Jakie są elementy turbosprężarki?

Elementy turbosprężarki obejmują sekcję turbiny, sekcję sprężarki i układ łożysk (CHRA) jako trzy podstawowe elementy, a także części pomocnicze, takie jak przepustnice,-zawory upustowe i obudowy, które umożliwiają turbosprężarce sprężanie powietrza dolotowego i zwiększanie mocy silnika.

Trzy główne sekcje turbosprężarki

Każdy układ turbosprężarki dzieli się na trzy podstawowe zespoły. Sekcja turbiny wychwytuje energię spalin, sekcja sprężarki spręża powietrze dolotowe, a zespół obrotowy obudowy środkowej łączy je za pomocą precyzyjnego wału i układu łożysk.

Architektura sekcji turbin

Zespół turbiny składa się z koła turbiny i obudowy turbiny współpracujących w celu uzyskania energii ze gazów spalinowych. Wirnik turbiny przekształca ciśnienie spalin i ciepło w siłę obrotową, obracając się z prędkością przekraczającą 250 000 obr./min w- zastosowaniach wymagających dużej wydajności. Koło to montuje się na jednym końcu wału turbosprężarki i łączy się bezpośrednio z kołem sprężarki na drugim końcu.

Konstrukcja obudowy turbiny znacząco wpływa na charakterystykę pracy. Obudowa kieruje spaliny w stronę koła turbiny poprzez spiralną komorę spiralną. Geometria tej spirali, mierzona jako stosunek A/R (powierzchnia podzielona przez promień), określa, jak szybko reaguje turbosprężarka w porównaniu z mocą, jaką może utrzymać przy wysokich obrotach. Mniejsze A/R, np. 0,82:1, zapewnia szybszą reakcję, ale ogranicza-przepływ z góry, podczas gdy większe A/R, np. 1,32:1, zmniejsza przeciwciśnienie przy dużych prędkościach, ale zwiększa opóźnienie.

Turbosprężarki o zmiennej geometrii wprowadzają regulowane łopatki pomiędzy spiralą a kołem turbiny. Łopatki te dynamicznie zmieniają efektywny stosunek A/R, umożliwiając turbosprężarce optymalizację wydajności w całym zakresie obrotów. Łopatki są produkowane przy użyciu zaawansowanych procesów produkcyjnych formowania wtryskowego metali (MIM), które umożliwiają wytwarzanie złożonych geometrii z tolerancjami tak wąskimi jak ± 0,015 mm, wytrzymując przy tym ciągłe temperatury około 800 stopni.

Elementy sekcji sprężarki

Zespół sprężarki spręża powietrze z otoczenia przed jego wejściem do silnika. W sercu znajduje się koło sprężarki, zwykle wykonane ze stopu aluminium, aby utrzymać niską masę wirującą. Koło to zasysa powietrze przez wlot sprężarki i przyspiesza je promieniowo,-obracając przepływ powietrza o 90 stopni wzdłuż powierzchni łopatek, a następnie wtłaczając je do obudowy sprężarki.

Rozmiar koła sprężarki bezpośrednio określa wydajność przepływu powietrza. Średnica induktora (mierzona na końcach łopatek, przez które wchodzi powietrze) zwykle waha się od 45 mm do ponad 100 mm, w zależności od zastosowania. Producenci często odwołują się do turbosprężarek na podstawie tego pomiaru-„turbina 88 mm” ma induktor sprężarki 88 mm. Większe koła przenoszą więcej powietrza, ale do obracania wymagają więcej energii spalin, co stanowi zasadniczy kompromis-między reakcją a maksymalną mocą.

Obudowa sprężarki zbiera sprężone powietrze wychodzące z koła i kieruje je do wlotu silnika. Wewnątrz obudowy sekcja dyfuzora spowalnia-powietrze o dużej prędkości, przekształcając energię kinetyczną w ciśnienie statyczne-mierzone przez nas doładowanie. Obudowa sprężarki ma również swój własny współczynnik A/R, który wpływa na wydajność sprężarki i charakterystykę udarową.

