Турбокомпрессор: главный агрегат для наддува воздуха

Турбокомпрессоры

Двигатели внутреннего сгорания могут быть значительно усовершенствованы с помощью специальных устройств, известных как турбокомпрессоры. В данной статье мы рассмотрим, что такое турбокомпрессор, какие виды устройств существуют, их структуру и основные принципы работы, а также вопросы обслуживания и ремонта.

Понятие турбокомпрессора

Турбокомпрессор является ключевым компонентом системы наддува для двигателей внутреннего сгорания. Это агрегат, способный увеличивать давление в впускном тракте двигателя за счет энергии отработавших газов.

Турбокомпрессор используется для повышения мощности двигателя внутреннего сгорания без необходимости модифицировать его конструкцию. Он увеличивает давление в впускном тракте двигателя, позволяя поступлению большего количества топливно-воздушной смеси в камеры сгорания. При этом происходит горение при более высокой температуре и образуется больше газов, что, в свою очередь, повышает давление на поршень и придает двигателю больший крутящий момент и мощность.

Применение турбокомпрессора позволяет увеличить мощность двигателя на 20-50% с минимальным увеличением его стоимости (а при более интенсивных модификациях прирост мощности может достигать 100-120%). Благодаря своей простоте, надежности и эффективности системы наддува на основе турбокомпрессоров, они широко используются на всех видах транспортных средств с двигателями внутреннего сгорания.

Разновидности и характеристики турбокомпрессоров

Существует широкий спектр турбокомпрессоров, которые можно разделить на группы в зависимости от их назначения, применимости, типа турбины и дополнительных функций.

Турбокомпрессоры могут быть разделены на несколько типов согласно их назначению:

• Для систем наддува с одним эшелоном - это означает, что на двигатель устанавливается один турбокомпрессор или два и более агрегата, работающих на несколько цилиндров;
• Для последовательных и параллельных систем наддува (различные варианты Twin Turbo) - эти системы включают два одинаковых или разных по характеристикам агрегата, работающих на одну группу цилиндров;
• Для двухэшелонных систем наддува - в этих системах два турбокомпрессора с разными характеристиками работают последовательно на одну группу цилиндров.

Одноэшелонные системы наддува, основанные на одном турбокомпрессоре, широко применяются. В некоторых случаях могут быть установлены два или четыре одинаковых агрегата, например, в восьмицилиндровых двигателях на каждый ряд цилиндров устанавливаются отдельные турбокомпрессоры, или в многоцилиндровых (с более чем 8 цилиндрами) моторах могут использоваться четыре турбокомпрессора, каждый из которых работает на 2, 4 или более цилиндров. Двухэшелонные системы наддува и различные вариации Twin-Turbo менее распространены, поскольку они требуют двух турбокомпрессоров с разными характеристиками, которые должны работать только в паре.

Турбокомпрессоры могут быть условно разделены на несколько групп в зависимости от их применимости:

• В зависимости от типа двигателя - для бензиновых, дизельных и газовых двигателей;
• В зависимости от объема и мощности двигателя - для силовых агрегатов с разной мощностью и объемом, высокооборотных двигателей и т.д.

• Радиальной (радиально-осевой, центростремительной) турбиной, при которой поток отработавших газов поступает на периферию крыльчатки турбины, затем движется к ее центру и выводится в осевом направлении;
• Осевой турбиной, при которой поток отработавших газов поступает вдоль оси (к центру) крыльчатки турбины и выводится с ее периферии.

Оба варианта турбин применяются сегодня, но на маломощных двигателях чаще встречаются турбокомпрессоры с радиально-осевой турбиной, в то время как на мощных силовых агрегатах предпочтение отдается осевым турбинам (хотя это не является строгим правилом). Вне зависимости от типа турбины, все турбокомпрессоры оснащены центробежным компрессором - воздух поступает к центру крыльчатки и отводится от периферии.

• Двойной вход - турбина имеет два входа, к каждому из которых поступают отработавшие газы от одной группы цилиндров. Это снижает перепады давления в системе и улучшает стабильность наддува;
• Изменяемая геометрия - турбина имеет подвижные лопасти или скользящее кольцо, которые позволяют изменять поток отработавших газов на рабочем колесе, что позволяет менять характеристики турбокомпрессора в зависимости от режима работы двигателя.

Турбокомпрессоры также различаются основными эксплуатационными характеристиками и возможностями.

