Компрессор на двигатель своими руками: особенности тюнинга
Как известно, мощность любого атмосферного двигателя сильно зависит от рабочего объема, а также является в достаточной степени ограниченной физическим рабочим объемом ДВС. Если просто, атмосферный мотор «затягивает» наружный воздух благодаря разрежению, которое возникает в результате движения поршней в цилиндрах.
При этом от количества поступающего воздуха напрямую зависит и количество топлива, которое можно в дальнейшем эффективно сжечь. Другими словами, чтобы сделать атмосферный двигатель мощнее, необходимо увеличивать рабочий объем цилиндров, наращивать количество цилиндров или комбинировать то и другое.
Еще одним действенным способом является подача воздуха в двигатель под давлением. В этом случае объем цилиндра и количество «горшков» можно не менять, при этом воздух нагнетается принудительно, что автоматически позволяет подать больше горючего и далее сжечь такой заряд топливно-воздушной смеси с максимальной отдачей.
Среди нагнетателей воздуха следует выделить турбонаддув и механический компрессор. Каждое из решений имеет как свои плюсы, так и минусы, при этом установить механический нагнетатель воздуха своими руками на практике вполне может оказаться несколько проще, чем грамотно выполнить работы по установке турбонаддува. Далее мы поговорим о том, можно ли поставить компрессор на двигатель своими руками и что нужно учитывать в рамках такой инсталляции.
Содержание статьи
Наддув двигателя механический: что нужно знать
Начнем с того, что установка любого типа нагнетателя (механический или турбонаддув) возможна как на инжекторном, так и на карбюраторном двигателе. В обоих случаях предполагается ряд доработок силового агрегата, однако установить турбину на двигатель несколько сложнее и дороже по сравнению с компрессором.
Становится понятно, что механический нагнетатель является более доступным способом повышения мощности двигателя, такое решение проще установить на мотор, причем работы можно выполнить даже самостоятельно. При этом общий принцип действия нагнетателя достаточно прост.
Устройство фактически можно сравнить с навесным оборудованием (генератор, насос ГУР или компрессор кондиционера), то есть агрегат приводится от двигателя. В результате работы механического компрессора воздух сжимается и поступает в цилиндры под давлением.
Это позволяет лучше продувать (вентилировать) цилиндры от остатков отработавших газов, в значительной степени улучшается наполнение цилиндра, количество воздуха в камере сгорания повышается, что делает возможным сжечь больше топлива и увеличить мощность двигателя.
Работа компрессора дает такой же результат, как и турбонаддув. Главным отличием является только то, что турбонагнетатель использует для вращения турбинного колеса энергию выхлопных газов, в то время как механический компрессор связан с коленвалом двигателя посредством ременной передачи. Естественно, такой тип привода несколько отнимает мощность у ДВС, однако плюсом является простота конструкции.Другими словами, все работы выполняются комплексно, что в дальнейшем позволяет форсированному силовому агрегату успешно и стабильно работать без значительного сокращения его моторесурса. Теперь давайте рассмотрим некоторые особенности такой установки.
Установка механического комперссора на двигатель: тонкости и нюансы
Начнем с того, что главной задачей является подбор механического нагнетателя, который будет соответствовать ряду требований (вес, габариты, производительность, режимы работы, особенности смазки, исполнение привода и т.д.).
Для этих целей можно приобрести компрессор от какого-либо автомобиля или же заказать готовый тюнинг-комплект для форсирования двигателя. Также отмечены случаи, когда нагнетатель изготавливался самостоятельно, однако такие самодельные решения достаточно редки, особенно на территории СНГ.
На практике зачастую устанавливают тюнинг-комплекты (турбо-Кит наборы), реже используют детали б/у, которые снимаются с других компрессорных автомобилей. Плюсом готового комплекта является то, что такой набор рассчитан для установки на конкретную модель автомобиля. Это значит, что вместе с компрессором поставляются крепежи, ремни, привод, воздуховоды, прилагается инструкция и т.д.
Единственным минусом можно считать относительно высокую цену проверенных предложений на рынке, тогда как более доступные по цене наборы могут иметь сомнительное качество и быстро выйти из строя.
Параллельно следует учитывать, что также необходимо доработать штатную систему охлаждения и топливоподачи с учетом изменившейся производительности силового агрегата. Если просто, форсирование двигателя при помощи компрессора предполагает то, что топлива за единицу времени нужно подавать больше. Для этого может понадобиться менять бензонасос, ставить боле производительные форсунки и т.д.Также не следует забывать о том, что большая мощность достигается за счет сжигания большего количества топлива. Закономерно, что выделение тепла в этом случае также сильно увеличивается, а мотор потребует более интенсивного охлаждения.
Что в итоге
Сразу отметим, что установка нагнетателя воздуха вполне возможна своими руками, особенно если речь идет об использовании готового набора под конкретный двигатель. Также с учетом вышесказанного становится понятно, что хотя увеличение мощности двигателя при помощи механического компрессора вполне можно реализовать, при этом ошибочно полагать, что достаточно будет только поставить компрессор, после чего двигатель сразу станет намного мощнее.
Рекомендуем также прочитать статью о том, как форсировать двигатель автомобиля. Из этой статьи вы узнаете о доступном способе получения большей мощности путем увеличения рабочего объема двигателя и доработок отдельных элементов и узлов силового агрегата.На самом деле, для получения ярко выраженного эффекта силовой агрегат нужно дорабатывать, причем во многих случаях достаточно серьезно (производится расточка блока для увеличения рабочего объема, затем также увеличивается ход поршня путем замены коленвала, самих поршней и шатунов, меняются клапана, распредвалы и т.д.).
Единственное, если давление наддува не выше 0.5 бара, штатную систему питания на многих авто можно не модернизировать. Также двигатель в этом случае может и вовсе не нуждаться в глубоком тюнинге. Ресурс «неподготовленного» мотора, само собой, после установки механического компрессора сократится, однако если давление наддува не будет высоким, такой двигатель вполне может нормально проработать достаточно долгий срок.
Читайте также
Двигатель с компрессором: устройство, преимущества и недостатки
После появления первых ДВС главной задачей конструкторов и инженеров с самого начала стало повышение производительности силовой установки. Другими словами, основной целью является увеличение мощности двигателя. Как известно, самым простым способом становится решение физически увеличить рабочий объем двигателя и количество цилиндров. Двигатель «засасывает» из атмосферы больше воздуха, в результате можно сжигать больше горючего.
При этом такие силовые агрегаты с увеличенным рабочим объемом большие по размерам и весу, их дорого производить, не всегда удается разместить такой мотор в подкапотном пространстве компактного легкового спортивного авто и т.д. Еще одним способом увеличения мощности двигателя является постройка такого агрегата, который будет «выдавать» необходимую мощность и крутящий момент без увеличения объема камеры сгорания.
Решить задачу позволяет принудительное нагнетание воздуха в цилиндры под давлением. Для нагнетания воздуха на многих ДВС используется турбонаддув, еще одним решением является компрессор (нагнетатель механический). В этой статье мы рассмотрим, как устроен и работает автомобильный компрессор на двигатель, а также какие плюсы и минусы имеет компрессорный двигатель.
Содержание статьи
Компрессор на атмосферный двигатель
Начнем с того, что установка компрессора (нагнетателя) во впускной системе двигателя позволяет добиться подачи нужного количества воздуха для сжигания большего количества топлива. Если просто, компрессор-устройство, которое способно создать на выходе давление, которое будет больше атмосферного.
С этой задачей справляются как обычные механические нагнетатели, так и турбокомпрессор. При этом главным отличием турбонагнетателя от компрессора является то, что турбокомпрессор раскручивается за счет выхлопных газов, в то время как механический компрессор приводится от коленвала двигателя.
Как за счет компрессора происходит увеличение мощности двигателя
Атмосферный двигатель внутреннего сгорания осуществляет забор воздуха снаружи в тот момент, когда поршень в цилиндре движется вниз и создается разрежение, в результате чего воздух засасывается в камеру сгорания. Количество поступающего воздуха физически ограничено рабочим объемом, который имеет цилиндр и камера сгорания. После этого воздух смешивается с топливом в определенных пропорциях, после чего заряд (топливно-воздушная смесь) сгорает в цилиндрах.
Казалось бы, чтобы увеличить мощность мотора, нужно подать больше топлива, однако на самом деле это не так. Если просто, избыток топлива приведет к тому, что без соответствующего количества воздуха горючее не будет эффективно сгорать. Получается, чтобы сжечь больше топлива, нужно одновременно подать большее количество воздуха.
Если учесть, что объем двигателя не меняется, тогда воздух нужно подавать принудительно под давлением. Это и есть главная задача компрессора. Компрессоры создают давление во впуске, нагнетая воздух в цилиндры. В этом случае остается только впрыснуть больше топлива, после чего такая смесь эффективно горит и отдает энергию поршню. На практике, нагнетатель способен поднять мощность мотора на 35-45%, отмечается около 30% процентов прироста крутящего момента по сравнению с точно таким же атмосферным аналогом.
Механический нагнетатель: устройство компрессора на двигатель автомобиля и принцип работы
Как уже было сказано выше, механические компрессоры приводятся в действие от коленчатого вала. Чаще всего для этого используется приводной ремень. Что касается компрессора, в его основе лежит ротор, который создает давление воздуха.
При этом компрессор должен вращаться быстрее коленвала ДВС. Для этого ведущая шестерня изготавливается большей по размеру, чем шестерни компрессора. Компрессор вращается с частотой около 50 тыс. об/мин., поднимая давление PSI с 6 до 9 до дюймов на квадратный дюйм. С учетом того, что атмосферное давление составляет около 14.7 фунтов на квадратный дюйм, компрессор увеличивает подачу воздуха фактически в половину.
Добавим, что воздух, нагнетаемый под давлением, сильно сжимается и нагревается, теряя свою плотность. Простыми словами, чем меньше плотность, тем меньшее количество воздуха получится подать в цилиндры. Чтобы увеличить количество воздуха, его дополнительно следует охладить перед подачей во впуск.
За охлаждение отвечает интеркулер, который бывает воздушным и жидкостным. Интеркулеры представляют собой радиатор, куда попадает горячий сжатый воздух после выхода из компрессора для охлаждения.
Виды механических компрессоров
Механические компрессоры, которые устанавливаются на двигатель внутреннего сгорания:
- роторный компрессор,
- двухвинтовой нагнетатель;
- центробежный компрессор;
Основные отличия заключаются в том, как реализована подача воздуха. Компрессор роторный и двухвинтовой имеют в своем устройстве разные типы кулачковых валов. Центробежный нагнетатель оборудован крыльчаткой, которая затягивает воздух вовнутрь. Также отметим, что в зависимости от размеров и типа нагнетателя напрямую зависит его эффективность.
- Например, роторные компрессоры обычно имеют большие размеры и ставятся сверху на двигатель. В основе лежит большой ротор. При этом данное решение отличается меньшей эффективностью, чем аналоги, так как вес автомобиля сильно увеличивается и создается прерывистый поток воздуха со «всплесками», а не постоянный и стабильный.
- Двухвинтовой компрессор работает по принципу проталкивания воздуха через пару меньших по размеру роторов, похожих на червячную передачу. В результате работы воздух попадает в полости между лопастями роторов. Затем воздух сжимается внутри корпуса роторов.
Эффективность такого решения выше, однако стоимость нагнетателя боле высокая, конструкция сложнее и менее ремонтопригодна. Также двухвинтовой компрессор шумный, необходимо глушить характерный свист выходящего под давлением воздуха при помощи дополнительных решений.
- Если рассматривать центробежный компрессор, это решение отличается от аналогов наличием крыльчатки, которая похожа на ротор. Крыльчатка сильно раскручивается, подавая воздух в корпус компрессора. При этом за крыльчаткой воздух движется с высокой скоростью, но еще находится под низким давлением.
Чтобы поднять давление, воздух проходит через диффузор. Указанный диффузор представляет собой лопатки, расположенные вокруг крыльчатки. В результате поток воздуха после прохождения через диффузор начинает двигаться с малой скоростью, но уже под высоким давлением. Такой компрессор самый эффективный, легкий и небольшой по размерам. Их можно установить перед мотором, а не на двигателе сверху.
Преимущества и недостатки компрессора на двигатель
Итак, начнем с очевидных плюсов. Прежде всего, это увеличение мощности двигателя. Также следует выделить относительную простоту и дешевизну монтажа с минимальными переделками впускной системы по сравнению с установкой турбонаддува. Еще следует выделить отсутствие турбоямы благодаря прямой связи механического нагнетателя с коленвалом.
При этом компрессоры в зависимости от типа могут демонстрировать разную эффективность. Одни дают ощутимый прирост мощности на «низах» (коленвал вращается с небольшой частотой), тогда как другие увеличивают мощность на средних и высоких оборотах. Как правило, роторный компрессор и двухвинтовой рассчитан на низкие обороты, центробежные компрессоры хорошо работают на высоких.
- Теперь перейдем к недостаткам компрессоров. Главным минусом принято считать отбор мощности у двигателя, так как компрессор приводится от коленвала. На практике компрессор забирает до 20% мощности мотора. Получается, общая прибавка до 50% в реальности является фактическим увеличением мощности на 25-30%.
Также установка компрессора означает, что двигатель начинает испытывать более высокие нагрузки. Такой мотор должен быть изготовлен с использованием рассчитанных на такие увеличенные нагрузки частей, что позволяет реализовать необходимый запас прочности.
В результате изготовление такого ДВС получается более затратным, автомобиль с компрессором стоит изначально дороже атмосферных версий. Еще нужно учитывать, что компрессор также нуждается в обслуживании, что увеличивает общие расходы на содержание ТС.
Подведем итоги
Как видно, механические нагнетатели являются одним из доступных и экономически обоснованных способов увеличения мощности атмосферного мотора. Как правило, данное решение остается востребованным в различных видах автоспорта, при создании уникальных проектов, во время постройки эксклюзивных спортивных авто и т.д.
Производители компрессоров часто предлагают готовые «киты» под ключ, что позволяет быстро установить компрессор на конкретную модель автомобиля с минимальными доработками. Для любителей тюнинга и форсирования двигателя такое решение во многих случаях более оправдано по сравнению с установкой турбонаддува на атмосферный мотор.
Напоследок отметим, что также можно встретить моторы, на которых одновременно установлена турбина и компрессор. Хотя практическая реализация достаточно сложна в техническом плане, такой подход позволяет добиться максимальной отдачи от устройств с учетом разных режимов работы ДВС и избавить двигатель от присущих данным технологиям недостатков, взятых по отдельности.
Например, успешно реализованная связка компрессор + турбина вполне способна заставить двигатель работать таким образом, когда компрессор обеспечивает нужную тягу «на низах», убирая турболаг (турбояму), затем после раскручивания двигателя подключается турбина. Практической реализацией такой схемы является двигатель Volkswagen 1.4 TSI.
