Mis on turboülelaaduri komponendid?
Turboülelaaduri komponentide hulka kuuluvad turbiini sektsioon, kompressori sektsioon ja laagrisüsteem (CHRA) kui kolm põhielementi ning tugiosad, nagu tühjendusklapid, puhumisventiilid ja korpused, mis võimaldavad turboülelaaduril sisselaskeõhku kokku suruda ja mootori võimsust suurendada.
Kolm peamist turboülelaaduri sektsiooni
Iga turboülelaaduri süsteem jaguneb kolmeks põhisõlmeks. Turbiini sektsioon hõivab heitgaaside energiat, kompressori sektsioon surub sisselaskeõhku ja keskkorpuse pöörlev koost ühendab need läbi täppisvõlli ja laagrisüsteemi.
Turbiini sektsiooni arhitektuur
Turbiinikoost koosneb turbiinirattast ja turbiini korpusest, mis töötavad koos, et eraldada heitgaasidest energiat. Turbiiniratas muudab heitgaasi rõhu ja soojuse pöörlemisjõuks, pöörledes suure jõudlusega rakendustes kiirustel, mis võivad ületada 250 000 p/min. See ratas kinnitatakse turboülelaaduri võlli ühte otsa ja ühendub otse kompressori rattaga vastasotsas.
Turbiini korpuse disain mõjutab oluliselt jõudlusomadusi. Korpus juhib heitgaasid läbi spiraalse spiraalse kambri turbiiniratta poole. Selle spiraali geomeetria, mõõdetuna A/R suhtena (pindala jagatud raadiusega), määrab, kui kiiresti turbo reageerib võrreldes sellega, kui palju võimsust see kõrgetel pööretel suudab toetada. Väiksem A/R, nagu 0,82:1, tagab kiirema reageerimise, kuid piirab ülemist-lõppvoolu, samas kui suurem A/R, näiteks 1,32:1, vähendab vasturõhku suurtel kiirustel, kuid suurendab viivitust.
Muutuva geomeetriaga turboülelaadurid toovad voluudi ja turbiiniratta vahele reguleeritavad labad. Need labad muudavad efektiivset A/R suhet dünaamiliselt, võimaldades turbol optimeerida jõudlust kogu pööretevahemikus. Labade valmistamisel kasutatakse täiustatud metallipritsevormimise (MIM) tootmisprotsesse, mis suudavad luua keerulisi geomeetriaid, mille tolerantsid on kuni ±0,015 mm, taludes samas pidevat temperatuuri umbes 800 kraadi.
Kompressori sektsiooni komponendid
Kompressorikoost surub ümbritseva õhu enne mootorisse sisenemist kokku. Südames asub kompressori ratas, mis on tavaliselt valmistatud alumiiniumsulamist, et hoida pöörlevat massi madalana. See ratas tõmbab õhku läbi kompressori sisselaskeava ja kiirendab seda radiaalselt-pöörates õhuvoolu 90 kraadi piki laba pindu, enne kui surub selle kompressori korpusesse.
Kompressori rataste suurus määrab otseselt õhuvoolu läbilaskevõime. Indutseerija läbimõõt (mõõdetuna tera otstest, kuhu õhk siseneb) on sõltuvalt rakendusest tavaliselt vahemikus 45 mm kuni üle 100 mm. Tootjad viitavad selle mõõtmise järgi sageli turbodele,{4}}88 mm turbol on 88 mm kompressorinduktor. Suuremad rattad liigutavad rohkem õhku, kuid vajavad pöörlemiseks rohkem heitgaasienergiat, luues põhimõttelise kompromissi reaktsiooni ja maksimaalse võimsuse vahel.
Kompressori korpus kogub rattalt väljuva surveõhu ja suunab selle mootori sisselaskeava poole. Korpuse sees olev hajutiosa aeglustab suure-kiirusega õhku, muutes kineetilise energia staatiliseks rõhuks-, mida me mõõdame. Kompressori korpusel on ka oma A/R suhe, mis mõjutab kompressori efektiivsust ja liigpinge omadusi.
Keskuse korpuse pöörlev koost (CHRA)
CHRA moodustab iga turboülelaaduri mehaanilise tuuma. See koost sisaldab keskkorpust ennast, mõlemat ratast ühendavat turbiini võlli ja võlli toetavat laagrisüsteemi. Keskkorpuses kasutatakse tavaliselt malmist või alumiiniumist konstruktsiooni, millel on õli ja jahutusvedeliku voolu jaoks integreeritud kanalid.
