Kaip veikia turbinos

Teorija

Prieš pradedant reikia trumpai apžvelgti vieną iš fizikos dėsnių- idealių dujų dėsnį. 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, kuris naudojamas 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 (garo variklyje priešingai- atšala), todėl gaunami dar didesni slėgiai, o tuo pačiu dar didesnis galingumas.
Nelaimei, didžioji šilumos (lietuviškas terminas tokiam karščiui...) dalis išmetama lauk į išmetimo vamzdį ir nepanaudojama. Nežiūrint į tai, kad šiluma- tai energija. Šiluma nepanaudojama, nes cilindras yra per trumpas, kad visą šilumą paversti mechanine energija. Gaminti ilgus cilindrus, kurie iš besiplečiančių dujų išspaustų visą energiją, yra nepraktiška.
Taigi, ką mes galime padaryti? Galime nukreipti išmetimo vamzdį priešinga judėjimui kryptimi ir pabandyti gauti šiek tiek reaktyvinės traukos. Tačiau 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 nauda būtų reali.
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. Turbina 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. Įranga 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 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 iš dujų paimti 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
Jeigu manote, kad ankstesni skyriai buvo dideli, nepergyvenkit- šitas bus dar didesnis .
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). Turbo lagas yra vienintelis didelis turbinų trūkumas. Kada nors susimastėte, kodėl turbina 2G tokia maža? Ji tiksliai pritaikyta variklio oro suvartojimui, kai vairuoja Jonas Eilinis (Joe Public), kuris retai, o gal ir niekada, neviršija 4500aps/min.
(vert: nesupratau_pradžia) Lago sumažinimas turi ir kitą pašalinį efektą. Jei nupiešti mašinos greitėjimo kreivę, plotas po kreive parodys pereinamosios galios juostą (transitional power band). Truputį paskaičiavus paaiškėja, kad tos juostos padidinimas, netgi be maksimalaus galios padidinimo, labai padidina sukimo momentą, reikalingą mašinos greitėjimui (vert: nesupratau_pabaiga).
Vienas iš mūsų tiuningistų pamatuoja išmetimo dujų srautą, dinamiką, paskaičiuoja variklio oro suvartojimą tam tikrame darbo režime, ir parenka kompresorių ir korpusą taip, kad maksimizuotų turbinos efektyvumą tam režimui. Kaip turbina parenkama, jau ne šitos žinutės tema, bet trumpai tariant, palyginami slėgio grafikai. Po viso to važiuojama tikrai greitai.

Intercooler

Praeitame skyriuje mes baigėme suspaustu oru, išeinančiu iš turbokompresoriaus kompresorinės pusės. Nelaimei, fizikos dėsniai šį kartą veikia mūsų nenaudai, ir dėl atlikto darbo su oru pastarasis įkaista. Tai blogai. Aukštos temperatūros dujos turi mažesnį tankį. Be to, padidėja detonacijos tikimybė. Jei atsimenate, detonacijos atsiradimas paprastai yra faktorius, ribojantis variklio galingumą.
Taigi mes turime atvėsinti orą, neprarasdami slėgio. Tam ir naudojamas interkūleris (intercooler). Tai paprastas oro radiatorius, montuojamas tarp kompresoriaus išėjimo ir variklio įėjimo ir aušinamas aplinkinio oro srautu. Keletas pastabų dėl interkūlerio:
1.   Kuo daugiau atvėsinate suspaustą orą, tuo geriau.
2.   Radiatoriaus efektyvumas priklauso nuo konstrukcijos, todėl didesnis nevisada reiškia efektyvesnį.
3.   Interkūleris turi būti montuojamas tokioje vietoje, kurioje jis patektų į aplinkinio oro srautą. Montuoti interkūlerį priešais metalo plokštę nėra gera idėja.
4.   Interkūleryje visada krenta suspausto oro slėgis. Kiek daug, priklauso nuo konstrukcijos.
Wastegate (veistgeitas)
Turbina- tai įrenginys su teigiamu grįžtamuoju ryšiu. Kuo daugiau galios gauname, tuo daugiau susidaro išmetimo dujų, kuo daugiau turime išmetimo dujų, tuo daugiau suspaudžiame orą ir gauname galios... Ir taip be galo. Taigi, mums kažkaip reikia apriboti galingumą.
Tiesą sakant, mums reikia pasiekti, kad turbina veiktų pastoviu greičiu (žiūrėti ankstesnius skyrius). Tokiu būdu mes maksimizuojame kompresoriaus efektyvumą- jei atsimenate, turbinos mėgsta dirbti pastoviu greičiu. Turbinos apsukimų matavimas nepraktiškas, bet nuo turbinos apsukimų tiesiogiai priklauso kompresoriuje suspaudžiamo oro slėgis. Šį slėgį ir kontroliuoja veistgeitas (wastegate). Tautietiškai jis vadinasi kaip nors panašiai į "dujų pertekliaus pašalinimo kanalas".
Veistgeitas yra paprasčiausias vožtuvas, kuris atsidaro pasiekus tam tikrą oro slėgį (boost level) ir praleidžia išmetimo dujas aplink turbiną vietoje to, kad leisti dujoms eiti per turbiną. Tokiu būdu sumažinamas slėgių skirtumas tarp turbinos įėjimo ir išėjimo, todėl mažiau atliekama darbo, todėl turbinos sukimasis sulėtėja.
Vienintelė subtilybė yra tame, kad veistgeitui turi užtekti pajėgumo praleisti visą dujų perteklių. Jei ne, turėsime tolesnį lėtą oro slėgimo ir variklio galios didėjimą turbokompresoriaus darbo metu (boost creep). Tai blogai.


