لزيادة قوة محركات الاحتراق الداخلي، يتم استخدام وحدات خاصة - الشواحن التوربينية - على نطاق واسع.اقرأ عن ماهية الشاحن التوربيني، وما هي أنواع هذه الوحدات، وكيف يتم ترتيبها وعلى أي مبادئ يعتمد عملها، وكذلك عن صيانتها وإصلاحها، في المقالة.
ما هو الشاحن التوربيني؟
الشاحن التوربيني هو المكون الرئيسي لنظام الضغط الكلي لمحركات الاحتراق الداخلي، وهو وحدة لزيادة الضغط في قناة السحب للمحرك بسبب طاقة غازات العادم.
يستخدم الشاحن التوربيني لزيادة قوة محرك الاحتراق الداخلي دون تدخل جذري في تصميمه.تعمل هذه الوحدة على زيادة الضغط في قناة السحب للمحرك، مما يوفر كمية متزايدة من خليط الوقود والهواء إلى غرف الاحتراق.في هذه الحالة، يحدث الاحتراق عند درجة حرارة أعلى مع تكوين حجم أكبر من الغازات، مما يؤدي إلى زيادة الضغط على المكبس، ونتيجة لذلك، زيادة في خصائص عزم الدوران وقوة المحرك.
يتيح لك استخدام الشاحن التوربيني زيادة قوة المحرك بنسبة 20-50٪ مع الحد الأدنى من الزيادة في تكلفته (ومع تعديلات أكثر أهمية، يمكن أن يصل نمو الطاقة إلى 100-120٪).نظرًا لبساطتها وموثوقيتها وكفاءتها، تُستخدم أنظمة الضغط القائمة على الشاحن التوربيني على نطاق واسع في جميع أنواع المركبات ذات محركات الاحتراق الداخلي.
أنواع وخصائص الشواحن التوربينية
اليوم، هناك مجموعة واسعة من الشواحن التوربينية، ولكن يمكن تقسيمها إلى مجموعات وفقًا للغرض منها وإمكانية تطبيقها، ونوع التوربين المستخدم والوظائف الإضافية.
وفقًا للغرض، يمكن تقسيم الشواحن التوربينية إلى عدة أنواع:
• بالنسبة لأنظمة الضغط أحادية المرحلة - شاحن توربيني واحد لكل محرك، أو وحدتان أو أكثر تعمل على عدة أسطوانات.
• بالنسبة لأنظمة التضخم المتسلسلة والمتوازية (أنواع مختلفة من Twin Turbo) - وحدتان متطابقتان أو مختلفتان تعملان على مجموعة مشتركة من الأسطوانات؛
• بالنسبة لأنظمة الضغط ذات المرحلتين، هناك شاحنين توربينيين بخصائص مختلفة، يعملان في أزواج (واحدة تلو الأخرى بالتتابع) لمجموعة واحدة من الأسطوانات.
الأكثر استخدامًا هي أنظمة الضغط أحادية المرحلة المبنية على أساس شاحن توربيني واحد.ومع ذلك، قد يحتوي هذا النظام على وحدتين أو أربع وحدات متطابقة - على سبيل المثال، في المحركات على شكل حرف V، يتم استخدام شواحن توربينية منفصلة لكل صف من الأسطوانات، في المحركات متعددة الأسطوانات (أكثر من 8) يمكن استخدام أربعة شواحن توربينية، كل منها الذي يعمل على 2 أو 4 أسطوانات أو أكثر.الأقل شيوعًا هي أنظمة الضغط ذات المرحلتين والأشكال المختلفة من Twin-Turbo، فهي تستخدم شاحنين توربينيين بخصائص مختلفة لا يمكن أن تعمل إلا في أزواج.
وفقًا للتطبيق، يمكن تقسيم الشواحن التوربينية إلى عدة مجموعات:
• حسب نوع المحرك - لوحدات الطاقة التي تعمل بالبنزين والديزل والغاز.
• من حيث حجم المحرك وقوته - لوحدات الطاقة ذات الطاقة الصغيرة والمتوسطة والعالية.للمحركات عالية السرعة، الخ.
يمكن تجهيز الشواحن التوربينية بواحد من نوعين من التوربينات:
• شعاعي (قطري-محوري، جاذب مركزي) - يتم تغذية تدفق غازات العادم إلى محيط دافعة التوربين، ويتحرك إلى مركزها ويتم تفريغها في الاتجاه المحوري.
• محوري - يتم توفير تدفق غازات العادم على طول المحور (إلى المركز) لدافع التوربين ويتم تفريغه من محيطه.
اليوم، يتم استخدام كلا المخططين، ولكن في المحركات الصغيرة، يمكنك في كثير من الأحيان العثور على شواحن توربينية مع توربينات شعاعية محورية، وفي وحدات الطاقة القوية، تفضل التوربينات المحورية (على الرغم من أن هذه ليست القاعدة).بغض النظر عن نوع التوربين، فإن جميع الشواحن التوربينية مجهزة بضاغط طرد مركزي - حيث يتم إمداد الهواء إلى مركز المكره وإزالته من محيطه.
