою гарячою частиною, маленьким A/R гарячою частиною івеликою компресорною частиною. Ще одним способом, що допомагаєзнизити ймовірність попадання компресора в зону Surge євикористання компресорного хаузингу з так званим "Ported Shroud".Фактично це обвідні повітряні канали, вбудовані в компресорнийхаузинг:Завдяки цим каналам вдається змістити кордон Surge ліворучпо компресорній карті, за рахунок того що частина повітря можевийти з компресора назад у впуск. Це дозволяє за інших рівнихвикористовувати більший компресор на меншій турбінній частині безефекту Surge. Нижче наведено порівняння двох компресорних карт:зізвичайним компресорним хаузингом і з вбудованими обвіднимиканалами:Видно, що є досить значна область карти червоногокольору, яка є робочою для турбіни з портованим компресорнимхаузингом, але при цьому знаходиться ліворуч межі Surge картисинього кольору, що відповідає звичайному хаузингу. Як це виглядаєв реальному житті? Нижче наведено фото двох турбін 30-ї серії, перша 3071 без "Ported Shroud", друга 3076 із заводським "PortedShroud". Ported Shroud", якщо із заводу він не був виготовлений.Наприклад у випадку GT3582R це виглядає так:Подивимося ще раз нанашу компресорну карту і розглянемо останні три складові:Граничнамежа ефективності, Зони ефективності компресора і Швидкістьобертання турбіни. Обмежує карту зліва, так межа ефективностіобмежує її праворуч. Garrett на своїх картах вказує сферу роботикомпресора до 60-58% ефективності. Все, що знаходиться правіше зацей кордон, матиме ефективність нижче 58% і використання компресорав цій галузі втрачає сенс. За цією межею починається невиправдановелике нагрівання стисливого компресором повітря, а швидкістьобертання турбіни виходить за значення, що допускаютьсявиробником.

Ми бачимо концентричні замкнуті лінії, що розходяться з центральноїобласті карти. Біля кожної такої лінії підписано значенняефективності компресора всередині області, окресленої цією лінією.Найменша область у центральній частині відповідає максимальноможливій ефективності компресора. У міру віддалення від центру мипотраплятимемо в області все меншої та меншої ефективності поки невпораємося або в межу по Surge зліва, або в межу за продуктивністюправоруч.

Швидкість обертання турбіни Лінії, позначені на карті як "швидкість обертання турбіни", показують з якою швидкістюобертатиметься вал турбіни в цій галузі. Значення виражаються воборотах валу за хвилину часу. Зі зростанням швидкості обертаннятурбіни у нас збільшується тиск та/або витрата повітря черезкомпресор. Як видно, ці лінії починають сходитися в області кордонузони ефективності і, як уже було сказано вище, за межами цієїобласті швидкість обертання турбіни швидко збільшується за межідопустимого.

Цьому ми закінчуємо розгляд компресорної карти і тепер, розуміючи, що на ній зображено, в наступному розділі ми перейдемодо вивчення процесу підбору турбіни під конкретний мотор.