Правильний підбір турбіни для дизеля починають з оцінювання витрати повітря та режиму експлуатації, а потім перевіряють, чи здатні компресорна й турбінна частини забезпечити потрібну роботу.
Турбіна, яка підходить за кріпленнями або розрахована на потрібну потужність, усе ж може бути невдалим вибором для тривалого буксирування, приймання навантаження генератором чи застосування після заміни двигуна. Щоб зрозуміти, як вибрати турбіну для дизеля, слід комплексно перевірити подачу повітря, енергію відпрацьованих газів та експлуатаційні обмеження. Почніть із завдань, які має виконувати двигун; діаметр коліс розглядайте пізніше.
З чого почати підбір турбіни для дизеля?
Запишіть робочий об’єм, робочі частоти обертання, потрібний крутний момент або потужність, подачу палива, висоту над рівнем моря й температуру повітря на впуску. За відповідними специфікаціями двигуна й турбокомпресора визначте допустимі значення тиску в циліндрах, температури відпрацьованих газів та частоти обертання ротора турбокомпресора. Лише за тиском наддуву ці межі визначити неможливо.
Під час вибору турбіни для дизельного двигуна режим експлуатації визначає пріоритетні робочі точки:
| Застосування | Робочі точки для підбору | Практичний пріоритет |
|---|---|---|
| Вантажівка або мобільна техніка | Увесь діапазон частот обертання за повного навантаження та робота з великим навантаженням на низьких обертах | Подача повітря для забезпечення потрібного крутного моменту |
| Генератор зі сталою частотою обертання | Навантаження від малих до номінальної потужності | Ефективність тривалої роботи та реакція на ступінчасті зміни навантаження |
| Суднова рушійна установка з гвинтом фіксованого кроку | Точки на фактичній кривій навантаження гребного гвинта | Тривала робота й розгін |
Формуйте вимоги з урахуванням таких контрольних точок:
- Урахуйте найнижчу частоту обертання, за якої двигун має працювати з великим навантаженням.
- Урахуйте звичайні робочі точки, а не лише номінальну потужність.
- Урахуйте очікувані умови роботи у спеку, на висоті та за зміни навантаження.
Оцініть витрату повітря за наповненням циліндрів і подачею палива
Розрахунок витрати повітря для турбіни чотиритактного двигуна починають з об’ємної витрати на впуску в літрах за секунду: робочий об’єм у літрах множать на частоту обертання в rpm і коефіцієнт наповнення, а потім ділять на 120. Дільник ураховує один такт впуску за кожні два оберти колінчастого вала та переводить хвилини в секунди.
Це об’ємна витрата за умов у впускному колекторі. Помножте її на густину повітря в колекторі, щоб отримати масову витрату; густина залежить від абсолютного тиску й температури. Коефіцієнт наповнення визначайте для тих самих умов, щоб не застосувати поправку на наддув двічі.
Перевірте результат за подачею палива: потрібна масова витрата свіжого повітря дорівнює масовій витраті палива, помноженій на цільове масове співвідношення повітря й палива. Використовуйте виміряну подачу палива або оцінку за потужністю та питомою ефективною витратою палива. Самі лише дані про робочий об’єм не визначають ні витрату палива, ні потрібний тиск наддуву.
Вибирайте цільове співвідношення повітря й палива на основі перевірених даних двигуна та вимог до згоряння. Обране значення не є універсальним налаштуванням для роботи без димлення. Цей спрощений підхід передбачає чотиритактний двигун без EGR; рециркуляція відпрацьованих газів та продування двотактного двигуна потребують додаткового врахування в розрахунках.
Розрахуйте ступінь підвищення тиску компресора за тиском у колекторі
Компресор має долати опір фільтра, впускних трубопроводів, охолоджувача наддувного повітря й нагнітальних трубопроводів. Його ступінь підвищення тиску — це абсолютний тиск на виході, поділений на абсолютний тиск на вході, із дотриманням визначень тиску, зазначених для його карти характеристик.