يمكن أن يكون للشواحن التوربينية الحديثة وظائف مختلفة:
• مدخل مزدوج - يحتوي التوربين على مدخلين، يستقبل كل منهما غازات العادم من مجموعة واحدة من الأسطوانات، وهذا الحل يقلل من انخفاض الضغط في النظام ويحسن استقرار التعزيز.
• هندسة متغيرة - يحتوي التوربين على شفرات متحركة أو حلقة منزلقة، يمكنك من خلالها تغيير تدفق غازات العادم إلى المكره، وهذا يسمح لك بتغيير خصائص الشاحن التوربيني حسب وضع تشغيل المحرك.
وأخيرًا، تختلف الشواحن التوربينية في خصائص وقدرات أدائها الأساسية.من الخصائص الرئيسية لهذه الوحدات ينبغي تسليط الضوء على:
• درجة زيادة الضغط - تقع نسبة ضغط الهواء عند مخرج الضاغط إلى ضغط الهواء عند المدخل في نطاق 1.5-3.
• إمداد الضاغط (تدفق الهواء عبر الضاغط) - تقع كتلة الهواء التي تمر عبر الضاغط لكل وحدة زمنية (ثانية) في نطاق 0.5-2 كجم / ثانية؛
• يتراوح نطاق سرعة التشغيل من عدة مئات (لقاطرات الديزل القوية ومحركات الديزل الصناعية وغيرها) إلى عشرات الآلاف (للمحركات القسرية الحديثة) دورة في الثانية. السرعة القصوى محدودة بقوة دافعات التوربين والضاغط، إذا كانت سرعة الدوران عالية جدًا بسبب قوى الطرد المركزي، فقد تنهار العجلة.في الشواحن التوربينية الحديثة، يمكن أن تدور النقاط الطرفية للعجلات بسرعات تتراوح بين 500-600 م/ ث أو أكثر، أي أسرع بمقدار 1.5-2 مرة من سرعة الصوت، وهذا يتسبب في حدوث الصافرة المميزة للتوربين؛
• تتراوح درجة حرارة التشغيل / الحد الأقصى لغازات العادم عند مدخل التوربين بين 650-700 درجة مئوية، وفي بعض الحالات تصل إلى 1000 درجة مئوية.
• كفاءة التوربين/الضاغط عادة ما تكون 0.7-0.8، في وحدة واحدة عادة ما تكون كفاءة التوربين أقل من كفاءة الضاغط.
كما تختلف الوحدات في الحجم ونوع التثبيت والحاجة إلى استخدام المكونات المساعدة وما إلى ذلك.
تصميم الشاحن التربيني
بشكل عام، يتكون الشاحن التوربيني من ثلاثة مكونات رئيسية:
1. التوربينات.
2. الضاغط.
3. تحمل الإسكان (الإسكان المركزي).
رسم تخطيطي نموذجي لنظام ضغط الهواء الكلي لمحرك الاحتراق الداخلي
التوربين هو وحدة تقوم بتحويل الطاقة الحركية لغازات العادم إلى طاقة ميكانيكية (في عزم العجلة)، مما يضمن تشغيل الضاغط.الضاغط هو وحدة لضخ الهواء.يربط غلاف المحمل كلا الوحدتين في هيكل واحد، ويضمن عمود الدوار الموجود فيه نقل عزم الدوران من عجلة التوربينات إلى عجلة الضاغط.
قسم الشاحن التربيني
التوربين والضاغط لهما تصميم مماثل.أساس كل وحدة من هذه الوحدات هو جسم القوقعة الصناعية، وفي أجزائه الطرفية والمركزية توجد أنابيب للتوصيل بنظام الضغط.في الضاغط، يكون أنبوب الإدخال دائمًا في المركز، ويكون العادم (التفريغ) في المحيط.نفس ترتيب الأنابيب للتوربينات المحورية، بالنسبة للتوربينات الشعاعية المحورية، يكون موقع الأنابيب هو العكس (على المحيط - المدخول، في المركز - العادم).
يوجد داخل العلبة عجلة ذات شفرات ذات شكل خاص.يتم تثبيت كلتا العجلتين - التوربين والضاغط - بواسطة عمود مشترك يمر عبر مبيت المحمل.العجلات مصنوعة من مادة صلبة أو مركبة، ويضمن شكل شفرات عجلة التوربين الاستخدام الأكثر كفاءة لطاقة غاز العادم، ويوفر شكل شفرات عجلة الضاغط أقصى تأثير للطرد المركزي.يمكن للتوربينات الحديثة المتطورة استخدام عجلات مركبة ذات شفرات سيراميكية، تتميز بوزن منخفض وأداء أفضل.حجم عجلات الشواحن التوربينية لمحركات السيارات هو 50-180 ملم، قاطرة قوية ومحركات الديزل الصناعية وغيرها من 220-500 ملم أو أكثر.