Zespół obrotowy obudowy środkowej (CHRA)

CHRA stanowi mechaniczny rdzeń każdej turbosprężarki. Zespół ten obejmuje samą obudowę środkową, wał turbiny łączący oba koła oraz układ łożysk podtrzymujący wał. W obudowie środkowej zazwyczaj zastosowano konstrukcję z żeliwa lub aluminium ze zintegrowanymi kanałami dla przepływu oleju i chłodziwa.

Wewnątrz CHRA układ łożysk radzi sobie z ekstremalnymi warunkami pracy. Wał obraca się z prędkością sięgającą 230 000 obr./min, pracując w temperaturach dochodzących do 800 stopni po stronie turbiny i temperaturach poniżej zera po stronie sprężarki podczas zimnego rozruchu. Łożyska te muszą minimalizować tarcie, jednocześnie precyzyjnie kontrolując ruch wału zarówno w kierunku promieniowym, jak i osiowym.

W nowoczesnych turbosprężarkach dominują dwie technologie łożysk. Łożyska poprzeczne wykorzystują hydrodynamiczny film olejowy do zawieszenia wału bez kontaktu metalu-z-metalem. Wał dosłownie unosi się na oleju silnikowym pod ciśnieniem w obrębie luzów łożyskowych. Ta w pełni-pływająca konstrukcja zapewnia doskonałe tłumienie, ale wymaga większego przepływu oleju i powoduje większe tarcie. Systemy łożysk kulkowych zastępują łożyska poprzeczne łożyskami kulkowymi skośnymi, które zmniejszają tarcie o około 50% w porównaniu z łożyskami poprzecznymi. Dzięki tej redukcji turbosprężarki z łożyskami kulkowymi rozwijają się o 15% szybciej, znacznie zmniejszając opóźnienie turbo.

CHRA zawiera również krytyczne komponenty uszczelniające. Uszczelnienia typu pierścienia tłokowego-na każdym końcu środkowej obudowy zapobiegają przedostawaniu się powietrza dolotowego i gazów spalinowych do wypełnionej olejem-komory łożyska. Uszczelnienia te stoją przed trudnym zadaniem,-muszą skutecznie uszczelniać przed gazami pod ciśnieniem doładowania, jednocześnie dostosowując się do ruchu wału i unikając nadmiernego tarcia przy bardzo-wysokich prędkościach obrotowych.

Niezbędne komponenty wsparcia

Oprócz trzech głównych sekcji, kilka elementów pomocniczych reguluje pracę turbosprężarki i zapobiega jej uszkodzeniom w ekstremalnych warunkach.

Systemy Wastegate

Wastegates kontrolują maksymalne ciśnienie doładowania, omijając spaliny wokół koła turbiny. Bez tej kontroli turbosprężarka będzie nadal przyspieszać, aż ciśnienie doładowania przekroczy bezpieczne granice silnika lub do momentu, gdy nastąpi katastrofalna awaria.

Wewnętrzne przepustnice integrują się bezpośrednio z obudową turbiny. Siłownik pneumatyczny podłączony do zaworu „klapowego” otwiera kanał obejściowy, gdy ciśnienie doładowania osiągnie poziom docelowy, kierując przepływ spalin z dala od koła turbiny. Taka konfiguracja zapewnia zwartość systemu i zmniejsza złożoność instalacji wodno-kanalizacyjnej. Ponad 70% pojazdów z fabrycznym turbodoładowaniem wykorzystuje wewnętrzne przepustnice ze względu na zalety opakowania i-opłacalność.

Zewnętrzne przepustnice montowane są oddzielnie na kolektorze wydechowym lub kolektorze. Jednostki te zapewniają doskonałą przepustowość i wydajność, szczególnie w zastosowaniach o dużej-mocy przekraczającej 600 koni mechanicznych na kołach. Pominięte spaliny można skierować z powrotem do układu wydechowego za turbiną lub odprowadzić bezpośrednio do atmosfery w zastosowaniach wyścigowych. Zewnętrzne wastegate zapewniają bardziej precyzyjną kontrolę doładowania, ale zwiększają złożoność i koszt instalacji.