Важнейшие характеристики этих агрегатов включают:

• Степень повышения давления, которая отражает отношение давления воздуха на выходе компрессора к давлению воздуха на входе, и обычно составляет от 1,5 до 3;
• Подачу компрессора, которая определяет массу воздуха, проходящую через компрессор за единицу времени (секунду), и обычно находится в диапазоне от 0,5 до 2 кг/с;
• Рабочий диапазон оборотов, который варьируется от нескольких сотен (для мощных тепловозных, промышленных и других дизельных двигателей) до десятков тысяч (для современных форсированных двигателей) оборотов в секунду. Максимальная скорость ограничена прочностью рабочих колес турбины и компрессора, поскольку колесо может разрушиться при слишком высокой скорости вращения под действием центробежных сил. В современных турбокомпрессорах периферийные точки колес могут вращаться со скоростями 500-600 и более метров в секунду, что составляет 1,5-2 раз быстрее скорости звука, и создает характерный свист турбины;
• Рабочую/максимальную температуру отработавших газов на входе в турбину, которая лежит в пределах 650-700°С и в некоторых случаях может достигать 1000°С;
• КПД турбины/компрессора — обычно составляет 0,7-0,8, в одном агрегате КПД турбины обычно меньше КПД компрессора.

Конструкция турбокомпрессора

По своей сути, турбокомпрессор состоит из трех основных элементов:

1. Турбина;
2. Компрессор;
3. Центральный корпус с подшипниками.

Турбина - это устройство, которое преобразует кинетическую энергию отработавших газов в механическую энергию (крутящий момент колеса), обеспечивающую работу компрессора. Компрессор - это устройство для нагнетания воздуха. Центральный корпус соединяет два устройства в единую конструкцию, а вал ротора, расположенный в этом корпусе, передает крутящий момент от колеса турбины на колесо компрессора.

Турбина и компрессор имеют схожую структуру. В основе каждого из них лежит корпус, в котором находятся патрубки для соединения с системой наддува. У компрессора впускной патрубок всегда расположен в центре, а выпускной (нагнетательный) - на периферии. У осевых турбин такое же расположение патрубков, а у радиально-осевых турбин оно обратное (впускной на периферии, а выпускной - в центре).

Внутри корпуса находится колесо с лопатками специальной формы. Оба колеса - турбинное и компрессорное - укреплены на общем валу, который проходит через центральный корпус. Колеса могут быть цельнолитыми или составными, при этом форма лопаток турбинного колеса обеспечивает максимальное использование энергии отработавших газов, а форма лопаток компрессорного колеса создает центробежный эффект. Сегодня в высокоэффективных турбинах используются составные колеса с керамическими лопатками, которые обладают лучшими характеристиками при небольшом весе. Размеры колес турбокомпрессоров для автомобильных двигателей составляют 50-180 мм, а для мощных дизелей тепловозов и промышленных установок - 220-500 мм и больше.

Оба корпуса крепятся к центральному корпусу с помощью болтов через уплотнения. Здесь устанавливаются подшипники скольжения (иногда специальные роликовые подшипники) и уплотнительные кольца. В центральном корпусе также проложены смазочные каналы для смазки подшипников и вала, а в некоторых турбокомпрессорах имеются полости для водяного охлаждения. При сборке агрегат соединяется с системами смазки и охлаждения двигателя.




В конструкции турбокомпрессора могут быть включены различные вспомогательные компоненты, такие как система рециркуляции отработавших газов, масляные клапаны, элементы для улучшения смазки и охлаждения, регулировочные клапаны и т.д.

Значительное внимание уделяется выбору материалов для деталей турбокомпрессора. Колесо турбины изготавливается из жаропрочных сплавов. Материалы подбираются с учетом их коэффициента температурного расширения для обеспечения надежности конструкции в различных условиях эксплуатации.

Турбокомпрессор включается в систему наддува воздуха, куда также входят впускной и выпускной коллекторы, а в более сложных системах - интеркулер (радиатор охлаждения наддувного воздуха), различные клапаны, датчики, заслонки и трубопроводы.

Работа турбокомпрессора сводится к простым принципам. Турбина устанавливается в выпускную систему двигателя, а компрессор - во впускной тракт. Во время работы двигателя выхлопные газы поступают в турбину, сталкиваются с лопатками колеса, передавая ему часть своей кинетической энергии и заставляя его вращаться. Крутящий момент с турбины передается на колеса компрессора через вал. Вращающееся колесо компрессора отбрасывает воздух на периферию, повышая его давление, и этот воздух поступает во впускной коллектор.

У турбокомпрессора есть недостатки, и один из них - задержка в работе, или турбояма. Колеса агрегата имеют массу и инерцию, поэтому не могут мгновенно разгоняться при повышении оборотов двигателя. Поэтому при резком нажатии на педаль газа турбированный двигатель не моментально разгоняется - возникает короткая задержка и пауза в мощности. Эту проблему решают специальные системы управления турбиной, турбокомпрессоры с изменяемой геометрией, системы наддува с последовательно-параллельным и двухступенчатым режимами работы, а также другие технические решения.