Turbinos veikimo principas

Turbinos veikimo principas

Kaip veikia turbinos ? Teorija. Prieš pradedant reikia trumpai apžvelgti vieną iš fizikos dėsnių- idealių dujų dėsnį sako turbinų remontas vadovas. Trumpai tariant dėsnio esmė yra tokia: dujų temperatūra, slėgis ir tūris yra tarpusavyje susiję. Suspausk dujas (sumažink jų tūrį) ir temperatūra pakils. Leisk dujoms plėstis, ir dujų temperatūra bei slėgis sumažės. Padidink dujų temperatūrą, ir padidės dujų slėgis (uždaroje erdvėje) arba tūris (jei dujoms leidžiama plėstis). Pagaliau dujos teka iš didesnio slėgio zonos į žemesnio slėgio zoną.

Kuo didesnis slėgių skirtumas, tuo didesne jėga dujos veržiasi į žemesnio slėgio zoną. Pavyzdžiui, susprogdink pripučiamą guminį balionėlį- mažas bum, susprogdink deguonies balioną, naudojamą suvirinimui- didelis bum.

Kaip žinome, keturtaktis variklis atlieka darbą plečiantis dujoms uždaroje erdvėje, kai didelis dujų slėgis spaudžia stūmoklį. Be to, dujos degimo metu įkaista, todėl gaunami dar didesni slėgiai, o tuo pačiu ir didesnis galingumas. Nelaimei, didžioji šilumos (lietuviškas terminas tokiai aukštai temperatūrai…) dalis išmetama lauk į išmetimo vamzdį dar prieš ją panaudojant. Nors šiluma- tai energija. Šiluma nepanaudojama, nes cilindras yra per trumpas, kad visą šilumą paversti mechanine energija. Nėra praktiška gaminti cilindrus pakankamai ilgus, kad iš besiplečiančių dujų išspausti visą energiją.

Taigi, ką mes galime padaryti? Galime nukreipti išmetimo vamzdį priešinga judėjimui kryptimi ir pabandyti gauti šiek tiek reaktyvinės traukos, bet išskyrus labai retus atvejus dujų kiekis nepakankamas gauti nors kiek naudingą postūmį. Keletas senesnių IndyCar automobilių tokiu būdu tikrai sukurdavo kelių kilogramų trauką, bet to nepakanką, kad būtų reali nauda. Gerai, o kaip dėl galimybės prikabinti kokį nors papildomą variklį prie išmetimo srauto? Garo varikliuose toks metodas buvo naudojamas jau daug metų…

Turbinos. Taigi, turbokompresorius (turbocharger). Tai yra turbina, varoma išmetamųjų dujų, kuri velenu sujungta su kompresorium, kuris pumpuoja orą į variklį. Didesnis oro kiekis cilindre reiškia, kad daugiau kuro galima sudeginti viename variklio cikle. Daugiau sudegusio kuro reiškia daugiau išmetamųjų dujų, daugiau išmetamųjų dujų reiškia didesnę galią ir išsiplėtimą. Tai tiesiog „nemokami priešpiečiai“ inžinerijoje, todėl kad beveik be jokių išlaidų panaudojama galia, kuri kitaip būtų prarandama. Įrenga tampa truputį sudėtingesnė, įdedama šiek tiek papildomų gamybos išlaidų, bet variklio galios turbina beveik nemažina.

Tikrai turbina nemažina variklio galios? Ar turbina nepadidina slėgio išmetimo sistemoje (exhaust backpressure)? Kai turbokompresoriaus pagalba didinama variklio galia- nepadidina. Kai atsidaro išmetimo vožtuvas, dujų slėgis cilindre yra daug didesnis negu turbinos įėjime (inlet). Slėgis cilindre yra labai greitai „išpučiamas“, be to variklio išmetimo takto metu cilindro tūris greitai mažėja, ir pagal idealių dujų dėsnį slėgis palaikomas aukštesnis už turbinos įėjimo slėgimą. Pagaliau, baigiantis išmetimo taktui, kai slėgiai yra beveik vienodi, atsidaro įėjimo vožtuvas (intake valve, kaip jis ten lietuviškai?), ir oras „įpučiamas“ į variklio cilindrą, nes jis yra suslėgtas kompresoriaus. Valio! Mes vėl turime didelį slėgį cilindre.