Zawory obejściowe sprężarki

Zawory obejściowe sprężarki-powszechnie nazywane-zaworami wydmuchowymi lub zaworami recyrkulacyjnymi-zapobiegają wzrostowi ciśnienia sprężarki w przypadku nagłego zamknięcia przepustnicy. Podczas pracy z dużym-doładowaniem zamknięcie łopatki przepustnicy powoduje powstanie skoku ciśnienia, który wypycha sprężone powietrze do tyłu przez koło sprężarki. Ten przepływ wsteczny powoduje zatrzymanie się sprężarki i wzrost napięcia, wytwarzając charakterystyczny trzepoczący dźwięk i poddając łożysko oporowe niszczącym obciążeniom.

Zawór obejściowy montowany jest pomiędzy wylotem sprężarki a korpusem przepustnicy. Wykorzystuje kombinację sygnałów siły sprężyny i ciśnienia do wykrycia zamknięcia przepustnicy, a następnie otwiera się, aby upuścić lub recyrkulować uwięzione ciśnienie doładowania. Atmosferyczne zawory upustowe-upuszczają powietrze do atmosfery z charakterystycznym szumem, podczas gdy zawory recyrkulacyjne kierują powietrze z powrotem do wlotu sprężarki, aby utrzymać właściwe proporcje powietrza-do paliwa w pojazdach wyposażonych w czujniki masowego przepływu powietrza.

Integracja intercoolera

Sprężone powietrze wytwarza ciepło w wyniku termodynamicznej zależności między ciśnieniem i temperaturą. Na każde 20 psi doładowania temperatura sprężonego powietrza przed wejściem do silnika może przekroczyć 300 stopni F. To gorące powietrze zmniejsza gęstość i sprzyja detonacji, ograniczając moc i niezawodność.

Chłodnice międzystopniowe (dokładniej nazywane chłodnicami powietrza doładowującego) rozwiązują ten problem poprzez schładzanie sprężonego powietrza przed jego wejściem do kolektora dolotowego. Chłodnice międzystopniowe typu powietrze--powietrze wykorzystują przepływ powietrza z otoczenia, natomiast konstrukcje typu powietrze-–-woda zapewniają cyrkulację chłodziwa przez wymiennik ciepła. Skuteczne chłodzenie międzystopniowe może obniżyć temperaturę powietrza dolotowego o 150-200 stopni F, zwiększając gęstość powietrza o 15-25% i znacznie poprawiając moc wyjściową i bezpieczeństwo silnika.

Zaawansowana produkcja w produkcji turbosprężarek

Nowoczesne komponenty turbosprężarek wymagają ekstremalnej precyzji i egzotycznych materiałów. Łopatki o zmiennej geometrii muszą utrzymywać profile płata w zakresie ± 0,015 mm, gdy są wystawione na działanie korozyjnych gazów spalinowych w temperaturze 800 stopni. Tradycyjne metody obróbki i odlewania mają trudności z ekonomicznym spełnieniem tych wymagań przy wielkości produkcji przekraczającej 100 000 sztuk rocznie.

Formowanie wtryskowe metali zrewolucjonizowało produkcję podzespołów turbosprężarek. MIM łączy metalurgię proszków z technikami formowania wtryskowego tworzyw sztucznych, aby wytwarzać złożone części metalowe, które wymagałyby obróbki w pięciu-osiach lub byłyby niemożliwe w przypadku konwencjonalnego odlewania ciśnieniowego. W procesie tym drobnoziarnisty proszek metalowy łączy się z termoplastycznymi spoiwami, wtryskiwana jest mieszanina do precyzyjnych form, usuwa spoiwo poprzez usuwanie lepiszcza, a następnie spieka część w wysokiej temperaturze, aby uzyskać końcowe właściwości.

