Турбокомпрессорлар бойынша ақпарат

ТУРБИНАЛЫҚ ҮРЛЕТУ ТАРИХЫ

Турбокомпрессорларды дамыту тарихы іштен жану қозғалтқыштарының алғашқы үлгілерін құрумен бір уақытта, шамамен сол кезде басталды. 1885 – 1896 жж. Готлиб Даймлер мен Рудольф Дизель жану камерасына үрленетін ауаны сығып, өндірілетін қуатты арттыру және отын шығынын азайту саласында зерттеулер жүргізді. 1952 ж. швейцариялық инженер Альфред Бюши түтін газдары көмегімен үрлетуді алғаш рет сәтті жүзеге асырып, соның арқасында қуатты 40%-ға арттырды. Бұл оқиға турботехнологияларды біртіндеп дамытудың және өмірге енгізудің бастауы болды.

Алғашқы турбокомпрессорларды қолдану аясы өте үлкен қозғалтқыштармен, атап айтқанда кеме қозғалтқыштарымен шектелді. Автокөлік саласында турбокомпрессорларды алғаш рет жүк көліктерінің өндірушілері қолдана бастады. 1938 ж. "Swiss Machine Works Sauer" зауытында жүк көлігі үшін алғашқы турбоқозғалтқыш жасалды.

Турбинамен жабдықталған алғашқы жеңіл көліктер 1962 – 63 жж. Америка нарығына шыққан Chevrolet Corvair Monza және Oldsmobile Jetfire болды. Айқын техникалық артықшылықтарына қарамастан, сенімділіктің төмен деңгейі бұл модельдердің тең өмір сүруіне әкелді.

1973 жылғы мұнай дағдарысы коммерциялық дизельді қозғалтқыштарда турбокомпрессорларды қолдану саласындағы зерттеулерді ынталандырды, себебі бұған дейін турботехнологияларды дамыту технологияны дамытуға үлкен капитал салу қажеттілігімен, сондай-ақ отынның төмен бағасымен шектеліп келді. 80-шы жылдардың соңында түтін газдарына қойылатын экологиялық талаптардың қатаюы турбокомпрессорлармен жабдықталған жүк көліктерінің санының айтарлықтай өсуіне әкелді. Бүгінгі таңда турботехнологияларды дамыту деңгейі соншалықты жоғары деңгейге жетті, бұл іс жүзінде әрбір жүк көлігі қозғалтқышы турбокомпрессормен жабдықталған.

70-ші жылдарда спорттық көліктерде, атап айтқанда Formula 1-де турбоқозғалтқыштарды пайдаланудың басталуы турбокомпрессорлардың танымалдылығының айтарлықтай өсуіне әкелді. "Турбо" деген қосымша сөз сәндікке айналды. Сол кезде көптеген автокөлік өндірушілері бензінмен жұмыс істейтін турбоқозғалтқышы бар кем дегенде бір модельді ұсынды. Алайда, бірнеше жыл өткен соң, турбоқозғалтқыштар сәнділігін жоғалта бастады, себебі турбокомпрессор бензіндік қозғалтқыштың қуатын арттыруға мүмкіндік берсе де, отын шығынын күрт арттыратыны анықталды.

Турбокомпрессордың жауап реакциясының кешігуі осы жабдықтың алғашқы үлгілерінде айтарлықтай үлкен болды, бұл да бензіндік қозғалтқышқа турбинаны орнатуға қарты маңызды дәлел болды.

Турбокомпрессорларды дамытудағы түбірлі өзгеріс 1978 ж. Mercedes–Benz 300 SD шығарылуымен болды, бұл дизельді турбоқозғалтқышпен жабдықталған алғашқы жеңіл көлік болды. 1981 ж. Mercedes–Benz 300 SD-ні VW Turbodiesel ілестірді. Турбокомпрессордың көмегімен өндірушілер атмосфераға шығарылатын түтін газдарының деңгейін айтарлықтай төмендетіп қалған жағдайда, дизельді қозғалтқыштың тиімділігін бензіндік қозғалтқыш деңгейіне дейін арттыруға мүмкіндік алды.

