За увеличаване на мощността на двигателите с вътрешно горене широко се използват специални агрегати - турбокомпресори.Какво е турбокомпресор, какви видове са тези агрегати, как са подредени и на какви принципи се основава тяхната работа, както и за тяхната поддръжка и ремонт, прочетете в статията.
Какво е турбокомпресор?
Турбокомпресорът е основният компонент на агрегатната система за херметизиране на двигателите с вътрешно горене, възел за повишаване на налягането във всмукателния тракт на двигателя благодарение на енергията на отработените газове.
Турбокомпресорът се използва за увеличаване на мощността на двигател с вътрешно горене без радикална намеса в неговия дизайн.Това устройство повишава налягането във всмукателния тракт на двигателя, осигурявайки увеличено количество гориво-въздушна смес към горивните камери.В този случай изгарянето протича при по-висока температура с образуването на по-голям обем газове, което води до увеличаване на налягането върху буталото и в резултат на това до увеличаване на характеристиките на въртящия момент и мощността на двигателя.
Използването на турбокомпресор ви позволява да увеличите мощността на двигателя с 20-50% с минимално увеличение на цената му (а при по-значителни модификации ръстът на мощността може да достигне 100-120%).Благодарение на тяхната простота, надеждност и ефективност, базираните на турбокомпресор системи за херметизиране се използват широко във всички видове превозни средства с двигатели с вътрешно горене.
Видове и характеристики на турбокомпресорите
Днес има голямо разнообразие от турбокомпресори, но те могат да бъдат разделени на групи според предназначението и приложимостта им, вида на използваната турбина и допълнителни функционалности.
Според предназначението турбокомпресорите могат да бъдат разделени на няколко вида:
• За едностепенни системи за херметизиране - един турбокомпресор на двигател или два или повече агрегата, работещи на няколко цилиндъра;
•За последователни и последователно-паралелни системи за надуване (различни варианти на Twin Turbo) - два еднакви или различни агрегата, работещи върху обща група цилиндри;
• При двустепенните системи за херметизиране има два турбокомпресора с различни характеристики, които работят по двойки (последователно един след друг) за една група цилиндри.
Най-широко разпространени са едностъпалните системи за херметизиране, изградени на базата на един турбокомпресор.Такава система обаче може да има два или четири еднакви агрегата - например при V-образни двигатели се използват отделни турбокомпресори за всеки ред цилиндри, при многоцилиндрови двигатели (повече от 8) могат да се използват четири турбокомпресора, всеки от който работи на 2, 4 или повече цилиндъра.По-рядко срещани са двустепенните системи за херметизиране и различни варианти на Twin-Turbo, те използват два турбокомпресора с различни характеристики, които могат да работят само по двойки.
Според приложимостта турбокомпресорите могат да бъдат разделени на няколко групи:
• По тип двигател - за бензинови, дизелови и газови агрегати;
• По обем и мощност на двигателя - за агрегати с малка, средна и голяма мощност;за високооборотни двигатели и др.
Турбокомпресорите могат да бъдат оборудвани с един от двата вида турбини:
• Радиален (радиално-аксиален, центростремителен) - потокът от отработените газове се подава към периферията на работното колело на турбината, придвижва се към центъра му и се изхвърля в аксиална посока;
• Аксиален - потокът отработени газове се подава по оста (към центъра) на работното колело на турбината и се отвежда от периферията му.
Днес се използват и двете схеми, но при малки двигатели често можете да намерите турбокомпресори с радиално-аксиална турбина, а при мощни силови агрегати се предпочитат аксиалните турбини (въпреки че това не е правило).Независимо от вида на турбината, всички турбокомпресори са оборудвани с центробежен компресор - в него въздухът се подава към центъра на работното колело и се отвежда от периферията му.
Съвременните турбокомпресори могат да имат различна функционалност:
• Двоен вход - турбината има два входа, всеки от тях получава изгорели газове от една група цилиндри, това решение намалява падането на налягането в системата и подобрява стабилността на форсирането;
• Променлива геометрия - турбината има подвижни лопатки или плъзгащ се пръстен, чрез който можете да променяте потока на отработените газове към работното колело, което ви позволява да променяте характеристиките на турбокомпресора в зависимост от режима на работа на двигателя.
И накрая, турбокомпресорите се различават по своите основни работни характеристики и възможности.От основните характеристики на тези единици трябва да се подчертаят:
• Степента на повишаване на налягането - съотношението на налягането на въздуха на изхода на компресора към налягането на въздуха на входа е в диапазона 1,5-3;
• Компресорно захранване (въздушен поток през компресора) - масата на въздуха, преминаващ през компресора за единица време (секунда) е в диапазона 0,5-2 kg/s;
• Диапазонът на работните обороти варира от няколкостотин (за мощни дизелови локомотиви, промишлени и други дизелови двигатели) до десетки хиляди (за съвременни форсирани двигатели) обороти в секунда. Максималната скорост е ограничена от силата на турбината и работните колела на компресора, ако скоростта на въртене е твърде висока поради центробежни сили, колелото може да се срути.В съвременните турбокомпресори периферните точки на колелата могат да се въртят със скорости от 500-600 или повече m / s, т.е. 1,5-2 пъти по-бързо от скоростта на звука, което причинява появата на характерния свирене на турбината;
• Работната/максималната температура на отработените газове на входа на турбината е в диапазона 650-700°C, в някои случаи достига до 1000°C;
• Коефициентът на полезно действие на турбината/компресора обикновено е 0,7-0,8, в една единица коефициентът на полезно действие на турбината обикновено е по-малък от коефициента на полезно действие на компресора.