- Додайте втрати тиску в системі турбонаддуву до потрібного абсолютного тиску у впускному колекторі.
- Від абсолютного тиску навколишнього повітря відніміть втрати тиску на впуску.
- Поділіть перший результат на другий.
Надлишковий тиск наддуву відлічують від місцевого атмосферного тиску. На висоті для підтримання того самого абсолютного тиску у впускному колекторі потрібен вищий ступінь підвищення тиску компресора. Також перевіряйте температуру повітря на вході та частоту обертання ротора турбокомпресора.
Горизонтальна вісь: скоригована масова витрата повітря.
Вертикальна вісь: відношення абсолютних тисків.
Межа малої витрати: помпаж.
Контури: зони ефективності на карті.
Межа великої витрати: зона запирання потоку.
Якісна схема, а не виміряні дані випробувань чи робочі межі.
Приклад розрахунку: підбір турбіни під час заміни дизельного двигуна
Це умовні округлені числа для уявного двигуна, а не рекомендоване калібрування чи підтвердження сумісності турбіни:
- 6.0-літровий чотиритактний дизель за 2,200 rpm із коефіцієнтом наповнення 90%.
- Витрата палива: 36 kg/h; вибране співвідношення повітря й палива: 24:1 за масою.
- Температура повітря у впускному колекторі: 330 K, приблизно 57°C.
- Тиск навколишнього повітря: 100 kPa абсолютного тиску; на вході в компресор: 95 kPa абсолютного тиску за 300 K (доволі забруднений повітряний фільтр; чиста система створює менший опір).
- Втрати тиску в охолоджувачі наддувного повітря й нагнітальних трубопроводах: 15 kPa.
Об’ємна витрата повітря становить 6.0 × 2,200 × 0.90 ÷ 120 = 99 літрів за секунду, або 0.099 кубічного метра за секунду. Розрахунок за подачею палива дає потребу в 36 × 24 = 864 kg/h повітря: 0.240 kg/s, приблизно 32 lb/min.
Ділення 0.240 на 0.099 дає потрібну густину повітря у впускному колекторі приблизно 2.42 kg на кубічний метр. За рівнянням стану ідеального газу за 330 K отримуємо абсолютний тиск у впускному колекторі приблизно 230 kPa або надлишковий тиск наддуву 130 kPa за прийнятого тиску навколишнього повітря: близько 19 psi.
Додавання втрат 15 kPa дає приблизно 245 kPa на виході компресора. Ділення на вхідний тиск 95 kPa дає потрібний ступінь підвищення тиску приблизно 2.58.
Для ілюстративної карти характеристик із базовими умовами 300 K і 100 kPa, коли прийнята температура на вході також дорівнює 300 K, зведена витрата дорівнює фактичній витраті, помноженій на 100/95. За іншої температури на вході також потрібна температурна поправка, передбачена цією картою.
Додайте дві умовні точки подачі палива на нижчих обертах, залишивши решту припущень незмінними:
| Частота обертання двигуна, rpm | Паливо, kg/h | Фактична витрата повітря, kg/s | Зведена витрата повітря, kg/s | Ступінь підвищення тиску, округлено |
|---|---|---|---|---|
| 1,400 | 24 | 0.160 | 0.168 | 2.69 |
| 1,800 | 30 | 0.200 | 0.211 | 2.62 |
| 2,200 | 36 | 0.240 | 0.253 | 2.58 |
Ці точки відображають потреби двигуна. Вони не доводять, що розглянутий турбокомпресор здатний їх забезпечити. Фактичний коефіцієнт наповнення, температура й втрати в трубопроводах змінюються залежно від умов роботи.
Якщо фактична температура наддувного повітря вища, для тієї самої масової витрати потрібен більший тиск у впускному колекторі. Якщо через протитиск погіршується наповнення циліндрів, потрібний тиск зростає ще більше. Виконайте повторний розрахунок, не припускаючи, що початкова точка залишається незмінною.