Бүгінгі таңда, бензіндік қозғалтқышқа турбокомпрессорды орнату қуатты арттыру тұрғысынан емес, ал отын шығынын азайту және осылайша СО2 және басқа зиянды заттардың шығарындыларын төмендету тұрғысынан қарастырылады. Осылайша, турбоқозғалтқыштар энергия тасымалдағыштарды тұтынуды азайту және қоршаған ортаға шығарындыларды азайту әдісі ретінде қызмет етеді.

ТУРБИНА БҰЗЫЛУЫНЫҢ НЕГІЗГІ СЕБЕПТЕРІ

Тәжірибе көрсеткендей, турбинаның "бұзылуының" басым көпшілігі турбинаның өзімен байланыссыз себептерге байланысты болады. Турбинаны жөндеу немесе ауыстыру туралы шешім қабылдамас бұрын, бұзылу себебін анықтау өте маңызды.

ТУРБИНА БҰЗЫЛУЫНЫҢ 4 НЕГІЗГІ СЕБЕБІ

1. Майдың ластануы

• Ұсақ бөлшектермен ластану. Көзбен байқалмайды, бірақ подшипниктердің тозуына, сондай-ақ подшипник шеттерінің ұсақталуына әкеледі.

2. Майлау жеткіліксіздігі

• Май жеткізу жеткіліксіздігі (мысалы, май өткізетін жолдардың прокладка бөлшектерімен бөгелген кезде) подшипниктердің отырғызу орындарының түсінің күрт өзгеруімен сипатталады.
• Химиялық ластану. Подшипниктер мен біліктің күшті тозуына және аса қызуына әкеледі. Көрініс бойынша зақымдар майлау жеткіліксіздігіне байланысты зақымдардан іс жүзінде еш айырмашылығы жоқ. Мұндай ақаулықтың негізгі себебі – отынның майға енуі, бұл соңғысының майлау қасиеттерінің нашарлауына әкеледі.

3. Экстремалды жұмыс режимдері

• Жылдамдық және/немесе қуат шектеулерінен асу. Жылдамдық және/немесе қуат шектеулерінен асу подшипниктердің отырғызу орындарының аса қызуына, сондай-ақ майдың күйіп қалуына әкеледі. Білікте күйе пайда болады. Компрессор доңғалағының артқы жағы да күйе қабатымен қапталып, деформацияланады. Кейбір жағдайларда турбина доңғалағы қанаттарынан бөлшектер сынып түшуі мүмкін.

4. Бөтен заттардың түсуінен болатын зақымдар

• Қатты бөтен зат - компрессор. Зақым бөтен заттың компрессорға түсуінен болады. Компрессорға түскен зат компрессор кірерінің қабырғаларынан секіре отырып, ауыр зақымдарға әкеледі. Тұз және құм қанаттардың күшті эрозиясы мен бұзылуына себеп болады.
• Жұмсақ бөтен зат. Қағаз немесе сүртіші парақтары сияқты жұмсақ бөтен заттардың турбинаға түсуі қанаттардың деформациясына (артқа қарай иілу) және олардан металл бөлшектердің сынып түшуіне әкеледі.
• Қатты бөтен зат - турбина. Турбинаға түскен бөтен зат қанаттарға сипатты зақым келтіреді. Тіпті ржавчинаның кішкентай бөлшектері сияқты шағын объектілер де қанаттардың жоғары айналу жылдамдығына байланысты ауыр бұзылуға себеп бола алады.

ТУРБОКОМПРЕССОРДЫҢ ЖҰМЫС ПРИНЦИПІ

Турбокомпрессордың жұмыс принципін нақтырақ түсіну үшін, іштен жану қозғалтқышының жұмыс жүйесімен танысу қажет. Бүгінгі таңда, дизельді жеңіл және жүк көліктерінің көпшілігі 4 такті поршеньді қозғалтқыштармен жабдықталған, жұмыс сығымдау және түтін шығару клапандары арқылы басқарылады. Әрбір жұмыс циклы құрсақ білігінің 2 толық айналымы кезінде 4 такттен тұрады.

