Основы турбонаддува. Часть 3

В этой части нам придется заняться инженерными расчетами, эта информация является краеугольной в турбостроении. Вы узнаете, что представляет из себя компрессорная карта, научитесь рассчитывать массовый расход воздуха и соотношение давлений, а также потренируетесь правильно подбирать параметры турбокомпрессора, отмечая точки на компрессорной карте.

Для начала определимся с некоторыми терминами, которые необходимы для понимания протекающих в турбокомпрессоре процессов.

Абсолютное и относительное давление.

Под абсолютным давлением понимается давление в условиях полного (абсолютного) вакуума. То есть такое давление, которое показывал бы прибор в космическом (безвоздушном) пространстве, или, например, на Луне. Естественно, такое давление (как и абсолютная температура) может быть только положительным или нулевым. Так как на Земле мы практически всегда находимся в атмосфере, то абсолютное давление атмосферы на уровне моря так и назвали «атмосферой», или сокращенно «атм».

Под относительным принято считать давление воздуха относительно атмосферного. Соответственно, относительное давление может быть положительным и отрицательным, но не менее -1 атм. Перевести один тип давления в другой можно по нехитрым формулам:
Ратм=Рабс-1;
Рабс=Ратм+1, где:
Ратм – атмосферное давление,
Рабс – абсолютное давление.

(Р – общепринятое обозначение давления от английского слова Pressure – «давление»).

Например, измерим давление во впускном коллекторе двигателя. Используем для этого прибор, показывающий величину наддува. Подобные приборы применяются для измерения относительного давления. Двигатель, работающий в режиме холостого хода, будет создавать разрежение от 0,65 до 0,75 атмосфер (то есть показывать значения -0,65 ... -0,75). На наддуве показания такого прибора будут лежать в диапазоне 1 - 2 атм.

Все подобные измерения показывают относительное давление (относительно атмосферы). Чтобы получить значения абсолютного давления, к полученным показаниям необходимо прибавить единицу, если давление измеряется в атмосферах, или ее эквивалент в других единицах измерения.

Таким образом, абсолютное давление на двигателе будет +0,25 - +0,35 атмосфер, а на наддуве от 2-х до 3-х атм.

Параметры компрессорной карты

Компрессорная карта это графическое представление работы компрессора в различных режимах. При этом отображаются следующие основные характеристики компрессора:
- эффективность компрессора;
- скорость вращения вала турбины;
- диапазон массового расхода воздуха;
- допустимость работы при различных давлениях наддува.

Ниже приведена стандартная компрессорная карта с названиями ее характеристик:

Рассмотрим их подробнее:

По вертикали показано значение параметра Pressure Ratio (отношение давлений), величина, равная отношению абсолютного давления на выходе к абсолютному давлению на входе компрессора:
PR = Pcr/Pin
Где:
PR - отношение давлений,
Pin - абсолютное давление на входе
Pcr - абсолютное давление на выходе компрессора.

Проще говоря, величина PR показывает степень сжатия воздуха компрессором.

Пример расчета Pressure Ratio:

Пусть нам необходимо рассмотреть работу компрессора при 0.6 атм наддува в коллекторе. Сначала вспомним, что под "наддувом" подразумевается относительное давление, а нам для расчетов необходимо абсолютное. Поэтому, согласно вышеприведенным формулам, добавляем к нему единицу атмосферного давления и получаем в коллекторе 1,6 атм абсолютного давления.

В данном случае, при нормальном давлении атмосферы на входе, отношение давлений будет следующим:

PR = Pcr/Pin = 1,6/1,0 = 1,6.

Однако, на практике все немного сложнее. Из-за наличия в системе воздушного фильтра давление на входе компрессора обычно меньше атмосферного. Падение давление в зависимости от качества и размера фильтра может быть от 0,02 до 0,10 атм. Предположим, что в нашем случае оно меньше атмосферного на 0.06 атм.

Тогда формула станет следующей:

PR = 1,6/(1,0-0,06) = 1,7 / 0,94 = 1,81

Итак, для расчета Pressure Ratio нам необходимо знать величину наддува, для которого считается PR и разрежение воздуха на впуске перед компрессором. Затем остается воспользоваться следующей формулой:

PR = (1,0 + «давление воздуха на выходе компрессора») / (1,0 – «разрежение на впуске перед компрессором»).

Для спортивного автомобиля без воздушного фильтра, формула становится еще проще, так как делитель можно принять равным единице и считать:

PRспорт = 1 + «давление воздуха на выходе компрессора».

Расход воздуха или Air Flow

По горизонтальной оси графика у нас указывается "массовый расход воздуха".

Этот параметр показывает массу воздуха, которая проходит через компрессор (и через двигатель) за единицу времени. Традиционно эта величина выражается на компрессорных картах в фунтах воздуха, прошедшего за минуту времени (lb/min). Для перевода в более привычную (интернациональную) систему единиц измерения фунт принимается равным 0,45 кг (минута - 60 секунд).