Читайте также
Как установить компрессор на атмосферный двигатель, что для этого нужно!? | Халва
Не все знают, что установка компрессора на атмосферный двигатель является вполне реальной. Делается это специально для того, чтобы повысить мощность транспортного средства. Когда человек совершает покупку авто, то не сильно ломает голову над тем, какой тип мотора стоит в нем. Это большая ошибка, ибо силовой агрегат — это тот узел, о котором нужно знать, как можно больше. Абсолютное большинство современных двигателей атмосферные. Принцип работы таков, что топливо поступает в цилиндры за счет карбюратора либо форсунок. Для создания топливовоздушной смеси, используется определенный объем воздуха, которого будет достаточно для того, чтобы отдельные детали мотора начали работать.
Установка компрессора на атмосферный двигатель — что представляет собой данный процесс? Об этом, и не только, можно будет узнать из приведенного в статье материала. Но сначала необходимо определиться с силовыми агрегатами классического типа. На самом деле, у них есть преимущества. Первое — срок использования. Порой цифра пробега достигает полмиллиона, и это без какого-либо ремонта, кроме ТО. По своей конструкции атмосферные двигатели довольно простые. Это дает им возможность функционировать даже с ГСМ относительно невысокого качества.
Момент, который больше всего волнует водителей — стоимость обслуживания. Турбированный ДВС отремонтировать стоит намного дороже, нежели атмосферник.
Главные особенности турбоПеред тем, как осуществить монтаж компрессора, нужно уяснить для себя, что у него есть минусы. Речь идет про довольно большую массу, компенсировать которую не может даже мощность. В условиях бездорожья, машине банально не будет хватать тяги.
Плюсом турбированного мотора считают то, что отработавшие газы не выбрасываются в окружающую среду, а создают дополнительное давление в цилиндрах, что непосредственным образом влияет на показатели мощности. Надо отметить, что в сравнении со стандартными характеристиками, она увеличивается на 12%.
Для того чтобы ДВС обладал более высокими характеристиками, осуществляется монтаж нагнетателя механического типа. По факту, это простой компрессор. Его привод соединяется с коленчатым валом, что дает возможность «загрузить» в цилиндры необходимый объем воздуха. Данный процесс происходит в зависимости от того, какие обороты мотора в данный момент. Главным отличием от турбокмпрсесора считается то, что нагнетателю не свойственно повышать рабочую температуру, используя отработанные газы. Надо отметить, что это большое преимущество. Не обошлось и без недостатков. Коэффициент полезного действия силового агрегата заметно падает. Связано это с тем, что привод нагнетателя забирает себе процент от общей мощности.
Что нужно для монтажа?Чтобы во время установки не возникло трудностей, опытные механики советуют купить уже готовый комплект, который собственно состоит из самого компрессора, и всего остального, что может понадобиться для выполнения установочных работ. Здесь также имеется все оборудование, которое поможет сделать работу мотора качественной. Возможна покупка комплекта, разработанного под машины заграничного производства. Дело в том, что они зачастую адаптированы под большинство современных двигателей.
Есть возможность стать владельцем китайского комплекта. Главное достоинство оного — низкая стоимость. Плюс, нет необходимости дорабатывать определенные внутренние узлы. Тот, кто уже пользовался подобным, отмечает, что монтаж осуществляется очень просто. Приятно порадует тот факт, что нет необходимости вносить коррективы в прошивку электронного блока управления. Вот только в случае с китайским вариантом остаются сомнения относительно качества, развеять которые весьма сложно.
В любом случае не стоит забывать о том, что установка зарубежного компрессора повлечет за собой массу доработок в системе. Вряд ли получится обойтись без прошивки ЭБУ. Придется устанавливать интеркуллер, дабы давление всегда было на необходимом уровне. Вероятно, понадобится и усовершенствование всей топливной системы. Ну и конечно, множество разнообразных мелких настроек, относящихся к тому или иному типу мотора.
Понятно, что работа является довольно сложной, а потому лучше всего обратиться за помощью к профессионалам, чтобы они сделали все максимально качественно. Рекомендуется отправиться в специализированный автоцентр, где занимаются модернизацией силовых агрегатов. Здесь также будут выполнены все регулировочные работы, для полноценного функционирования ДВС.
Теперь ясно, что установка компрессора на атмосферный двигатель является весьма трудным процессом. Однако, результат после монтажа, несомненно сможет порадовать каждого владельца транспортного средства.
Читать больше …
Компрессорный, турбо и атмосферный двигатели
Совсем недавно компрессор или турбину ставили на спортивные или тюнингованные автомобили. Сейчас же в большинстве случаев сам завод-производитель увеличивает мощность моторов такими агрегатами. В чём же отличие между атмосферными, турбированными или компрессорными двигателями? Если вы хотите это узнать, то эта статья для вас. Начнём с того, что все автомобильные двигатели делятся на две категории: атмосферные и наддувные. Эти два типа очень сильно отличаются между собой как по своей конструкции, так и по мощности.
Первым рассмотрим атмосферный двигатель. Данный тип моторов является одним из самых сложных по своему устройству. В атмосферном движке топливно-воздушная смесь подаётся в цилиндры идеально, то есть без каких-либо помех или сопротивлений. Из этого можно сделать вывод о том, что был серьёзно доработан коллектор. В этих двигателях очень важна точность, поэтому настройка распредвала довольно сложный процесс. Это всё делается для того, чтобы впускной клапан открывался максимально долго. Ну и конечно же увеличивают диаметр цилиндра, а также ход поршня, что даёт дополнительный прирост мощности. Мы убедились, что атмосферный двигатель довольно сложен в плане своей конструкции, но несомненным его плюсом является отличная реакция на педаль газа, а также запас мощности на любых оборотах. К довольно серьёзным минусам можно отнести немаленький расход топлива и не очень высокую износостойкость самого мотора.
Расскажем немного о турбированном двигателе. Данный тип моторов является наиболее востребованным среди автолюбителей. Конструкции турбированного и атмосферного двигателя почти одинаковые. Но суть турбины в том, что она нагнетает давление. Благодаря этому топливно-воздушная смесь подаётся с более высоким давлением в цилиндры, что даёт значительный прирост мощности. Часто турбину заменяют на более мощную, так как чем больше давление, тем больше мощность.
Но, к сожалению, как и любой другой двигатель турбированный тоже имеет недостатки. При низких оборотах работа турбины вообще не ощущается. Но при быстром наборе оборотов или же на высоких оборотах вы почувствуете приятное ускорение. Это значит, что заработала турбина. Ещё турбированные двигатели очень требовательны в плане смазки. Важным недостатком является не моментальный отклик турбины на педаль газа. Это называется турбояма. Но обычный автолюбитель не заметит этого явления в городском потоке, а вот для автоспорта это серьёзный минус.
Ну и последним рассмотрим компрессорный двигатель. Данный двигатель представляет собой механический нагнетатель, который начинает своё движение с помощью ременного привода. То есть суть этого движка в том, что от количества оборотов напрямую зависит его мощность. Чем выше обороты, тем выше мощность. Компрессор не только подаёт топливно-воздушную смесь в цилиндры под давлением, но и продувает впускной и выпускной клапан в момент наполовину открытия и закрытия, тем самым всегда прочищая цилиндры. Благодаря такой конструкции данный тип двигателей всегда готов работать на пределе своих возможностей. Минусом этого двигателя является эффективность взаимодействия только с большими объёмами, поэтому этот двигатель является очень неэкономичным.
Поделиться :
Установка компрессора на двигатель
Установка компрессора на двигатель сейчас не просто очень модная тенденция, это жизненно важный момент для вашего автомобиля. Установка компрессора на двигатель обеспечивает бесперебойную работу вашего автомобиля. На нашем сайте вы найдете все необходимые детали для ремонта машины по доступным ценам. Давайте разберемся, что же это такое и зачем он нужен.
К компрессорам относится любое оборудование, способное сжимать и подавать воздух. С появлением первых автомобилей каждый инженер и обычный автолюбитель находятся в бесконечном поиске способа увеличить мощность двигателя. Единственный до недавнего времени способ предполагал увеличение внутреннего объема мотора, но главным побочным является его большой вес и дорогостоимость.
Не так давно был обнаружен еще один способ увеличения мощности, которого можно добиться путем внедрения большего объема воздуха в камеру сгорания. Благодаря этому в цилиндр поступит больше топлива, а значит давление увеличится и интенсивность работы двигателя возрастет. Такого результата можно достичь как раз путем установки компрессора на автомобиль.
Они бывают трех видов: роторные, центробежные и двухвинтовые.
У каждого вида есть свои преимущества и недостатки. Перед тем, как выбрать какой компрессор установить, необходимо учитывать технические характеристики автомобиля.
Увеличить мощность Вашего железного коня можно еще путем установки турбин, но тут надо также учитывать год выпуска автомобиля, например, выбрать установку компрессора на классику будет более мудрым решением, чем турбины, т.к. он не развивает такого высоко давления.
Кроме большого ряда преимуществ установки компрессора на авто у этого метода увеличения мощности есть некоторые недостатки. Например, то, что запуск запчасти происходит от коленчатого вала, это существенно снижет мощность. Двигатель автомобиля должен быть на столько прочным, чтобы выдержать мощные взрывы в камере сгорания.
всё о компрессорах и турбинах
Человек – существо неугомонное. После того, как появился первый автомобиль, желание ездить быстрей и быстрей не дает покоя ни конструкторам, ни автогонщикам, ни почтенным отцам многодетных семейств. Еще чуть больше скорости, чуть выше мощность, быстрей разгон – так по крупицам изобретались, тестировались и внедрялись в жизнь различные улучшения двигателей.
Как увеличить мощность двигателя? Чтобы получить больше силы на выходе, нужно дать больше энергии на входе, а значит, сжечь в двигателе больше топлива. Поскольку законы физики обойти еще никому не удалось, самым простым способом будет увеличение объема двигателя. Чем больше топлива сгорает в цилиндре, тем больше энергии высвобождается. Но этот путь вскоре завел в тупик: увеличивать объем нужно вместе с весом самого двигателя, и с определенного момента такой прирост теряет смысл: мотор становится настолько тяжелым и сложным, что вместо повышения эффективности системы ее показатели, наоборот, снижаются. Но до этого человеческий гений породил таких монстров, как 16-цилиндровые двигатели, разработанные для гоночных автомобилей.
BRM V16: 16-цилиндровый двигатель с компрессором,
угол между цилиндрами 135 градусов, объем 1,5 л,
мощность 475 л.с. при 11500 об/мин
(пиковая мощность 500-600 л.с.),
занявший 5-е место на Гран-при в Британии в 1951 г.
Если увеличивать объем двигателя можно только до определенного предела, то второй вариант – просто подать больше топлива в цилиндр. Но тут появляется другая проблема: одновременно необходимо подать и больше воздуха, чтобы сохранить оптимальное (стехиометрическое) соотношение – 14 объемных частей воздуха на 1 часть топлива, необходимое для полного сгорания. Конструкторы пришли к выводу, что при неизменном объеме цилиндра больше воздуха к топливу можно подать только с помощью искусственного наддува. Так появилась идея компрессоров и турбин, позволяющих увеличить мощность двигателя без изменения его кубатуры. Как правило, компрессорами называют устройства, работающие от коленвала двигателя, а турбинами – приводимые в движение потоком выхлопных газов. Но в обоих случаях назначение их одинаково: подача дополнительного воздуха в камеру сгорания для увеличения мощности двигателя.
Приводные компрессоры
Роторный компрессор, Roots, Рутс
Первый вариант конструкции, который и сейчас можно встретить на некоторых автомобилях. Два встречно вращающихся ротора (двух- трех- или четырехлопастных) подают воздух во впускной коллектор, нагнетая в нем давление, а из коллектора воздух под напором поступает в цилиндры двигателя.
Винтовой компрессор, Lysholm, Лисхольм
Принцип действия несколько отличается от роторного: в корпусе расположены два встречно вращающихся винта сложной формы, которые захватывают воздух в канавки и транспортируют его к выпуску с одновременным сжатием. Производительность винтового компрессора намного выше, чем роторного, и он не создает турбулентности воздушного потока на высоких оборотах.
Такая конструкция требует высокой точности изготовления и качественных материалов, поэтому всегда стоила намного выше, чем роторная. Можно сказать, что винтовой компрессор относится к устройствам класса «люкс».
И роторный, и винтовой компрессоры работают без присутствия масла (за исключением подшипников валов). Корпус и сами вращающиеся детали разделены между собой микрозазорами, и по этой же причине не нуждаются в остаточном охлаждении после остановки двигателя.
Синхронизация вращения валов выполнена с помощью шестеренчатой передачи от ведущего вала (соединенного ременным шкивом с коленвалом двигателя) к ведомому, позволяющей добиться высокой точности работы компрессора, без трения и перегрева.
Центробежный компрессор
В его конструкции используется только один вал, на котором закреплена крыльчатка. При вращении крыльчатка захватывает воздух из центра и отбрасывает его по периметру, откуда он поступает в напорный патрубок. Такая конструкция позволяет сделать компрессор негабаритным, легким, при этом не теряя в производительности.
Все приводные нагнетатели (компрессоры) объединены общими достоинствами: простота монтажа, эффективность при различной скорости оборотов, отсутствие перегрева и турболага (турбоямы) – типичной проблемы турбин.
А основной общий недостаток – привод от двигателя, в результате чего немного теряется мощность и увеличивается нагрузка на него. Но, несмотря на это, установка компрессора себя оправдывает: в среднем нагнетатель дает прирост 46% к мощности двигателя.
Турбонагнетатель (турбокомпрессор, турбина)
Несмотря на разнообразие конструкций приводных компрессоров, признание автолюбителей завоевали турбины – нагнетатели с турбо-приводом.
Турбина приводится в действие не от коленвала, а от потока выхлопных газов. Такая конструкция полностью устраняет нагрузку на двигатель и не требует дополнительных мощностей для работы.
Выхлопные газы, проходя в полость турбины, приводят в движение ротор, закрепленный на одном валу с крыльчаткой. А крыльчатка, в свою очередь, во время вращения накачивает воздух в систему впуска по тому же принципу, что и центробежный компрессор.
Особенностью турбины является зависимость скорости вращения не от оборотов двигателя напрямую, а от силы потока отработанных газов. С этим связано явление турбоямы или турболага – задержки реакции турбины (а следовательно, и набора мощности двигателем) при нажатии на педаль акселератора. Внешне это выглядит как секундная «задумчивость» мотора, которая затем сменяется резким скачком мощности. Конструкторы борются с турболагом различными методами, от чип-тюнинга (изменение параметров работы двигателя) до установки электромотора или баллона со сжатым воздухом для мгновенной подачи его в двигатель, пока турбина не раскрутится.
