Основы турбонаддува. 3 часть
В этой части мы хотим поговорить об инженерных расчетах, потому как данная информация с точки зрения проектирования турбированных двигателей является своего рода краеугольным камнем. В этот раз мы разберем, что скрывается за понятием компрессорной карты, а также научимся рассчитывать массу расхода воздуха с соотношением давлений. Кроме того, попробуем потренироваться в правильных подборах параметров турбокомпрессора, попутно отмечая на компрессорной карте точки.
Для начала попробуем определиться с рядом терминов, которые будут применяться в описании процессов, протекающих непосредственно в турбокомпрессора.
Относительное и абсолютное давление
Под понятием абсолютного давления принято подразумевать давление, образованное в условиях абсолютного (полного) вакуума. Иными словами, речь идет о таком давлении, которое бы было показано на приборе в безвоздушном пространстве или космосе. Разумеется, то абсолютное давление, равно как и абсолютная температура, в данной ситуации не может быть ниже нулевого. Поскольку в условиях Земли мы постоянно находимся и в условиях ее атмосферы, то здесь принято брать абсолютное давление из расчета атмосферы на уровне моря – его так и назвали «атмосфера», сокращенно атм.
Что же касается относительного давления, то под этим термином скрывается давление воздуха относительно давления атмосферы. То есть, относительное давление может иметь и отрицательное значения, впрочем, не ниже -1 атм. Перевод давления из одного типа в другой можно достаточно просто. Так, атмосферное давление равняется абсолютному давлению минус 1. А абсолютное наоборот – атмосферное давление плюс 1.
Попробуем на этом примере замерить давление впускного коллектора. Для этого нужно воспользоваться прибором, определяющим величину наддува. Такие приборы сегодня нередко используются для измерений показателя относительного давления. Так, двигатель, который работает на холостых оборотах, создает разрежение воздуха со значением от -0,65 до -0,75 атмосфер. А вот на наддуве прибор покажет другие показания – от 1 до 2 атмосфер.
Все эти измерения призваны показать относительное давление, то есть, давление относительно атмосферы. А если нам потребуется получить из них абсолютное давление, то к ним нужно будет просто прибавить единицу. Иными словами в двигателе абсолютное давление составит +0,25 или +0,35 атмосфер, а при наддуве 2-3 атм.
Основные параметры компрессорной карты
Компрессорная карта представлена в виде графического отображения работы турбокомпрессора в разнообразных условиях. В этом плане речь об отображении основных характеристик турбокомпрессора:
- скорости вращения вала турбины;
- диапазон массы расходуемого воздуха;
- допустимые давления воздуха для работы;
- эффективность турбокомпрессора.
Air Flow (Расход воздуха)
Массовый расход воздуха (Air Flow) – этот показатель всегда располагается на горизонтальной оси компрессорной карты. Данным параметром определяется масса воздуха, проходящая непосредственно через двигатель (или компрессор) за конкретный промежуток времени. Как правило, данная величина выражена на компрессорной карте в фунтах воздушной массы, прошедшей через компрессор за минуту. Для того, чтобы привести ее в более привычные для нас значения отметим, что 1 фунт равен 0,45 килограммам.
Поскольку показатели мощности двигателя напрямую зависят от того, какое количество топливовоздушной смеси через него проходит, то расход массы воздуха можно считать основной из характеристик, отображаемых на компрессорной карте. К примеру, при прохождении через компрессор или двигатель -,45 килограмм воздуха в минуту, современная силовая установка будет способна вырабатывать около 10 л.с. мощности. Вот почему достаточно одного лишь взгляда на компрессорную карту, чтобы точно оценить потенциальные показатели мощности двигателя с такими показателями. Например, в соответствии с компрессорной картой область работы турбокомпрессора представлена пиковыми 52 фунтами. То есть, оценочные характеристики такой турбины достигнуть отметки примерно в 500 л.с.
