Budowa turbosprężarki

Turbosprężarka (rys. 2.24) składa się z dwóch wirników:

· turbiny napędzanej przez spaliny (rys. 4.25),

· sprężarki wirnikowej sprężającej powietrze (rys. 4.26).

Turbina i sprężarka wirnikowa są połączone wałem. Współcześnie są stosowane sprężarki i turbiny dwóch typów:

· osiowe, w których gaz przepływa równolegle do osi wirnika (jak w domowym wentylatorze powietrza),

· promieniowe, w których gaz przepływa po promieniu wirnika (w przybliżeniu prostopadle do osi wirnika - jak w wirniku odkurzacza domowego).

Ze względu na możliwe do uzyskania na jednym wirniku różnice ciśnień między wlotem a wylotem (opisywane w technice maszyn wirnikowych parametrem o nazwie spręż) w turbosprężarkach silników samochodowych stosuje się najczęściej turbiny i sprężarki promieniowe. Umożliwiają one zastosowanie go stopnia (jednego wirnika), podczas gdy w przypadku maszyn osiowych ałoby stosować co najmniej 2 stopnie (2 wirniki), przedzielone kierownicami

nymi z nieruchomych łopatek.

Turbina promieniowa (dośrodkowa)

Do spiralnego kanału w korpusie turbiny (rys. 4.25) spaliny z kolektora wylotowe­go silnika wpływają przez króciec. Ze spiralnego kanału spaliny przepływają do kierownicy umieszczonej na wewnętrznej powierzchni kanału i łączącej kanał z wirnikiem. Kierownica jest zespołem łopatek nadających kierunek przepływają­cemu gazowi. Ponadto dzięki kształtowi kanałów między łopatkami gaz jest rozpędzany. Kształt ten odpowiada co do funkcji dyszy wylotowej silnika rakieto­wego.

Jeżeli turbina pracuje w warunkach stabilnych lub jeżeli wartość sprawności ma znaczenie tylko dla pewnego zakresu wydajności spalin (a dla pozostałego zakresu może być mniejsza), to kierownica jest zbudowana jako zestaw nieregularnych łopatek.

Jeżeli dąży się do powiększenia sprawności działania kierownicy dla dużego zakresu wydajności spalin, to wtedy kierownica składa się z ruchomego zestawu łopatek, któremu zależnie od warunków pracy nadaje się optymalne położenie.

W małych turbosprężarkach stosuje się często kierownice bezłopatkowe, gdyż strata na skutek gorszego rozpędzania gazu jest mniejsza niż straty tarcia w przypadku zastosowania łopatek i spowodowania w ten sposób przepływu gazu (spalin) przez wiele wąskich kanałów.

              W kierownicy zachodzi rozpędzanie gazu (patrz rozdz. pt. Termodynamika maszyn przepływowych).

              Zgodnie z równaniem:

mc*d(v2/2) = -dTo

mc*d(v2/2) = cp*dT*mc

Czyli przyrost prędkości odbywa się kosztem spadku temperatury spalin (patrz wykres na rys. 4.25). Przyjmując parametry przed kierownicą turbiny (rys. 4.23) równe:

              - ciśnienie spalin - pso

- temperatura spalin – Tso

-       prędkość spalin - Vso

a przed turbiną odpowiednio ps1 , Ts1 , vs1 , równanie przyjmuje postać:

              Prędkość na wlocie do kierownicy jest mała i dlatego dla uproszczenia dalszej analizy przyjmujemy:

stąd:

              Spaliny przepływają od miejsca o ciśnieniu wyższym do miejsca o ciśnieniu niższym. Zatem maksymalny spadek temperatury spalin, jaki można uzyskać rozprężając między tymi ciśnieniami, jest taki, jak dla przemiany adiabatycznej między tymi ciśnieniami, i wynosi (patrz wyprowadzenie równań adiabaty):

Spaliny wpływają do wirnika prawie stycznie (do dalszej analizy przyjmiem_ że wpływają stycznie). Zatem prędkość obrotowa wirnika w (obr/s) o promieni:. R jest taka, że prędkość obwodowa wirnika (w m/s) w miejscu wpływu spalin je5t równa prędkości v SI spalin za kierownicą:

Spaliny poruszając się ku środkowi wirnika zmniejszają prędkość obwodową do wartości bliskiej zeru, opuszczając wirnik w jego środku (dla dalszej analizy przyjmiemy, że prędkość obwodowa spalin jest równa zeru). Tak więc w wirniku zachodzi proces wymiany pracy polegający na. hamowaniu prędkości ob­wodowej przepływających spalin. W przybliżeniu można przyjąć, że moc turbiny jest równa mocy uzyskiwanej z wyhamowania całej prędkości obwodowej spalin w m/s i wynosi:

     kW

gdzie: m/ t jest wydatkiem spalin w kg/s,

              cp jest izobarycznym ciepłem właściwym spalin w kJ/(kg. K).

