Базовые знания о турбонаддуве (часть 2). Подбор турбины по турбокарте
Привет всем неравнодушным!))
Продолжаем тему турбонаддува. Сегодня предлагаю разобрать на конкретном примере подбор турбокомпрессора на конкретный двигатель, научиться пользоваться турбокартами, ну и получить еще немного теории в вопросах турбомоторов.
Сразу оговорюсь, что расчет в итоге получится теоретическим и довольно грубым, для более точного расчета нужно вносить поправки, которые рассчитываются по-своему и займут добрую половину этой статьи, поэтому для них я выделю отдельную тему, а сейчас я вам дам теорию в вопросе подбора турбины.
Перед тем как приступать к самому интересному, я разъясню вам некоторые термины, без которых будет трудно понять о чем здесь.
Абсолютное и относительное давление.
Под термином абсолютного давления подразумевают — давление относительно полного вакуума, на земле это давление принято считать равным 1 атмосфере.
Относительное давление — это давление относительно атмосферного. Оно может быть как больше, так и меньше его.
Избыток — под понятием избытка в ДВС понимают давление свыше атмосферного.
Оперировать мы будем абсолютными величинами.
Итак, перед тем как подбирать турбину, нужно проанализировать мотор, на который она будет установлена. Если мы устанавливаем турбокомпрессор на двигатель, который был изначально атмосферным, то все довольно просто: берете ноутбук и идете снимать лог расхода воздуха. По логу отстраиваете график зависимости расхода воздуха от оборотов, и получаете что-то вроде этого.
Скорость вращения двигателя указывается в об/мин, а массовый расход на данном графике в граммах в секунду.
Если же мотор изначально турбо, то снять логи расхода воздуха без повышения давления не получится, потому что воздух будет нагнетать уже имеющаяся турбина. В этом случае можно воспользоваться расчетным методом расхода воздуха.
Расход воздуха в этом случае, высчитывается по формуле:
расход воздуха = V х RPM х 0,5 х E / 1000000
RPM= скорость вращения двигателя (об./мин.)
0,5= это добавочный коэффициент, указывающий на количество тактов впуска. (За два оборота коленчатого вала, двигатель совершает 1 такт впуска)
E= Коэффициент наполнения
1000000 служит для преобразования кубических сантиметров в кубические метры.
Здесь отдельное внимание нужно уделить коэффициенту наполнения, но это тема для совсем другой статьи, поэтому возьмем усредненное значение 0,85.
Выстраиваем график расхода воздуха, пользуясь формулой выше, для каждой тысячи оборотов свое значение расхода. Для примера возьмем двигатель 1.8.
1800 x 1000 x 0,5 x 0,85 / 1000000 = 0,76м3/мин, сразу же переводим объемный расход в массовый. Перевести его можно по формуле:
ρ — плотность воздуха;
Q — объёмный расход.
Плотность воздуха меняется в зависимости от его температуры и еще ряда факторов, которые мы учитывать не будем. Возьмем плотность воздуха при температуре +20 градусов и нормальном атмосферном давлении в 1 атм — 1,204 кг/м3.
Сразу же предлагаю конвертировать метрические единицы в американские т.к. турбокарты обычно строятся в единицах Lb/mib (фунты в минуту). Конвертируем по такому курсу 1кг/мин=2.205 lb/min
0,915 кг/мин = 2.017 lb/min
Получился вот такой график:
Стоит отметить, что в реале этот график будет более изогнут, т.к. мы не высчитывали такую переменную, как коэффициент наполнения, она будет меняться в зависимости от строения газораспределительного механизма, на высоких оборотах он будет меньше.