Будуйте робочі лінії, а не шукайте одну найкращу точку
Нанесіть точки на карту характеристик вибраного компресора: зведену витрату повітря — по горизонталі, ступінь підвищення тиску — по вертикалі. Використовуйте базові умови та одиниці вимірювання карти, зазначені виробником; незведене значення витрати повітря може змістити точку в неправильне місце.
Запросіть карту для конкретного поєднання колеса й корпусу компресора; карта схожої моделі її не замінює.
Наведена в прикладі таблиця задає умовну робочу лінію, потрібну двигуну за повного навантаження й різних частот обертання. Точка на нижчих обертах потребує майже такого самого тиску за значно меншої витрати, що може виявити ризик помпажу, непомітний у точці номінальної потужності.
Побудуйте окремі лінії зміни навантаження для генератора, що працює на частоті обертання, яку підтримує регулятор. Його масова витрата повітря також змінюється зі зміною тиску наддуву й температури повітря на впуску. Гвинт фіксованого кроку має іншу криву навантаження: споживана потужність часто зростає приблизно пропорційно кубу частоти обертання. Рушійні установки з гвинтом регульованого кроку й мобільна техніка потребують ширшого діапазону робочих режимів.
Надавайте перевагу високому ККД у точках, у яких двигун працює більшість часу. У всьому робочому діапазоні залишайте підтверджений постачальником запас до меж помпажу, запирання потоку та граничної частоти обертання. Універсального відсотка запасу до межі помпажу, який гарантує надійну роботу установки, не існує.
Перехідні режими перевіряйте окремо: карта для усталених режимів не дає змоги передбачити кожен розгін або кожну ступінчасту зміну навантаження генератора.
Перевірте турбінну частину, перш ніж вважати добір завершеним
Для цього прикладу без EGR сумарна масова витрата відпрацьованих газів приблизно дорівнює сумі витрат повітря й палива: 0.250 kg/s за номінальної потужності. Перепускний клапан може спрямовувати частину цього потоку в обхід турбінного колеса.
Для вибору турбінної частини також потрібні температура відпрацьованих газів, ступінь розширення, ККД та опір випускної системи після турбіни. Запросіть витратні характеристики турбінної частини або підтверджений постачальником варіант для запланованого режиму експлуатації. Сама карта компресора не показує, чи здатна турбінна частина забезпечити потрібну потужність на валу.
Турбінна частина з надмірним опором може забезпечувати потрібний тиск наддуву, одночасно створюючи надмірний тиск у випускному колекторі та насосні втрати. Надто велика площа прохідного перерізу може призвести до нестачі потужності на валу на низьких обертах. Перевіряйте і роботу в усталених режимах, і швидкість відгуку.
Завелика чи замала турбіна: які проблеми виникають?
| Невідповідність | Імовірна проблема | Що врахувати під час підбору |
|---|---|---|
| Завеликий компресор | За малої потрібної витрати робоча точка наближається до помпажу за необхідного ступеня підвищення тиску. | Перевірте точки великого навантаження на низьких обертах. |
| Замалий компресор | Точки великої витрати наближаються до межі запирання потоку, ділянок низького ККД або граничної частоти обертання. | Перевірте номінальну потужність і потреби під час роботи на висоті. |
| Завелика площа прохідного перерізу турбінної частини | Недостатній наддув на низьких обертах і повільніший відгук. | Перевірте доступну енергію відпрацьованих газів під час приймання навантаження. |
| Замала площа прохідного перерізу турбінної частини | Надмірний тиск перед турбіною та обмеження потоку за великого навантаження. | Перевірте тиск відпрацьованих газів і допустимі межі тривалої роботи. |
Сам розмір коліс не дає змоги визначити невідповідність. Поєднання більшого компресора й турбінної частини з великим опором може спричинити і незадовільну роботу на низьких обертах, і надмірний тиск відпрацьованих газів за номінального навантаження.
Змінюйте розмір корпусу або сопла з чіткою метою
У межах сумісної серії турбінних частин корпус із меншим A/R або менша площа найвужчого перерізу сопла можуть поліпшити відгук на низьких обертах, але збільшити опір випуску за великого навантаження. Більший прохідний переріз може підвищити пропускну здатність, водночас погіршуючи відгук на низьких обертах. Значення A/R різних серій турбін не дають змоги безпосередньо порівнювати їхню пропускну здатність.