Монтаж турбины, в отличие от компрессора, связан с определенными сложностями. В связи с высокой нагрузкой (скорость вращения может достигать 300 тысяч оборотов в минуту в отличие от компрессоров, скорость которых максимум 20 тысяч оборотов в минуту) турбина требует постоянной смазки, так что ее включают в масляную магистраль и подводят моторное масло под давлением. С этим связана необходимость устанавливать турбины только в специализированном автосервисе.
Турбина с изменяемой геометрией, VNT
Одной из проблем турбокомпрессоров является слишком высокая скорость вращения на больших оборотах двигателя и недостаточная продуктивность на малых оборотах. Чтобы улучшить характеристики устройства, вокруг основного ротора устанавливаются дополнительные лопасти, изменяющие свое положение в ответ на команду регулирующего устройства. Поворот, увеличивающий площадь ротора, помогает сохранить высокие обороты при низком давлении выхлопных газов, а уменьшение площади ротора помогает турбине не превышать предельных оборотов, когда мотор работает на полной мощности. Это называют VNT (Variable Nozzle Turbine) или VGT-турбиной (Variable Geometry Turbocharger).
Турбина с изменяемой геометрией.
1. Ускорение вращения за счет «эффекта сопла»: на сужающемся участке напор воздушного потока возрастает.
2. Замедление вращения благодаря повороту лопастей, расширяющих канал для воздушного потока.
Существуют и другие модификации таких турбин: с выдвижными лопастями, с другим способом их крепления и т.д., но принцип действия от этого не меняется.
Управление такой турбиной осуществляется от вакуумного регулятора, электромотора или благодаря инерционному повороту самих лопастей.
Комбинированные системы
В разное время автоконструкторы экспериментировали с различными способами улучшения характеристик двигателя. Так появилась система двойного турбонаддува Twin Turbo или комбинированная система. Эти инженерные изыскания были направлены на устранение характерных недостатков разных видов компрессоров.
Двойной турбонаддув
По сути, это две турбины, установленные на двигатель по параллельной, последовательной или ступенчатой схеме. Изначально такая система предназначалась для устранения турболага, но она также помогает повысить мощность, оптимизировать режим работы двигателя и даже снизить расход топлива.
Параллельная система
Состоит из двух турбин с одинаковыми характеристиками, подключенных параллельно друг другу. Может устанавливаться на мощные V-образные двигатели, по одной турбине на каждый ряд цилиндров. Каждая из турбин подключается к отдельному ответвлению выпускного коллектора. Преимущество этой системы в том, что можно установить маленькие турбины, которые намного легче набирают скорость вращения, и таким образом уменьшить эффект турболага.
Последовательная система
Вверху: работа одной турбины на малых оборотах двигателя.
Внизу: Работа двух турбин для максимальной мощности.
Состоит из двух турбин, одна из которых работает постоянно, а вторая включается по необходимости (поток отработанных газов направляется на вторую турбину при открытии клапана на выпускном коллекторе). Воздух от обеих турбин поступает в общий впускной коллектор двигателя.
Двухступенчатая система
1. Две турбины работают последовательно (низкие обороты).
2. Турбины работают параллельно (средние обороты).
3. Работает только большая турбина (высокие обороты).
Достаточно сложная, но эффективная система, состоящая из двух последовательно подключенных турбин разного размера, соединенных перепускными патрубками и клапанами. На малых оборотах двигателя работает только меньшая турбина, поскольку она легче и имеет меньшую инерцию. При включении средних оборотов подключается большая, и обе турбины работают последовательно: большая подает поток воздуха на малую, от которой он поступает во впускной коллектор. При этом скорость большой турбины постепенно увеличивается, и на максимальных оборотах малая турбина отключается, чтобы не задерживать поток воздуха к мотору. Вся система регулируется датчиками и электромагнитными клапанами, открывающими или закрывающими отдельные участки системы выхлопа. С точки зрения производительности двигателя, двухступенчатая система дает максимальный эффект.
Комбинированный наддув, TSI
Попытки преодолеть эффект турбоямы привели к созданию концерном Volkswagen системы комбинированного наддува TSI (Turbo Stratified Injection), в которой сочетается приводной нагнетатель и турбина. Система подключена ступенчато: на низких оборотах двигателя работает только компрессор, дающий в таком режиме максимальный эффект. На средних оборотах компрессор и турбина работают вместе, а на максимальных оборотах компрессор отключается, и работает одна турбина. Такой способ наддува полностью устраняет эффект турбоямы, но оказался слишком дорогостоящим как в производстве, так и в обслуживании, и с 2011 года двигатели с комбинированным наддувом уже не производят.
Технические характеристики: что важно знать о турбине?
Один из важнейших технических показателей турбины это степень компрессии: способность повышать давление во впускном коллекторе и соответственно в цилиндрах двигателя. Знать этот параметр необходимо тем, кто хочет тюнинговать свой автомобиль и проводит расчеты для турбины.
Степень компрессии имеет две крайности: чем она выше, тем больше мощности можно получить от мотора (больше сжимается топливно-воздушная смесь в цилиндре и сильней отдача от ее сгорания). Но при превышении максимально допустимой силы сжатия появляется эффект детонации: смесь сгорает не тогда, когда нужно, а тогда, когда ее сжатие приводит к самовозгаранию. По этой причине на турбированных двигателях используют высокооктановый бензин.
То есть, максимальная компрессия показывает максимально возможное количество топлива (и соответственно воздуха), которое можно подать в цилиндр без вреда для двигателя.
Второй показатель турбины – рабочий диапазон вращения ротора. Это показатель скорости вращения от минимально полезной до максимально безопасной для устройства, превышение которой ведет к перегреву и преждевременному износу.
Также нелишним будет учесть показатели термоустойчивости турбины. Обычно производители указывают максимальную температуру отработанных газов на входе в турбину и максимальную температуру масла на входе. Чем мощней двигатель, тем выше будут эти температуры и тем тщательней нужно выбирать компрессор.
Поскольку турбина подключается к масляной магистрали, производители указывают оптимальные и минимальные показатели давления масла на входе.
Производительность компрессора определяется объемом воздуха, пропускаемым за один оборот ротора. Чем больше турбина, тем выше этот показатель, но и выше инерционность, так что в большинстве случаев специалисты рекомендуют выбирать компрессоры средней производительности.
Сколько служит турбина и отчего выходит из строя
Многие автомобилисты называют турбину расходным материалом: срок службы ее не слишком радует любителей уличных гонок. При идеальных условиях (передвижение по городу, регулярное ТО) турбина прослужит примерно 150 тыс. км. Но ведь турбины ставят не затем, чтобы чинно ездить 50 км/ч, так что при экстремальном использовании ресурс можно смело делить на 2, и то при грамотном обслуживании своей машины.
Безжалостная статистика утверждает: только 5% турбин выходят из строя, «померев своей смертью», то есть выработав заложенный в них ресурс полностью. В абсолютном большинстве случаев поломки случаются по причине недосмотра или небрежности хозяина автомобиля.
Два самых страшных врага турбины – посторонние предметы и масляное голодание (и вообще проблемы с маслом).
Учитывая огромную скорость вращения, даже безобидная на первый взгляд пыль может за короткое время сточить лопасти, забиться в подшипники и вывести турбину из строя. Поэтому турбированные двигатели намного чувствительней к качеству воздушного фильтра, чем обычные атмосферные. Добавить сюда дополнительную нагрузку на фильтр (воздух проходит через него с достаточно сильным напором) и становится понятно, почему многие, тюнингуя свой автомобиль, ставят фильтры нулевого сопротивления.
Но, каким бы качественным ни был фильтр, он может пострадать от попавшей в воздухозаборник влаги и испортиться (бумага после высыхания уже не выполняет свои функции). После поездки под хорошим сильным дождем лучше осмотреть фильтр сразу, и в случае необходимости заменить. Дешевле выйдет.
Повреждение турбины посторонними предметами
Посторонние предметы могут попасть не только на крыльчатку турбины, но и на ротор. Чаще всего это частицы кокса из выпускного коллектора, а иногда и детали двигателя (обломки клапанов, свечей зажигания и т.д.) Если мотор посыпался, турбина умирает практически сразу.
Проблемы со смазкой турбины встречаются даже чаще, чем поломки из-за посторонних предметов. Одна из самых распространенных причин проблемы – использование нерегламентированного масла (большей вязкости, другого качества и т.д.) В турбированных двигателях требования к маслу на порядок жестче, чем в атмосферных! От «неправильного» масла турбина выходит из строя раньше, чем двигатель.
Тут же нужно напомнить об интервале замены масла и масляного фильтра. Со временем в масле, и особенно в фильтре, накапливаются продукты сгорания, твердые частицы разного размера. Фильтр забивается и не пропускает достаточное количество масла, после чего в нем срабатывает перепускной клапан и масло проходит напрямую, без очистки. Если двигатель еще немного поработает в таком режиме, то турбина выйдет из строя сразу: твердые частицы сработают как абразив, а более мелкие забьют каналы для подачи масла к подшипникам турбины. При разборке компрессоров, пострадавших от масляного голодания, на металле часто можно видеть не только истертости, но и цвета побежалости – свидетельство критического перегрева.
Вал турбины со следами перегрева
Одним словом, система с наддувом намного чувствительней к работе всех смежных узлов, чем простая атмосферная. Это относится не только к зажиганию, подаче топлива и т.д., но и к состоянию катализатора и сажевого фильтра. Неисправный катализатор приводит к образованию сажи и кокса в выпускной системе, повышению нагрузки на турбину, а от нештатных нагрузок она выходит из строя.
Трещина в корпусе
Покупать ли автомобиль с турбодвигателем?
Несмотря на преимущества турбированных моторов, производители продолжают выпускать атмосферные двигатели, а покупатели зачастую выбирают именно их. Мотор без наддува привлекает большей надежностью, меньшими требованиями, меньшими затратами на обслуживание и ремонт. Так что для спокойной «семейной» езды подойдет и хороший «атмосферник», который, кстати, может быть намного эффективней, чем двигатель с неправильно подобранной или криво установленной турбиной.
Но ведь машина может больше! Установка компрессора позволяет раскрыться потенциалу двигателя, к тому же, как уже говорилось выше, турбонаддув помогает экономить топливо за счет оптимизации процесса работы. Так что любители быстрой езды выбирают турбо.
Нет однозначного ответа, что выбрать: атмосферный двигатель, приводной компрессор или турбину. Все они имеют свои плюсы и минусы, и нужно определиться, что подойдет именно под ваши нужды и желания.
✅ Установка компрессора на карбюраторный двигатель
Если вы неплохо разбираетесь в устройстве двигателя, то наверняка уже испытали желание улучшить мотор, установленный в автомобиле. Чаще всего владельцы «десятки», чтобы поднять мощность двигателя, используют компрессор, при этом для установки компрессора на автомобиль будет достаточно обладать минимальными познаниями в автомеханике. Впрочем, помимо установки компрессора существуют и другие способы, позволяющие значительно увеличить мощность мотора.
Важно! Ещё до того как вы займётесь доработкой двигателя, обязательно изучите хотя начальные сведения по автомеханике, чтобы перестать быть совсем «чайником». Помните, что недостаточно просто поставить один девайс на мотор и считать, что после этого всё будет в порядке. Такие кустарные доработки могут оказать негативное влияние на двигатель, вплоть до поломки.
Правила установки наддува на карбюраторный ДВС
В данной статье приведены общие правила и рекомендации по созданию и установке механического нагнетателя с приводом от коленвала на карбюраторных двигателях, на которых нагнетатель полагается располагать перед карбюратором.
1. Если давление наддува составляет более двух атмосфер, то требуется переход на более высокооктановый бензин (из -за существенного роста фактической степени сжатия). Но самодельный нагнетатель вряд ли сможет дать более двух атмосфер, так что достаточно обычной регулировки угла опережения зажигания, уменьшив его на необходимую величину. Если система зажигания снабжена вакуум-корректором угла ОЗ, то необходимо произвести его перенастройку в связи резким изменением давлений в карбюраторе.
2. Если двигатель имеет спортивные (широкие ) фазы газораспределения, то происходит существенный рост расхода топлива из-за выноса части смеси в выпускной коллектор. Так что на спортивные моторы наддув лучше не ставить, если, конечно, не планируется использовать эту машину в соревнованиях.
3. Многие считают, что наддувной двигатель — псих, не умеющий ехать на малых оборотах. На деле же максимальные обороты почти не растут, так как они определяются не столько количеством сгоревшей смеси, сколько массой поршней, шатунов, качеством исполнения впускных и выпускных трактов. Происходит весьма большое увеличение тяги, приёмистости, скорости раскрутки до максимальных оборотов, но роста последних почти не наблюдается.
4. Если после установки наддува двигатель будет эксплуатироваться в таких же режимах, что и до установки, то увеличения расхода топлива не произойдёт. Наоборот, будет достигнута некоторая экономия за счёт существенного сокращения времени разгона, преодоления подъёмов, возможности двигаться на более высокой передаче.
5. Нагнетатели весьма чувствительны к препятствиям потоку воздуха, поэтому крайне желательно произвести полировку впускного коллектора, большого диффузора карбюратора и др. деталей до зеркального блеска (сначала обточив стенки до ровной поверхности, а затем отполировав). Если полировка недоступна, то надо позаботиться об отсутствии поперечных задиров, которые будут завихрять поток. Недопустимо использовать для соединения нагнетателя с карбюратором гофрированные шланги — лучше всего использовать гладкие пластиковые трубы (например , канализационные) с плавными изгибами. Желательно увеличить площадь фильтрации воздушного фильтра (если фильтр поролоновый с масляной пропиткой или, не дай Бог, инерционный, то его желательно заменить на бумажный — нагнетатель не любит разрежения в фильтре и тем более мусора, которого инерционные фильтры на малых скоростях пропускают кучу). Перед бумажным фильтром желательно установить предочиститель из многослойной марли (НЕ ТКАНИ), пропитав его маслом.
6. Так как после установки нагнетателя будет сгорать больше смеси, то возрастает риск доискрового (калильного ) зажигания. Во избежание этого надо вкрутить хорошие свечи, например А23. Для более полного сжигания смеси желательно увеличить энергию искры, что достигается применением коммутаторов. Желательно также применять высоковольтные провода с распределённым сопротивлением (то есть без резисторов)- TESLA и др.
7. Для обеспечения достаточно богатой смеси надо НЕМНОГО увеличить диаметр топливных жиклёров, а в целях обеспечения чистоты воздуха надо загерметизировать карбюратор. В качестве уплотнителя для осей и тяг можно использовать толстые шерстяные нитки, пропитанные маслом. Для этого надо рассверлить на ¼ глубины канал, увеличив диаметр рассверленной части на 2-3 мм и уложить туда нитку. Затем это всё закрывается прокладкой для удержания нитки от осевого перемещения. Все отверстия для забора воздуха из окружающего пространства (мимо воздушного фильтра — винт качества смеси и пр.) необходимо снабдить фильтрами.