CHRA sees juhib laagrisüsteem äärmuslikke töötingimusi. Võll pöörleb kiirustel kuni 230 000 p/min, töötades külmkäivituse ajal temperatuuril, mis läheneb turbiini otsas 800 kraadile ja kompressori poolel temperatuuril miinus{4}}. Need laagrid peavad minimeerima hõõrdumist, kontrollides samal ajal täpselt võlli liikumist nii radiaal- kui ka aksiaalsuunas.
Kaasaegsetes turboülelaadurites domineerivad kaks laagritehnoloogiat. Lehtlaagritel kasutatakse hüdrodünaamilist õlikilet, et riputada võll ilma metalliga-metalliga-kontaktita. Võll sõna otseses mõttes hõljub rõhu all oleva mootoriõli peal laagrivahede piires. See täielikult{5}}ujuv disain tagab suurepärase summutuse, kuid nõuab suuremat õlivoolu ja tekitab rohkem hõõrdumist. Kuullaagrisüsteemid asendavad tihvti laagrid nurkkontaktiga kuullaagritega, mis vähendavad hõõrdumist ligikaudu 50% võrreldes tihvti laagritega. See vähendamine võimaldab kuullaagrite turbodel kerida 15% kiiremini, vähendades oluliselt turbo viivitust.
CHRA sisaldab ka olulisi tihenduskomponente. Kolvirõnga-tüüpi tihendid keskkorpuse mõlemas otsas takistavad sisselaskeõhu ja heitgaaside sisenemist õliga täidetud laagriõõnde. Need tihendid seisavad silmitsi keerulise ülesandega-nad peavad tõhusalt tihendama ülerõhu all olevate gaaside vastu, võimaldades samal ajal võlli liikumist ja vältides liigset hõõrdumist üli-suurel pöörlemiskiirusel.
Olulised tugikomponendid
Lisaks kolmele põhiosale reguleerivad mitmed lisakomponendid turboülelaaduri tööd ja väldivad kahjustusi äärmuslikes tingimustes.
Wastegate süsteemid
Wastegates juhivad maksimaalset ülelaadimisrõhku, juhtides heitgaasi ümber turbiiniratta. Ilma selle kontrollita jätkaks turbo kiirendamist, kuni tõukerõhk ületab mootori ohutud piirid või kuni midagi katastroofiliselt ebaõnnestub.
Sisemised heitgaasid integreeruvad otse turbiini korpusesse. Pneumaatiline ajam, mis on ühendatud klapiga klapiga, avab möödavoolukanali, kui ülelaadimisrõhk jõuab sihttasemeni, suunates heitgaasivoolu turbiinirattalt eemale. See konfiguratsioon hoiab süsteemi kompaktsena ja vähendab torustiku keerukust. Üle 70% tehase turboülelaaduriga sõidukitest kasutavad pakendamise eeliste ja kuluefektiivsuse tõttu sisemisi lute.
Välised heitgaasid paigaldatakse eraldi väljalaskekollektorile või kollektorile. Need seadmed pakuvad suurepärast vooluvõimsust ja jõudlust, eriti suure-hobujõuga rakendustes, mille võimsus on üle 600 hobujõu. Möödajuhitavad heitgaasid saab suunata tagasi väljalaskesüsteemi turbiinist allavoolu või juhtida võidusõidurakendustes otse atmosfääri. Välised heitgaasid tagavad täpsema võimenduse juhtimise, kuid suurendavad paigaldamise keerukust ja kulusid.
Kompressori möödavooluklapid
Kompressori möödavooluventiilid -mida tavaliselt nimetatakse puhumis--väljalaske- või retsirkulatsiooniklapideks-, hoiavad ära kompressori tõusu, kui drosselklapp sulgub ootamatult. Suure -võimendusega töötamise ajal tekitab gaasihoova sulgumine rõhutipu, mis surub suruõhku läbi kompressori ratta tagasi. See vastupidine vool põhjustab kompressori seiskumise ja tõusu, tekitades iseloomulikku laperdavat heli ja avaldades tõukejõu laagrile hävitavat koormust.
Möödaviikklapp paigaldatakse kompressori väljalaskeava ja drosselklapi korpuse vahele. See kasutab drosselklapi sulgemise tuvastamiseks vedrujõu ja rõhu signaalide kombinatsiooni, seejärel avaneb, et välja lasta või tsirkuleerida kinni jäänud ülerõhk. Atmosfääri-eemaldusventiilid väljuvad atmosfääri iseloomuliku "hoohh" heliga, samas kui retsirkulatsiooniventiilid suunavad õhu tagasi kompressori sisselaskeavasse, et säilitada õiged õhu-kütusesuhted massiõhuvooluanduriga sõidukitel.