Теперь рассмотрим такой параметр, как pressure ratio, дословно переводится как — степень повышения давления. Этот параметр говорит нам о том, во сколько раз компрессор сжал воздух. Посчитать его можно по формуле
PR = Pcr/Pin
Где:
PR — соотношение давлений
Pcr — абсолютное давление на выходе компрессора
Pin — абсолютное давление на входе компрессора
Допустим, что мы хотим дунуть в наш двигатель 1 атм. избытка. В голове держим правило, что наддув это давление относительное, а мы оперируем абсолютными величинами, поэтому прибавляем к наддуву 1 атм. атмосферного давления и запоминаем 2 атм. абсолютного давления. Pressure ratio будет равно PR = Pcr/Pin = 2.0/1.0 = 2.0
В реальности по такой формуле рассчитать Pressure Ratio можно только для гоночного автомобиля, или для автомобиля без воздушного фильтра, т.к. параметр Pin — абсолютное давление на входе компрессора, будет меньше из-за создаваемого воздушным фильтром разряжения оно колеблется от 0.03 до 0.10 атм, но мне встречались двигатели, в которых этот параметр достигал 0.12 атм. Поэтому для расчета PR нужно вносить поправки… Предположим, что на нашем двигателе разряжение перед компрессором 0.06 атм; тогда расчет получается таким
PR = 2.0/(1.0-0.06) = 2.0 / 0.94 = 2.127
Степень повышения давления мы выяснили, осталось выяснить каков будет расход воздуха на бусте и нанести все это на turbomap. Как известно, при повышении давления масса воздуха растет пропорционально, мы не будем вносить поправки на повышение температуры при сжатии, будем считать, что интеркуллер и обдув остудят воздух до входной температуры. Из этого следует, что весь наш график надо умножить на PR, который мы получили чуть выше т.е. на 2.127.
Получается вот такая кривая
Теперь приступаем к самой интересной части — турбокарта.
Рассмотрим так полюбившуюся тюнерам VAGовских 1.8t турбину Garrett GT2860RS. Для начала расскажу о строении Turbomap.
По горизонтальной оси на турбокарте расположен массовый расход воздуха (Air Flow), он выражен в фунтах в минуту (lb/min). От этого параметра напрямую зависит мощность нашего двигателя, чем больше воздуха пропустим через мотор, тем больше мощности снимем. Прикинуть примерную мощность после установки той или иной турбины можно ориентируясь лишь на этот параметр, учитывая, что при прохождении через двигатель одного фунта воздуха мы получаем около 10 л.с.
По вертикальной оси располагается параметр степени повышения давления (Pressure Ratio), его я описал чуть выше.
Скорость вращения вала турбины
Обозначена на карте линиями с указанием скорости, измеряется в оборотах в минуту об/мин.
Зоны эффективности компрессора
На карте обозначаются в процентах. Наименьшая зона в центре будет самой эффективной. На данной турбокарте эффективность работы турбокомпрессора указана до 60%, далее его использование становится не эффективным — сжимаемый воздух начинает слишком сильно греться, обороты вала турбины выходят за допустимые значения.
С другой стороны карты, граффик ограничивает так называемая область Surge
Работа турбокомпрессора в данной области чревата его повреждениями. Попасть в эту зону можно в двух случаях:
Первый происходит в связи с резким закрытием дросселя при сбросе газа. В этом случае расход воздуха резко падает, а компрессор еще создает давление по инерции. В этом случае мы моментально попадаем в зону Surge. Бороться с этим явлением призваны клапана типа байпас или blow-off. Байпас перепускает лишнее давление обратно на вход в компрессор, а Blow-off спускает его в атмосферу.
Второй случай попадания в зону surge — это езда на высоких передачах «в натяг». Такой режим работы более опасен, чем резкое закрытие дросселя, потому что может продолжаться значительно дольше. Вызван он тем, что скорость вращения турбины довольно велика, а массовый расход наоборот не велик. В основном причиной попадания в эту зону служит неправильно подобранная турбина, она слишком большая для данного двигателя.
Теперь самое время перенести наш заранее подготовленный график расхода воздуха на турбокарту. Выбираем на вертикальной оси степень повышения давления, которую мы ранее находили в расчетах — 2.127, и по горизонтальной оси проставляем точки в соответствии с расходом воздуха, названием точек будут обороты двигателя.
Так выглядит наш двигатель на турбокарте. Из графика видно, что на требуемый буст компрессор выйдет где-то с 2600 об/мин. Самого большого КПД компрессор достигнет на 6000 об/мин. Примерная максимальная мощность достигнет 300 л.с. Из этого можно сделать вывод, что GT2860RS будет отличным дополнением двигателя 1.8.
Вот собственно и все, мы разобрались со всем, что до этого вызывало кучу вопросов. Как всегда готов ответить на них в комментариях или по почте.
Как правильно подобрать турбокомпрессор?
Важен ли правильный выбор размера турбины?
