Aby zwiększyć moc silników spalinowych, powszechnie stosuje się specjalne jednostki - turbosprężarki.O tym, czym jest turbosprężarka, jakie są rodzaje tych jednostek, jak są rozmieszczone i na jakich zasadach opiera się ich praca, a także o ich konserwacji i naprawie, przeczytasz w artykule.
Co to jest turbosprężarka?
Turbosprężarka jest głównym elementem agregatowego układu zwiększania ciśnienia silników spalinowych, jednostką zwiększającą ciśnienie w przewodzie dolotowym silnika pod wpływem energii gazów spalinowych.
Turbosprężarka służy do zwiększania mocy silnika spalinowego bez radykalnej ingerencji w jego konstrukcję.Jednostka ta zwiększa ciśnienie w układzie dolotowym silnika, dostarczając zwiększoną ilość mieszanki paliwowo-powietrznej do komór spalania.W tym przypadku spalanie zachodzi w wyższej temperaturze z utworzeniem większej objętości gazów, co prowadzi do wzrostu ciśnienia na tłoku, a w efekcie do wzrostu momentu obrotowego i charakterystyki mocy silnika.
Zastosowanie turbosprężarki pozwala zwiększyć moc silnika o 20-50% przy minimalnym wzroście jego kosztu (a przy bardziej znaczących modyfikacjach wzrost mocy może osiągnąć 100-120%).Ze względu na swoją prostotę, niezawodność i wydajność systemy zwiększania ciśnienia oparte na turbosprężarkach są szeroko stosowane we wszystkich typach pojazdów z silnikiem spalinowym.
Rodzaje i charakterystyka turbosprężarek
Obecnie istnieje szeroka gama turbosprężarek, jednak można je podzielić na grupy ze względu na ich przeznaczenie i zastosowanie, rodzaj zastosowanej turbiny oraz dodatkową funkcjonalność.
Ze względu na przeznaczenie turbosprężarki można podzielić na kilka typów:
• W przypadku jednostopniowych układów zwiększania ciśnienia – jedna turbosprężarka na silnik lub dwie lub więcej jednostek pracujących na kilku cylindrach;
•Dla układów pompowania szeregowego i szeregowo-równoległego (różne warianty Twin Turbo) – dwie identyczne lub różne jednostki pracujące na wspólnej grupie cylindrów;
• W przypadku dwustopniowych układów zwiększania ciśnienia stosuje się dwie turbosprężarki o różnych charakterystykach, które pracują parami (kolejno jedna po drugiej) dla jednej grupy cylindrów.
Najczęściej stosowane są jednostopniowe układy zwiększania ciśnienia zbudowane w oparciu o pojedynczą turbosprężarkę.Jednakże taki układ może składać się z dwóch lub czterech identycznych jednostek - przykładowo w silnikach w kształcie litery V stosuje się oddzielne turbosprężarki dla każdego rzędu cylindrów, w silnikach wielocylindrowych (więcej niż 8) można zastosować cztery turbosprężarki, każda który działa na 2, 4 lub więcej cylindrach.Mniej powszechne są dwustopniowe układy zwiększania ciśnienia i różne odmiany Twin-Turbo, wykorzystują one dwie turbosprężarki o różnych charakterystykach, które mogą pracować tylko w parach.
Ze względu na zastosowanie turbosprężarki można podzielić na kilka grup:
• Według typu silnika – dla jednostek napędowych benzynowych, wysokoprężnych i gazowych;
• Pod względem objętości i mocy silnika – dla jednostek napędowych małej, średniej i dużej mocy;do silników szybkoobrotowych itp.
Turbosprężarki mogą być wyposażone w jeden z dwóch typów turbin:
• Promieniowy (promieniowo-osiowy, dośrodkowy) – strumień spalin doprowadzony jest na obwód wirnika turbiny, przemieszcza się do jego środka i odprowadzany jest w kierunku osiowym;
• Osiowy – strumień spalin doprowadzany jest wzdłuż osi (do środka) wirnika turbiny i odprowadzany z jego obwodu.
Obecnie stosowane są oba schematy, ale w małych silnikach często można znaleźć turbosprężarki z turbiną promieniowo-osiową, a w mocnych jednostkach napędowych preferowane są turbiny osiowe (choć nie jest to regułą).Niezależnie od rodzaju turbiny, wszystkie turbosprężarki wyposażone są w sprężarkę odśrodkową – w niej powietrze dostarczane jest do środka wirnika i usuwane z jego obwodu.