Interjahuti integreerimine
Suruõhk tekitab soojust rõhu ja temperatuuri termodünaamilise seose kaudu. Iga 20 psi võimenduse kohta võib suruõhu temperatuur enne mootorisse sisenemist ületada 300 kraadi F. See kuum õhk vähendab tihedust ja soodustab detonatsiooni, piirates võimsust ja töökindlust.
Vahejahutid (täpsemalt nimetatud õhujahutiteks) lahendavad selle probleemi, jahutades suruõhku enne, kui see siseneb sisselaskekollektorisse. Õhk-õhk-vahejahutid kasutavad ümbritsevat õhuvoolu, samas kui õhk-vesi{4}}konstruktsioonid tsirkuleerivad jahutusvedelikku läbi soojusvaheti. Tõhus vahejahutus võib vähendada sisselaskeõhu temperatuuri 150–200 kraadi F võrra, suurendades õhutihedust 15–25% ning parandades oluliselt väljundvõimsust ja mootori ohutust.
Täiustatud tootmine turboülelaadurite tootmises
Kaasaegsed turboülelaaduri komponendid nõuavad äärmist täpsust ja eksootilisi materjale. Muutuva geomeetriaga labad peavad säilitama tiibade profiilid vahemikus ±0,015 mm, kui nad puutuvad kokku söövitavate heitgaasidega 800 kraadi juures. Traditsioonilistel töötlemis- ja valumeetoditel on raskusi nende nõuete säästliku täitmisega, kui tootmismaht ületab 100 000 ühikut aastas.
Metalli survevalu on muutnud turboülelaaduri komponentide tootmise. MIM ühendab pulbermetallurgia plasti survevalutehnikatega, et toota keerulisi metallosi, mis nõuavad viie-teljega töötlemist või on tavapärase survevalu korral võimatu. Protsessi käigus segatakse peen metallipulber termoplastiliste sideainetega, süstitakse segu täppisvormidesse, eemaldatakse sideaine eemaldamise teel, seejärel paagutatakse detail kõrgel temperatuuril, et saavutada lõplikud omadused.
Turboülelaadurite jaoks võimaldab MIM toota komponente sellistest supersulamitest nagu Inconel 713 ja 718, mis pakuvad erakordset kõrget -temperatuuritugevust ja oksüdatsioonikindlust. Aastas toodetakse üle 180 miljoni turbolaaduri labamim tootminetehnoloogia, mille tootjad teatasid 20% kulude kokkuhoiust võrreldes täppisvaluga. Selle tehnoloogia abil toodetakse ka integreeritud laba geomeetriaga turbiinirattaid, keeruka kumera pinnaga kompressori tiivikuid ja täpsete tihenduspindadega wastegate komponente, mida varem oli ebaotstarbekas valmistada.
Materjalide valik komponentide lõikes
Komponentide materjalid peegeldavad karmi töökeskkonda, mille iga osa peab ellu jääma. Turbiiniratastel kasutatakse tavaliselt Inconeli sulameid või muid nikli{1}}põhiseid supersulameid, mille tugevus on üle 700 kraadi. Mõned suure jõudlusega-rakendused kasutavad keraamilisi turbiinirattaid, mis väiksema tiheduse tõttu vähendavad pöörlemisinertsust 30% võrra, võimaldades kiiremat-pooli üles kerkimist, kuigi keraamilistel ratastel puudub metallist alternatiivide löögikindlus.
Kompressorirattad eelistavad alumiiniumsulameid, täpsemalt 2000 või 6000{2}}seeriat, mis pakuvad suhteliselt jahedas kompressorikeskkonnas suurepärast tugevuse-ja-massi suhet. Suure jõudlusega-rakendused kasutavad valurataste asemel üha enam toorikutega töödeldud kompressorrattaid. Toorikute rattad tagavad suurepärase tera aerodünaamika ja tugevuse, kuid nõuavad pikka CNC-töötlusaega.
Keskmised korpused peavad taluma mõlemat temperatuurispektri külge. Malm on endiselt populaarne oma termilise stabiilsuse, madala hinna ja piisava tugevuse poolest. Vesijahutusega rakendustes kasutatakse sageli alumiiniumi selle suurepäraste soojusülekandeomaduste tõttu, kuigi alumiinium vajab paksemaid seinaosasid, et need vastaksid malmi tugevusele.