يتم تثبيت كلا العلبتين على غلاف المحمل بمسامير من خلال الأختام.توجد هنا محامل عادية (أقل محامل دوارة ذات تصميم خاص) وحلقات على شكل حرف O.يوجد أيضًا في الهيكل المركزي قنوات زيت لتزييت المحامل والعمود، وفي بعض الشواحن التوربينية وتجويف سترة التبريد المائي.أثناء التثبيت، يتم توصيل الوحدة بأنظمة تشحيم وتبريد المحرك.
يمكن أيضًا توفير مكونات مساعدة مختلفة في تصميم الشاحن التوربيني، بما في ذلك أجزاء من نظام إعادة تدوير غاز العادم، وصمامات الزيت، وعناصر لتحسين تشحيم الأجزاء وتبريدها، وصمامات التحكم، وما إلى ذلك.
تُصنع أجزاء الشاحن التوربيني من درجات فولاذية خاصة، ويتم استخدام الفولاذ المقاوم للحرارة في عجلة التوربينات.يتم اختيار المواد بعناية وفقًا لمعامل التمدد الحراري، مما يضمن موثوقية التصميم في أوضاع التشغيل المختلفة.
يتم تضمين الشاحن التوربيني في نظام ضغط الهواء، والذي يتضمن أيضًا مشعبات السحب والعادم، وفي الأنظمة الأكثر تعقيدًا - المبرد الداخلي (مبرد تبريد الهواء المشحون)، والصمامات المختلفة، وأجهزة الاستشعار، والمخمدات وخطوط الأنابيب.
مبدأ تشغيل الشاحن التوربيني
يعود عمل الشاحن التوربيني إلى مبادئ بسيطة.يتم إدخال توربين الوحدة في نظام عادم المحرك والضاغط - في قناة السحب.أثناء تشغيل المحرك، تدخل غازات العادم إلى التوربين، وتصطدم بشفرات العجلات، مما يمنحه بعضًا من طاقته الحركية ويؤدي إلى دورانه.يتم نقل عزم الدوران من التوربين مباشرة إلى عجلات الضاغط عبر العمود.عند الدوران، تقوم عجلة الضاغط بإلقاء الهواء إلى المحيط، مما يزيد من ضغطه - يتم توفير هذا الهواء إلى مشعب السحب.
يحتوي الشاحن التوربيني الواحد على عدد من العيوب، أهمها تأخير التوربو أو حفرة التوربو.تتمتع عجلات الوحدة بكتلة وبعض القصور الذاتي، لذا لا يمكنها الدوران على الفور عندما تزيد سرعة وحدة الطاقة.لذلك، عندما تضغط بشكل حاد على دواسة الغاز، لا يتسارع المحرك المزود بشاحن توربيني على الفور - فهناك توقف قصير، وانقطاع التيار الكهربائي.الحل لهذه المشكلة هو أنظمة التحكم الخاصة بالتوربينات، والشواحن التوربينية ذات الهندسة المتغيرة، وأنظمة الضغط المتوازية والمتوازية على مرحلتين، وغيرها.
مبدأ تشغيل الشاحن التوربيني
قضايا صيانة وإصلاح الشواحن التوربينية
يحتاج الشاحن التوربيني إلى الحد الأدنى من الصيانة.الشيء الرئيسي هو تغيير زيت المحرك وفلتر الزيت في الوقت المناسب.إذا كان المحرك لا يزال بإمكانه العمل بالزيت القديم لبعض الوقت، فيمكن أن يصبح مميتًا للشاحن التوربيني - حتى التدهور الطفيف في جودة مواد التشحيم عند الأحمال العالية يمكن أن يؤدي إلى تشويش الوحدة وتدميرها.كما يوصى بتنظيف أجزاء التوربين من رواسب الكربون بشكل دوري، الأمر الذي يتطلب تفكيكه، ولكن يجب أن يتم هذا العمل فقط باستخدام أدوات ومعدات خاصة.
يكون استبدال الشاحن التوربيني المعيب في معظم الحالات أسهل من إصلاحه.للاستبدال، من الضروري استخدام وحدة من نفس النوع والطراز الذي تم تثبيته على المحرك مسبقًا.قد يؤدي تركيب شاحن توربيني بخصائص أخرى إلى تعطيل تشغيل وحدة الطاقة.من الأفضل تكليف المتخصصين باختيار الوحدة وتركيبها وتعديلها - وهذا يضمن التنفيذ الصحيح للعمل والتشغيل العادي للمحرك.مع الاستبدال الصحيح للشاحن التوربيني، سيستعيد المحرك قوة عالية وسيكون قادرًا على حل أصعب المهام.
وقت النشر: 21 أغسطس 2023