Smulkiau apie turbinos darbą. Praeitame skyriuje buvo papasakota, kad turbina- tai įrenginys, panaudojantis energiją, kuri šiaip yra prarandama. Dabar visa tai bus išnagrinėjama smulkiau. Kokia energija varo turbiną? Dažnai klystama, kad išmetamųjų dujų turbiną varo tiktai kinetinė dujų energija, kai dujos atsitrenkia į turbinos sparnelius. Panašiai kaip vaikiška sparnuotė, prikišta prie išmetimo vamzdžio galo. Taip, išmetimo dujų srauto kinetinė energija tikrai prisideda prie turbinos darbo, tačiau didžioji išgaunamos energijos dalis ateina iš kitur. Atsiminkite ryšį tarp temperatūros, tūrio ir slėgio, kai mes kalbėjome apie dujas. Aukšta temperatūra, didelis slėgis ir mažas tūris yra didelės energijos būsenos, o žema temperatūra, mažas slėgis ir didelis tūris yra mažos energijos būsenos. Mūsų išmetimo dujų banga išeina iš cilindro būdama aukštos temperatūros ir slėgio.

Banga susijungia su išmetimo bangomis iš kitų cilindrų, ir patenka į turbinos įėjimą, kuriame nedaug vietos. Šiame taške mes turime labai didelius slėgimą ir temperatūrą, taigi mūsų dujos turi daug energijos. Kai pro difuzorių dujos patenka į turbinos vidų, iš mažos ertmės jos patenka į didelę. Atitinkamai dujos plečiasi, vėsta, krenta jų greitis ir visą energiją jos atiduoda turbinos sparneliams. Sparnelius mes sumaniai įkišame į turbinos vidų taip, kad besiplečiančios dujos slėgtų turbinos sparnelius ir verstų ją suktis. Valio! Mes ką tik gavome energijos iš išmetimo dujų šilumos, kuri šiaip būtų buvus prarasta. Dujų energijos sumažėjimą galima išmatuoti: įkiškite termometrus prieš ir po turbinos ir pamatysite didžiulį temperatūrų skirtumą.
Kaip paimti iš dujų daugiau energijos? Taigi, ką tai reiškia mūsų pasaulyje? Kai visa kita yra pastovūs dydžiai, turbinos atliekamas darbas yra nusakomas slėgių skirtumu tarp turbinos įėjimo ir išėjimo. Padidink įėjimo slėgimą, sumažink išėjimo, arba pakeisk abu, ir gausi daugiau galios. Slėgimas yra karštis, karštis yra slėgimas. Pakelti įėjimo slėgį turbinoje galima, bet sudėtinga. Sumažinti išėjimo slėgį lengvą- pakanka prisukti didesnį išmetimo vamzdį su mažesniu pasipriešinimu dujų srautui. Teko matyti keletą žinučių iš žmonių, kurie padarė išmetimo sistemos tiuningą. Jie praneša, kad „dabar mano turbo įsisuka daug greičiau“.

Taip įvyksta dėl slėgimo sumažinimo turbinos išėjime. Padidėjo slėgių skirtumas, išmetimo dujos turbinoje išsiplečia daugiau ir atlieka daugiau darbo. Taip pat turėtų būti pastebimas mažesnis sukimo momento kritimas prie maksimalių variklio apsukimų, kurio priežastis- ribotas išmetimo sistemos pajėgumas praleisti dujų srautą. Jei viršijamas maksimalus išmetimo sistemos pralaidumas, visas papildomas dujų kiekis, kurį jūs bandysite prastumti pro išmetimo sistemą, tik didins turbinos išėjimo slėgimą. Didesnis išėjimo slėgimas, mažesnis slėgių skirtumas, mažiau darbo, mažesnis sukimo momentas. Tarp kitko, atkreipkite dėmesį, kad šiuo atveju taip pat pasireiškia ir kompresoriaus įtaka.
Kompresorius. Kadangi jūs galite išgauti darbą iš besiplečiančių turbinoje dujų, jūs taip pat sėkmingai galite suspausti dujas, sukdami turbinos veleną išorinio galios šaltinio pagalba. Kitaip tariant, kompresorius- tai atvirkščiai veikianti turbina. Veikia tie patys fizikos dėsniai, tik kita kryptimi: imame žemo slėgio dujas, atliekame su jomis darbą, jas suspausdami kompresoriaus sparneliais, ir gauname didelio slėgio ir aukštos temperatūros dujas kompresoriaus išėjime. Suspaudimo metu atsirandantis temperatūros padidėjimas nepageidautinas ir mes turėsime dėl jo problemų, bet apie tai vėliau. Nors turbinos ir kompresoriaus dalys iš esmės tokios pačios, jos nėra visiškai vienodos dėl procesų, vykstančių degimo metu.