BOV


Visiems patinka BOV dėl malonaus čiaudėjimo garso, kurį jis sukelia. Tačiau BOV- negeras įtaisas. Jis paima taip brangiai suslėgtą orą ir išmeta jį lauk.
Deja, šis įtaisas būtinas, ir tenka su juo susitaikyti. Įsivaizduokite- jūs greitėjate, turbina pilnai įsisukusi, gyvenimas puikus, ir staiga jūs apsigalvojate. Tai reiškia, jūs nukeliate koją nuo gazo pedalo, ir droselio sklendė užsidaro. Suspaustas oras, vietoje to, kad nuolatiniu srautu tekėtų į variklį, atsitrenkia į uždarytą sklendę. Turbina dėl savo inercijos toliau sukasi ir pumpuoja orą, ir oro, patekusio tarp turbinos ir droselio sklendės, slėgis greitai kyla. Tiksliau tariant, gaunama aukšto slėgio bangą, kuri keliauja nuo droselio sklendės atgal į kompresorių ir trenkiasi į kompresoriaus sparnelius. Gaunamas panašus efektas kaip įkišus pagalį į dviračio špikius. Nuo pasikartojančių smūgių kenčia kompresoriaus mentės ir veleno guoliai, be to sumažėja turbinos apsukimai ir vėliau tenka gaišti laiką pakartotiniam jos įsukimui.
BOV montuojamas tarp kompresoriaus ir droselio sklendės. Jei BOV pastebi smūgio bangą, išleidžia ją kur nors- atgal į atmosferą arba į kompresoriaus įėjimą.
Tokiu būdu mes prarandame slėgimą, bet išsaugome turbinos apsukimus. Sunku be matavimų patvirtinti, kiek tai efektyvu sportiniame automobilyje. Tačiau paprastam automobiliui BOV be abejonės gera idėja, nes apsaugo turbiną nuo mechaninių smūgių.
Apžvalga
Taigi, trumpa ankstesnių skyrių santrauka su kai kuriais papildymais.
1.   Turbina išsaugo energiją, kuri šiaip būtų išmesta lauk kaip šiluma. Išmetimo dujos suka turbiną, kuri suka kompresorių, kuris suspaudžia orą, paduodamą į variklį.
2.   Suspaustas oras variklio įėjime leidžia padidinti variklio galingumą, nes galima sudeginti daugiau kuro vienu variklio taktu. Be to, suspaustu oru geriau pašalinamos atidirbusios dujos- jas suspaustas oras išpučia lauk iš cilindro.
3.   Darbas, atliekamas turbinos, priklauso nuo išmetamų dujų srauto ir slėgio skirtumo tarp turbinos įėjimo ir išėjimo.
4.   Slėgio skirtumą tarp turbinos įėjimo ir išėjimo galima padidinti, sumontavus naują išmetimo sistemą su didesniu dujų pralaidumu. Išmetimo sistemos pralaidumas niekada nebūna per didelis.
5.   Kompresorius geriausiai dirba tada, kai jis specialiai pritaikomas tam tikram į variklį paduodamam oro srautui ir variklio galios padidinimui.
6.   Geriausias būdas, kaip parinkti tinkamą kompresorių- paskambinti turbinos gamintojams ir atsakyti į visus jų klausimus.
7.   Interkūleris (intercooler) yra jūsų draugas. Jis sumažina iš kompresoriaus išeinančio oro temperatūrą, kuri padidėja suspaudimo metu. Taip sumažinamas detonacijos pavojus, be to šaltas oras turi didesnį tankį.
8.   Interkūleris geresnis, kai: mažesnis slėgio kritimas jame; didesnis interkūlerį aušinančio oro srautas.
9.   Veistgeitas (wastegate) riboja galios didinimą mažindamas turbinos apsukimus.
10.   Neribotai didėjantis galingumas (boost creep) reiškia, kad veistgeitas yra pernelyg mažas.
11.   Varikliai su dideliu galios užkėlimu reikalauja geros degimo sistemos. Dažniausia priežastis, kodėl variklis netraukia- degimo sistemos problemos.
12.   Šiuo metu nėra kitos alternatyvos variklio galios užkėlimui.
Nepamirškite, kad čia tėra trumpa santrauka iš 80 metų turbokompresorių kūrimo istorijos ir teorijos. Aprašyta ne viskas, daug kas buvo supaprastinta, kad nenukrypti nuo esmės. Vien teorija apie procesus tarp korpuso ir pačios turbinos sudarytų atskirą knygą. Jeigu jūs norite plačiau sužinoti apie turbinas - yra įvairių puikių knygų šia tema.