Правильно подобранный турбокомпрессор обеспечит уверенные обороты порога наддува, некритичное сужение системы, низкую температуру на впуске и невысокое давление в выпускном коллекторе. Любой человек умеющий читать и пользоваться телефоном, вполне может выбрать правильный размер турбонагнетателя. Никакой фундаментальной науки, никакого волшебства, только немного размышлений и аргументированных оценок. Например, Вы хотите самый низкий порог наддува? Хорошо, это возможно если вы проводите время в пробках. Это единственный случай когда важен низкий порог наддува. Будьте уверены – белее низкий порог наддува, меньшая мощность. С другой стороны, если вашей целью является максимальная мощность, турбонагнетатель нужного размера, скорее всего, не будет производить никакого давления наддува до верхней половины диапазона оборотов. Это неприемлемо с точки зрения гибких требований, предъявляемых к повседневному автомобилю. Необходим компромисс. Не скатывайтесь до низкого уровня журналистов, утверждающих, что качество системы турбонаддува характеризуется тем, сколь малые обороты нужны ей от двигателя, для создания наддува.
Конструкция турбонагнетателя влияет на его характеристики?
Нет. Фактически все турбины долговечны, эффективны и отвечают предъявленным требованиям. Характеристики турбокита никоим образом не связаны с моделью турбокомпрессора, если эта модель не является единственным турбонагнетателем требуемого размера, доступным для применения. Некоторые конструкции имеют встроенные вестгейты. Такое исполнение вестгейта требует немного больших усилий, чтобы сделать его столь же эффективным, как внешний вестгейт. В этом случае модель турбонагнетателя влияет на его характеристики, но только из-за интегрированного вестгейта.
Сдвоенные турбины дают какое-либо преимущество?
Иногда. Двигатель объемом более трех литров, может получить пользу от применения двух турбин. Две небольшие турбины могут слегка снизить инерционность турбосистемы, в противоположность одному большому турбонагнетателю, и обеспечивают лучший баланс между характеристиками наддува на низких и максимальных оборотах. При объеме более пяти литров, две турбины действительно станут необходимостью. Не подумайте, что парные турбины турбины более мощные, просто при их использовании накладывается очень много прочих факторов.
Что означает эффективность (КПД) компрессора и почему она важна?
Эффективность (КПД) компрессора не означает ничего иного, как реальную температуру воздуха, выходящего из турбонагнетателя при наддуве, относительно расчетного значения, основанного на термодинамических уравнениях. Вычислите одно значение, измерьте другое, разделите расчетное значение на измеренное, и вы получите эффективность компрессора. Соответствие эффективности компрессора конкретному двигателю важно в том, чтобы максимум эффективности компрессора находился где-нибудь около пика мощности или максимальных оборотов двигателя, чтобы компрессор давал самую низкую возможную тепловую нагрузку. “Высокоэффективный” является выражением дилетантов, изобретенный случайными авторами для описания турбокомпрессоров, обеспечивающих давление наддува на низких оборотах. Если что-то может быть совершенно неправильным, то это пример того. Давление наддува на низких оборотах означает не большой компрессор, который является не эффективным на высоких оборотах. Таким образом, он производит высокие температуры и является как раз противоположностью “высокоэффективному”
Давление в выпускном коллекторе, влияет ли на характеристики?
Да. Давление в выпускном коллекторе – критерий того, насколько хорошо турбина подобрана для конкретного двигателя. Давление в выпускном коллекторе не должно превышать давление наддува более чем в два с половиной раза. Это соблазняет изготовителей турбокита использовать слишком малые турбины, только для того, чтобы выдавать давление наддува на низких оборотах. Низкий порог наддува может быть и полезным, но переусердствовать при этом означает получить серьезную, более 20%, потерю мощности на оборотах выше средних. Необходимый баланс между наддувом на низких оборотах и наддувом на максимальных оборотах – задача проектирования, которую должен решать каждый решившийся на установку турбины. В общем, меньшее давление в выпускном коллекторе означает большее количество лошадиных сил. Другими словами, большие турбины бегают быстрее.
С небольшим нагнетателем точка максимальной эффективности достигается рано, и минимум тепловыделения будет на низких давлениях наддува. Чтобы снизить температуру при достижении большой мощности, необходим большой турбонагнетатель.
