Мощность турбины

Мощьность турбиныМощность турбины.

Способность турбонагнетателя увеличивать мощность наиболее наглядно демонстрировалась гоночными автомобилями Гран-при Формулы 1 эпохи 1977-1988 годов.

Сравнение мощности дрегстеров с мощностью болидов Формулы 1 показывает абсолютное превосходство двигателей с турбонаддувом. Реальная мощность драгстера с 8-ми литровым двигателем находится в диапазоне 5000-6000 л.с., что означает 0,62 — 0,75 л.с. с 1 куб. см. Эти цифры выглядят блекло в сравнении с 1300-1400 л.с. 1500 кубовых двигателей автомобилей Формулы 1 1981 года, что означает отдачу от 0,86 до 0,93 л.с. с одного кубического сантиметра рабочего объема.

Однако у потенциального пользователя турбонаддува остается много вопросов, ответы на которые покажут, почему турбонаддув в равной степени полезен автомобильному энтузиасту, который использует автомобиль для повседневной езды, спортсмену, и даже уличному гонщику. Почему турбонаддув дает больший прирост мощности, чем другие способы модернизации двигателя? Потенциал повышения мощности двигателя от применения любого компрессора измеряется количеством воздуха, нагнетаемого устройством с учётом потерь мощности, затрачиваемой на привод, а так же на нагрев воздуха в процессе сжатия. Хотя может показаться, что турбонагнетатель не использует мощность двигателя, так как энергия выхлопа так или иначе будет потеряна, это далеко не так. Поток горячих выхлопных газов приводит во вращение турбину. Уменьшенные проходные сечения, свойственные ее конструкции, создают этим газам противодавление. Это вызывает некоторые потери мощности двигателя, которые не возникли бы, если бы турбонагнетатель получал энергию от другого её источника, а не от двигателя, который в нашем случае выступает в роли насоса.

Потеря мощности увеличивается при уменьшении размера турбонагнетателя, потому что турбина меньшего размера создает большее противодавление. Напротив, большие турбины создают намного меньшее противодавление, и поэтому потери мощности меньше. И всё же затраты мощности на привод нагнетателя, свойственные двигателю с турбиной, существенно меньше, чем потери, возникающие при использовании приводного компрессора с ремнем или другим механическим приводом. То, что нагнетатель всегда нагревает сжимаемый воздух, является термодинамическим фактом, от которого мы не можем отмахнуться. Различные виды нагнетателей нагревают воздух в разной степени при одинаковых расходах газа и степенях сжатия. В значительной степени это зависит от КПД различных типов насосов.

Классический компрессор типа Руте обычно имеет КПД приблизительно 50 % при том, что турбонагнетатель имеет КПД в районе 70%. Чем выше эффективность (КПД), тем меньше нагрев воздуха. Эффективность имеет первостепенное значение для настоящих энтузиастов мощности, так как повышенная температура воздуха на впуске — враг для высоких характеристик двигателя. При высокой температуре плотность воздуха меньше, таким образом, двигатель фактически потребляет меньшее количество воздуха при более высокой температуре, даже при неизменном давлении. Второй проблемой является то, что более высокие температуры способствуют разрушительно воздействующей па двигатель детонации топливовоздушной смеси.

Противостояние отдаваемой мощности

Как конструкция двигателя может выдерживать эти огромные мощности? Чтобы понять, почему для конструкции двигателя не является губительной, увеличенная в разумных пределах при помощи турбонагнетателя, мощность турбины не оказывает воздействия на двигатель, необходимо рассмотреть статические нагрузки в двигателе во время его работы. К конструкции двигателя в разные моменты его работы прикладываются два вида статических нагрузок: инерционные и мощностиые. Инерционные нагрузки могут быть растягивающими (произведены растягиванием) или сжимающими (произведены сжатием). Мощностная нагрузка может быть только сжимающей. Механизмы воздействия этих нагрузок должны стать понятны читателю как по отдельности, так и в совокупности. Это необходимо для ясного представления, почему турбонагнетатель не убивает кривошипно-шатунный механизм двигателя.

Инерционная нагрузка

Инерционная нагрузка возникает из-за сопротивления предмета ускоренному движению. Чтобы исследовать инерционные нагрузки, удобно разделить цилиндр на верхнюю и нижнюю части. Вообразите две половины, отделенные мнимой линией, называемой серединой хода поршня.

 

Положения поршня в двигателе

Зависимость нагрузок на узлы, двигатели меняет свой характер в трёх характерных взаимных положениях поршня и коленчатого вала.