W przypadku turbosprężarek technologia MIM umożliwia produkcję komponentów z nadstopów, takich jak Inconel 713 i 718, które zapewniają wyjątkową-wytrzymałość temperaturową i odporność na utlenianie. Rocznie produkuje się ponad 180 milionów łopatek turbosprężarekmoja produkcjatechnologii, przy czym producenci zgłaszają 20% oszczędności w porównaniu z odlewami precyzyjnymi. W ramach tej technologii powstają również koła turbin ze zintegrowaną geometrią łopatek, wirniki sprężarek o skomplikowanych zakrzywionych powierzchniach oraz elementy przepustnicy z precyzyjnymi powierzchniami uszczelniającymi, których produkcja była wcześniej niepraktyczna.

Wybór materiału w komponentach

Materiały składowe odzwierciedlają trudne warunki pracy, które każda część musi przetrwać. W kołach turbin zwykle wykorzystuje się stopy Inconelu lub inne nadstopy-na bazie niklu, które utrzymują wytrzymałość powyżej 700 stopni. W niektórych-wydajnych zastosowaniach wykorzystywane są ceramiczne koła turbiny, które zmniejszają bezwładność obrotową o 30% dzięki mniejszej gęstości, umożliwiając szybsze-nawijanie, chociaż ceramiczne koła nie są tak odporne na uderzenia jak metalowe odpowiedniki.

W kołach sprężarek preferowane są stopy aluminium, w szczególności seria 2000 lub 6000-, które zapewniają doskonały stosunek wytrzymałości-do-masy w stosunkowo chłodnym środowisku sprężarki. W zastosowaniach-o wysokiej wydajności coraz częściej stosuje się koła sprężarki obrabiane kęsami, a nie koła odlewane. Koła kęsów zapewniają doskonałą aerodynamikę i wytrzymałość ostrza, ale wymagają długiego czasu obróbki CNC.

Obudowy środkowe muszą wytrzymywać obie strony spektrum temperatur. Żeliwo pozostaje popularne ze względu na stabilność termiczną, niski koszt i odpowiednią wytrzymałość. W zastosowaniach chłodzonych wodą-często wykorzystuje się aluminium ze względu na jego doskonałe właściwości przenoszenia ciepła, chociaż aluminium wymaga grubszych sekcji ścianek, aby dorównać wytrzymałości żeliwa.

Materiały łożyskowe dzielą się na stopy na bazie brązu-do łożysk poprzecznych oraz ceramikę lub stal do łożysk kulkowych. W-wysokowydajnych wkładach łożysk kulkowych coraz częściej stosuje się kulki ceramiczne (zwykle azotek krzemu), które ważą o 60% mniej niż stal, a jednocześnie zapewniają wyższą temperaturę i doskonałą odporność na zużycie.

Systemy rurociągów naftowych i wodnych

Do smarowania łożysk i odprowadzania ciepła turbosprężarka wykorzystuje olej silnikowy. Olej wpływa przez wlot oleju w środkowej obudowie, przepływa przez wnękę łożyska, aby nasmarować i ochłodzić łożyska, a następnie spływa z powrotem do miski olejowej przez przewód powrotny oleju. System ten stoi przed wyjątkowymi wyzwaniami.-olej musi dotrzeć do łożysk w ciągu kilku sekund od uruchomienia, gdy turbosprężarka zaczyna się obracać, jednak temperatura oleju we wnęce łożyska może przekroczyć 300 stopni F podczas długotrwałej-pracy pod dużym obciążeniem.

Turbosprężarki z łożyskami kulkowymi wymagają znacznie mniejszego przepływu oleju niż konstrukcje z łożyskami poprzecznymi,-zazwyczaj o 50% mniej. To zmniejszone zapotrzebowanie na przepływ sprawia, że ​​gdy ciśnienie oleju w silniku przekracza 60 psi, konieczne jest zastosowanie ograniczników wlotu oleju, aby zapobiec uszkodzeniu łożysk na skutek nadmiernego ciśnienia. Linia spustowa oleju musi zapewniać dopływ grawitacyjny, bez odcinków poziomych lub wzniesień, które utrudniałyby drenaż i powodowałyby zalanie komory łożyska.