Laagrite materjalid jagunevad pronksi{0}}põhiste sulamite ja kuullaagrite keraamiliste või teraste vahel. Suure jõudlusega-kuullaagrikassettide puhul kasutatakse üha enam keraamilisi kuule (tavaliselt räninitriid), mis kaaluvad 60% vähem kui teras, pakkudes samal ajal kõrgemat temperatuuritaluvust ja suurepärast kulumiskindlust.
Õli- ja veetorustikusüsteemid
Turboülelaadur sõltub laagrite määrimiseks ja soojuse eemaldamiseks mootoriõlist. Õli siseneb keskkorpuse õli sisselaskeava kaudu, voolab laagrite määrimiseks ja jahutamiseks läbi laagriõõnde, seejärel voolab õli tagasivoolutoru kaudu tagasi õlivanni. See süsteem seisab silmitsi ainulaadsete väljakutsetega-, kui turbo hakkab pöörlema, peab õli jõudma laagriteni mõne sekundi jooksul pärast käivitamist, kuid õli temperatuur laagriõõnes võib pideva suure-koormusega töötamise ajal ületada 300 °F.
Kuullaagrite turbod vajavad oluliselt vähem õlivoolu kui kandelaagrite konstruktsioonid,{0}}tavaliselt 50% vähem. See vähendatud voolunõue muudab õli sisselaske piirajad vajalikuks, kui mootoriõli rõhk ületab 60 psi, et vältida laagrite kahjustamist ülemäärasest rõhust. Õli äravoolutorustik peab säilitama gravitatsioonilise etteande ilma horisontaalsete jooksude või ülesmägedeta, mis takistaks äravoolu ja põhjustaks laagriõõne üleujutamist.
Vesijahutus tegeleb soojuse leotamise{0}}tagasivooluga, nähtusega, kus turbiini korpusest lähtuv soojus liigub pärast mootori seiskamist keskkorpusesse. Ilma jahutusvedeliku tsirkulatsioonita võib laagrites olev jääkõli jõuda koksitemperatuurini (üle 400 °F), jättes maha kõvad süsinikujäägid, mis kiirendavad laagrite kulumist. Vesijahutusega keskkorpused kasutavad mootori jahutusvedelikku termilise massina, mis jätkab soojuse neelamist termilise sifooni efekti kaudu ka pärast väljalülitamist, hoides laagriõõnsuse temperatuuri allpool õli koksistamise läve.
Üldised jõudluskonfiguratsioonid
Turboülelaaduri valik hõlmab kompressori ja turbiini suuruse sobitamist mootori töömahu, ettenähtud pöörete vahemiku ja sihtvõimsuse tasemega. 2,0-liitrine nelja-silindri võimsus on 400 hobujõudu, mis nõuab oluliselt erinevat turbovõimsust kui 5,0-liitrine V8, mille võimsus on 1000 hobujõudu.
Põhiprintsiip jääb muutumatuks: mootori võimsus on võrdeline õhu- ja kütusevooluga. Hingav mootor tõmbab ümbritsevat õhku atmosfäärirõhul (umbes 14,7 psi merepinnal). 20 psi ületusrõhuga (absoluutne 34,7 psi) turbomootor juhib samale töömahule rohkem kui kaks korda suurema õhumassi, võimaldades proportsionaalselt rohkem kütust põletada ja energiat toota.
Kahe{0}}turbo konfiguratsioonid jagavad heitgaasivoolu kahe väiksema turbo vahel, mitte ei kasuta ühte suurt turbot. Ühes turbokorpuses olevad-kakskerimisega konstruktsioonid eraldavad paarissilindritest väljalaskeimpulsid, et minimeerida häireid ja parandada turbiini efektiivsust. Järjestikused kaksik-turbosüsteemid kasutavad madala-pöörete arvu saavutamiseks väikest turbot ja lisavad maksimaalse võimsuse saavutamiseks suuremat turbot suurematel pööretel. Iga konfiguratsioon sisaldab kompromisse reageerimise, tippvõimsuse, pakkimise keerukuse ja kulude vahel.
Hooldus ja tavalised tõrkerežiimid
Turboülelaaduri pikaealisus sõltub eelkõige õli kvaliteedist ja puhtusest. Saastunud õli või õlipuudus põhjustab töökiirusel mõne sekundi jooksul laagrikahjustusi. Soovitatavad hooldusvälbad soovitavad CHRA ümberehitamist või väljavahetamist 100 000–150 000 miili kaugusel, kuigi õige hooldus võib oluliselt pikendada kasutusiga.