 

Вектор ускорения поршня всегда направлен к середине его хода даже при движении вверх или вниз от этой середины. Другими словами, когда поршень выше середины своего хода, он будет всегда ускоряться вниз. Когда он ниже середины хода (даже в мертвой точке), он будет ускоряться вверх. Самые большие ускорения достигается в верхней мертвой точке и нижней мертвой точке, когда поршень фактически останавливается. Когда ускорение самое большое, нагрузки будут самые высокие. Когда поршень проходит через середину своего хода ускорение нулевое, а скорость максимальна. Величина нагрузок, возникающих при движении поршня, пропорциональна частоте вращения двигателя, возведенной в квадрат. Например, если число оборотов двигателя в минуту увеличено втрое, инерционная нагрузка будет в девять раз большей. Поршень, который двигается (ускоряется) к верхней мертвой точке и затем обратно к середине хода, прикладывает растягивающую инерционную нагрузку к узлу поршень/шатун. Напротив, когда поршень двигается к нижней мертвой точке и затем обратно к середине хода, инерционная нагрузка будет сжимающей.

Таким образом, во время нахождения поршня выше середины хода инерционная нагрузка, будет растягивающей, а ниже середины хода — сжимающей. Самое большое растягивающее усилие, приложенное к шатуну — в верхнего мертвой точке на ходе выпуска (потому что в верхней мертвой точке в конце такта сжатия ТВС уже горит и создает давление, противодействующее инерционной нагрузке). Самая большая сжимающая нагрузка — в нижней мертвой точке после впуска или рабочего такта. Эти инерционные нагрузки огромны. В двигателе большого объема, работающем на 7000 оборотов в минуту, в шатуне могут развиваться инерционные нагрузки величиной более, чем 1,8 тонны. (Для наглядности представьте себе микроавтобус, стоящий на вашем шатунном подшипнике.)

кривая хода шатуна
Инерционные нагрузки, прикладываемые к шатуну, приближены к синусоидальной зависимости относительно угла поворота коленчатого вала.

Мощностная нагрузка

Мощностная нагрузка возникает от давления сгорающей ТВС, приложенного к поршню. Это сжимающая нагрузка, приложенная к шатуну вследствие того, что горящие газы вынуждают поршень двигаться вниз. Давление, созданное расширяющимися горячими газами, прикладывает к поршню силу, равную площади сечения цилиндра, помноженной на давление и камере сгорания. Например, шатун в двигателе с площадью сечения цилиндра 64,5 квадратных сантиметра (при диаметре 90 мм) при давлении в камере сгорания более 50 бар, будет испытывать сжимающую мощностную нагрузку в 3,6 тонны. Особая зависимость инерционных и мощностных нагрузок наиболее интересна в верхней половине рабочего такта. Здесь мы имеем следующую картину: две нагрузки, действующие на шатун, нагружают его в различных направлениях. Помните, что инерционная нагрузка является растягивающей выше середины хода, в то время как мощностная нагрузка в любом случае является сжимающей. Мощностная нагрузка достигает максимума при максимуме крутящего момента, и постепенно снижается при дальнейшем увеличении оборотов двигателя, но вообще всегда больше чем инерционная нагрузка. Разность между этими двумя нагрузками и есть реальная нагрузка на шатун (рис).

нагрузка на поршеньИтак, инерционные нагрузки частично компенсируются мощностной нагрузкой. Из вышесказанного, очевидно, что в конце такта выпуска, когда шатун/поршень достигает верхней мертвой точки и не подвергается сопротивлению сжимающихся газов (потому что все клапана открыты), достигается самое высокое растягивающее усилие. Эта нагрузка наиболее разрушительна из всех, потому что растягивающие усилия вызывают усталостное разрушение, в то время как сжимающие усилия к этому не приводят. Поэтому, когда конструктор анализирует напряжения в шатуне и шатунных болтах, его в наибольшей степени интересуют инерционные нагрузки в верхней и нижней мертвых точках.

 

 

 

Сгорающая ТВ С создает сжимающие нагрузки в шатуне.

 

 

кривая нагрузка на поршень

Объединенный график мощностной и инерционной нагрузок. Заметьте, что мощностная и инерционная нагрузка вычитаются друг из друга.

Мысль об удвоении момента двигателя (удвоении мощности при тех же оборотах двигателя) приводит к другой мысли — об удвоении мощностной нагрузки. К счастью это не так. Показать, как мощность можно удвоить без удвоения давления в камере сгорания, проще всего графически. Любые существенные изменения расчетной нагрузки будут основаны на пиковом давлении в камере сгорания. На рисунке видно, что при удвоении количества смеси в камере сгорания, пиковое давление возрастает только приблизительно на 20 %. Имеются две причины для этой непропорциональности. Во-первых, мощность — функция среднего давления по всему рабочему ходу поршня, а не только пикового давления. Среднее давление может быть значительно увеличено за счет более высокого давления в середине или в конце хода, в то время как максимум давления существенно не возрастает. Во-вторых, максимальное давление вообще достигается после сгорания 18-20 % смеси. Если количество смеси удвоено, те же 18-20 % этого количества сгорят при достижении максимального давления. Так как полное давления в камере сгорания состоит из давления сжатия и давления сгоревших газов, невозможно удвоить полное давление, удваивая только одну из его составных частей. (Не иначе, законы физики благосклонны к шатунам и шатунным подшипникам.)