Chłodzenie wodne rozwiązuje problem{{0}powrotu ciepła, czyli zjawiska, w którym ciepło z obudowy turbiny migruje do obudowy środkowej po wyłączeniu silnika. Bez cyrkulacji chłodziwa pozostały olej w łożyskach może osiągnąć temperaturę koksowania (powyżej 400 stopni F), pozostawiając twarde osady węgla, które przyspieszają zużycie łożysk. Chłodzone wodą-obudowy środkowe wykorzystują płyn chłodzący silnik jako masę termiczną, która w dalszym ciągu pochłania ciepło poprzez efekt syfonu termicznego nawet po wyłączeniu, utrzymując temperaturę wnęki łożyska poniżej progu koksowania oleju.

Typowe konfiguracje wydajności

Dobór turbosprężarki polega na dopasowaniu wielkości sprężarki i turbiny do pojemności skokowej silnika, zamierzonego zakresu obrotów i docelowego poziomu mocy. Cztero-cylindrowy silnik 2,0 l o mocy 400 KM wymaga znacznie innego doboru turbosprężarki niż 5,0 l V8 o mocy 1000 KM.

Podstawowa zasada pozostaje niezmienna: moc silnika jest proporcjonalna do przepływu powietrza i paliwa. Silnik wolnossący zasysa powietrze z otoczenia pod ciśnieniem atmosferycznym (około 14,7 psi na poziomie morza). Silnik z turbodoładowaniem i ciśnieniem doładowania wynoszącym 20 psi (absolutnie 34,7 psi) przepływa ponad dwukrotnie większą masę powietrza przy tej samej pojemności skokowej, umożliwiając proporcjonalnie większe spalanie paliwa i wytwarzanie mocy.

Konfiguracje z podwójną-turbo rozdzielają przepływ spalin pomiędzy dwie mniejsze turbosprężarki, zamiast używać jednej dużej turbosprężarki. Konstrukcje z podwójną-przewijaczką w jednej obudowie turbosprężarki oddzielają impulsy wydechowe z sparowanych cylindrów, aby zminimalizować zakłócenia i poprawić wydajność turbiny. Sekwencyjne systemy z podwójnym-turbo wykorzystują małą turbosprężarkę do reakcji przy niskich-obrotach obrotowych i dodają większą turbosprężarkę przy wyższych obrotach, aby uzyskać maksymalną moc. Każda konfiguracja przedstawia kompromisy-między reakcją, mocą szczytową, złożonością opakowania i kosztem.

Konserwacja i typowe tryby awarii

Żywotność turbosprężarki zależy przede wszystkim od jakości i czystości oleju. Zanieczyszczony olej lub niedobór oleju powoduje uszkodzenie łożyska w ciągu kilku sekund przy prędkościach roboczych. Zalecane okresy międzyobsługowe sugerują odbudowę lub wymianę CHRA pomiędzy 100 000 a 250 000 mil, chociaż właściwa pielęgnacja może znacznie wydłużyć żywotność.

Do najważniejszych praktyk konserwacyjnych zalicza się pozostawienie silnika na biegu jałowym przez 30-60 sekund przed jazdą, aby olej dotarł do łożysk, pozostawienie silnika na biegu jałowym na 1-2 minuty przed wyłączeniem po ciężkiej jeździe w celu ustabilizowania się temperatury oraz przestrzeganie okresów wymiany oleju określonych przez producenta. Stan filtra powietrza bezpośrednio wpływa na żywotność koła sprężarki – zanieczyszczenia dostające się do sprężarki powodują erozję łopatek i niewyważenie.

