У цій частині нам доведеться зайнятися інженерними розрахунками, ця інформація є наріжною в турбобудуванні. Ви дізнаєтеся, що вдає із себе компресорна карта, навчитеся розраховувати масова витрата повітря і співвідношення тисків, а також потренуєтеся правильно підбирати параметри турбокомпресора, відзначаючи точки на компресорній карті.
Для початку визначимося з деякими термінами, які необхідні для розуміння протікають в турбокомпресорі процесів.
Абсолютна і відносне тиск.
Під абсолютним тиском розуміється тиск в умовах повного (абсолютного) вакууму. Тобто такий тиск, який показував би прилад в космічному (безповітряному) просторі, або, наприклад, на Місяці. Природно, такий тиск (як і абсолютна температура) може бути тільки позитивним або нульовим. Так як на Землі ми практично завжди знаходимося в атмосфері, то абсолютний тиск атмосфери на рівні моря так і назвали «атмосферою», або скорочено «атм».
Під відносним прийнято вважати тиск повітря щодо атмосферного. Відповідно, відносне тиск може бути позитивним і негативним, але не менше -1 атм. Перекласти один тип тиску в інший можна за нехитрим формулами:
Ратм = Рабс-1;
Рабс = Ратм + 1, де:
Ратм - атмосферний тиск,
Рабс - абсолютний тиск.
(Р - загальноприйняте позначення тиску від англійського слова Pressure - «тиск»).
Наприклад, виміряємо тиск у впускному колекторі двигуна. Використовуємо для цього прилад, який показує величину наддуву. Подібні прилади застосовуються для виміру відносного тиску. Двигун, що працює в режимі холостого ходу, буде створювати розрідження від 0,65 до 0,75 атмосфер (тобто показувати значення -0,65. -0,75). На наддуванні свідчення такого приладу будуть лежати в діапазоні 1 - 2 атм.
Всі подібні вимірювання показують відносне тиск (щодо атмосфери). Щоб отримати значення абсолютного тиску, до отриманих показаннями необхідно додати одиницю, якщо тиск вимірюється в атмосферах, або її еквівалент в інших одиницях виміру.
Таким чином, абсолютний тиск на двигуні буде +0,25 - +0,35 атмосфер, а на наддуванні від 2-х до 3-х атм.
Параметри компресорної карти
Компресорна карта це графічне представлення роботи компресора в різних режимах. При цьому відображаються такі основні характеристики компресора:
- ефективність компресора;
- швидкість обертання валу турбіни;
- діапазон масової витрати повітря;
- допустимість роботи при різних тисках наддуву.
Нижче приведена стандартна компресорна карта з назвами її характеристик:
Розглянемо їх докладніше:
По вертикалі показано значення параметра Pressure Ratio (відношення тисків), величина, що дорівнює відношенню абсолютного тиску на виході до абсолютного тиску на вході компресора:
PR = Pcr / Pin
де:
PR - відношення тисків,
Pin - абсолютний тиск на вході
Pcr - абсолютний тиск на виході компресора.
Простіше кажучи, величина PR показує ступінь стиснення повітря компресором.
Приклад розрахунку Pressure Ratio:
Нехай нам необхідно розглянути роботу компресора при 0.6 атм наддуву в колекторі. Спочатку згадаємо, що під "наддувом" мається на увазі відносний тиск, а нам для розрахунків необхідна абсолютна. Тому, згідно з вищенаведеними формулами, додаємо до нього одиницю атмосферного тиску і отримуємо в колекторі 1,6 атм абсолютного тиску.
В даному випадку, при нормальному тиску атмосфери на вході, ставлення тисків буде наступним:
PR = Pcr / Pin = 1,6 / 1,0 = 1,6.
Однак, на практиці все трохи складніше. Через наявність в системі повітряного фільтра тиск на вході компресора зазвичай менше атмосферного. Падіння тиск в залежності від якості і розміру фільтра може бути від 0,02 до 0,10 атм. Припустимо, що в нашому випадку воно менше атмосферного на 0.06 атм.
Тоді формула стане наступною:
PR = 1,6 / (1,0-0,06) = 1,7 / 0,94 = 1,81
Отже, для розрахунку Pressure Ratio нам необхідно знати величину наддуву, для якого вважається PR і розрідження повітря на впуску перед компресором. Потім залишається скористатися наступною формулою:
PR = (1,0 + «тиск повітря на виході компресора») / (1,0 - «розрідження на впуску перед компресором»).
Для спортивного автомобіля без повітряного фільтра, формула стає ще простіше, так як дільник можна прийняти рівним одиниці і вважати:
PRспорт = 1 + «тиск повітря на виході компресора».
Витрата повітря або Air Flow
По горизонтальній осі графіка у нас вказується "масова витрата повітря".
Цей параметр показує масу повітря, що проходить через компресор (і через двигун) за одиницю часу. Традиційно ця величина виражається на компресорних картах в фунтах повітря, що пройшло за хвилину часу (lb / min). Для перекладу в більш звичну (інтернаціональну) систему одиниць виміру фунт приймається рівним 0,45 кг (хвилина - 60 секунд).
