Теория турбонаддува

Каждая турбина, как и любой другой узел имеет свои характеристики, от которых зависит выбор или не выбор её в качестве насоса для каждого конкретного мотора. Турбокарта это график, демонстрирующий основные показатели турбины, такие как развиваемое давление, производительность, обороты турбины, линия помпажа и т.д.

GT25R 54.3mm, 60 trim, 0.80 A/R

Данный график расположен на координатной сетке, по оси абсцисс которой размечено измеряемое давление, в атмосферах, по оси ординат - производительность турбины, в фунтах в минуту. Измеряемое давление это частное от деления абсолютного давление на выходе компрессора на абсолютное давление на входе компрессора за вычетом потерь на декомпрессию улитки. Абсолютное давление это давление с учетом атмосферного, а измеряемое давление это давление, измеряемое приборами, так как манометры расчитаны так, что показывают только давление выше среднего атмосферного, это 14.7psi - pounds per square inches или 1атм или примерно 1 бар (1.01атм). Это давление воздуха на уровне моря при н.у.

Линия нижнего предела эффективности ТКР (ЛНПЭ) - для гарретовских турбин это линия, за которой КПД ТКР падает ниже 58%. А это означает, что опасно загонять ТКР в три крайности, в линию помпажа, нижний предел эффективности и предел по оборотам.

Линия предельных оборотов - предельные обороты, допустимые для подшипников ТКР.

Линия помпажа это краяняя левая вертикальная линия. Если рабочий режим ТКР попадает левее этой зоны, оная беда имеет место. Помпаж обычно происходит когда резко останавливается поток воздуха, например, резко закрывается дроссельная заслонка, а ТКР при этом продолжает накачивать воздух по инерции, при этом давление катастрофически возрастает, а поток воздуха падает почти до нуля: точка работы ТКР смещается за пределы линии помпажа, происходят ударно-вибрационные нагрузки на лопатки компрессора, причем компрессорное колесо может разрушиться. Помпаж сопровождается стрекочащим звуком. Для борьбы с этой бедой есть несколько приспособлений.

1. Blowoff valve (BOV) - Это клапан, который при превышении давления между компрессором и дросселем свыше определенного предела выпускает часть воздуха в атмосферу
2. Bypass valve - Аналогично BOV, только воздух выпускается не в атмосферу, а возвращается на вход компрессора
3. Ported Shroud - В компрессоре имеется канал, через который часть воздуха уходит на рециркуляцию во впуск.

Производительность ТКР это количетсво воздуха, которое компрессор способен прокачать через себя, измеряется в единицах веса.

Если вы захотели увеличить мощность двигателя с помощью ТКР, то в первую очередь необходимо подсчитать, сколько воздуха будет требоваться мотору. Можно считать, что 100л.с. съедают 330кг/час. Возьмем, к примеру, мотор 2112 объемом 1.5литра, и хотим с него снять 280сил на 8000об/мин. Теперь можно приступить к подбору турбины.

280лошадей съедают 900кг воздуха в час, теперь можно применить физические уравнения.

      AF*G*(460+Ti)
P= ------------------ , где:
      VE*RPM/2*D

P - необходимое АБСОЛЮТНОЕ давление на выходе компрессора
AF - необходимая производительность компрессора, в ф/мин
VE - коэффициент наполнения на оборотах максимальной мощности
RPM - обороты максимальной мощности
D - Объем двигателя, в кубических дюймах
Ti- температура воздуха на входе ТКР, в градусах по Фаренгейту
G - 639,6 = const, газовая константа

Температура воздуха на впуске очень важна, чем выше температура, тем больше объем воздуха при той же массе. Поэтому, чтобы прокачать больше воздуха, его нужно охладить. В среднем, температура на впуске около 50-60градусов при использовнии интеркулера, тогда как без него она может достич и 100-150.
Подставляем наши данные в уравнение.