Когда точка максимальной эффективности находится на более высоких оборотах, это означает более низкую температуру воздуха в этом режиме. Более низкая температура дает более плотный воздух, который обеспечивает пик момента в верхнем диапазоне оборотов.
Выбор размера компрессора.
Необходимо понять нужную степень повышения наддува, степень расхода и плотности воздуха и степень эффективности нагнетателя перед тем, как приступать к подбору нагнетателя нужного размера.
Степень повышения давления.
Степень повышения давления расчитывается как полное абсолюдное давление, произведенное турбиной, разделенное на атмосферное давление.
Степень сжатия = 1+наддув/1
В конечном счете, мощность, полученная от использования турбонаддува, зависит от количества молекул кислорода в воздухе, сжатых в каждый кубический сантиметр объема. Это называется плотностью воздушного заряда. При прохождении через систему турбонаддува плотность немного изменяется.Когда воздушные молекулы принудительно «утрамбовываются» в нагнетателе до определенной степени сжатия, плотность не увеличивается на тоже самое значение, потомучто при сжатии увеличивается температура, и воздух расширяется обратно в прямой зависимости от того насколько он нагрет. Хотя воздушный заряд после сжатия окажется более плотным, его плотность будет всегда меньше, чем степень повышения давления. Для снижения негативного фактора этого эффекта применяют промежуточные охладители, позволяющие относительной плотности приблизиться к значению степени сжатия.
Зависимость относительной плотности от степени повышения давления. Плотность падает при увеличении температуры, поэтому фактическая степень увеличения массы воздуха всегда меньше чем степень повышения давления.
Расход воздуха равен обьему х обороты х 0.5 х Ev и поделенному на 1000000. Здесь 0.5 означает, что у четырех тактного двтгателя воздух в цилиндр поступает только в один оборот из двух, Ev это объемная эффективность. Делим на 1000000 для того, чтобы получить кубические метры из кубических см. Чтобы преобразовать кубические метры к кг/мин надо умножить на плотность воздуха на высоте географического места положения.
Выбор размера турбины.
Предполагаемое применение системы двигатель+турбонагнетатель является также основным критерием при выборе размера турбины, поскольку определяет выбор между моментом на низких, средних или максимальных оборотах двигателя. При этом выборе приходиться иметь дело с двумя величинами: основной размер турбины и отношение площадь/радиус (A/R).
Основной размер турбины.
Предполагается, что основной размер турбины характеризует ее способность производить мощность на валу, необходимую для привода компрессора при желаемом расходе воздуха. Поэтому большие турбины обеспечивают более высокие отдаваемые мощности, чем не большие. Для простоты картины, оценивать размер турбины можно по диаметруее выходного отверстия. Это является упращением теории турбин, однако на практике такой подход дает возможность оценить способность турбины обеспечить тот или иной расход.
Компрессор Garrett GT2860RS. Цифры справа — число оборотов турбины в минуту. Видно, что линия соединяющая точки PR=1 и PR=1.8 проходит за границей устойчивой работы компрессора.
Компрессор Garrett GT2557R, несмотря на КПД, меньший чем у Garrett 2860RS, лучше подходит для заданного применения.
Диаграмма диаметра выходного отверстия турбины относительно расхода воздуха на впуске — не точный инструмент для выбора, но приблизительный критерий первоначального отсеивания.
Разумный метод выбора турбины состоит в том чтобы проконсультироваться в компании, у которой вы приобретаете турбокомпрессор. Конечно, при выборе будет существовать возможность допустить ошибку в ту или иную сторону. И так как выбор происходит в пределах первоначального предназначения системы турбонаддува, имеет смысл каждый раз выбирать в большую сторону.
Выбор отношения A/R
Приблизительный диаметр выходного отверстия турбины, требуемый для привода компрессора при заданном расходе воздуха.
В то время как основной размер турбины является критерием расхода газа через турбину, отношение A/R дает инструмент точного выбора из диапазона основных размеров.Чтобы понять идею отношения A/R, представте кожух турбины в виде конуса, обернутого вокруг вала в виде спирали. Распрямите етот конус и отрежьте небольшой кусок, на некотором растоянии от конца. Отверстие в конце конуса — выходное сечение кожуха. Площадь этого отверстия и есть A в отношении A/R. Размер отверстия существенен, поскольку он определяет скорость, с которой выходят отработанные газы из улитки турбины и попадают на ее лопатки. При любом заданном расходе газов для увеличения скорости их истечения требуется уменьшение площади выходного отверстия. Эта имеет существенное значение для управления частотой вращения турбины. Необходимо иметь ввиду, что площадь выхода влияет на побочный эффект обратного давления отработанных газов и, таким образом, оказывает влияние на процессы, протекающие в камере сгорания двигателя.