8. Колесо компрессора должно иметь достаточный размер и обороты. Например, для двигателей объёмом в 1-2 литра можно применять пылесосные агрегаты АП-600, обеспечивая их вращение с частотой, в 1,5-2 раза больше оборотов коленвала. Впрочем, для каждого сочетания «мотор -вентилятор» передаточное соотношение надо подбирать индивидуально, контролируя давление наддува, чтобы во всех режимах оно лежало в пределах 1,3-2 атм.
9. Если передаточное соотношение привода компрессора будет больше 2,5, то уже целесообразно применение интеркулера — промежуточного охладителя наддувочного воздуха. Дело в том, что на таких оборотах (15 -20 тысяч, в зависимости от оборотов коленвала) воздух уже начинает нагреваться от трения о лопатки. В результате он расширяется и массовое наполнение цилиндров падает. Интеркулер (очень похож на обычный сотовый радиатор для охлаждающей жидкости, только каналы, естественно, пошире и изгибы поплавнее) ставится после компрессора и охлаждает нагретый воздух, что, кстати, благоприятно сказывается и на температуре самого двигателя, особенно поршней, которым при установке турбины достаётся по первое число. Впрочем, никто не осудит за установку интеркулера на любой наддувный двигатель — массовое наполнение цилиндров вырастет на 10-20%, в зависимости от температуры забортного воздуха — чем она выше, тем больше толку будет от «кулера ». Только не вздумайте ставить охладитель на безнаддувный двигатель, массовое наполнение ощутимо упадет, так как интеркулер обладает приличным сопротивлением потоку.
10. Вопрос: где взять этот промежуточный охладитель? Конечно, на обычном развале эту штуку не найти, так как интеркулеры применяются в основном на турбодизелях — как грузовых, так и легковых, так что придётся его заказывать. Из отечественных автомобилей охладители имеют КамАЗ-6460, «Волги » и «Газели » с дизелем Steyr ГАЗ-5601 и… Пожалуй, из доступных вариантов всё. Впрочем, можно изготовить интеркулер самому, из оцинкованной стали, или, что ещё лучше, меди толщиной 0,5-2 мм, и труб — хоть водопроводных. Только этот процесс весьма трудоёмкий, так как требуется хороший тепловой контакт между каналами и рёбрами, что потребует хорошей пайки с использованием кислоты. Главные условия — каналов должно быть побольше, они должны быть поуже и суммарная площадь сечения каналов должна быть минимум в 1,5 раза больше сечения впускной трубы. Это необходимо для того, чтобы воздух в каналах тёк медленнее и чтобы площадь его соприкосновения со стенкой канала была больше для лучшего охлаждения. Например, при внутреннем диаметре впускной трубы 50 мм требуется интеркулер с 4 каналами, каждый диаметром около 30 мм. Вычислить необходимый диаметр каналов можно через формулу площади круга: площадь=3,14*радиус в квадрате. Переход впускной трубы в каналы должен быть максимально плавным — лучше всего сформировать разветвители из стеклоткани, пропитанной эпоксидкой. Ступеньки в каналах тоже ощутимо завихряют и подтормаживают поток, так что их нужно промазать герметиком. Нужно обеспечить хорошую продувку рёбер охладителя, иначе толку от него будет мало — лучше всего выделить ему воздухозаборник. На мотоциклах лучше всего расположить его перед двигателем, обеспечив ему хорошую продувку и защиту от грязи, чего можно достигнуть при помощи дефлекторов и воздуховодов из листового металла или той же стеклоткани, пропитанной эпоксидкой.
Можно ли наддувать в двигатель с карбюраторной системой питания
По многочисленным вопросам «как можно наддувать в карбюратор, если он работает на разряжении?», – отвечаем (речь пойдет об установочных комплектах центробежного компрессора для карбюраторных авто).
Рассмотрим принцип работы поплавкового карбюратора с постоянным сечением распылителя главной дозирующей системы (т.е. карбюратора такого типа, который устанавливался на автомобили семейства ВАЗ) на примере его простейшей модели, состоящей всего из двух частей: поплавковой и смесительной камер.
[1] топливная трубка; [2] запорная игла; [3] поплавок; [4] канал, связывающий поплавковую камеру с атмосферой; [5] дроссельная заслонка; [6] малый диффузор; [7] распылитель; [8] смесительная камера; [9] жиклер; [10] поплавковая камера
Из бензобака в поплавковую камеру [10] подается топливо, уровень которого регулируется плавающим в ней поплавком [3] , который опирается на запорную иглу [2] . По мере расхода топлива поплавок опускается вниз, игла перестает перекрывать подающую трубку [1] , и камера заполняется до уровня, когда игла снова не перекроет топливный канал – цикл повторяется, таким образом поддерживается постоянный уровень топлива. Поплавковая камера через канал [4] связана с атмосферой, т.е. в ней постоянное атмосферное давление. Из поплавковой камеры топливо поступает в смесительную камеру [8] через распылитель [7] , на входе которого стоит жиклер [9] , дозирующий уровень подаваемого топлива.
На такте впуска, когда поршень движется вниз и впускной клапан в ГБЦ открыт, над поршнем возникает область пониженного давления. Из-за разницы между атмосферным давлением и давление над поршнем воздух заполняет цилиндр (можно считать, что воздух засасывается, но хочу акцентировать внимание именно на формулировку «разница давлений», позже мы к этому вернемся). При этом воздух проходит через смесительную камеру карбюратора, внутри которой расположен диффузор [6] , а внутрь которого выведен носик распылителя. По закону Бернулли, в диффузоре поток воздуха ускоряется, а его давление падает. Благодаря разнице давлений в поплавковой камере (как упоминалось выше, в ней давление равно атмосферному) и внутри диффузора топливо поступает (засасывается) в смесительную камеру. Таким образом количество подаваемого в двигатель топлива зависит от соотношения сечений диффузора и сечения топливного жиклера.
Что изменяется, если наддуть компрессором в двигатель через карбюратор? Да принципиально ничего. Во всех системах карбюратора, где было атмосферное давление, появляется дополнительный избыток, который дает компрессор. Если вернуться к первоначальной формулировке вопроса: «как можно наддувать в карбюратор, если он работает на разряжении?», то надо просто понять, что карбюратор работает не на разряжении, а на разнице давлений (помните, я акцентировал внимание на этом термине). И с компрессором эта разница просто увеличивается. Практически симулируется работа карбюратора в географических областях ниже уровня моря, где атмосферное давление больше. Лишь два фактора при установке компрессора являются «нестандартными»:
1. Повышенное давление только внутри карбюратора, снаружи – атмосферное, поэтому, если не обеспечивается должная герметичность между частями карбюратора, то из имеющихся щелей «потечет».
2. Поскольку в поплавковой камере давление уже выше атмосферного, то бензонасосу, подающему бензин в камеру, необходимо преодолеть избыток давления. Компрессор в пике «выдает» 0,5 бар, а штатный механический насос максимум 0,2..0,25 бар избытка относительно атмосферного давления, поэтому рекомендуется дополнительно устанавливать электрический насос низкого давления, иначе на оборотах, при которых избыточное давление от компрессора «передавит» давление топлива от насоса, топливоподача прекратится, и двигатель заглохнет.
Реальный карбюратор отличается от своей упрощенной модели, т.к. в нем есть ряд вспомогательных систем, обеспечивающих правильную топливоподачу на переходных режимах двигателя: система холостого хода, насос-ускоритель, эконостат, пусковое устройство и т.д. Но установка компрессора никак не влияет на эти системы, и не требует каких-либо других систем, поскольку рост давления, обеспечиваемый центробежным компрессором, происходит по линейному закону. Нарастание / спадание давления прямо пропорционально рабочим оборотам двигателя в конкретный момент, поскольку рабочее колесо компрессора (крыльчатка) жестко связано с коленвалом ременной передачей; нет никаких скачков и провалов, требующих дополнительных корректировок топливоподачи. Только компрессор центробежного типа способен работать в паре с «атмосферным» карбюратором, при прочих системах наддува (турбокомпрессор, компрессор Рутса или Лисхольма) такой карбюратор правильно работать не сможет.
Механический наддув двигателя своими руками: установка компрессора
Как известно, мощность любого атмосферного двигателя сильно зависит от рабочего объема, а также является в достаточной степени ограниченной физическим рабочим объемом ДВС. Если просто, а наружный воздух благодаря разрежению, которое возникает в результате движения поршней в цилиндрах.
При этом от количества поступающего воздуха напрямую зависит и количество топлива, которое можно в дальнейшем эффективно сжечь. Другими словами, чтобы сделать атмосферный двигатель мощнее, необходимо увеличивать рабочий объем цилиндров, наращивать количество цилиндров или комбинировать то и другое.
Среди нагнетателей воздуха следует выделить турбонаддув и механический компрессор. Каждое из решений имеет как свои плюсы, так и минусы, при этом установить механический нагнетатель воздуха своими руками на практике вполне может оказаться несколько проще, чем грамотно выполнить работы по установке турбонаддува. Далее мы поговорим о том, можно ли поставить компрессор на двигатель своими руками и что нужно учитывать в рамках такой инсталляции.
Какой компрессор выбрать?
В каждом отдельном случае это решается индивидуально в зависимости от наличия ресурсов и навыков работы с автомобилем у владельца машины. Если человек не обладает большим количеством денежных средств и серьёзными знаниями об устройстве двигателя ВАЗ 2107 инжектор, то лучшим выбором для него станет заводской КИТ-комплект китайского производства. В том случае, когда владелец автомобиля желает выделиться и имеет для этого финансовые возможности, время и соответствующие навыки, он может попробовать использовать компрессор от иномарки. При этом можно затратить больше денежных средств и установить данную деталь не в своём гараже, а руками опытных специалистов в автосервисе. Также следует быть готовым к тому, что установленному на инжектор б/у компрессору придётся периодически уделять внимание, чтобы его параметры совпадали с теми, которые имеет карбюратор. В противном случае можно потратить свои деньги и время впустую.
Кит-комплект на инжектор ВАЗ
Наддув двигателя механический: что нужно знать
Начнем с того, что установка любого типа нагнетателя (механический или турбонаддув) возможна как на инжекторном, так и на карбюраторном двигателе. В обоих случаях предполагается ряд доработок силового агрегата, однако установить турбину на двигатель несколько сложнее и дороже по сравнению с компрессором.
Становится понятно, что механический нагнетатель является более доступным способом повышения мощности двигателя, такое решение проще установить на мотор, причем работы можно выполнить даже самостоятельно. При этом общий принцип действия нагнетателя достаточно прост.
Устройство фактически можно сравнить с навесным оборудованием (генератор, насос ГУР или компрессор кондиционера), то есть агрегат приводится от двигателя. В результате работы механического компрессора воздух сжимается и поступает в цилиндры под давлением.
Это позволяет лучше продувать (вентилировать) цилиндры от остатков отработавших газов, в значительной степени улучшается наполнение цилиндра, количество воздуха в камере сгорания повышается, что делает возможным сжечь больше топлива и увеличить мощность двигателя.
Также компрессор имеет прямую зависимость от оборотов мотора. Чем сильнее раскручен двигатель, тем больше воздуха подается в камеры сгорания и, соответственно, увеличивается мощность. При этом нет ярко выраженного эффекта турбоямы (турболаг), который встречается на моторах с турбонаддувом. Турбояма проявляется в виде провала на низких оборотах, когда энергии выхлопа еще недостаточно для раскручивания турбины и создания необходимого давления для эффективной подачи воздуха в цилиндры.
Другими словами, все работы выполняются комплексно, что в дальнейшем позволяет форсированному силовому агрегату успешно и стабильно работать без значительного сокращения его моторесурса. Теперь давайте рассмотрим некоторые особенности такой установки.
Конструктивные особенности
Сегодня существует большое количество компрессоров, отличающихся конструктивным разнообразием. Но все нагнетатели делятся на 2 разновидности:
- Турбо – используют в качестве движущей силы выхлопные газы;
- Не турбо – движущей силой является привод.
Приводной компрессор вне зависимости от конструктивных особенностей обладает неоспоримым преимуществом. Для его установки не нужно перерабатывать стандартные системы смазки и отвода выхлопных газов.
Приводной компрессор соединяется с коленвалом, что создает эффективное взаимодействие между двигателем и нагнетателем. Особенно эта связь проявляется во время набора автомобилем скорости. Тут действует правило прямой взаимосвязи, чем выше обороты, тем быстрее вращение коленвала и нагнетателя. Такая конструкция обеспечивает минимальное проявление «турбоямы», когда автомобиль с опозданием реагирует на прибавку газа. Еще один плюс – отсутствие высокой температуры, что значительно увеличивает моторесурс агрегата и позволяет обойтись без дополнительного оборудования: турботаймеров и бустконтроллеров. Этих преимуществ нет у нагнетателей типа турбо. Купить компрессор на ВАЗ – обеспечить комфортную эксплуатацию транспортного средства и улучшить его технические характеристики.
Установка механического комперссора на двигатель: тонкости и нюансы
Начнем с того, что главной задачей является подбор механического нагнетателя, который будет соответствовать ряду требований (вес, габариты, производительность, режимы работы, особенности смазки, исполнение привода и т.д.).
Для этих целей можно приобрести компрессор от какого-либо автомобиля или же заказать готовый тюнинг-комплект для форсирования двигателя. Также отмечены случаи, когда нагнетатель изготавливался самостоятельно, однако такие самодельные решения достаточно редки, особенно на территории СНГ.
Единственным минусом можно считать относительно высокую цену проверенных предложений на рынке, тогда как более доступные по цене наборы могут иметь сомнительное качество и быстро выйти из строя.
Также не следует забывать о том, что большая мощность достигается за счет сжигания большего количества топлива. Закономерно, что выделение тепла в этом случае также сильно увеличивается, а мотор потребует более интенсивного охлаждения.
Что в итоге
Сразу отметим, что установка нагнетателя воздуха вполне возможна своими руками, особенно если речь идет об использовании готового набора под конкретный двигатель. Также с учетом вышесказанного становится понятно, что хотя увеличение мощности двигателя при помощи механического компрессора вполне можно реализовать, при этом ошибочно полагать, что достаточно будет только поставить компрессор, после чего двигатель сразу станет намного мощнее.
На самом деле, для получения ярко выраженного эффекта силовой агрегат нужно дорабатывать, причем во многих случаях достаточно серьезно (производится расточка блока для увеличения рабочего объема, затем также увеличивается ход поршня путем замены коленвала, самих поршней и шатунов, меняются клапана, распредвалы и т.д.).