Так як потужність двигуна прямо залежить від кількості проходить через нього паливо-повітряної суміші, то масова витрата повітря є головною характеристикою компресорної карти. Так, при проходженні через двигун одного фунта повітря в хвилину, сучасний мотор виробляє близько 10 кінських сил потужності. Тому, досить навіть просто поглянути на компресорну карту, щоб оцінити потенційну потужність двигуна з такою турбіною. Наприклад, згідно з вищенаведеним графіком область роботи компресора завершується приблизно на 52 фунтах. Отже, таку турбіну можна оцінити приблизно в 500 к.с.
Кордон помпажа (Surge)
Кордоном помпажа на компресорній карті називається крайня ліва лінія. Лівіше цього кордону робота компресора стає нестабільною, що призводить до різких коливань інтенсивності повітряного потоку. При тривалій роботі в таких умовах компресор швидко виходить з ладу у зв'язку з великим навантаженням на крильчатку і підшипники.
Турбіна переходить в режим помпажа в двох випадках:
- при різкому закритті дроселя. При цьому витрата повітря різко падає, але турбіна все ще продовжує дуже швидко обертатися. На компресорній карті це виглядало б як різке зміщення вліво, в зону помпажа. Уникнути цього явища допомагає своєчасне спрацьовування клапана Blow Off. При цьому відновлюється витрата проходить через турбіни повітря, а надлишок наддутого повітря викидається в атмосферу.
- в режимі повного навантаження. Як правило, на низьких оборотах, в процесі виходу турбіни в режим наддуву. Такий перехід ще більш небезпечний (ніж перший варіант), так як може тривати порівняно довго (часто на високих передачах). Це явище зазвичай пов'язане із занадто високою швидкістю обертання турбіни і, відповідно, великим тиску в компресорі (при цьому витрата повітря через двигун залишається на порівняно невисокому рівні). Як правило, таке трапляється на гібридах з маленьким співвідношенням A / R гарячої частини, маленької гарячої частиною і великою компресорної частиною.
Зменшити ймовірність попадання компресора в режим помпажа (Surge) можна за допомогою установки компресорного хаузінга (корпусу турбіни) з "Ported Shroud" - обвідними повітряними каналами, вбудованими в компресорний хаузінг (корпус турбіни):
Використання цих каналів дозволяє зрушити кордон помпажа (на компресорній карті) лівіше за рахунок перенаправлення частини повітря з компресора назад у впуск. За інших рівних умов така конструкція дає можливість використовувати більший компресор при меншій турбінної частини без небажаних ефектів помпажа. Нижче порівнюються дві компресорних карти: з вбудованими обвідними каналами і зі стандартним компресорним хаузінгом (корпусом турбіни):
Як видно на наведеному графіку, є досить значна область карти, виділена червоним кольором, яка підходить для турбін з Портировать компресорним хаузінгом (корпусом турбіни), проте звичайний хаузінг (виділений синім кольором) при цьому потрапляє в неробочу зону.
Як виглядають портований і непортірованние турбіни видно на наведених нижче фотографіях:
Турбіна 3071 без антипомпажного отворів.
Турбіна 3076 із заводськими антипомпажного отворами.
В принципі, можливо портирование заводського компресорного хаузінга якщо він не був виготовлений в заводських умовах. Наприклад для GT3582R це буде виглядати так:
Тепер розглянемо останні три складових нашої компресорної карти: "Гранична межа ефективності", "Швидкість обертання турбіни" і "Зони ефективності компресора":
Гранична межа ефективності компресора.
Кордон ефективності компресора обмежує карту праворуч (так само, як лінія помпажа обмежує її зліва. Так, наприклад, Garrett вказує на своїх картах область до 60-58% ефективності роботи компресора. Всі режими, що знаходяться правіше за цю межу, матимуть ефективність менше 58% і призводять лише до зайвого нагріву стискається компресором повітря і неприпустимою швидкості обертання турбіни.
Швидкість обертання турбіни
Для оцінки швидкості обертання турбіни служать спеціальні лінії так і позначені на карті - "швидкість обертання турбіни". Як неважко здогадатися, ці лінії показують швидкість, з якою буде обертатися вал турбіни в цій області карти. Значення швидкості наведені в оборотах вала за одну хвилину. При зростанні швидкості обертання турбіни збільшується тиск, а також витрата проходить через компресор повітря. Як видно на карті, ці лінії сходяться на кордоні зони ефективності. Як уже було відзначено вище, за кордоном цій галузі швидкість обертання турбіни різко збільшується і виходить за межі допустимого.
Зони ефективності компресора
Концентричні замкнуті лінії, що виходять з центральної області карти, являють собою зрізи значення ефективності компресора. Ефективність роботи компресора всередині області, окресленої такою лінією, не нижче зазначеного на лінії значення. Маленька область, розташована в центральній частині карти відповідає максимально можливої ефективності роботи компресора. При видаленні від центру карти ефективність зменшується, поки не дійде до крайніх значень, обмежених режимом помпажа зліва і межею по продуктивності праворуч.