график разницы двс

 Давление в цилиндре как функция угла поворота коленчатого вала при примерно двух атмосферах давления. Заметьте, что у двигателя с турбонаддувом максимальное давление достигается приблизительно при 20″ после ВМТ, когда сгорает около 20% смеси. Даже при высоких давлениях наддува небольшое количество сгоревшей смеси не будет давать результат в виде большого изменениях максимально давленая. Когда процесс горения приблизится к завершению, большая плотность смеси может поднимать давление в три — четыре раза при углах поворота коленчатого вала около 90 град., поэтому момент на валу при этом может быть вдвое больше.

Мощность турбины

Тщательное изучение рисунка  показывает, что при угле поворота коленчатого вала, приближающегося к 90″, давление в камере сгорания, при работе с наддувом, в три — четыре раза больше. Оно, однако, заметно меньше чем максимальное давление. Поэтому оно не создает разрушающей нагрузки. Часть рабочего хода в районе 90″ — это тот участок, где возникают реальные увеличения мощности двигателя с турбонаддувом. Любой владеющий физикой товарищ, посмотрев на диаграмму, скажет Вам, что область под соответствующими кривыми представляет собой мощность. Таким образом, разность в площади этих двух областей представляет собой увеличение мощности от применения турбонагнетателя. Теперь очевидно, что мы можем удваивать мощность, не удваивая нагрузку на поршень и шатун!

Итак: предшествующее обсуждение показывает, что увеличенное давление в камере сгорания при использовании турбонаддува и увеличившаяся при этом мощностная нагрузка будут иметь довольно умеренное влияние на конструкцию двигателя. Умеренное увеличение мощностной нагрузки вообще не будет серьезно влиять на конструкцию двигателя.

Большой ресурс

Большой ресурс: достигается ли он? а как он достигается? Ответ на первый вопрос легко находится при рассмотрении нескольких примеров. Кто-то в Porsche однажды сказал, что одна миля в гонках эквивалента по износу 1000 уличным милям. Гоночные автомобили Porsche с турбо моторами выиграли так много двадцати четырёх часовых гонок на выносливость, что только гоночные историки могут назвать их число. Автомобили проходят на таких гонках почти пять тысяч километров. «Гражданский» автомобиль с пробегом в пять миллионов километров кажется невозможным, но такая аллегория звучит внушительно.

На кольцевой трассе «Daytona» Porsche 962 с турбонагнетателем развивает скорость более 320 км/ч. Мысль о том, что он будет так носиться в течение двадцати четырех часов, может показаться ошеломительной. При осознании таких нагрузок и скорости возникает уверенность, что никто не пройдет эту гонку до конца. Однако болиды с турбомоторами успешно финишируют. Эта прежде всего, касается турбонаддува не для гоночных болидов, а для обычных машин, но поставленные задачи принципиально одинаковы, даже если они различны по размаху. «Гражданские» автомобили это как кусок вкусного пирога дня автопроизводителей. Многие из них даже дают достаточно длительную гарантию на свои турбо автомобили. Достигнуть большого ресурса не так легко, как ответить на вопрос, достижим ли он. В широком смысле, большой ресурс сводится к контролю над теплотой в системе двигатель/турбонагнетатель. Любой элемент системы, в котором делает своё дело теплота, является кандидатом на роль «Ахиллесовой пяты» мотора.

Для достижения большого ресурса должен быть оптимизирован каждый из этих элементов. Эта оптимизация охватывает КПД компрессора, промежуточное охлаждение, управление температурой выхлопных газов, температуру подшипников турбины, и многие другие аспекты. Мы должны найти решение поставленной задаче — «управление теплотой». Полезно помнить, что в грамотном решении этой задачи фактически кроется успех турбодвигателя и его мощности.

Продолжение статьи Увеличение мощности турбины.

Мощность турбины
4.75 (95%) 32 голосов

Категория:Maximum Boost Турбонаддув
Оставить Отзыв
Автор:Дата:Мощность турбиныМощность турбиныПродажа картриджей, турбокомпрессоров, актуатор турбины, диагностика турбин, экспертиза турбин