Турбонагнітач

Турбонагнітач (турбокомпрессор) від латин. turbo-обертання - це прилад, який використовує відпрацьовані гази(вихлопні гази) для збільшееня тиску всередині впускної камери.

Історія

На початку минулого століття швейцарський інженер Альфред Бюхи розробив перший пристрій нагнітання, який використовує як рушія енергію вихлопних газів. Будучи головним інженером науково-дослідного відділу компанії Sulzer Brothers, Бюхи в 1915 р. запропонував перший прототип турбодізеля.На жаль, він не був достатньо ефективним. Вже в 1917 р. обмежене число турбонагнітачів було випробуване на авіаційних моторах в умовах Першої світової війни. Небагато чим пізніше за турбіну з’явилися вони і на суднових дизелях. У 1920 р. компанії Mercedes і Fiat починають свої дослідження в області турбонаддува.

Автомобільні турбонагнітачі спершу стали з’являтися на вантажівках. Перший такий мотор був побудований компанією Swiss Machine Works Saurer. В роки Другої світової війни турбонагнітачі широко використовувалися і в авіації, і на військовому транспорті. У 1952 р. автомобіль з турбодізелем вперше взяв участь в автоперегонах. Масове впровадження турбонагнітачів відбулося завдяки роботам Вільяма Вулленвебера кінця 50-х-начала 60-х років. Саме його конструкція є прародителем сучасних турбонагнітачів.

Будова

Конструкція турбокомпресора об'єднує два колеса — турбінне й компресорне, розташовані на спільному валу ротора. Кожне з коліс, а також вал з підшипниками поміщені в окремі корпуси. Турбінне і компресорне колеса жорстко закріплені на валу ротора. Вал обертається у підшипниках ковзання. Використовуються підшипники плаваючого типу, тобто вони мають зазор як з боку корпусу, так і валу. Підшипники змащуються моторною оливою системи змащення двигуна. Олива подається по каналах в корпусі підшипників. Для герметизації оливи на валу встановлені защільнювальні кільця.

розріз турбонагнітача:зліва-турбіна;справа-нагнітач

Ключові компоненти турбокомпрессора

Він сккладається з трьох основних компонентів:

• Турбіна, яка завжди дає радіальний приплив(одноступінчаста осьова турбіна у великих дизельних двигунах).
• Центробіжний компрессор.
• Центр обертання вузла.

Принцип роботи

Вихлопні гази, проходячи в турбіну, приводять в обертання ротор. Колесо відцентрового компресора жорстко закріплене на осі ротора і обертається з тією ж швидкістю.Сама компресорна частина може бути різною по конструкції, але саме відцентровий тип став таким, що превалює. Чим більшою енергією володіють вихлопні гази, тим швидше обертаються колеса турбіни і, відповідно, компресори. Чим більше повітря подається в циліндри, тим більше палива може згоріти, тим вище потужність. При цьому частота обертання турбокомпресора може бути дуже високою - 150 тис. об/хв і більше. Колесо турбіни сполучене з валом зваркою тертям. Використання інших методів не дає необхідної точності з’єднання. Конструкція вал-турбіна повинна бути ідеально збалансована. Інакше, пам’ятаючи про високі швидкості крильчатки, навіть невелике биття приведе до гарантованої поломки. Вал в місці з’єднання з колесом зазвичай виконується порожнистим. Цей прийом дозволяє знизити тепловіддачу від колеса турбіни на вал і запобігти небажаному перегріву підшипників. Колесо турбіни, піддававшись прямій дії гарячих відпрацьованих газів, не несе такого великого теплового і, особливо, механічного навантаження, яку випробовує вал. Турбокомпресори виконують по декількох конструктивних схемах. В основному відмінності цих підходів зводяться до розміщення опор кріплення валу. У турбонагнітачах саме вал і опори є украй вразливою ланкою. Піддававшись дії високих температур від вихлопних газів і серйозним механічним навантаженням, обумовленим високими швидкостями обертання роторів, ці опори представляють серйозну проблему для розробників. Зараз можна зустріти схеми з підшипниками кочення, але найбільшого поширення набули підшипники ковзання (наприклад, бронзові втулки і т.п. ). Як правило, втулки виконують плаваючими (тобто із зазором щодо корпусу і щодо самого валу).

До істотного недоліку турбонагнітача можна віднести те, що для його роботи необхідний певний тиск газу, який створюється тільки при більш високих обертах двигуна. Тому виникло поняття "турбоями". Щоб досягти оптимального ККД нагнітачів і при низьких оборотах, застосовується регулювання тиску вихлопних газів. Для боротьби з "турбоямами " використовують нагнітачі зі змінною геометрією турбіни. Вони додають двигуну додаткову потужність і допомагають знижувати кількість шкідливих викидів. Додаткове кільце з керованими лопатками напрямних дозволяє підтримувати потік вихлопних газів не тільки постійно, але і управляти їм. На низьких оборотах, коли потік невеликий, поперечний перетин турбіни зменшується, що збільшує швидкість газів, що поступають на колесо, підвищуючи її потужність. На високих оборотах лопаті повністю відкривають вхід газам, збільшуючи пропускну спроможність турбіни. Таке гнучке управління дозволяє не тільки розширити діапазон ефективної роботи турбонагнітача, але і істотно понизити споживання палива і шкідливі викиди.

турбонагнітач зі змінною геометрією

Турбонагнітачі в авіації

В роки Першої світової війни було випробувано перші турбонагнітачі на авіаційних моторах. Це дозволило літаку забиратися вище, зберігаючи необхідну потужність мотора. Коли літак піднімається на велику висоту то тиск повітря швидко падає.На висоті 5486 м тиск повітря на половину менший ніж на рівні моря і аеродинамічний опір на половину зменшується. Але так як енергія в циліндрах не змінюється, то двигун зазвичай виробляє тільки половину потужності на максимальних обертах на цій висоті. Турбокомпрессор стискає повітря назад до тиску на рівні моря або набагато вище, для отримання номінальної потужності на великій висоті. Оскільки розмір турбокомпресора вибирається так , щоб виправити певну кількість тиску на великій висоті , то він є надто великим на малій висоті. Тому швидкість турбокомпресора контролюється вестгейтом.

посилання

• Большая советская энциклопедия - статья Турбокомпрессор.
• Ніцца, Карім (4 грудня 2000 року). "Як працюють турбокомпрессори".
• Николай С. (2005). Основи турбонадуву. Поняття ETI. ISBN 0-933283-14-8 .
• Jump up to: abA National Maritime Academy Presentation. Variable Turbine Geometry.
• Книга «Турбокомпрессори»