         33,0633*636,6(460+130)  21048,1*590
P,psi= ----------------------------  = ---------------- = 33.912psi
         1,0*8000/2*91,53               366120

Мы получили абсолютное давление, которое необходимо для получения 280сил на 8000об/мин, чтобы получить избыточное или измеряемое давление, нужно вычесть из полученного результата атмосферное давление на вашей высоте относительно моря, вычтем 14.7. Получаем 19.2psi, это 1.3атм избытка.

Чем больше объем, тем меньшее давление необходимо мотору для получения заветных 280сил, однако ему будет нужно все те же 900кг/час воздуха.

Но к нашим 19,2psi нужно прибавить 2psi (как потери на разгерметизацию улитки), то бишь 1.42атм.

Ну чтож, мы знаем, что нам нужно от турбины для нашего 2112, осталось подобрать турбину, которая удовлетворяет этим требованиям.

Делается это следующим образом: берем турбокарты всех доступных турбин, наносим на турбокарту пиковую точку - 900кг (33lb/min) и 2,42атм. Получаем точку на турбокарте и смотрим, чтобы она была как можно в более эффективной зоне работы и чтобы она была как можно дальше от линии помпажа. Потом считаем, сколько будет потреблять воздуха мотор на планируемом пике момента и так же накладываем на турбокарту. Нужно чтобы обе точки были в рабочей зоне ТКР. Если какая-либо точка находится левее линии помпажа, то турбина слишком большая (это как раз один из тех случаев, когда больше не значит лучше). Или вы рискуете некоторое время слушать стрекот турбины с последующей покупкой новой. Если точка лежит правее ЛНПЭ, то турбина слишком маленькая...

Наш случай, 2112 1.5L 16v и GT2540R

Теперь перейдем к такому понятию, как A/R (Area/Radius).

GT2540R 76mm, 48 trim, 0.70 A/R

Это основной геометрический показатель любого центробежного насоса; это отношение радиуса, проведенного от оси вращения вала колеса к площади канала по срезу этим радиусом. Турбокомпрессор состоит из двух частей: компрессор и приводящий его в движение газотурбинный двигатель.

Мы можем разделить A/R для турбины и компрессора.

компрессорный A/R: по большому счету, особого значения не имеет и изменение его очень незначительно влияет на производительность компрессора, однако большое значение оной величины часто используется для улучшения наддува с небольшим избытком, а малые значения - для моторов, в которые давят с большим избытком.

Турбинны A/R: а вот тут все намного интересней.

С маленьким отношением, выхлопные газы поступают на колесо турбины с большой скоростью, что улучшает работу на низких оборотах двигателя и уменьшает время, необходимое на раскрутку турбины. Но с другой стороны, из-за такой геометрии газы поступают на турбину и давят на лопатки ближе к центру, что ухудшает общую пропускную способность турбины, ухудшает продувку цилиндров на высоких оборотах, создает противодавление.

С другой стороны, большое отношение приводит к меньшим скоростям газов в турбине, увеличению отклика турбины, но газы попадают на внешнюю сторону лопаток, что увеличивает пропускную способность турбины, улучшает её работу на высоких оборотах из-за уменьшения противодавления, ведь чем ближе к концам лопаток давит газ, тем легче крутить колесо (простейший рычаг).

Так что выбрать? Можно рассмотреть две крайности: возьмем наш 2112 и поставим на него турбины с турбинным A/R 0.69 и 1.09:

В первом случае, турбина будет себя хорошо вести на низких оборотах двигателя, будет резво и приятно откликаться на педаль газа, будет подчеркнуто приятный и хороший момент. Однако на верхах мотор начнет тупить, из-за ухудшения продувки цилиндров. Такой вариант будет хорош для ежедневного использования в пробках, да и просто для приятной езды.

Второй случай будет иным. Такой мотор будет вяло откликаться на педаль на низких оборотах мотора, будет провал, однако на высоких оборотах, на оборотах максимальной мощности, турбина будет давать мотору все, чтое му нужно, продувка цилиндров будет на порядок выше, чем в первом варианте, однако в пробках мотор будет простым разжатым атмосферником.

А что касается выпускных коллекторов, в целом, правило как всегда одно – короче и прямее.

Источник: vaz.ee