R в отношении A/R — растояние от центра площади сечения в конусе до оси вращения вала турбины. Все A, разделенные на соответствующие им R дадут одинаковый результат.
R тоже оказывает сильное влияние на управление скоростью турбины. Представьте, что кончики лопаток турбины движутся с той же скоростью, что и газ, когда он попадает на лопатки. Отсюда легко понять, что чем меньше R, тем выше частота вращения турбины.
Увеличение скорости вращения турбины, которая зависит от отношения A/R, почти всегда достигается изменением площади выходного сечения кожуха турбины при остающемся неизвенном радиусе.
Выбор, который кажется логичной отправной точкой для отношения A/R — это одно, а фактически полученный правильный результат — это совсем другое. Обычно не избежны пробы и ошибки. Разумный выбор может быть обоснован количественным образом или, в некоторой степени, качественной характеристикой адекватности реакций турбосистемы. Количественная оценка требует измерения давления в выпускном коллекторе или на входе в турбины и сравнения его с давлением наддува.
Результатом неправильного выбора отношения A/R может стать увеличение иннерционности наддува, если отношение слишком велико. Отношение A/R может быть настолько большим, что не позволит турбонагнетателю развить обороты, достаточные для достижения желаемого давления наддува. Если отношение, напротив, чрезмерно мало, реакция турбонагнетателя может быть столь быстра, что будет казаться нервной и трудной для управления. Результат проявится и в виде отсутствия мощности в верхней трети диапазона оборотов двигателя. Это будет похоже на атмосферный двигатель, у карбюратора которого закрыта вторая заслонка.
При написании использованы материалы книги Maximum Bust.
Как правильно подобрать турбокомпрессор?
Важен ли правильный выбор размера турбины?
Правильно подобранный турбокомпрессор обеспечит уверенные обороты порога наддува, некритичное сужение системы, низкую температуру на впуске и невысокое давление в выпускном коллекторе. Любой человек умеющий читать и пользоваться телефоном, вполне может выбрать правильный размер турбонагнетателя. Никакой фундаментальной науки, никакого волшебства, только немного размышлений и аргументированных оценок. Например, Вы хотите самый низкий порог наддува? Хорошо, это возможно если вы проводите время в пробках. Это единственный случай когда важен низкий порог наддува. Будьте уверены – белее низкий порог наддува, меньшая мощность. С другой стороны, если вашей целью является максимальная мощность, турбонагнетатель нужного размера, скорее всего, не будет производить никакого давления наддува до верхней половины диапазона оборотов. Это неприемлемо с точки зрения гибких требований, предъявляемых к повседневному автомобилю. Необходим компромисс. Не скатывайтесь до низкого уровня журналистов, утверждающих, что качество системы турбонаддува характеризуется тем, сколь малые обороты нужны ей от двигателя, для создания наддува.
Конструкция турбонагнетателя влияет на его характеристики?
Нет. Фактически все турбины долговечны, эффективны и отвечают предъявленным требованиям. Характеристики турбокита никоим образом не связаны с моделью турбокомпрессора, если эта модель не является единственным турбонагнетателем требуемого размера, доступным для применения. Некоторые конструкции имеют встроенные вестгейты. Такое исполнение вестгейта требует немного больших усилий, чтобы сделать его столь же эффективным, как внешний вестгейт. В этом случае модель турбонагнетателя влияет на его характеристики, но только из-за интегрированного вестгейта.
Сдвоенные турбины дают какое-либо преимущество?
Иногда. Двигатель объемом более трех литров, может получить пользу от применения двух турбин. Две небольшие турбины могут слегка снизить инерционность турбосистемы, в противоположность одному большому турбонагнетателю, и обеспечивают лучший баланс между характеристиками наддува на низких и максимальных оборотах. При объеме более пяти литров, две турбины действительно станут необходимостью. Не подумайте, что парные турбины турбины более мощные, просто при их использовании накладывается очень много прочих факторов.