Równoważenie CHRA stanowi najważniejszy aspekt odbudowy turbosprężarki. Przy prędkościach obrotowych przekraczających 200 000 obr./min nawet mikroskopijne niewyważenie powoduje powstawanie niszczycielskich wibracji. Prawidłowe wyważanie wymaga specjalistycznego sprzętu i procedur, przy czym specyfikacje wyważenia są ograniczone do setnych części uncji-cala. Niewłaściwie wyważone CHRA szybko ulegają uszkodzeniu,-czasami w ciągu kilku dni-w wyniku uszkodzenia łożyska spowodowanego nadmiernymi wibracjami powodującymi rozkład filmu olejowego.

Często zadawane pytania

Co to jest CHRA w turbosprężarce?

CHRA (zespół obrotowy obudowy środkowej) to zespół rdzenia zawierający środkową obudowę, wał, oba koła (turbinę i sprężarkę) oraz układ łożysk. Tworzy obrotowe serce turbosprężarki i wymaga precyzyjnego wyważenia, aby niezawodnie działać przy ekstremalnych prędkościach obrotowych.

Jak nagrzewają się elementy turbosprężarki?

Elementy-boczne turbiny regularnie osiągają podczas pracy temperaturę 800-1000 stopni (1470-1830 stopni F). Po stronie sprężarki pracuje znacznie chłodniej, chociaż temperatura sprężonego powietrza zwykle przekracza 150 stopni (300 stopni F) przed chłodzeniem międzystopniowym. Temperatury środkowej części obudowy wahają się od minusowej wartości podczas zimnego rozruchu do ponad 400 stopni po długotrwałej pracy pod dużym obciążeniem.

Co powoduje turbodziurę?

Opóźnienie turbo wynika z czasu wymaganego, aby przepływ gazów spalinowych przyspieszył zespół obrotowy turbosprężarki do prędkości, przy których rozwija się ciśnienie doładowania. Większe turbosprężarki o większej bezwładności obrotowej wykazują większe opóźnienie. Systemy łożysk kulkowych, mniejsze koła turbiny i konstrukcje z podwójną-ślimaką zmniejszają opóźnienia w porównaniu z tradycyjnymi konfiguracjami.

Czy można wymienić poszczególne elementy turbosprężarki?

Główne obudowy i koła można wymieniać indywidualnie, chociaż kompletna CHRA zazwyczaj wymaga wymiany lub przebudowy jako dopasowany, wyważony zespół. Mieszanie komponentów różnych producentów lub próby ponownego wykorzystania zużytych łożysk często prowadzi do problemów z wyważeniem i przedwczesnej awarii.

Ewolucja technologii turbosprężarek

Rozwój turbosprężarek powoduje ciągły postęp w zakresie materiałów, procesów produkcyjnych i systemów sterowania. Do turbosprężarek elektrycznych dodaje się-sprężarki napędzane silnikiem, aby całkowicie wyeliminować opóźnienia, choć koszty i złożoność obecnie ograniczają zastosowanie-zaawansowanych zastosowań. Układy o zmiennej geometrii, niegdyś ograniczone do zastosowań w silnikach wysokoprężnych, obecnie pojawiają się w silnikach benzynowych w miarę ulepszania materiałów i algorytmów sterowania.

Produkcja przyrostowa stwarza obiecujące możliwości w zakresie wytwarzania zoptymalizowanych geometrii turbin i sprężarek, których nie da się osiągnąć w przypadku konwencjonalnych metod. Technologia ta umożliwia projektowanie-zoptymalizowanych pod względem topologii, które zmniejszają wagę przy jednoczesnym zachowaniu wytrzymałości, choć koszty produkcji pozostają zbyt wysokie w przypadku zastosowań-na rynku masowym.

Przejście na zelektryfikowane układy napędowe zmniejsza zapotrzebowanie na turbosprężarki w pojazdach osobowych, jednocześnie poszerzając możliwości zastosowań w zakresie spalania wodoru i ogniw paliwowych. Ciężkie-pojazdy użytkowe, silniki morskie i przemysłowe źródła energii w dalszym ciągu wymagają silników spalinowych z turbodoładowaniem, co zapewnia stały popyt na komponenty turbosprężarek do specjalistycznych zastosowań.