Так как мощность двигателя прямо зависит от количества проходящей через него топливовоздушной смеси, то массовый расход воздуха является главной характеристикой компрессорной карты. Так, при прохождении через двигатель одного фунта воздуха в минуту, современный мотор вырабатывает порядка 10 лошадиных сил мощности. Поэтому, достаточно даже просто взглянуть на компрессорную карту, чтобы оценить потенциальную мощность двигателя с такой турбиной. Например, согласно вышеприведенному графику область работы компрессора завершается примерно на 52 фунтах. Значит, такую турбину можно оценить примерно в 500 л.с.

Граница помпажа (Surge)

Границей помпажа на компрессорной карте называется крайняя левая линия. Левее этой границы работа компрессора становится нестабильной, приводящей к резким колебаниям интенсивности воздушного потока. При длительной работе в таких условиях компрессор быстро выходит из строя в связи с большой нагрузкой на крыльчатку и подшипники.

Турбина переходит в режим помпажа в двух случаях:

- при резком закрытии дросселя. При этом расход воздуха резко падает, но турбина все еще продолжает очень быстро вращаться. На компрессорной карте это выглядело бы как резкое смещение влево, в зону помпажа. Избежать этого явления помогает своевременное срабатывание клапана Blow Off. При этом восстанавливается расход проходящего через турбины воздуха, а излишек наддутого воздуха выбрасывается в атмосферу.

- в режиме полной нагрузки. Как правило, на низких оборотах, в процессе выхода турбины в режим наддува. Такой переход еще более опасен (чем первый вариант), так как может продолжаться сравнительно долго (часто на высоких передачах). Это явление обычно связанно со слишком высокой скоростью вращения турбины и, соответственно, большим давлении в компрессоре (при этом расход воздуха через двигатель остается на сравнительно невысоком уровне). Как правило, такое случается на гибридах с маленьким соотношением A/R горячей части, маленькой горячей частью и большой компрессорной частью.

Уменьшить вероятность попадания компрессора в режим помпажа (Surge) можно с помощью установки компрессорного хаузинга (корпуса турбины) с "Ported Shroud" - обводными воздушными каналами, встроенными в компрессорный хаузинг (корпус турбины):

Использование этих каналов позволяет сдвинуть границу помпажа (на компрессорной карте) левее за счет перенаправления части воздуха из компрессора обратно во впуск. При прочих равных условиях такая конструкция дает возможность использовать больший компрессор при меньшей турбинной части без нежелательных эффектов помпажа. Ниже сравниваются две компрессорных карты: со встроенными обводными каналами и со стандартным компрессорным хаузингом (корпусом турбины):

Как видно на приведенном графике, имеется довольно значительная область карты, выделенная красным цветом, которая подходит для турбин с портированным компрессорным хаузингом (корпусом турбины), однако обычный хаузинг (выделенный синим цветом) при этом попадает в нерабочую зону.

Как выглядят портированные и непортированные турбины видно на приведенных ниже фотографиях:

Турбина 3071 без антипомпажных отверстий.

Турбина 3076 с заводскими антипомпажными отверстиями.

В принципе, возможно портирование заводского компрессорного хаузинга если он не был изготовлен в заводских условиях. Например для GT3582R это будет выглядеть так:

Теперь рассмотрим последние три составляющих нашей компрессорной карты: "Предельная граница эффективности", "Скорость вращения турбины" и "Зоны эффективности компрессора":

Предельная граница эффективности компрессора.

Граница эффективности компрессора ограничивает карту справа (так же, как линия помпажа ограничивает ее слева. Так, например, Garrett указывает на своих картах область до 60-58% эффективности работы компрессора. Все режимы, находящиеся правее этой границы, будут иметь эффективность менее 58% и приводят лишь к излишнему нагреву сжимаемого компрессором воздуха и недопустимой скорости вращения турбины.

Скорость вращения турбины

Для оценки скорости вращения турбины служат специальные линии так и обозначенные на карте - "скорость вращения турбины". Как нетрудно догадаться, эти линии показывают скорость, с которой будет вращаться вал турбины в этой области карты. Значения скорости приведены в оборотах вала за одну минуту. При возрастании скорости вращения турбины увеличивается давление, а также расход проходящего через компрессор воздуха. Как видно на карте, эти линии сходятся на границе зоны эффективности. Как уже было отмечено выше, за границей этой области скорость вращения турбины резко увеличивается и выходит за пределы допустимого.

Зоны эффективности компрессора

Концентрические замкнутые линии, выходящие из центральной области карты, представляют собой срезы значения эффективности компрессора. Эффективность работы компрессора внутри области, очерченной такой линией, не ниже указанного на линии значения. Маленькая область, расположенная в центральной части карты соответствует максимально возможной эффективности работы компрессора. При удалении от центра карты эффективность уменьшается, пока не дойдет до крайних значений, ограниченных режимом помпажа слева и пределом по производительности справа.