Nowoczesne turbosprężarki mogą mieć różną funkcjonalność:
• Podwójny dolot – turbina posiada dwa wejścia, każdy z nich odbiera spaliny z jednej grupy cylindrów, rozwiązanie to ogranicza spadki ciśnienia w układzie i poprawia stabilność doładowania;
• Zmienna geometria – turbina posiada ruchome łopatki lub pierścień ślizgowy, za pomocą którego można zmieniać przepływ spalin do wirnika, pozwala to na zmianę charakterystyki turbosprężarki w zależności od trybu pracy silnika.
Wreszcie turbosprężarki różnią się podstawowymi właściwościami użytkowymi i możliwościami.Spośród głównych cech tych jednostek należy podkreślić:
• Stopień wzrostu ciśnienia – stosunek ciśnienia powietrza na wylocie sprężarki do ciśnienia powietrza na wlocie mieści się w przedziale 1,5-3;
• Zasilanie sprężarki (przepływ powietrza przez sprężarkę) – masa powietrza przechodzącego przez sprężarkę w jednostce czasu (sekunda) mieści się w przedziale 0,5-2 kg/s;
• Zakres prędkości roboczych waha się od kilkuset (dla lokomotyw spalinowych o dużej mocy, silników przemysłowych i innych) do kilkudziesięciu tysięcy (dla nowoczesnych silników wymuszonych) obrotów na sekundę. Maksymalna prędkość ograniczona jest wytrzymałością wirników turbiny i sprężarki, jeśli prędkość obrotowa jest zbyt duża z powodu sił odśrodkowych, koło może się zapaść.W nowoczesnych turbosprężarkach punkty peryferyjne kół mogą obracać się z prędkością 500-600 i więcej m/s, czyli 1,5-2 razy szybciej niż prędkość dźwięku, powoduje to występowanie charakterystycznego świstu turbiny;
• Robocza/maksymalna temperatura spalin na wlocie do turbiny mieści się w przedziale 650-700°C, w niektórych przypadkach dochodzi do 1000°C;
• Sprawność turbiny/sprężarki wynosi zwykle 0,7-0,8, w jednej jednostce sprawność turbiny jest zwykle mniejsza od sprawności sprężarki.
Urządzenia różnią się także wielkością, rodzajem instalacji, koniecznością zastosowania elementów pomocniczych itp.
Konstrukcja turbosprężarki
Ogólnie rzecz biorąc, turbosprężarka składa się z trzech głównych elementów:
1.Turbina;
2.Sprężarka;
3.Obudowa łożyska (obudowa środkowa).
Typowy schemat układu zwiększania ciśnienia agregatu silnika spalinowego
Turbina to jednostka przetwarzająca energię kinetyczną gazów spalinowych na energię mechaniczną (w momencie obrotowym koła), co zapewnia pracę sprężarki.Sprężarka to jednostka służąca do pompowania powietrza.Obudowa łożyska łączy oba zespoły w jedną konstrukcję, a umieszczony w niej wał wirnika zapewnia przeniesienie momentu obrotowego z koła turbiny na koło sprężarki.
Sekcja turbosprężarki
Turbina i sprężarka mają podobną konstrukcję.Podstawą każdego z tych zespołów jest korpus ślimaka, w którego części obwodowej i środkowej znajdują się rurki umożliwiające podłączenie do układu zwiększającego ciśnienie.W sprężarce rura wlotowa znajduje się zawsze pośrodku, wylot (wylot) znajduje się na obrzeżu.Ten sam układ rur dla turbin osiowych, dla turbin promieniowo-osiowych położenie rur jest odwrotne (na obrzeżu - wlot, pośrodku - wydech).
Wewnątrz obudowy znajduje się koło z ostrzami o specjalnym kształcie.Obydwa koła – turbina i sprężarka – są utrzymywane na wspólnym wale przechodzącym przez obudowę łożyska.Koła są odlewane lub kompozytowe, kształt łopatek kół turbiny zapewnia najbardziej efektywne wykorzystanie energii spalin, kształt łopatek kół sprężarki zapewnia maksymalny efekt odśrodkowy.W nowoczesnych turbinach z najwyższej półki można zastosować koła kompozytowe z łopatkami ceramicznymi, które charakteryzują się niską wagą i lepszymi osiągami.Rozmiar kół turbosprężarek silników samochodowych wynosi 50-180 mm, mocne lokomotywy, silniki przemysłowe i inne silniki wysokoprężne mają 220-500 mm lub więcej.