Също така единиците се различават по размер, тип инсталация, необходимост от използване на спомагателни компоненти и др.
Дизайн на турбокомпресор
Като цяло турбокомпресорът се състои от три основни компонента:
1.Турбина;
2.Компресор;
3. Корпус на лагера (централен корпус).
Типична схема на системата за компресиране на агрегата на двигателя с вътрешно горене
Турбината е агрегат, който преобразува кинетичната енергия на отработените газове в механична енергия (във въртящия момент на колелото), което осигурява работата на компресора.Компресорът е устройство за изпомпване на въздух.Корпусът на лагера свързва двата блока в една конструкция, а валът на ротора, разположен в него, осигурява прехвърлянето на въртящия момент от колелото на турбината към колелото на компресора.
Турбокомпресорна секция
Турбината и компресорът имат подобен дизайн.Основата на всеки един от тези възли е кохлеарното тяло, в периферните и централните части на което има тръби за свързване към системата за херметизиране.В компресора входната тръба винаги е в центъра, изпускателната (изпускателната) е в периферията.Същото разположение на тръбите за аксиални турбини, за радиално-аксиални турбини, местоположението на тръбите е обратното (по периферията - всмукателни, в центъра - изпускателни).
Вътре в кутията има колело с остриета със специална форма.И двете колела - турбината и компресора - се държат от общ вал, който минава през корпуса на лагера.Колелата са масивни или композитни, формата на лопатките на турбинните колела осигурява най-ефективното използване на енергията на отработените газове, формата на лопатките на колелата на компресора осигурява максимален центробежен ефект.Съвременните турбини от висок клас могат да използват композитни колела с керамични лопатки, които имат ниско тегло и по-добра производителност.Размерът на колелата на турбокомпресорите на автомобилните двигатели е 50-180 mm, мощните локомотивни, промишлени и други дизелови двигатели са 220-500 mm или повече.
И двата корпуса са монтирани върху корпуса на лагера с болтове през уплътнения.Тук се намират плъзгащи лагери (по-рядко търкалящи лагери със специален дизайн) и О-пръстени.Също така в централния корпус има маслени канали за смазване на лагерите и вала, а в някои турбокомпресори и кухината на кожуха за водно охлаждане.По време на монтажа уредът е свързан към системите за смазване и охлаждане на двигателя.
В конструкцията на турбокомпресора могат да бъдат предвидени и различни спомагателни компоненти, включително части от системата за рециркулация на отработените газове, маслени клапани, елементи за подобряване на смазването на частите и тяхното охлаждане, контролни клапани и др.
Частите на турбокомпресора са изработени от специални марки стомана, за турбинното колело се използват топлоустойчиви стомани.Материалите са внимателно подбрани според коефициента на топлинно разширение, което гарантира надеждността на дизайна в различни режими на работа.
Турбокомпресорът е включен в системата за компресиране на въздуха, която включва също всмукателни и изпускателни колектори, а в по-сложни системи - междинен охладител (радиатор за охлаждане на въздуха), различни клапани, сензори, амортисьори и тръбопроводи.
Принципът на работа на турбокомпресора
Функционирането на турбокомпресора се свежда до прости принципи.Турбината на агрегата се въвежда в изпускателната система на двигателя, компресорът - във всмукателния тракт.По време на работа на двигателя изгорелите газове навлизат в турбината, удрят се в лопатките на колелата, като му отдават част от кинетичната си енергия и го карат да се върти.Въртящият момент от турбината се предава директно към колелата на компресора чрез вала.При въртене колелото на компресора изхвърля въздух към периферията, увеличавайки налягането му - този въздух се подава към всмукателния колектор.
Единичен турбокомпресор има редица недостатъци, основният от които е турбо забавяне или турбо яма.Колелата на агрегата имат маса и известна инерция, така че не могат незабавно да се завъртят, когато скоростта на агрегата се увеличи.Следователно, когато натиснете рязко педала на газта, двигателят с турбокомпресор не ускорява веднага - има кратка пауза, прекъсване на захранването.Решението на този проблем са специални системи за управление на турбините, турбокомпресори с променлива геометрия, последователно-паралелни и двустепенни системи за херметизиране и др.
Принципът на работа на турбокомпресора
Проблеми с поддръжката и ремонта на турбокомпресори
Турбокомпресорът се нуждае от минимална поддръжка.Основното е да смените моторното масло и масления филтър навреме.Ако двигателят все още може да работи със старо масло за известно време, тогава той може да стане смъртоносен за турбокомпресора - дори леко влошаване на качеството на смазката при високи натоварвания може да доведе до задръстване и разрушаване на агрегата.Препоръчва се също периодично да се почистват частите на турбината от въглеродни отлагания, което изисква нейното разглобяване, но тази работа трябва да се извършва само с помощта на специални инструменти и оборудване.
Дефектният турбокомпресор в повечето случаи е по-лесен за смяна, отколкото за ремонт.За подмяна е необходимо да се използва модул от същия тип и модел, който е бил инсталиран на двигателя по-рано.Инсталирането на турбокомпресор с други характеристики може да наруши работата на силовия агрегат.По-добре е да се доверите на избора, монтажа и настройката на агрегата на специалисти - това гарантира правилното изпълнение на работата и нормалната работа на двигателя.С правилната подмяна на турбокомпресора, двигателят ще възвърне висока мощност и ще може да решава най-трудните задачи.
Време на публикуване: 21 август 2023 г