Граница помпажа
Такой термин, как граница помпажа, определяется на компрессорной карте крайней левой линией. В зоне, расположенной левее этой границы, компрессор начинает работать нестабильно, появляются резкие колебания в интенсивности поступающего воздушного потока. При продолжительной работе в подобных условиях турбокомпрессор достаточно быстро изнашивается и выходит из строя, потому как крыльчатка и подшипники испытывают критические перегрузки.
Вообще, турбина может перейти в режим помпажа в двух конкретных случаях:
- Резкое закрытие дроссельной заслонки. В этом случае наблюдается резкое падение расхода топлива, однако турбина при этом продолжает вращаться с достаточно высокой скоростью. На компрессорной карте такой эффект был бы представлен в виде резкого смещения влево, непосредственно к зоне помпажа. Избавиться от риска возникновения подобного явления поможет своевременно сработавший клапан Blow Off. На этом этапе восстанавливается расход проходящего через турбину воздуха, а излишки нагнетаемого воздуха будут сброшены в атмосферу.
- Режим полной нагрузки. Чаще всего, при низких оборотах двигателя, во время выхода турбины на работу в режиме наддува, также появляется помпаж. Кроме того, такой переход можно назвать куда более опасным чем первый. Ведь эффект в данном случае может протекать в течение продолжительного промежутка времени, да еще и на высоких передачах. Данное явление, как правило, сопряжено со слишком возросшей скоростью работы турбины и, разумеется, большим давлением в компрессоре, при которых расход воздуха в двигателе сохраняет на относительно невысокой величине. Наиболее часто подобное может произойти на гибридных силовых установках с незначительным соотношением A/R.
Снизить риски выхода турбокомпрессора в режим помпажа можно посредством установки на него корпуса турбины со встроенным обводным воздушным каналом. Применение таких каналов предоставляет возможности для значительного сдвиганию границы помпажа по самой компрессорной карте и воспользоваться более крупным компрессором при условиях меньшей турбинной части, разумеется, без нежелательного эффекта помпажа.
Границы предельной эффективности компрессора
Граница предельной эффективности компрессора – это зона, которой компрессорная карта ограничена в правой части. К примеру, компрессоры Garrett в данной области демонстрируют диапазон от 60 до 58 процентов эффективности. Все прочие режимы, которые находятся еще правее данной границы, будут обладать меньшей эффективности и приведут лишь к чрезмерному нагреву воздуха, который сжимается компрессором. Разумеется, в этом случае образуется также и эффект критически высокой скорости вращения вала турбины.
Скорость вращения турбины
Для того, чтобы оценить скорость вращения турбины, можно воспользоваться на компрессорной карте специальными одноименными линиями. Как вы могли догадаться, данные линии демонстрируют как раз скорость вращения вала турбины в конкретной области компрессорной карты. Значения скорости вращения вала турбины в данном случае приводятся в количестве оборотов вала за минуту. При повышении скорости вращения вала турбины повышается и давление, а также показатели расхода воздуха, проходящего непосредственно через турбокомпрессор. Как можно видеть по компрессорной карте, данные линии склонны сходиться на границах зон эффективности. Как мы говорили ранее, за пределами этой области показатели скорости вращения вала турбины резко возрастают и переходят в критические, недопустимые.
Зоны эффективности турбокомпрессора
Замкнутые концентрические линии, которые выходят из центральной зоны компрессорной карты, представлены в виде срезов значений эффективности турбокомпрессора. Показатели эффективности функционирования турбокомпрессора в пределах данной зоны будут оптимальными. А вот мелкая область, которая располагается в самой центральной части компрессорной карты, будет соответствовать максимально возможным показателям эффективности в работе турбокомпрессора. Как только значения удаляются от центральной части компрессорной карты, показатели эффективности начинают снижаться, пока не дойдут до крайних значений, граничащих непосредственно с выходом турбины в режим помпажа или пределами производительности.