Na jednostkę masy przepompowywanego powietrza (na 1 kg/s):

a jednostką mocy jednostkowej w tym przypadku jest:

czyli ilość energii uzyskiwana z jednostki ilości (kilograma) spalin.

Przykład wartości, jakie występują w turbinach turbosprężarek silnika spalinowego przedstawiono w poniższym obliczeniu.

Spaliny opuszczające silnik mają ciśnienie 0,2 MPa i temperaturę Ts0=973K (700oC). Przy rozprężeniu do ciśnienia otoczenia można uzyskać temperaturę (przemiana adiabatyczna):

czyli spadek temperatury na kierownicy wynosi

Izobaryczne ciepło właściwe spalin jest równe w przybliżeniu:

Stąd prędkość spalin:

Przyjmując średnicę wirnika turbiny równą 10cm, czyli promień turbiny 5cm prędkość obrotowa turbiny musi wynosić:

a jednostkowa moc turbiny będzie wynosiła:

W silniku o pojemności skokowej 3dm3, pracującym z prędkością obrotową 5000obr/min, o mocy 150kW wydajność powietrza wynosi około 0,15kg/s, czyli: moc turbiny doładowarki wynosi około 25kW.

Jak widać, z opuszczających silnik spalin odzyskuje się moc stanowiącą około 15% mocy silnika.

UWAGA:

              W rzeczywistych turbinach występuje tarcie i związane z tym straty powodujące większy wzrost temperatury niż to wynika z przeprowadzonych powyżej obliczeń. Dlatego obliczenia te przedstawiają przybliżone wartości parametrów turbiny, określone na podstawie prostych zależności i nie pokazują dokładnej rzeczywistej wielkości.

Sprężarka promieniowa (odśrodkowa)

Sprężarka (rys. 4.26) działa w taki sposób, że powietrze wpływa osiowo do wirnika, a następnie przepływa promieniowo na zewnątrz wirnika uzyskując dużą prędkość obwodową - równą w przybliżeniu prędkości obwodowej wylotowej (zewnętrznej) krawędzi wirnika. Działanie jest więc odwrotne niż działanie turbiny. Przemiana w wirniku polega na wkładzie pracy w postaci nadania prędkości obwodowej vs2. W sprężarkach na ogół nie stosuje się kierownic za wirnikiem i powietrze wpływając do spiralnego kolektora zmniejsza prędkość samoczynnie na skutek zmiany przekroju przepływu (tak, jak zmniejsza prędkość powietrze wypływające na przykład z otworu w napompowanej dętce). Taka kierownica, w której nie ma łopatek, nazywa się bezłopatkową. Przemiany termodynamiczne w kierownicy bezłopatkowej i kierownicy z łopatkami są takie same. W odróżnieniu od turbiny, w której kierownica rozpędza powietrze, w sprężarce kierownica hamuje powietrze zamieniając energię kinetyczną na przyrost entalpii statycznej - a więc na przyrost temperatury. Zagadnienia te przedstawiono da wykresie na rys. 4.26.

Przykład wartości parametrów, jakie występują w sprężarkach turbosprężarek silnika spalinowego zostanie połączony niżej z przedstawionym wcześniej przykładowymi obliczeniami dla turbiny. Prędkość obrotowa turbiny i sprężarki są takie same (są one połączone wałem), a średnie zewnętrzne wirników zbliżone (patrz rys.4.24); dla uproszczenia zostanie przyjęte, że średnice wirników są takie same. W związku z tym przyjmiemy, że prędkość powietrza pompowanego przez sprężarkę wynosi około 590m/s (patrz obliczenia turbiny). Izobaryczne ciepło właściwe powietrza wynosi w zaokrągleniu:

              Na podstawie równania izentalpy w kierownicy przyrost temperatury powietrza wynosi:

czyli powietrze ze sprężarką ma temperaturę:

UWAGA:

W rzeczywistych sprężarkach występuje tarcie i związane z tym straty, które powodują większy wzrost temperatury niż to wynika z obliczeń przeprowadzonych powyżej z założeniem, że tarcia nie ma. Występuje także zmiana prędkości różniąca się od przyjętej w przykładzie; dlatego obliczenia te dają przybliżone wartości parametrów sprężarki określone na podstawie prostych zależności i nie przedstawiają ich dokładnej rzeczywistej wielkości.