Duotas oro tūris yra pakankamas sudeginti tam tikrą tiksliai apibrėžtą degalų kiekį. Oro santykis su degalais yra maždaug 14:1. Išmetimo dujų kiekis daug didesnis už oro kiekį, sunaudotą degimo metu, ir išmetimo dujų slėgis daug didesnis, negu paduodamo oro, todėl veleno ir turbinos vidaus konstrukcija labai skiriasi. Taigi mes turime turbinos/kompresoriaus konstrukciją.

Pagrindiniai turbinos trūkumai ir turbo lagas. Turbinos yra nuostabūs įrenginiai. Jos lengvos, labai efektyvios, tačiau turi ribotą darbinių apsukimų intervalą. Turbokompresorius labai efektyvus prie tam tikrų apsukimų ir tam tikro dujų kiekio, bet jei veleno apsukimus keisite dideliame intervale, efektyvumas smarkiai sumažėja. Jei greitis per didelis, pradeda veikti kavitacija, kitokie nepageidautini aerodinaminiai reiškiniai, ir oro srautas sumažėja. Jei greitis per mažas, sparneliai negauna pakankamo „stumtelėjimo“ ir dujų srautas taip pat sumažėja. Pavyzdys. Tankas „M1A1 Abrams“ sveria apie 55 tonas, didžiąją dalį svorio sudaro šarvai- plienas ir atidirbęs uranas. Tanką varo dujų turbina, kuri sukuria 1800AJ galingumą ratuose… tai yra vikšruose. Galingumo pakanka išjudinti tokį žvėrį iki 110km/h greičio.

Turbina yra neįtikėtinai maža, tiksliai neatsimenu svorio, bet atrodo kad ji sveria apie 130-220kg. Palyginus su tanko svoriu, galima sakyti kad variklio kaip ir nėra. Tačiau turbina suprojektuota darbui WOT režimu. WOT metu turbina suvartoja mažiau kuro (gas mileage), negu dyzelinis variklis prie tokio pat galingumo. Bet tuščios eigos metu turbinos efektyvumas krenta tiek, kad kuro suvartojimas didesnis negu WOT metu (vert: gal aš čia kažko nesupratau?). Turbinos puikiai tinka transporto priemonėms, kurios visą laika juda pastoviu greičiu- tankams, laivams, lėktuvams, IndyCar. Transporto priemonėms, kurioms važiuodamos keičia variklio apsukimus, turbinos tinka mažiau. Tiesa, jei kas nors sukurs gerą transmisiją su tolydžiai keičiamu perdavimo skaičiumi, tada kitas reikalas.

Taigi, kokį ryšį visa tai turi su turbokompresoriais? Turbina tinkama darbui pastoviu greičiu. Mes turime pakankamai išmetimo dujų turbinai tik WOT metu, ir mums reikia apribojimo įrangos, palaikančios pastovius turbinos apsisukimus (kai juos pasiekiame). Mes žinome, kokį oro slėgimą norime sukurti variklio įėjime, ir žinome kiek oro sunaudoja variklis, kai dirba maksimaliu galingumu. Tada galime parinkti turbiną, tiksliau kompresorių ir turbinos korpusą, kad pasiekti didžiausią turbinos efektyvumą reikiamame darbo taške. Kokia iš to nauda? Mažesnė turbina. Mažesnė turbina turi mažesnę inerciją, greičiau įsisuka iki WOT greičio ir pasiekia reikiamą efektyvumą. Laiko tarpas tarp droselio atidarymo ir maksimalaus variklio galios užkėlimo turbinos pagalba paprastai vadinamas turbo lagu (turbo lag).