• Сығымдау – поршень төмен қарай қозғалған кезде, ауа (дизельді қозғалтқышта) немесе отын мен ауа қоспасы (бензіндік қозғалтқышта) ашық сығымдау клапаны арқылы өтеді.
• Қысым – жанғыш масса сығылады.
• Кеңею – ауа мен отын қоспасы шамдар көмегімен тұтанады (бензіндік қозғалтқыш), дизель отыны қысыммен шашыратылып, тұтану өздігінен жүреді.
• Түтін шығару – поршень жоғары қарай қозғалған кезде, түтін газдары шығарылады.

Жұмыстың бұл принциптері қозғалтқыштың тиімділігін арттырудың келесі жолдарын ұсынады:

• Көлемін арттыру
• Қозғалтқыштың жылдамдығын арттыру
• Турбокомпрессия

КОЛЕМДІ АРТТЫРУ

Көлемді арттыру қозғалтқыш қуатын арттырады, себебі жану камерасын үлкейту үлкен көлемдегі ауаны үрлеуге және көбірек отынды жағуға мүмкіндік береді. Көлемді арттыру цилиндрлер санын көбейту немесе әрбір цилиндр көлемін арттыру арқылы жүзеге асырылуы мүмкін. Тұтастай алғанда, көлемді арттыру қозғалтқыш массасының өсуіне әкеледі. Бұл әдіс шығарындылар деңгейі мен отын шығыны бойынша айтарлықтай артықшылықтар бермейді.

ҚОЗҒАЛТҚЫШТЫҢ ЖЫЛДАМДЫҒЫН АРТТЫРУ

Қозғалтқыш қуатын арттырудың тағы бір әдісі – қозғалтқыштың жылдамдығын арттыру. Жылдамдықты арттыру уақыт бірлігіндегі поршень жүрістерінің санын көбейту арқылы жүзеге асырылады. Алайда, техникалық себептерге байланысты бұл әдіс қатаң шектеулерге ие. Қозғалтқыштың жылдамдығын арттыру сору және басқа операциялар кезіндегі шығындардың өсуіне әкеледі, бұл жұмыс тиімділігінің төмендеуін тудырады.

ТУРБОКОМПРЕССИЯ

Алғашқы екі әдісті қолданған кезде, қозғалтқыш тек өзін-өзі үрлеумен қамтамасыз етіледі. Жану үшін ауа сығымдау тактісі кезінде тікелей цилиндрге өтеді. Турбокомпрессорды пайдаланған кезде, жану камерасына кіретін ауа алдын ала сығылады. Қозғалтқышқа бірдей көлемдегі ауа келеді, алайда жоғары қысым ауа массасының көбірек мөлшерінің өтуін қамтамасыз етеді, бұл жағылатын отын көлемін арттыруға мүмкіндік береді. Осылайша, турбокомпрессорды пайдаланған кезде, қозғалтқыш қуаты оның көлеміне және тұтынылатын отын мөлшеріне қатысты артады.

ҮРЛЕНГЕН АУАНЫ САЛКЫНДАТУ

Қысым барысында үрленген ауа 180 °C-қа дейін қызады. Сақындыру кезінде ауа тығыздығы артады, бұл үрленген ауа көлемін арттыруға мүмкіндік береді. Үрленген ауаны салқындату іштен жану қозғалтқыштарының қуатын арттырудың отын шығыны деңгейіне және зиянды заттар шығарындыларына оң әсер ететін бірнеше шаралардың бірі болып табылады. Кіретін ауа температурасын төмендету жану температурасын төмендетеді және осылайша NO(x) өндіру мөлшерін азайтады. Ауа тығыздығының артуы отын шығынын және қоршаған ортаны ластау деңгейін азайтады.

Турбокомпрессияның екі түрі бар – механикалық турбокомпрессия және түтін газдары компрессиясы.

МЕХАНИКАЛЫҚ ТУРБОКОМПРЕССИЯ

Механикалық турбокомпрессия кезінде ауа қозғалтқыштан қозғалыс алатын компрессор арқылы сығылады. Алайда, алынатын қуаттың бір бөлігі компрессорды жүргізуге жұмсалады. Қозғалтқыш өлшеміне байланысты, компрессорды жүргізуге қажетті қуат қозғалтқыштың жалпы өндірісінің 10-15%-ын құрайды. Осылайша, бірдей қуаттағы қарапайым қозғалтқышпен салыстырғанда, механикалық турбокомпрессиялы қозғалтқыш жоғары отын шығынына ие.