Obie oprawy są montowane na obudowie łożyska za pomocą śrub przechodzących przez uszczelki.Znajdują się tu łożyska ślizgowe (rzadziej łożyska toczne specjalnej konstrukcji) i pierścienie typu O-ring.Również w obudowie centralnej znajdują się kanały olejowe do smarowania łożysk i wału, a w niektórych turbosprężarkach oraz wnęka płaszcza wodnego.Podczas montażu jednostka jest podłączona do układu smarowania i chłodzenia silnika.
W konstrukcji turbosprężarki można również uwzględnić różne elementy pomocnicze, w tym części układu recyrkulacji spalin, zawory oleju, elementy poprawiające smarowanie części i ich chłodzenie, zawory sterujące itp.
Części turbosprężarki wykonane są ze specjalnych gatunków stali, na koło turbiny zastosowano stale żaroodporne.Materiały dobierane są starannie pod kątem współczynnika rozszerzalności cieplnej, co zapewnia niezawodność konstrukcji w różnych trybach pracy.
Turbosprężarka wchodzi w skład układu zwiększania ciśnienia powietrza, który obejmuje również kolektory dolotowe i wydechowe, a w bardziej złożonych układach - chłodnicę powietrza doładowującego (chłodnicę powietrza doładowującego), różne zawory, czujniki, amortyzatory i rurociągi.
Zasada działania turbosprężarki
Działanie turbosprężarki sprowadza się do prostych zasad.Turbina jednostki wprowadzana jest do układu wydechowego silnika, sprężarka - do przewodu dolotowego.Podczas pracy silnika spaliny dostają się do turbiny, uderzają w łopatki kół, przekazując jej część energii kinetycznej i powodując jej obrót.Moment obrotowy z turbiny przenoszony jest bezpośrednio na koła sprężarki poprzez wał.Podczas obracania się koło sprężarki wyrzuca powietrze na obwód, zwiększając jego ciśnienie - powietrze to dostarczane jest do kolektora dolotowego.
Pojedyncza turbosprężarka ma wiele wad, z których główną jest opóźnienie turbosprężarki lub wgłębienie turbosprężarki.Koła jednostki mają masę i pewną bezwładność, więc nie mogą natychmiast się rozkręcić, gdy wzrasta prędkość jednostki napędowej.Dlatego po ostrym naciśnięciu pedału gazu turbodoładowany silnik nie przyspiesza od razu - następuje krótka przerwa, awaria zasilania.Rozwiązaniem tego problemu są specjalne układy sterowania turbinami, turbosprężarki o zmiennej geometrii, szeregowo-równoległe i dwustopniowe układy zwiększania ciśnienia i inne.
Zasada działania turbosprężarki
Zagadnienia obsługi i naprawy turbosprężarek
Turbosprężarka wymaga minimalnej konserwacji.Najważniejsze jest, aby na czas wymienić olej silnikowy i filtr oleju.Jeśli silnik może jeszcze przez jakiś czas pracować na starym oleju, może to stać się zabójcze dla turbosprężarki - nawet niewielkie pogorszenie jakości smaru przy dużych obciążeniach może doprowadzić do zakleszczenia i zniszczenia jednostki.Zaleca się także okresowe czyszczenie elementów turbiny z nagaru, co wymaga jej demontażu, przy czym prace te należy wykonywać wyłącznie przy użyciu specjalnych narzędzi i sprzętu.
Uszkodzoną turbosprężarkę w większości przypadków łatwiej wymienić niż naprawić.Do wymiany konieczne jest użycie jednostki tego samego typu i modelu, która była wcześniej zainstalowana w silniku.Montaż turbosprężarki o innych parametrach może zakłócić pracę jednostki napędowej.Lepiej powierzyć dobór, instalację i regulację urządzenia specjalistom - gwarantuje to prawidłowe wykonanie pracy i normalną pracę silnika.Przy prawidłowej wymianie turbosprężarki silnik odzyska dużą moc i będzie w stanie sprostać najtrudniejszym zadaniom.
Czas publikacji: 21 sierpnia 2023 r