Что означает эффективность (КПД) компрессора и почему она важна?
Эффективность (КПД) компрессора не означает ничего иного, как реальную температуру воздуха, выходящего из турбонагнетателя при наддуве, относительно расчетного значения, основанного на термодинамических уравнениях. Вычислите одно значение, измерьте другое, разделите расчетное значение на измеренное, и вы получите эффективность компрессора. Соответствие эффективности компрессора конкретному двигателю важно в том, чтобы максимум эффективности компрессора находился где-нибудь около пика мощности или максимальных оборотов двигателя, чтобы компрессор давал самую низкую возможную тепловую нагрузку. “Высокоэффективный” является выражением дилетантов, изобретенный случайными авторами для описания турбокомпрессоров, обеспечивающих давление наддува на низких оборотах. Если что-то может быть совершенно неправильным, то это пример того. Давление наддува на низких оборотах означает не большой компрессор, который является не эффективным на высоких оборотах. Таким образом, он производит высокие температуры и является как раз противоположностью “высокоэффективному”
Давление в выпускном коллекторе, влияет ли на характеристики?
Да. Давление в выпускном коллекторе – критерий того, насколько хорошо турбина подобрана для конкретного двигателя. Давление в выпускном коллекторе не должно превышать давление наддува более чем в два с половиной раза. Это соблазняет изготовителей турбокита использовать слишком малые турбины, только для того, чтобы выдавать давление наддува на низких оборотах. Низкий порог наддува может быть и полезным, но переусердствовать при этом означает получить серьезную, более 20%, потерю мощности на оборотах выше средних. Необходимый баланс между наддувом на низких оборотах и наддувом на максимальных оборотах – задача проектирования, которую должен решать каждый решившийся на установку турбины. В общем, меньшее давление в выпускном коллекторе означает большее количество лошадиных сил. Другими словами, большие турбины бегают быстрее.
С небольшим нагнетателем точка максимальной эффективности достигается рано, и минимум тепловыделения будет на низких давлениях наддува. Чтобы снизить температуру при достижении большой мощности, необходим большой турбонагнетатель.
Когда точка максимальной эффективности находится на более высоких оборотах, это означает более низкую температуру воздуха в этом режиме. Более низкая температура дает более плотный воздух, который обеспечивает пик момента в верхнем диапазоне оборотов.
Выбор размера компрессора.
Необходимо понять нужную степень повышения наддува, степень расхода и плотности воздуха и степень эффективности нагнетателя перед тем, как приступать к подбору нагнетателя нужного размера.
Степень повышения давления.
Степень повышения давления расчитывается как полное абсолюдное давление, произведенное турбиной, разделенное на атмосферное давление.
Степень сжатия = 1+наддув/1
В конечном счете, мощность, полученная от использования турбонаддува, зависит от количества молекул кислорода в воздухе, сжатых в каждый кубический сантиметр объема. Это называется плотностью воздушного заряда. При прохождении через систему турбонаддува плотность немного изменяется.Когда воздушные молекулы принудительно «утрамбовываются» в нагнетателе до определенной степени сжатия, плотность не увеличивается на тоже самое значение, потомучто при сжатии увеличивается температура, и воздух расширяется обратно в прямой зависимости от того насколько он нагрет. Хотя воздушный заряд после сжатия окажется более плотным, его плотность будет всегда меньше, чем степень повышения давления. Для снижения негативного фактора этого эффекта применяют промежуточные охладители, позволяющие относительной плотности приблизиться к значению степени сжатия.
Зависимость относительной плотности от степени повышения давления. Плотность падает при увеличении температуры, поэтому фактическая степень увеличения массы воздуха всегда меньше чем степень повышения давления.
Расход воздуха равен обьему х обороты х 0.5 х Ev и поделенному на 1000000. Здесь 0.5 означает, что у четырех тактного двтгателя воздух в цилиндр поступает только в один оборот из двух, Ev это объемная эффективность. Делим на 1000000 для того, чтобы получить кубические метры из кубических см. Чтобы преобразовать кубические метры к кг/мин надо умножить на плотность воздуха на высоте географического места положения.
Выбор размера турбины.