ТҮТІН ГАЗДАРЫ ТУРБОКОМПРЕССИЯСЫ

Түтін газдары компрессиясын пайдаланған кезде, қарапайым жағдайларда пайдаланылмайтын газ энергиясы турбинаны жүргізуге бағытталады. Компрессор турбинамен бір білікте орналасып, ауаны сору, сығу және жану камерасына беруді қамтамасыз етеді. Бұл жағдайда қозғалтқышпен механикалық қосылыстар жоқ.

ТҮТІН ГАЗДАРЫ ТУРБОКОМПРЕССИЯСЫНЫҢ АРТЫҚШЫЛЫҚТАРЫ

• Бірдей қуаттағы қарапайым қозғалтқышпен салыстырғанда, турбоқозғалтқыштың отын шығыны төмен, себебі түтін газдары энергиясының бір бөлігі қозғалтқыш қуатын арттыруға ықпал етеді. Қозғалтқыштың кішірек көлемі термиялық және басқа да шығындарды азайтады.
• Турбоқозғалтқыш салмақ пен қуат арасындағы қатынасы анағұрлым жақсы, яғни кВт / кг.
• Турбоқозғалтқыш қозғалтқыш отсекінің қажетті ауданы қарапайым қозғалтқышқа қарағанда аз.
• Турбоқозғалтқышты пайдаланған кезде, айналу жиілігі өте төмен кезде максималға жақын қуатты сақтау үшін айналым моменті сипаттамаларын одан әрі жақсартуға болады, бұл таулы жерлерде жүру кезінде жиі берілістерді ауыстыруды болдырмайды.
• Турбоқозғалтқыштар биік таулы жерлердегі жұмыс жағдайларында анағұрлым жақсы сипаттамаларға ие. Төмен қысым жағдайында қарапайым қозғалтқыш қуаттың айтарлықтай бөлігін жоғалтады. Керісінше, турбоқозғалтқыштың жұмыс сипаттамалары турбина қосылыстарындағы тұрақты қысым мен турбина кіреріндегі төмендетілген сыртқы қысым арасындағы айырмашылықтың өсуіне байланысты жақсарады. Кірердегі ауаның төмен тығыздығы өте аз қуат жоғалтуды қамтамасыз ете отырып, өтеседі.
• Турбоқозғалтқыш кішірек өлшемдерге ие болғандықтан, және сәйкесінше шығаратын шу бетінің ауданы, оның шу сипаттамалары қарапайым қозғалтқыштарға қарағанда жақсы.
• Бұл жағдайда, турбокомпрессор қосымша демпфер ретінде әрекет етеді.

ТУРБОКОМПРЕССОРДЫҢ ҚҰРЫЛЫМЫ

ТУРБИНА ҚАБЫРШАҒЫ

Турбина қабыршағы қанат доңғалағының жылу әсеріне және бұзылуына төзу үшін әртүрлі сфероидалды шойын маркаларынан жасалады. Турбина доңғалағы сияқты, қабырша профилі де қанат доңғалағы пішініне толық сәйкес келу үшін өңделеді. Турбина қабыршағының кіру фланцы турбинаны бекіту үшін орнату базасы ретінде жұмыс істейді, жүк көтереді.

Параметрлері:

• Әдетте бұл сфералық графитілі темір қорытпасы
• Әдетте бұл бүкіл турбинаның салмағын көтеретін орнату базасы

Негізгі талаптар:

• Соққыға төзімділік
• Тотығуға төзімділік
• Жоғары температураға төзімділік
• Ыстыққа төзімділік
• Турбина доңғалағын оңай механикалық өңдеу

БІЛІКТІ ТУРБИНА ДОҢҒАЛАҒЫ

Турбина доңғалағы турбина корпусында орнатылып, компрессор доңғалағын айналдыратын түйреуішпен біріктірілген.

Параметрлері:

• Никель қорытпасынан жасалған сапалы жабын
• Берік және төзімді қорытпалардан жасалған
• 760 °C дейінгі жұмыс температурасына шыдайды

Негізгі талаптар:

• тозуға төзімділік
• деформацияға төзімділік
• коррозияға төзімділік

КОМПРЕССОР ҚАБЫРШАҒЫ