Единственное, если давление наддува не выше 0.5 бара, штатную систему питания на многих авто можно не модернизировать. Также двигатель в этом случае может и вовсе не нуждаться в глубоком тюнинге. Ресурс «неподготовленного» мотора, само собой, после установки механического компрессора сократится, однако если давление наддува не будет высоким, такой двигатель вполне может нормально проработать достаточно долгий срок.
Выбор механического нагнетателя или турбокомпрессора. Конструкция, основные преимущества и недостатки решений, установка на атмосферный тюнинговый мотор.
Увеличение мощности атмосферного и турбированного двигателя. Глубокий или поверхностный тюнинг ДВС. Модификация впускной и выпускной системы. Прошивка ЭБУ.
Возможность установки турбокомпрессора на двигатель с карбюратором. Основные преимущества и недостатки турбонаддува на карбюраторном авто.
Особенности установки ГБО на мотор с турбонаддувом. Какое газобалонное оборудование лучше ставить на двигатели с турбиной. Советы и рекомендации.
Как увеличить мощность двигателя на «классических» моделях ВАЗ. Тюнинг двигателя увеличение рабочего объема, впуск, выпуск, ГБЦ. На что обратить внимание.
Форсирование двигателя. Плюсы и минусы доработки мотора без турбины. Главные способы форсирования: тюнинг ГБЦ, коленвал, степень сжатия, впуск и выпуск.
Доработки выпускной системы
Доработки выпускной системы состоят из нескольких мероприятий:
- Установка пламегасителя.
- Замена штатного глушителя на модель Turbo tema.
- Для приглушения рева усовершенствованного сверхмощного мотора вваривается резонатор Гельмгольц.
- Для глушителя добавить еще один кронштейн и еще одну фиксирующую подушку глушителя.
- Замена штатного ресивера ресивером 128.
- Практически все детали, которые потребуются для доработки систем и узлов автомобиля Лада Приора, входят в комплект для тюнинга двигателя.
Немного теории
Наиболее эффективно проводить подобные усовершенствования получается у того, кто имеет четкое представление о своих действиях. Для этого необходимо разбираться в теоретической части.
Итак, мощность автомобиля и расход топлива зависят от качества и степени обогащения топливно-воздушной смеси, поступающей в цилиндры, а также от ее объема.
Разумеется, объем сжигаемой смеси можно увеличить путем увеличения камеры сгорания, а также наращивания количества цилиндров. Однако оптимальных результатов это не принесет, так как двигатель становится большим и тяжелым, сильно увеличивается расход топлива. Турбонаддув решает эту проблему.
Дело в том, что обычный двигатель при работе сам себе нагнетает воздух за счет разрежения, которое создается поршнем. В турбированном силовом агрегате эту работу выполняет турбокомпрессор. При этом воздух предварительно сжимается, что позволяет закачать больший его объем. То есть, можно сжигать больший объем горючего. В результате получается возрастание мощности двигателя по отношению к объему двигателя и потребленного горючего.
Один важный момент: воздух, как известно, при сильном сжатии нагревается. Вторично он будет нагреваться при сжатии в камере сгорания. При этом возможно возникновение детонации. А, кроме того, вследствие нагрева плотность воздуха в цилиндре будет уменьшаться, из-за чего закономерно уменьшиться эффективность всей системы. Чтобы убрать эти негативные явления, применяются интеркулеры – охладители воздуха из турбины. Они представляют собой радиатор.
Обычно турбокомпрессоры устанавливались на двигатели с электронным впрыском топлива (бензин или дизель), а механические компрессоры на карбюраторные ДВС. При этом турбина на карбюраторный мотор тоже может быть установлена, однако возникают дополнительные сложности, о которых будет рассказано немного позже.
Как уже было сказано, существует два типа компрессоров:
- Турбокомпрессор, работающий за счет использования энергии выхлопных газов. Отработанные газы попадают на крыльчатку и вращают ее, благодаря чему и происходит нагнетание воздуха;
- Компрессор с механическим приводом. Он работает от привода двигателя. При этом снижается КПД и возрастает расход топлива по сравнению с первым вариантом компрессора, так как механический нагнетатель отбирает часть мощности у ДВС.
Вся система, кроме самой турбины, включает в себя еще несколько важных узлов, о которых необходимо помнить при установке:
- регулировочный клапан, который поддерживает заданное давление;
- перепускной клапан, который обеспечивает возврат сжатого воздуха назад, во впускные патрубки компрессора, если дроссельная заслонка двигателя закрыта;
- стравливающий клапан, который сбрасывает сжатый воздух в атмосферу при закрытой дроссельной заслонке;
- воздушные патрубки;
- масляные патрубки (служат для смазывания и охлаждения турбины).
Сложности установки турбины на карбюраторный двигатель
- Сам процесс установки турбины во многом напоминает процедуру на инжекторном ДВС (установка интеркулера, турбокомпрессора, элементов управления турбиной и т.д.). Главные трудности связаны с карбюратором.
- Из-за того, что в цилиндры топливная смесь подается через жиклеры, когда устанавливается турбина на карбюраторный двигатель, приходится менять их на другие, большего диаметра, чтобы смесь не переобеднялась. А подобрать неродные жиклеры на карбюратор и обеспечить нормальную его работу во всех режимах очень непросто.
Большинство карбюраторов не предназначены для работы в паре с турбиной. Хотя, некоторые заводы выпускали в небольшом количестве карбюраторные двигатели, изначально оборудованные турбокомпрессорами.
- За счет того, что у турбодвигателей другая степень сжатия, чем у атмосферных, необходимо помнить о детонации и способах ее устранения. Как правило, проверенным способом является решение увеличить объем камеры сгорания. Это достигается путем установки дополнительных прокладок под головку блока цилиндров.
- Также придется отрегулировать работу системы так, что при разных оборотах двигателя давление воздуха из турбины тоже было соответствующим. В противном случае проявятся излишки или нехватка воздуха во впускном коллекторе по отношению к объему подаваемого топлива.
Это основные проблемы, с которыми придется столкнуться, устанавливая компрессор на карбюраторный мотор. Но кроме этого возможны дополнительные трудности, которые будут зависеть от модели авто, а также от режимов его эксплуатации.
Из самых главных преимуществ такой установки стоит выделить следующие:
- Уменьшение расхода топлива при грамотной эксплуатации ТС при повседневной езде. Речь идет о возможности поднять крутящий момент, что, в свою очередь, существенно снизит частоту переключения передач на пониженные в условиях городских загруженных дорог в плотном потоке. Опять-таки, это приведет к снижению расхода топлива.
- Снижение шума во время работы двигателя, так как нет необходимости крутить агрегат до высоких оборотов. Также при комплексном тюнинге имеется возможность дополнительно и весьма значительно улучшить отдачу от мотора;
Как установить компрессор на атмосферный двигатель? Пошаговое руководство
А вы знали, что установка компрессора на атмосферный двигатель нужна для повышения его мощности? Выбирая автомобиль, многие покупатели даже не задумываются над тем, какой тип двигателя установлен в облюбованной ими модели машины. А зря, поскольку это является одним из важнейших факторов, которые необходимо знать каждому автомобилисту.
В атмосферных моторах процесс подачи топлива осуществляется через инжектор или карбюратор, и используется определенный объем воздуха для приготовления топливной смеси, которая способна привести подвижные части мотора в рабочее состояние и заставить их вращаться.
У атмосферных двигателей есть несколько преимуществ перед их турбированными собратьями. Срок эксплуатации может исчисляться многими сотнями тысяч километров пробега, причем эта цифра может достигать полумиллионного показателя без необходимости ремонтировать движок. Конструктивно атмосферные двигатели настолько просты, что могут работать даже с горюче-смазочными материалами довольно низкого качества.
Ну, и, конечно же, нельзя не упомянуть о том, что если возникнет необходимость такого двигателя в ремонте, то расходы будут на порядок меньше, чем при варианте двигателя с турбонаддувом.
Выводы
Как видно, карбюраторный двигатель с турбиной имеет право на существование и может даже оказаться более выгодным по сравнению с обычным атмосферным, хотя такое переоборудование доставит хлопот и потребует серьезных переделок и денежных затрат. По понятным причинам на практике турбированные карбюраторные ДВС встречается очень редко, тем более на гражданских авто.
Также перед установкой компрессора стоит предварительно определиться с тем, в каких режимах планируется эксплуатация автомобиля: скоростная езда по трассе или обычные повседневные поездки по городу.
Еще важно подобрать и правильно настроить турбину в соответствии с рабочим объемом самого силового агрегата. Как правило, процесс настройки является не менее трудоемким, чем монтаж.
Что касается ресурса двигателя, в большинстве случаев установка наддува на атмосферный агрегат так или иначе уменьшает срок службы мотора и КПП, особенно если двигатель и трансмиссия не были для этого специально подготовлены и доработаны.
Что понадобится для установки?
Для удобства монтажа необходимо будет приобрести готовый комплект, включающий в себя сам компрессор и все нужные для установки, комплектующие, благодаря которым можно будет настроить и отрегулировать работу двигателя. Можно присмотреть данный комплект от иномарок, которые могут быть адаптированы под многие типы двигателей.
Однако установка компрессора на атмосферный двигатель иностранного производства может потребовать серьезного вмешательства в плане доработок. Тут уже не обойтись без необходимой прошивки мотора, установки интеркуллера для обеспечения нужного уровня давления, пайпинга, модернизации топливной системы, а также определенных настроек, подходящих строго для определенного типа моторов.
Поэтому такую достаточно сложную работу целесообразней будет доверить специалистам автоцентров, которые не только помогут определиться с выбором комплекта нагнетателя, идеально подходящего Вашему автомобилю, но и смогут качественно выполнить монтажно-регулировочные работы.
Безнаддувные компрессоры | GT | Цифровая коллекция ASME
Производительность компрессоров можно улучшить двумя способами путем разумного удаления с пути потока вязкого потока в пограничных слоях. Во-первых, удаление флюида пограничного слоя непосредственно перед или в области быстрого повышения давления, либо при падении удара, либо, в более общем смысле, в точке быстрого повышения давления на поверхности всасывания аэродинамического профиля, может способствовать значительному увеличению диффузии, следовательно, в работе, выполняемой ступенью для любой заданной скорости лезвия.Во-вторых, удаление жидкости с высокой энтропией в пограничном слое сводит к минимуму требуемую работу сжатия на последующих стадиях сжатия, тем самым повышая эффективность сжатия. Анализ показал, что последний эффект может привести к увеличению эффективности примерно на половину балла на каждый процент (высокой энтропии) удаления жидкости. Были проведены проектные исследования для двух различных стадий, чтобы оценить возможное увеличение степени сжатия. Одна из разработанных ступеней будет обеспечивать степень сжатия 2 при конечной скорости 1000 фут / сек и может быть очень привлекательной для ступени вентилятора турбореактивных двухконтурных двигателей с большим байпасом.Другая ступень создаст степень сжатия 3 при конечной скорости 1500 фут / сек и должна быть привлекательной в качестве первой ступени основного компрессора или ступени вентилятора двигателя с низкой степенью байпаса. Завершился эксперимент по исследованию эффекта удаления пограничного слоя непосредственно перед ударным воздействием на поверхность всасывания лопастей трансзвукового ротора. Всасывание осуществлялось на 5 из 23 лопастей ротора, обеспечивая прямое сравнение поведения потока с отсасыванием и без него.Анализ данных показал, что лопасти с отсосом имеют повышенный массовый расход и что поток более точно следует за поверхностью всасывания вблизи задней кромки. Различия между лопастями с наддувом и обычными лопастями были наиболее заметны, когда ротор был очень близок к остановке. Третья и четвертая лопасти в группе с всасыванием, по-видимому, представляют поведение, которого можно ожидать от ротора с всасыванием на всех лопастях. Они показали повышенную эффективность и увеличенный массовый расход.Ротор в целом с отсосом показал отличное поведение при сваливании, чем его аналог без контроля пограничного слоя. Планы на будущее включают изготовление и экспериментальную оценку компрессора продувки MIT одной из двух ступеней, описанных выше. В этом эксперименте всасывание будет применяться ко всем лопастям как в роторе, так и в статоре, так что может быть реализована увеличенная работа, обеспечиваемая всасыванием.
Это исследование было поддержано AFOSR, д-р Джеймс Макмайкл, и AlliedSignal Aircraft Engines, д-р.Арун Сехра.
Проектирование и расчет ступеней осевого безнаддувного компрессора
Аннотация
Степень сжатия ступеней осевого компрессора можно значительно увеличить, контролируя развитие пограничных слоев лопатки и торцевой стенки в областях с отрицательным градиентом давления с помощью отсоса пограничного слоя. Эта концепция подтверждена и продемонстрирована посредством проектирования и анализа двух уникальных ступеней безнаддувного компрессора: ступени низкой скорости с расчетным перепадом давления, равным 1.6 при конечной скорости 750 фут / с и высокоскоростной ступени с расчетным коэффициентом давлений 3,5 при конечной скорости 1500 фут / с. Ступени аспирационного компрессора были спроектированы с использованием новой процедуры, которая представляет собой синтез методов проектирования низкоскоростных и высокоскоростных лопаток в сочетании с гибким методом обратной конструкции, который позволил точно независимо контролировать форму поверхностей всасывания и давления лопаток. Интеграция расчета всасывания пограничного слоя в общий процесс проектирования является важным элементом новой процедуры.Система проектирования лопаток состоит из двух осесимметричных кодов прохождения в сочетании с квазитрехмерным кодом вязкой каскадной плоскости с возможностью обратного расчета. Проверка выполненных проектов проводилась с помощью трехмерных расчетов Эйлера и Навье-Стокса. Единственная прорезь по размаху на всасывающей поверхности лопасти используется для стравливания пограничного слоя. Требуемый массовый расход на всасывании для низкоскоростной и высокоскоростной ступеней составляет 1% и 4% от входного массового расхода соответственно. Дополнительное всасывание 1-2% также требуется на торцевых стенках компрессора вблизи мест удара.Ротор смоделирован с кожухом наконечника для устранения эффектов зазора между наконечником и для отвода всасываемого потока в радиальном направлении из пути потока. Трехмерная вязкая оценка конструкций показала хорошее согласие с квазитрехмерной конструкцией, за исключением областей торцевых стенок. Требования к всасыванию, предсказанные квазитрехмерным расчетом, были подтверждены трехмерными вязкими расчетами. Трехмерный вязкостный анализ предсказал отношение пикового давления, равное 1.59 при изоэнтропическом КПД 89% для низкоскоростной ступени и максимальном перепаде давлений 3,68 при изоэнтропическом КПД 94% для высокоскоростного ротора.