Предполагаемое применение системы двигатель+турбонагнетатель является также основным критерием при выборе размера турбины, поскольку определяет выбор между моментом на низких, средних или максимальных оборотах двигателя. При этом выборе приходиться иметь дело с двумя величинами: основной размер турбины и отношение площадь/радиус (A/R).
Основной размер турбины.
Предполагается, что основной размер турбины характеризует ее способность производить мощность на валу, необходимую для привода компрессора при желаемом расходе воздуха. Поэтому большие турбины обеспечивают более высокие отдаваемые мощности, чем не большие. Для простоты картины, оценивать размер турбины можно по диаметруее выходного отверстия. Это является упращением теории турбин, однако на практике такой подход дает возможность оценить способность турбины обеспечить тот или иной расход.
Компрессор Garrett GT2860RS. Цифры справа — число оборотов турбины в минуту. Видно, что линия соединяющая точки PR=1 и PR=1.8 проходит за границей устойчивой работы компрессора.
Компрессор Garrett GT2557R, несмотря на КПД, меньший чем у Garrett 2860RS, лучше подходит для заданного применения.
Диаграмма диаметра выходного отверстия турбины относительно расхода воздуха на впуске — не точный инструмент для выбора, но приблизительный критерий первоначального отсеивания.
Разумный метод выбора турбины состоит в том чтобы проконсультироваться в компании, у которой вы приобретаете турбокомпрессор. Конечно, при выборе будет существовать возможность допустить ошибку в ту или иную сторону. И так как выбор происходит в пределах первоначального предназначения системы турбонаддува, имеет смысл каждый раз выбирать в большую сторону.
Выбор отношения A/R
Приблизительный диаметр выходного отверстия турбины, требуемый для привода компрессора при заданном расходе воздуха.
В то время как основной размер турбины является критерием расхода газа через турбину, отношение A/R дает инструмент точного выбора из диапазона основных размеров.Чтобы понять идею отношения A/R, представте кожух турбины в виде конуса, обернутого вокруг вала в виде спирали. Распрямите етот конус и отрежьте небольшой кусок, на некотором растоянии от конца. Отверстие в конце конуса — выходное сечение кожуха. Площадь этого отверстия и есть A в отношении A/R. Размер отверстия существенен, поскольку он определяет скорость, с которой выходят отработанные газы из улитки турбины и попадают на ее лопатки. При любом заданном расходе газов для увеличения скорости их истечения требуется уменьшение площади выходного отверстия. Эта имеет существенное значение для управления частотой вращения турбины. Необходимо иметь ввиду, что площадь выхода влияет на побочный эффект обратного давления отработанных газов и, таким образом, оказывает влияние на процессы, протекающие в камере сгорания двигателя.
R в отношении A/R — растояние от центра площади сечения в конусе до оси вращения вала турбины. Все A, разделенные на соответствующие им R дадут одинаковый результат.
R тоже оказывает сильное влияние на управление скоростью турбины. Представьте, что кончики лопаток турбины движутся с той же скоростью, что и газ, когда он попадает на лопатки. Отсюда легко понять, что чем меньше R, тем выше частота вращения турбины.
Увеличение скорости вращения турбины, которая зависит от отношения A/R, почти всегда достигается изменением площади выходного сечения кожуха турбины при остающемся неизвенном радиусе.
Выбор, который кажется логичной отправной точкой для отношения A/R — это одно, а фактически полученный правильный результат — это совсем другое. Обычно не избежны пробы и ошибки. Разумный выбор может быть обоснован количественным образом или, в некоторой степени, качественной характеристикой адекватности реакций турбосистемы. Количественная оценка требует измерения давления в выпускном коллекторе или на входе в турбины и сравнения его с давлением наддува.
Результатом неправильного выбора отношения A/R может стать увеличение иннерционности наддува, если отношение слишком велико. Отношение A/R может быть настолько большим, что не позволит турбонагнетателю развить обороты, достаточные для достижения желаемого давления наддува. Если отношение, напротив, чрезмерно мало, реакция турбонагнетателя может быть столь быстра, что будет казаться нервной и трудной для управления. Результат проявится и в виде отсутствия мощности в верхней трети диапазона оборотов двигателя. Это будет похоже на атмосферный двигатель, у карбюратора которого закрыта вторая заслонка.
При написании использованы материалы книги Maximum Bust.