Большая карта На карте

Ваше текущее местоположение
Отменить
Ваше текущее местоположение

Турбокомпрессор: конструкция и условия работы

 

На сегодняшний день прошло ровно сто лет с тех пор, как швейцарец Альфред Бюхи запатентовал способ наддува двигателя внутреннего сгорания с помощью компрессора, размещенного на одном валу с турбиной, которая приводится в действие отработавшими газами. За вековой период эволюции принцип турбонаддува остался практически неизменным, чего нельзя сказать о его технической реализации. Новые материалы и технологии позволили достичь того, что на протяжении долгих десятилетий оставалось невозможным — создать газотурбинные компрессоры, сочетающие компактность, эффективность и надежность.

Конструкция турбокомпрессора

На первый взгляд, конструкция турбокомпрессора (ТК) не выглядит сложной. Ее основная деталь — ротор. Он представляет собой вал, с одной стороны которого размещено колесо турбины, с другой — компрессора. В турбокомпрессорах, применяющихся на двигателях легковых автомобилей, используются колеса радиальной конструкции. При компактности и относительно низкой стоимости они позволяют достичь высоких окружных скоростей и коэффициентов напора. Вал вращается в подшипниковом узле, заключенном в центральный корпус. 

Подшипниковый узел воспринимает нагрузки, возникающие при работе ТК и, как правило, включает радиальный и упорный подшипники. Подшипники смазываются и охлаждаются маслом, поступающим от системы смазки двигателя. Смазываемая зона ротора герметизируется с помощью кольцевых лабиринтных уплотнений. 

Ротор вместе с центральным корпусом образует единый сборочный узел, так называемый картридж. К нему с двух сторон крепятся корпуса (улитки) компрессора и турбины. Их задача — формирование оптимального потока воздуха и отработавших газов при их прохождении через крыльчатки обеих лопаточных машин. Вот, собственно, и все, если не считать устройств регулирования турбокомпрессора.

Отличия и регулировка

Напомним, чем вызвана необходимость регулирования турбокомпрессора. Характеристики ТК как лопаточной машины таковы, что параметры воздуха на выходе из компрессора (давление воздуха и массовый расход) резко зависят от частоты вращения ротора. Частота вращения, в свою очередь, определяется условиями, в которых работает турбина — давлением, расходом и температурой поступающих на нее отработавших газов. У автомобильного двигателя, работающего в широком диапазоне изменения оборотов и нагрузки, параметры выхлопа меняются значительно. Поэтому и ТК на разных режимах работы мотора будет развивать разное давление. Причем из-за отличий параметров поршневых и лопаточных машин при увеличении оборотов двигателя частота вращения ротора также будет возрастать. 

Это приводит к тому, что на низких оборотах давление наддува оказывается недостаточным, а на высоких — избыточным. К тому же и КПД турбокомпрессора зависит от частоты вращения ротора. При ее отклонении от оптимального значения, как в меньшую, так и в большую сторону КПД снижается.



В высокооборотных автомобильных двигателях наиболее широко применяется способ внешнего регулирования. ТК изначально рассчитывается так, чтобы он развивал требуемое давление наддува и демонстрировал наивысший КПД в диапазоне промежуточных оборотов двигателя. При их увеличении выше расчетного значения давление наддува может стать чрезмерным. Чтобы этого не произошло, избыточная часть отработавших газов перепускается, минуя турбину. Функцию перепуска газов выполняет разгрузочный пневмоклалан (waste gate). Он находится в закрытом положении под действием тарированной пружины. В надпружинную область, отделенную герметичной мембраной, подается давление с выхода компрессора. Усилие сжатия пружины выбрано таким, что при превышении заданного значения давления наддува, тарелка клапана приоткрывается, и часть газов по байпасному каналу направляются в выпускную систему в обход турбины.

Способ прост и надежен, но не позволяет достичь наилучших показателей экономичности в области высоких оборотов двигателя, так как при этом часть энергии газов теряется. Этого недостатка лишен способ внутреннего регулирования, который получил широкое распространение в последние пять-шесть лет. 

В турбокомпрессорах, применяющихся для наддува моторов с количественным регулированием (бензиновых), используется еще одно регулировочное устройство. Оно также представляет собой байпасный клапан, который устанавливается между компрессором и дроссельной заслонкой.

Клапан помогает избежать проблем, возникающих при быстром закрытии дроссельной заслонки. Резкое уменьшение потока воздуха через компрессор приводит к нестабильному режиму, известному как помпаж. Он характеризуется резкими колебаниями давления, которые могут повредить компрессор и дроссельную заслонку. Чтобы этого не произошло, в момент закрытия заслонки, который определяется по сигналу датчика давления во впуске, клапан стравливает воздух с выхода компрессора в атмосферу.

Условия работы турбокомпрессора

Кажущаяся простота конструкции ТК может вызвать недоумение по поводу того, чем была вызвана многолетняя задержка в практическом применении турбонаддува для повышения отдачи ДВС. Однако проблемы были, и проблемы очень серьезные. Основной их источник — мягко говоря, непростые условия работы турбокомпрессора. Это, прежде всего, большой перепад температур. В дизельных двигателях турбина ТК подвергается воздействию газов с температурой около 800°C. У бензиновых моторов она и вовсе зашкаливает за тысячу. В то же время со стороны компрессора температура конструкции на порядок ниже. 

Высокая температура дополняется большими нагрузками, которые воздействуют на ротор и детали подшипникового узла. Возникают они по причине высокой частоты вращения ротора. Ее высокое значение необходимо для обеспечения требуемой производительности компрессора при допустимых размерах его крыльчатки. Конструкция турбокомпрессора должна быть не только работоспособной в таких условиях, но и достаточно технологичной в серийном производстве, иметь приемлемую стоимость и ресурс, сравнимый с ресурсом двигателя. Согласитесь, одновременно удовлетворить всем условиям непросто. Тем не менее, эти проблемы постепенно решались, что привело к созданию современных конструкций ТК, компактных, эффективных и надежных.

Похожие темы