Використовуйте схвалені поєднання корпусів і сопел. Зміна геометрії турбінної частини зміщує робочі точки, але не розширює карту компресора. Керування VGT і налаштування перепускного клапана мають залишатися в підтверджених допустимих межах; вони не компенсують недостатню продуктивність компресора.
Коли варто зберегти специфікацію OE
Якщо подача палива, потужність, система керування й режим експлуатації залишаються штатними, зазвичай доцільно обрати деталь за номером OE або за підтвердженим номером, що його замінює. Початковий підбір ураховує значно більше, ніж відповідність фланців, особливо для турбокомпресорів з електронним керуванням.
У разі зміни умов застосування перевірте запропонований варіант під навантаженням, характерним для майбутньої роботи, перш ніж вважати добір завершеним:
- Виміряйте тиск наддуву, температуру повітря на впуску, тиск у випускному колекторі й температуру відпрацьованих газів у визначених точках.
- Якщо вимірювання доступне, порівняйте частоту обертання ротора турбокомпресора з граничним значенням виробника.
- Перевірте здатність приймати навантаження, характер димлення та роботу системи керування в усіх передбачених режимах експлуатації.
Без належних карт характеристик, граничних значень або результатів випробувань вибір турбіни, що не відповідає специфікації OE, залишається неперевіреним.
Поширені запитання
Чи завжди вищий тиск наддуву означає більше повітря для згоряння?
Не обов’язково. Гарячіше повітря на впуску має меншу густину, а додатковий опір випуску може погіршувати наповнення циліндрів. Порівнюйте масову витрату повітря, температуру наддувного повітря й тиск у випускному колекторі в тій самій робочій точці.
Чи не завелика моя турбіна для роботи на низьких обертах?
Перевірте потрібні робочі точки на низьких обертах. За необхідного ступеня підвищення тиску компресор може працювати надто близько до межі помпажу, тоді як велика турбінна частина може не забезпечувати швидкого наростання потужності на валу. Добирайте кожну частину окремо.
Чи може менший корпус турбінної частини компенсувати завеликий компресор?
Він може поліпшити відгук, але не здатний змінити карту компресора. Якщо потрібні витрата повітря та ступінь підвищення тиску виходять за межі цієї карти, заміна корпусу не забезпечить відповідності компресора вимогам.
Чи потрібен генератору такий самий турбокомпресор, як вантажівці?
Не обов’язково. Генератору зі сталою частотою обертання потрібні ефективність за сталого навантаження та прийнятна реакція на його ступінчасті зміни. Для вантажівки слід забезпечити подачу повітря в ширшому діапазоні частот обертання, зокрема за великої подачі палива на низьких обертах.
Коли варто залишити турбокомпресор OE?
Зберігайте специфікацію OE, якщо двигун, подача палива, система керування та режим експлуатації залишаються штатними. Розглядайте інший варіант, коли змінюються задокументовані вимоги до роботи та є змога перевірити всю систему.
Чи можна підібрати турбіну для дизеля лише за потужністю в кінських силах?
Потужність у кінських силах — лише початковий орієнтир. Також потрібні витрата палива, робоча частота обертання, цільова витрата повітря, ступінь підвищення тиску та режим експлуатації. Двом двигунам однакової потужності можуть знадобитися різні поєднання компресорної й турбінної частин.
Якого розміру турбіну вибрати на заміну?
Зберігайте специфікацію OE, якщо двигун, подача палива, система керування та режим експлуатації залишаються штатними. Якщо вимоги змінилися, добирайте турбокомпресор за потрібною витратою повітря та ступенем підвищення тиску в усіх робочих режимах і перевіряйте обидві його частини.
Щоб обговорити підбір турбіни для дизеля на заміну, зверніться до LeadTurbo, вказавши номер деталі турбокомпресора, дані двигуна й запланований режим експлуатації.