Kriitilised hooldustavad hõlmavad 30{2}}60 sekundit tühikäigul töötamist enne sõitmist, et õli jõuaks laagriteni, tühikäigul 1-2 minutit enne seiskamist pärast rasket sõitu, et temperatuur stabiliseeruks, ja tootja määratud õlivahetusintervallide kasutamist. Õhufiltri seisund mõjutab otseselt kompressori ratta eluiga – kompressorisse sisenev praht põhjustab laba erosiooni ja tasakaalustamatust.
CHRA tasakaalustamine on turbo ümberehitamise kõige olulisem aspekt. Pöörlemiskiirustel üle 200 000 p/min tekitavad isegi mikroskoopilised tasakaaluhäired hävitavat vibratsiooni. Õige tasakaalustamine nõuab spetsiaalseid seadmeid ja protseduure, mille tasakaaluspetsifikatsioonid hoitakse kuni sajandikku untsi -tolli. Valesti tasakaalustatud CHRA-d ebaõnnestuvad kiiresti-mõnikord päevadega-, kuna liigsest vibratsioonist põhjustatud laagrid kahjustavad õlikilet.
Korduma kippuvad küsimused
Mis on CHRA turbolaaduris?
CHRA (keskkorpuse pöörlev koost) on südamikusõlm, mis sisaldab keskkorpust, võlli, mõlemaid rattaid (turbiin ja kompressor) ja laagrisüsteemi. See moodustab turboülelaaduri pöörleva südame ja nõuab täpset tasakaalustamist, et töötada usaldusväärselt äärmuslikel pöörlemiskiirustel.
Kui kuumaks lähevad turboülelaaduri komponendid?
Turbiini{0}külgmised komponendid ulatuvad töötamise ajal regulaarselt 800{7}}1000 kraadini (1470-1830 kraadi F). Kompressori pool töötab palju jahedamalt, kuigi suruõhu temperatuur ületab tavaliselt enne vahejahutamist 150 kraadi (300 kraadi F). Keskmise korpuse temperatuurid varieeruvad miinuskraadist külmkäivituse ajal üle 400 kraadini pärast pidevat suure koormusega töötamist.
Mis põhjustab turbo viivitust?
Turbo viivitus tuleneb ajast, mis kulub heitgaasi voolule, et kiirendada turboülelaaduri pöörlevat sõlme kiiruseni, kus tekib ülelaadimisrõhk. Suurematel turbodel, millel on suurem pöörlemisinerts, on suurem viivitus. Kuullaagrisüsteemid, väiksemad turbiinirattad ja kaksik{2}}kerimisega konstruktsioonid vähendavad traditsiooniliste konfiguratsioonidega võrreldes viivitust.
Kas saate üksikuid turbokomponente välja vahetada?
Suuremaid korpuseid ja rattaid saab ükshaaval vahetada, kuigi kogu CHRA vajab tavaliselt asendamist või ümberehitamist sobiva tasakaalustatud koostuna. Erinevate tootjate komponentide segamine või kulunud laagrite taaskasutamine põhjustab sageli tasakaaluprobleeme ja enneaegseid rikkeid.
Turboülelaaduri tehnoloogia areng
Turboülelaadurite arendamine jätkab materjalide, tootmisprotsesside ja juhtimissüsteemide täiustamist. Elektrilised turboülelaadurid lisavad mootori-ajamiga kompressoreid, et viivitus täielikult kõrvaldada, kuigi kulu ja keerukus piirab praegu kasutamist tipptasemel-rakendustes. Muutuva geomeetriaga süsteemid, mis kunagi piirdusid diiselseadmetega, ilmuvad nüüd bensiinimootoritesse, kuna materjalid ja juhtimisalgoritmid paranevad.
Lisandite tootmine näitab lubadust optimeeritud turbiinide ja kompressorite geomeetriate tootmiseks tavapäraste meetoditega võimatuks. Tehnoloogia võimaldab topoloogia{1}}optimeeritud disainilahendusi, mis vähendavad kaalu, säilitades samal ajal tugevuse, kuigi tootmiskulud jäävad massitururakenduste jaoks liiga kõrgeks.
Üleminek elektrifitseeritud jõuallikatele vähendab nõudlust sõiduautode turboülelaadurite järele, laiendades samal ajal võimalusi vesiniku põletamisel ja kütuseelementidel. Rasked-tarbesõidukid, laevamootorid ja tööstuslik elektritootmine nõuavad jätkuvalt turboülelaaduriga sisepõlemismootoreid, mis tagab pideva nõudluse turboülelaaduri komponentide järele erirakendustes.