Описание
Диссертация (доктор философии) — Массачусетский технологический институт, факультет аэронавтики и астронавтики, 1999. Включает библиографические ссылки (стр. 145-150).Отдел
Массачусетский Институт Технологий. Департамент воздухоплавания и космонавтики; Массачусетский Институт Технологий.Кафедра воздухоплавания и космонавтикиИздатель
Массачусетский технологический институт
Ключевые слова
Аэронавтика и космонавтика.
Аэродинамический дизайн безнаддувного компрессора встречного вращения
Аннотация
Основной целью при разработке компрессоров для реактивных двигателей является уменьшение размеров и веса. Это может быть достигнуто за счет увеличения объема работы на каждом этапе, тем самым уменьшая необходимое количество этапов.В этой диссертации представлена аэродинамическая конструкция высокоскоростного компрессора, который обеспечивает перепад давлений 9,1: 1 всего за две ступени (вместо обычных шести или семи). Это достигается за счет использования аспирации лопастей в сочетании с противовращением ротора. Было показано, что аспирация позволяет значительно увеличить нагрузку на лопасти, а противовращение дает возможность в полной мере использовать этот потенциал в многоступенчатом компрессоре. Атмосферный компрессор встречного вращения был разработан с использованием программы одномерного анализа ступеней в сочетании с осесимметричным кодом прохождения потока и квазитрехмерным каскадным кодом для конструкции лопаток.Конструкция каждой ступени направлена на максимальное увеличение степени сжатия в пределах коэффициента диффузии и относительного числа Маха на входе (т. Е. Потерь на ударную нагрузку). Угол выхода первого статора был оптимизирован, чтобы максимизировать степень давления встречно вращающегося (второго) ротора. Код конструкции лопастей MISES позволял точно спроектировать каждую особенность секций лопастей, включая аспирацию, для прогнозируемых условий. Чтобы улучшить процесс разработки лопастей с помощью MISES, был проведен обширный анализ ранее разработанных высокоскоростных лопастей с наддувом, чтобы определить взаимосвязь между различными характеристиками лопастей.
Описание
Диссертация (S.M.) — Массачусетский технологический институт, факультет аэронавтики и астронавтики, 2002. Включает библиографические ссылки (стр. 79-81).Отдел
Массачусетский Институт Технологий. Департамент воздухоплавания и космонавтики; Массачусетский Институт Технологий. Кафедра воздухоплавания и космонавтикиИздатель
Массачусетский технологический институт
Ключевые слова
Аэронавтика и космонавтика.
Влияние частичной аспирации на производительность ротора трансзвукового осевого компрессора: численное исследование
Аспирация в осевом компрессоре обычно рассматривается как отсасывание пограничного слоя с низким импульсом с поверхности всасывания лопаток, что снижает вероятность разделения потока и следовательно, сваливания при внепроектной эксплуатации. Однако массовый расход всасывания не участвует в полезной работе и приводит к потере выходной мощности двигателя. В этой статье рассматривается новая концепция естественного стремления активировать пограничный слой на поверхности всасывания лопасти путем нагнетания некоторого количества жидкости со стороны нагнетания на сторону всасывания через прорезь на лопасти.Пограничный слой под напряжением имеет меньшую тенденцию к разделению, что увеличивает запас прочности. Численное моделирование было проведено для изучения влияния расположения и геометрии аспирационной щели на производительность и запас прочности ротора трансзвукового осевого компрессора. Результаты расчетов без аспирационной щели удовлетворительно согласуются с опубликованными экспериментальными данными. Модифицированный ротор с частичной аспирацией показал улучшение запаса по срыву на ~ 3,2% при расчетной скорости вращения. Степень давления и КПД безнаддувного ротора упали на ~ 1.42% и ~ 2,0% соответственно, в то время как структурный анализ не выявил какого-либо неблагоприятного воздействия на распределение напряжения лопасти при наличии аспирационной щели.
1. Введение
Компрессоры с осевым потоком обеспечивают высокий массовый расход воздуха с небольшой передней площадью, что особенно выгодно для авиационных двигателей [1]. Основными мотивами при проектировании современных авиационных систем на базе газовых турбин являются высокое соотношение тяги к массе, широкий стабильный рабочий диапазон и высокий тепловой КПД.Требование компактного двигателя требует компрессорных модулей с меньшим количеством ступеней, что в конечном итоге требует высокого перепада давления на ступень. Выбор заключается в использовании ступеней трансзвукового осевого компрессора из-за их более высокого отношения давлений по сравнению с дозвуковыми ступенями и более высокой эффективности по сравнению с полностью сверхзвуковыми ступенями. Однако при высоких числах Маха потока диапазон малых потерь в профильных секциях сужается, что приводит к уменьшению запаса на срыв. Следовательно, одной из основных проблем современных разработчиков компрессоров является поиск путей и средств увеличения стабильного рабочего диапазона трансзвуковых осевых компрессоров.Пассивные методы предпочтительнее активных из-за включения в последнем случае дополнительных устройств, которые, как правило, увеличивают вес двигателя и снижают надежность.
Основной причиной возникновения срыва в осевых компрессорах является отрыв пограничного слоя на поверхности всасывания лопаток при больших положительных углах падения. Следовательно, разумное управление потоком в пограничном слое может привести к образованию прикрепленных и более тонких пограничных слоев, что может дать более высокий перепад давлений ступеней, более высокую эффективность и более высокий предел срыва, чем те, которые достигаются на обычных ступенях.Одна из стратегий заключается в модификации лопасти с помощью аспирационной щели, которая будет всасывать отделенную жидкость с низким энергопотреблением со стороны всасывания лопасти, делая нижний по потоку пограничный слой тоньше. Экспериментальное исследование трансзвуковой осевой ступени компрессора с коэффициентом давления 1,6, демонстрирующее применение аспирации пограничного слоя на всасывающих поверхностях ротора и статора, было проведено Schuler et al. [2]. Массовый расход первичной аспирации составлял 0,5% от массового расхода на входе.Дополнительная аспирация в сумме 2,8% также использовалась в месте удара ударной волны и в других местах на ступице и стенках обсадной колонны. Трансзвуковой ротор и завершенная ступень показали заметное улучшение эффективности и запаса прочности. Мерчант и Керреброк [3] предприняли исследование степени сжатия 3,4: 1, конечной скорости 457 м / с, ступени аспирационного вентилятора для авиационного двигателя. Вязкая жидкость с низким энергопотреблением всасывалась с поверхностей лопастей и торцевых стенок, что позволяло достичь очень высоких соотношений давлений за одну стадию со значительным улучшением запаса прочности.Расход при аспирации составлял около 3,5% от массового расхода на входе в ступень. Аспирация зафиксировала положение прохода шока, особенно в области кончика. Керреброк [4] провел исследование двух ступеней компрессора с наддувом: (i) ступень с низкой скоростью наконечника, ступень с высокой степенью сжатия, включающая аспирацию как в роторе, так и в статоре, и (ii) ступень вентилятора с высокой скоростью наконечника и высокой степенью сжатия. Основные усилия были сосредоточены на оптимизации форм лопастей и минимизации необходимого аспирации поверхности лопастей. Основываясь на численном исследовании потока в каскадах тандемных компрессоров, Фалла [5] заметил, что поток в зазоре из зазора между передней и задней лопатками позволяет контролировать разделение, вызванное ударом.Следовательно, тандемный каскад может выдерживать большее вращение потока и более высокую степень сжатия без увеличения потери давления. Merchant [6] продемонстрировал влияние аспирации пограничного слоя с помощью трехмерных расчетов Навье-Стокса на двух ступенях безнаддувного компрессора, а также на выходных направляющих лопатках с наддувом турбины. Это моделирование CFD показало, что высокая нагрузка может быть достигнута на большей части пролета лопасти с относительно небольшим количеством аспирации. Хотя аспирация была очень эффективной для контроля пограничного слоя лопасти, нельзя было пренебрегать ролью торцевой стенки в достижении высокой нагрузки.Трехступенчатый компрессор встречного вращения был разработан Фридманом [7] для исследования техники аспирации, включающей всасывание на поверхности лопастей и торцевых стенок, чтобы удерживать пограничный слой прикрепленным в условиях высоких нагрузок, тем самым снижая потери. Полученные результаты были обнадеживающими, показывая преимущества аспирации или отсасывания пограничного слоя. Dang et al. [8] спроектировали лопатки компрессора с наддувом, используя трехмерный обратный метод, который позволил создать конструкцию лопаток с полным взаимодействием между заданной нагрузкой давлением и заданной схемой транспирации.Результаты показали, что оптимальная комбинация нагружения давлением в сочетании с аспирацией может привести к минимизации количества всасывания, необходимого для повышения чистой производительности при проектных и не проектных операциях. Керреброк [9] экспериментально исследовал низкую скорость наконечника (213 м / с), ступень вентилятора с наддувом и соотношением давлений 1,5: 1 для увеличения работы на ряд лопастей за счет контроля пограничного слоя на пути потока. Всасывающие прорези были расположены прямо перед ротором и концевыми втулками статора для удаления пограничного слоя на торцевой стенке.Пограничный слой торцевой стенки ступицы также отсасывался непосредственно перед статором. Поток пограничного слоя лопатки удалялся через щели, расположенные на всасывающей поверхности лопатки. Аспирация, применяемая в местах удара ударной волны, предотвращала разделение пограничного слоя на торцевой стенке вдоль прохода лопасти. Эффективность отсоса пограничного слоя лопатки в каскаде компрессоров с высокой нагрузкой была численно исследована Guo et al. [10] с различным расположением всасывающей прорези вдоль хорды лопасти.Оптимальным местом всасывания было около 60% хорды лопасти после угловой точки разделения. Был сделан вывод, что оптимальное всасывание является результатом баланса внешнего и внутреннего воздействия. Другое численное исследование Liu et al. [11] был сосредоточен на устранении разделения углов торцевой стенки в каскаде компрессоров. Всасывание создавалось с помощью различных комбинаций щелей, предусмотренных на всасывающей поверхности лопасти и на торцевых стенках. Сообщается о снижении общего коэффициента потери давления на ~ 39% при угле падения до + 7 °.
Из вышеизложенного можно сделать вывод, что исследовательские усилия, о которых сообщалось до сих пор, были сосредоточены на создании аспирации путем принудительного всасывания граничных слоев лопасти и торцевой стенки, включая разделение углов. Принудительное отсасывание пограничного слоя действительно полезно для улучшения характеристик компрессора с точки зрения уменьшения разделения потока, увеличения нагрузки на лопатки и стабильного рабочего диапазона. Но существуют механические сложности, связанные с изготовлением тонких полых лопаток компрессора, которые также должны быть прочными.Кроме того, принудительная аспирация требует дополнительного всасывающего оборудования, что приводит к увеличению веса и снижению надежности всей системы. Исследовательская работа, представленная в этой статье, касается концепции естественной аспирации, включающей частичный паз на лопатке компрессора, соединяющий поверхности давления и всасывания. Разница давлений между двумя поверхностями лопастей действует как потенциальная сила, так что поток от поверхности давления пересекает поверхность всасывания в виде струи, возбуждая малый импульс пограничного слоя поверхности всасывания.Ожидаемый результат будет заключаться в уменьшении тенденции к разделению потока, увеличении нагрузки на лопасти и повышенном запасе устойчивости. В настоящих исследованиях метод естественной аспирации был реализован на роторе трансзвукового компрессора NASA 37 [12]. Было проведено численное моделирование компрессора без и с частичными наддувными пазами на лопатках ротора. Геометрия аспирационной щели варьировалась с точки зрения ее расположения по хорде и ширины на двух поверхностях лопастей. Результаты моделирования представлены с точки зрения общей производительности компрессора и подробных характеристик потока через каналы лопаток.
2. Трансзвуковой осевой компрессор
Для настоящего исследования был выбран ротор трансзвукового осевого компрессора NASA 37 [12]. Компрессор рассчитан на перепад общего давления 2,05, скорректированный массовый расход 20,19 кг / с и адиабатический КПД 87,7%. Ротор состоит из 36 лопастей с соотношением сторон 1,19 и радиусом наконечника ступицы 0,7. Расчетный коэффициент расхода составляет 0,453, а скорость конца ротора составляет 454,13 м / с. Более подробную информацию о конструктивных данных компрессора можно найти в [12, 13].
3. Геометрическая модель базового ротора и дискретизация области потока
Настоящие исследования проводились с учетом только ротора ступени компрессора NASA 37. Геометрическая модель ротора, показанная на рисунке 1, была создана с помощью программного обеспечения UNIGRAPHICS-NX. Вследствие вращательной симметрии область потока состояла из одного лопаточного канала, и он был извлечен с помощью программного обеспечения UNIGRAPHICS-NX. Область потока была расширена до хорды с двумя лопастями вверх и вниз по потоку для стабилизации потока.Дискретизация была выполнена с использованием программного обеспечения ICEM CFD с комбинацией структурированных сеток O и H, как показано на рисунке 2. Сетка была разработана с приемлемым углом наклона и определителем объемов. Плотность сетки была уточнена возле ступицы, стенки корпуса, переднего и заднего конца ротора, а также в области зазора за вершиной с адекватным смещением. Значения были меньше 50 во всех местах, чтобы лучше разрешить поведение потока вблизи поверхностей лопаток. В расчетную модель был включен зазор между концами ротора 0,356 мм.
4. Граничные условия и настройка решателя
Моделирование CFD проводилось с однородными условиями входящего потока. Граничные условия, заданные с помощью программного обеспечения ICEM CFD, показаны на рисунке 3. Общее давление окружающей среды и общая температура вместе с направлением потока были указаны на входе в область, а статическое давление было указано на выходе из области. Периодические граничные условия вращения были заданы для боковых границ, чтобы гарантировать, что все переменные имеют одинаковое значение с обеих сторон области.Между стенками и жидкостью применялось граничное условие прилипания. К жидкости применялась скорость вращения, и считалось, что лопасти движутся относительно жидкости. Предполагалось, что поток на входе является осевым, а за ось вращения принимали -ось. Численное моделирование проводилось с использованием программного обеспечения ANSYS CFX. Была использована модель турбулентности со стандартными функциями стенки, и точка остановки компрессора была решена с помощью перепада противодавления 50 Па.
5.Лопасть ротора с наддувом
Для создания естественной аспирации на поверхностях лопастей ротора в хордовом месте был введен паз с частичным размахом, соединяющий поверхности давления и всасывания. Длина, ширина и угол наклона аспирационной щели были получены путем исследования потока через лопастной канал базового ротора без щели. Длина прорези оставалась постоянной, а два других параметра варьировались для создания различных вариантов лопастей ротора с наддувом.Ширина щели и угол перекоса варьировались путем изменения начальной и конечной точек щели на поверхностях давления и всасывания. Трехмерная CAD-модель лопасти ротора с наддувом показана на рисунке 4. Области потока были извлечены для всех конфигураций ротора с наддувом, и они были экспортированы в программное обеспечение ICEM CFD для дискретизации. Вычислительные сетки были созданы с использованием комбинации структурированных сеток «O» и «H», как это было сделано для базового ротора. Плотность сетки поддерживалась высокой в области отсасываемой щели для захвата потока при естественном отсасывании.
Всего было исследовано шесть конфигураций слотов, обозначенных от AR37-1 до AR37-6. Их геометрические детали приведены в таблице 1, а типичная лопасть с наддувом и одно сечение крыла показаны на рисунках 4 и 5, соответственно. Пример размеров AR37-1 (аспирационный ротор 37, конфигурация 1) приведен ниже:
| Длина паза по ширине: | 28 мм (фиксировано для всех конфигураций), |
| Начальное положение паза на нажимной поверхности: | 40% хорды от LE, |
| Ширина паза на стороне нагнетания: | 7 мм, |
| Начальное положение паза на всасывающей поверхности: | 60% хорды от LE, |
| Ширина паза на стороне всасывания: | 4 мм. |
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| AR37: Ротор без наддува 37. | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Результаты моделирования CFD для всех вышеупомянутых случаев сравнивались друг с другом, а также с базовым ротором без аспирации.
6. Исследование независимости сети
Исследование независимости сети было выполнено на базовом роторе при 100% проектной скорости, чтобы убедиться, что используемый размер решетки является подходящим, и результаты не будут изменяться при дальнейшем уточнении сетки. Четыре разных размера сетки, начиная от небольшого числа ~ 0.Для проверки независимости сетки использовалось от 36 миллионов элементов (сетка 1) до большого количества ~ 1,03 миллиона элементов (сетка 4). На рисунке 6 показаны характеристики базового ротора NASA 37 с точки зрения изменения степени полного давления с скорректированным массовым расходом для четырех расчетных сеток. Кривые производительности для четырех решеток практически перекрываются во всем диапазоне массового расхода от штуцера до сваливания. Таким образом, для настоящих исследований был выбран размер сетки ~ 0,578 миллиона элементов (сетка 2).Для ротора с аспирационной щелью размер сетки был увеличен до ~ 0,65 миллиона ячеек с мелкой сеткой в области щели.
7. Производительность базового компрессора без аспирации
7.1. Общая производительность
На рисунке 7 показано сравнение рабочих характеристик компрессора, полученных в результате текущего моделирования CFD, с экспериментальными данными Рейда и Мура [12]. Расчетная точка также отмечена на графике отношения давления к массовому расходу. В то время как степень сжатия занижена, адиабатический КПД завышен по сравнению с экспериментальными данными.
Также занижается массовый расход штуцера. Эти различия не могут быть объяснены какой-либо конкретной причиной. В широком смысле, это может быть связано с численными ошибками, а также с тем фактом, что ось суммирования была смоделирована как прямая линия в настоящем исследовании, поскольку она не была явно определена Рейдом и Муром [12]. Однако ссылка на данные о производительности ступени компрессора NASA 37, полученные с помощью моделирования CFD различными исследователями и скомпилированные Дентоном [14], выявляет тот факт, что существует большой разброс результатов с точки зрения заниженных и завышенных прогнозов без назначение каких-либо конкретных причин.Следует отметить, что расчетная точка ближе к результатам настоящих расчетов.
7.2. Радиальные изменения параметров потока
Радиальные изменения степени полного давления и относительных чисел Маха на входе и выходе из ротора в рабочей точке «A», близкой к расчетному массовому расходу, показаны на рисунках 8 и 9. NASA 37 Ротор компрессора, как сообщается [12], рассчитан на постоянное отношение давлений по радиусу ротора, и то же самое показано на Рисунке 8. Отношение давлений занижено от ступицы к середине пролета, но от середины пролета к наконечнику прогнозируемое отношение общего давления достаточно хорошо согласуется. с экспериментальными значениями.Можно сделать вывод, что занижение общей степени общего давления на Рисунке 7 в основном связано с занижением прогноза в нижней половине размаха лопастей.
(a) Вход в ротор
(b) Выход в ротор
(a) Вход в ротор
(b) Выход в ротор
Ссылаясь на рисунок 9 (a), прогнозируемый относительное число Маха на входе хорошо согласуется с экспериментальными данными [12] во всем размахе лопасти; значения варьируются от ~ 1.2 на ступице до ~ 1,5 на кончике. Относительное число Маха на выходе из ротора (рис. 9 (б)) изменяется от ~ 0,7 на ступице до ~ 0,8 на вершине. Существует недооценка от ступицы до примерно 60% размаха лопасти с последующим завышением до конца лопасти.
7.3. Поток через канал лопасти ротора
Изменения относительного числа Маха через канал лопасти ротора при массовом расходе, близком к расчетному (рабочая точка «A»), и в трех радиальных точках с 95%, 72,5% и 50% размахом лопастей от ступицы показаны на рисунке 10.К передней кромке лопасти прикреплен нормальный амортизатор, занимающий более 50% размаха лопасти. С одной стороны, ударная волна ударяется о поверхность всасывания соседней лопасти почти на 50% хорды и утолщает пограничный слой. С другой стороны, скачок уплотнения диффундирует в основной поток перед передней кромкой. Удар становится слабее от кончика к середине пролета. На поверхности всасывания сначала поток замедляется через скачок уплотнения, а затем постепенно ускоряется до тех пор, пока поток снова не встречает скачок уплотнения, падающий от соседней лопасти.Происходит внезапное замедление потока через скачок уплотнения прохода с последующим постепенным замедлением потока до заднего конца. Подобные наблюдения на том же роторе были сделаны Судером [15].
На рисунке 11 показано изменение относительного числа Маха через канал лопасти в условиях работы, близкой к срыву (рабочая точка «B»). Из-за снижения массового расхода при положительном угле падения нагрузка на лопатку увеличивается. Амортизатор движется вверх по потоку и отделяется от передней кромки. При 95% -ном интервале имеется указание на крупномасштабное разделение потока на всасывающей поверхности, а жидкость с низким энергопотреблением под влиянием увеличенного потока утечки через наконечник занимает положение в среднем канале лопасти.При размахе лопастей 72,5% и 50% пограничный слой дополнительно утолщается из-за увеличения нагрузки на лопасти и удара, воздействующего на поверхность всасывания. По мере того, как ударная волна перемещается вверх по потоку, меняется и место столкновения с лопастью, и точка отрыва потока. При диапазоне 95% набегающий поток сначала замедляется через оторванный скачок уплотнения, а затем происходит сильное ускорение около переднего конца.
На рисунке 12 показано хордовое распределение изоэнтропического относительного числа Маха на поверхности лопатки в точке 72.5% размах лопастей в рабочих точках, соответствующих расчетному и близкому к срывному массовому расходу. Поведение потока на всасывающей поверхности соответствует приведенному выше обсуждению со ссылкой на рисунки 10 и 11. По мере того, как рабочая точка перемещается от расчетного массового расхода «A» к массовому расходу «B» при остановке, положение пикового числа Маха на поверхность всасывания перемещается вверх по потоку от 50% аксиальной хорды до ~ 30% аксиальной хорды. Пиковое число Маха всасывающей поверхности выше в точке остановки «B», чем в расчетной точке «A.Однако на число Маха всасывающей поверхности сразу после скачка уплотнения, очевидно, не влияет изменение рабочей точки. Далее вниз по потоку до заднего конца поток на всасывающей поверхности замедляется быстрее в рабочей точке «A», чем в точке «B», из-за смещения места удара. Однако число Маха прижимной поверхности не сильно зависит от изменения рабочей точки, за исключением переднего конца. Нагрузка на лопасть в виде разницы статического давления на напорной и всасывающей поверхностях уменьшается в задней части лопасти и увеличивается в передней части до 20% аксиальной хорды лопасти по мере того, как рабочая точка смещается с расчетного массового расхода «A» на срыв. массовый расход «Б.”
8. Производительность компрессора с аспирацией
Как упоминалось ранее, настоящие исследования были сосредоточены на эффективности естественной аспирации через поверхности лопастей через паз с частичным пролетом в верхней части пролета. Расположение щелевого отверстия было выбрано исходя из перепада давления на поверхностях лопасти, а также места удара. Прорезь была сконфигурирована так, чтобы она была наклонена под углом в продольном направлении к поверхности всасывания, чтобы возникающая струя не отрывалась от поверхности.Прорезь также была суженной с уменьшением площади проходного сечения от поверхности давления к поверхности всасывания, так что она действовала как сопло и ускоряла всасываемый поток в виде высокоскоростной струи. Итоговым эффектом будет ускорение пограничного слоя на поверхности всасывания ниже по потоку от точки столкновения скачка уплотнения, так что пограничный слой с низким импульсом будет активировать энергию и станет менее склонным к разделению. Это тогда привело бы к снижению массового расхода в стойле и, как следствие, к увеличению запаса в стойле.
Геометрические параметры аспирационной щели, которые влияют на ее эффективность, следующие: (i) расположение по хорде на поверхности давления, (ii) расположение по хорде на поверхности всасывания, (iii) ширина на поверхности давления, (iv) ширина на поверхности всасывания , (v) длина по размаху, (vi) расположение по размаху.
Разумный выбор этих параметров будет зависеть от характеристики потока через канал лопасти. Для сужения объема настоящих исследований в различных комбинациях учитывались только два геометрических параметра: ширина щели на напорной и всасывающей поверхностях и хордовое расположение щели.Длина паза по размаху оставалась постоянной и составляла 28 мм (от 5 до 33 мм от конца лопасти). В таблице 1 перечислены детали размеров шести конфигураций отсеков для аспирации, обозначенных как AR37-1 — AR37-6, рассмотренных в настоящих исследованиях.
8.1. Общая производительность
Общая производительность компрессора с точки зрения изменения степени полного давления и адиабатической эффективности в зависимости от массового расхода при различных конфигурациях аспирационных щелей сравнивается на Рисунке 13. В таблице 2 перечислены изменения в пределах срыва, степени максимального давления. , и пиковая адиабатическая эффективность для роторов с различной геометрией аспирационных щелей.Как степень давления, так и адиабатический КПД снижаются при аспирации для всех конфигураций пазов по сравнению с компрессором без аспирационных лопаток. В то время как степень пикового давления снижается с 2,12 до 2,06, пиковая адиабатическая эффективность снижается с 0,881 до 0,863, за исключением конфигурации щели всасывания AR37-2, которая показывает немного большее падение как максимальной степени общего давления, так и максимальной эффективности. Тем не менее, все конфигурации пазов с аспирацией показывают снижение массового расхода в стойле по сравнению с базовым ротором.Максимальное преимущество обнаружено для AR37-2, который дает массовый расход в точке срыва 18,04 кг / с по сравнению с базовым массовым расходом в точке срыва, равным 18,63 кг / с. Снижение массового расхода в точке срыва составляет 0,59 кг / с, что дает увеличение запаса по срыву на ~ 3,2%. Точно так же все другие конфигурации с наддувом показывают некоторый прирост запаса прочности, но он ниже, чем у AR37-2.
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| AR37: Ротор без наддува 37. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Уменьшение степени давления при наличии аспирационных щелей очевидно, поскольку площадь охвата уменьшается. У AR37-2 уменьшение площади захвата составляет 6,9%. Точно так же все другие конфигурации пазов приводят к уменьшению рабочей площади примерно на 3,2–6,9% по сравнению с базовой лопастью. Прорезь для всасывания шириной 7 мм на прижимной поверхности имеет уменьшение рабочей площади на 6,9%, а прорезь шириной 4 мм на прижимной поверхности имеет уменьшение на 3.2% по площади охвата. Снижение эффективности также связано с уменьшением рабочей площади, что приводит к меньшей работе лопасти ротора с жидкостью, или, другими словами, энергия, передаваемая лопаткой ротора жидкости, меньше по сравнению с базовым ротором. лезвие. Но энергия, необходимая ротору, может оставаться высокой, чтобы протолкнуть поток через всасывающую щель. Приведенные выше результаты показывают, что расположение щели и ширина щели влияют на массовый расход в точке остановки.
8.1.1. Влияние расположения аспирационной прорези
Из предыдущего обсуждения логично предположить, что расположение аспирационной прорези на всасывающей поверхности лопасти должно играть важную роль. Ударная волна в канале, ударяющаяся о поверхность всасывания, усиливает разделение пограничного слоя, а всасываемая жидкость стремится активизировать поверхностную жидкость с низким импульсом, таким образом задерживая разделение. Ссылаясь на таблицы 1 и 2, геометрия аспирационной щели открывается на 60% или 70% хорде на всасывающей поверхности лопасти.Некоторые наблюдения, относящиеся к этим двум случаям, приведены ниже.
Случай 1. Аспирационная щель, выходящая на стороне всасывания на хорде 60%: здесь аспирация помогает подавить отрыв пограничного слоя, возбуждая поток на стороне всасывания. Далее аспирация взаимодействует с переходным шоком. В результате скачок уплотнения движется вверх по потоку, и его взаимодействие с пограничным слоем уменьшается. Общий эффект заключается в уменьшении протяженности зоны низкой скорости в канале лопасти, следовательно, улучшении запаса устойчивости.
Случай 2. Аспирационная щель, выходящая на стороне всасывания на хорде 70%: здесь аспирация помогает только в подавлении отрыва пограничного слоя за счет возбуждения потока на стороне всасывания. В результате запас срыва увеличивается, но не до такой степени, как в случае 1.
8.1.2. Влияние ширины аспирационной щели
Также логично предположить, что эффективность аспирации контролируется импульсом всасываемой жидкости, пересекающей от поверхности давления лопасти к поверхности всасывания.При заданном перепаде давления на поверхностях лопастей импульс регулируется потоком всасываемой массы, который, в свою очередь, зависит от раскрытия паза. Ссылаясь на таблицы 1 и 2, ниже обсуждаются два случая открытия паза, соответствующие 7 мм и 4 мм.
Случай 1. Ширина аспирационной щели на поверхности давления 7 мм: здесь массовый поток аспирации больше, и, следовательно, это помогает улучшить запас срыва, как в AR37-2, но неэффективен в двух других случаях .Это связано с тем, что в AR37-2 поток выходит в 60% хорде на поверхности всасывания сразу после скачка уплотнения, где требуется больший импульс потока для возбуждения пограничного слоя.
Случай 2. Ширина аспирационной щели на входе на поверхности давления 4 мм: здесь массовый поток аспирации меньше, и он имеет меньшую способность возбуждать поток в месте удара. Но в других местах это помогает в некоторой степени улучшить поведение потока.
8.2. Радиальное изменение параметров потока: роторы без наддува
Радиальное изменение степени полного давления для шести конфигураций ротора с наддувом показано на рисунке 14 при массовых расходах, соответствующих расчетной точке и точке, близкой к срыву.При расчетном массовом расходе общий перепад давлений ниже на ступице и увеличивается по направлению к наконечнику. При массовом расходе, близком к срыву, общий перепад давлений становится выше во всем размахе лопастей. В области острия увеличение весьма существенное. За пределами диапазона 75% все конфигурации аспирационных щелей создают одинаковый перепад давлений на роторе как при расчетном, так и при почти срывном массовом расходе. Однако для диапазона ниже 75% общий коэффициент давления показывает некоторые изменения в зависимости от конфигурации аспирационных щелей.
(a) Расчетный массовый расход
(b) Массовый расход при сваливании
(a) Расчетный массовый расход
(b) Массовый расход при сваливании
На рисунке 15 показан радиальное изменение относительного числа Маха на выходе из базового и безнаддувного роторов как для расчетных, так и для околоземных рабочих условий. Нет заметного влияния конфигурации аспирационной щели на относительное число Маха на выходе из средней массы по тангажу. Значения ниже в рабочей точке, близкой к остановке, из-за более низкого массового расхода, чем в расчетной точке.Кроме того, изменение числа Маха от ступицы к наконечнику более круто при расчетном массовом расходе, чем при расходе, близком к срыву.
(a) Расчетный массовый расход
(b) Массовый расход при сваливании
(a) Расчетный массовый расход
(b) Массовый расход при сваливании
8.3. Поток через канал лопастей ротора
Чтобы понять эффективность естественного всасывания в улучшении предела остановки компрессора, поведение потока через каналы лопастей исследуется для конфигурации AR37-2 в рабочей точке, близкой к срыву.На рисунке 16 показаны изменения относительного числа Маха через канал лопасти ротора в трех радиальных точках на 95%, 72,5% и 50% размаха лопастей от ступицы. Сравнивая распределение числа Маха на рисунке 16 (а), можно заметить, что область отрывного потока при 95% -ном диапазоне значительно уменьшается в присутствии естественной аспирации. Входной амортизатор размазывается и отрывается от передней кромки лопасти. Представляющие интерес особенности потока наблюдаются на Рисунке 16 (b) в точке пролета 72,5%, которая проходит через середину высоты отсасываемой щели.Ясно видно естественное всасывание или пересечение проходной жидкости от поверхности давления к поверхности всасывания через щель. Ссылаясь на рисунок 16 (b), жидкость пограничного слоя с низким импульсом на поверхности всасывания возбуждается потоком всасывания. Поток ускоряется на поверхности лопасти, отталкивая исходную, но находящуюся под напряжением жидкость пограничного слоя от поверхности всасывания. Однако на всасывающей поверхности за задним концом всасывающей щели образуется новый и более тонкий пограничный слой.Это возбуждение флюида пограничного слоя приводит к меньшей тенденции к разделению потока и улучшается граница срыва. Естественное всасывание толкает проходной шок дальше по потоку от передней кромки лопасти. Внутри канала ударная волна, падающая на всасывающую поверхность соседней лопасти, становится наклонной под действием естественной аспирации по сравнению с нормальной без аспирации. Ссылаясь на рисунок 16 (c), эффект аспирации ощущается также на 50% -ном интервале, в месте по размаху чуть ниже нижнего по размаху конца отверстия для аспирации.Исходный пограничный слой возбуждается с меньшей тенденцией к отрыву потока.
На рисунке 17 показано сравнение изоэнтропического относительного распределения числа Маха на поверхности лопатки при размахе лопаток 72,5% для базовой линии и лопасти с аспирацией AR37-2 в рабочих точках, соответствующих массовому расходу, близкому к срыву. Отчетливо видны изменения в вариации числа Маха на обеих поверхностях, вызванные наличием аспирации. Падение числа Маха на поверхности давления на ~ 55% диапазона вызвано всасываемым потоком, поступающим в щель.Точно так же скачок числа Маха на поверхности всасывания при ~ 62% диапазона измерения происходит из-за того, что поток выходит через всасывающую щель с высокой скоростью.
9. Структурный анализ базовой и аспирационной лопастей ротора
Очевидным возражением против включения аспирационной щели в лопатку ротора может быть то, что это может привести к структурному ослаблению лопасти. Следовательно, лопасть с аспирацией была подвергнута структурному анализу с использованием решателя ANSYS SPARSE. В качестве материала была выбрана мартенситностареющая сталь 200 с типичным пределом текучести 1379 МПа.Одна из больших геометрий щели (AR37-2) была выбрана для структурного анализа для моделирования наихудшего сценария. Подробное описание всего структурного анализа дано Джайном [13].
Распределение напряжений фон Мизеса на напорной и всасывающей поверхностях базовой и аспирационной лопастей ротора сравнивается на рисунке 18. Локальные высокие напряжения наблюдаются на нижнем конце аспирационной щели. Но даже при более высокой концентрации напряжений на лопатке с аспирацией величина напряжений меньше по сравнению с базовой лопаткой.На рисунке 19 показаны увеличенные виды лопастей ротора, показанных на рисунке 18, которые показывают распределение напряжений по Мизесу в области ступицы. Пиковое напряжение возникает на переднем конце у основания лопасти, и его величина уменьшается для лопасти с отсасывающим пазом. Всасывающий паз имеет тенденцию уменьшать массу лопасти, что приводит к более низкой центробежной силе при большем радиусе, что приводит к более низкому пиковому напряжению в основании по сравнению с базовой лопастью ротора. Пиковые напряжения как в базовом роторе, так и в роторе без наддува намного ниже, чем предел текучести материала.Следовательно, ротор со всасывающим пазом не представляет проблем с конструктивной целостностью.
(a) Поверхность давления
(b) Поверхность всасывания
(a) Поверхность давления
(b) Поверхность всасывания
Другим важным аспектом структурного анализа является оценка частот лопастей и характеристик флаттера, которые наверняка будет затронута введением слота стремления. Можно отметить, что ротор 37 НАСА имеет лопасти с низким соотношением сторон, и влияние паза на частоты лопастей не будет таким серьезным, как при использовании лопастей с высоким соотношением сторон.В этой статье не рассматриваются вопросы вибрации и флаттера лопастей, поскольку основное внимание в исследованиях уделялось аэродинамическому эффекту естественной аспирации.
10. Выводы
Представлена новая концепция увеличения предела срыва трансзвукового осевого компрессора (ротор 37 NASA) за счет естественной аспирации через прорезь с частичным пролетом в лопасти ротора. Были исследованы шесть конфигураций аспирационного ротора с различной геометрией аспирационной щели. Моделирование CFD проводилось как на базовом, так и на безнаддувном роторах при расчетной скорости вращения ротора.Результаты представлены и сравниваются в отношении общей производительности компрессора и развития потока через каналы лопаток. Следующие основные выводы сделаны из настоящих исследований: (i) Все шесть конфигураций аспирационных щелей демонстрируют тенденцию к улучшению предела срыва, сопровождаемого небольшим снижением максимальной степени общего давления и пикового адиабатического КПД компрессора. (Ii) A максимальное увеличение запаса прочности ~ 3,2% наблюдается с геометрией аспирационной щели AR37-2, имеющей длину по размаху 28 мм, ширину 7 мм на поверхности давления и ширину 4 мм на поверхности всасывания, и расположен в районе середины хорды лезвия.(iii) Однако конфигурация паза AR37-2 приводит к уменьшению максимального давления ротора на 1,42% и снижению максимальной адиабатической эффективности на ~ 2% по сравнению с базовым ротором. (iv) Естественное всасывание от давления к поверхности всасывания способен возбуждать пограничный слой на поверхности всасывания на лопасти ротора со значительным уменьшением протяженности жидкости с низким импульсом ниже по потоку от точки впрыска. (v) Выбор положения по хорде и наклона паза по отношению к поверхности всасывания зависит от места удара прохода по поверхности всасывания.(vi) Отсасывающая прорезь не изменяет заметно распределение напряжений и пиковое напряжение в лопасти по сравнению с базовой сплошной лопаткой.
Номенклатура
| : | Хорда лопасти | ||||
| : | Кинетическая энергия турбулентности, | ||||
| : | Полное давление, Па | ||||
| : | Общая температура, К | 56 | Расстояние вдоль осевой хорды | ||
| : | Скорость рассеяния кинетической энергии турбулентности, | ||||
| : | Ротор с наддувом | ||||
| : | Ведущий конец | ||||
| : | Поверхность давления66 : | Степень сжатия | |||
| : | Поверхность всасывания | ||||
| : | Задний конец. | ||||
Конфликт интересов
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов в отношении публикации данной статьи.
Благодарность
Авторы благодарны руководству М.С. Университет прикладных наук Рамайя, Бангалор, Индия, за разрешение на публикацию этой исследовательской работы.
Численное исследование всасывания пограничного слоя на некоторых высоконагруженных атмосферных компрессорах на низких скоростях
Отсасывание пограничного слоя считается доступным подходом к ограничению или даже устранению отрыва потока и улучшению аэродинамических характеристик компрессора.В этой статье подробно исследуется высоконагруженный аспирационный компрессор с осевым потоком, основанный на концепции конструкции с низким уровнем реакции, чтобы найти подходящую стратегию управления потоком для всасывания пограничного слоя для достижения значительного повышения производительности. Стратегия управления потоком состоит в основном из расположения всасывающего отверстия и скорости потока всасываемого воздуха. Геометрические модели, включая аспирационные канюли, полость статора и аспирационный канал, используются в этом исследовании по-новому, чтобы приблизиться к реальному инженерному применению.Полные карты компрессора предсказываются с помощью трехмерного компьютерного моделирования гидродинамики. Распределение типовых аэродинамических параметров и структур частичного потока анализируется в проектных и нерасчетных условиях. Трехмерное разделение вблизи точки срыва эффективно подавляется за счет всасывания как на ступице, так и на кожухе, а лучшая производительность достигается за счет разумного увеличения расхода всасываемого потока; пиковая эффективность 0,91 и общий коэффициент давления 1.055 достигаются при общем расходе аспирации 0,024 кг / с на проход. Однако резкое переключение карт компрессора при низком расходе на входе происходит без всасывания на кожухе, и при уменьшении расхода на входе происходит заметное ухудшение рабочих характеристик. Основная причина ухудшения производительности заключается в том, что эффективность регулирования потока при аспирации недостаточна для эффективного подавления трехмерного разделения вблизи угла обсадной колонны. Различие в источнике всасываемого потока связано с особенностями потока в разных местах, вызванными эффективностью всасывания всасывающих отверстий.Обнаружена частичная автонастройка скорости всасываемого потока при увеличении отрыва потока. Отсасывание пограничного слоя с соответствующей стратегией управления потоком необходимо для более эффективного и высоконагруженного аспирационного компрессора.
- URL записи:
- URL записи:
- Наличие:
- Дополнительные примечания:
- Перепечатано с разрешения Sage Publications, Ltd.
- Авторов:
- Chen, Shaowen
- Чжоу, Чжихуа
- Ван, Сонгтао
- Ван, Чжунци
- Дата публикации: 2018-1
Язык
Информация для СМИ
Предметный указатель
Информация для подачи
- Регистрационный номер: 01655138
- Тип записи: Публикация
- Файлы: TRIS
- Дата создания: 19 декабря 2017 10:44
Турбины, нагнетатели и безнаддувные двигатели
Безнаддувные двигатели раньше были стандартной моделью, с турбонаддувом или нагнетателем либо высокопроизводительными моделями, либо после рыночных модификаций.Однако по мере того, как автомобильный ландшафт менялся, двигатели с турбонаддувом становились все более распространенными.
ЧТО-ТО ЗА НИЧЕГО?
Безнаддувные двигатели или естественно «дышащие» двигатели — это двигатели, которые всасывают воздух в нормальных условиях при нормальном атмосферном давлении.
Чем больше воздуха попадает в камеры сгорания двигателя, тем больше топлива может быть добавлено, вызывая более крупные взрывы и генерируя больше энергии. По мере увеличения скорости транспортного средства скорость, с которой воздух поступает в двигатель, также увеличивается, что дает ему возможность производить необходимую мощность на более высоких скоростях.
Безнаддувные двигатели обычно имеют больший рабочий объем, поскольку им не хватает дополнительной мощности, обеспечиваемой системой принудительного впуска. Они компенсируют это либо увеличением количества цилиндров, либо увеличением диаметра их цилиндров, что приводит к увеличению объема пространства внутри камер сгорания.
Системы принудительной индукции работают, чтобы нагнетать в двигатель больше воздуха, чем он мог бы в противном случае, позволяя двигателю вырабатывать даже больше мощности, чем обычно при тех же условиях.Обычно используется одна из двух систем; Нагнетатели или турбокомпрессоры.
A Нагнетатель — это компрессор, установленный в точке забора воздуха и работающий непосредственно от двигателя через ремень или цепь. Их преимущество перед турбокомпрессорами состоит в том, что они всегда работают, а это означает, что дополнительная мощность не задерживается.
Поскольку скорость потока, создаваемая ими, напрямую зависит от частоты вращения двигателя, он в любое время обеспечивает необходимый объем воздушного потока. Однако обратная сторона заключается в том, что он работает непосредственно от двигателя, при его питании теряется некоторая энергия, а двигатель менее экономичен, чем мог бы быть.
Не заблуждайтесь, потерянная энергия, которая идет на питание нагнетателя, более чем восстанавливается благодаря эффекту, который она оказывает на увеличение мощности двигателя; для этого просто потребуется много топлива.
Турбокомпрессоры необходимо монтировать дальше в двигателе, так как они также должны быть подключены к выхлопной системе. Они используют давление выхлопных газов, выходящих из камеры сгорания, для питания своего компрессора, который нагнетает больше воздуха в двигатель и увеличивает мощность.
Эта более высокая выходная мощность приводит к увеличению давления выхлопных газов и еще большему питанию системы. Эта самовоспроизводящаяся природа делает их удивительно эффективными, поскольку они используют потраченную впустую энергию и превращают ее в огромные приросты мощности.
Обратной стороной турбонагнетателя является то, что компрессору необходимо достичь минимальной скорости, чтобы его эффекты ощущались, и это приводит к задержке выдачи мощности. Турбо-лаг — это то, что характерно практически для всех двигателей с опытом работы с турбокомпрессором.
Внезапные запросы на ускорение задерживаются двигателем, ожидающим, пока турбонагнетатель нагонит, прежде чем мощность поступит довольно быстро, когда компрессор достигнет скорости, необходимой для обеспечения желаемого прироста мощности.
НЕОБХОДИМОСТЬ СКОРОСТИ
Поскольку производители столкнулись с растущим давлением, требующим сокращения выбросов из своих двигателей, эффективность использования топлива была определена как простой способ сделать это — меньше сжигаемого топлива меньше образующихся выхлопных газов. Меньшие двигатели потребляли меньше топлива, и за счет включения системы принудительного впуска, чтобы компенсировать снижение уровней мощности, генерируемых этими меньшими двигателями, они смогли поддерживать постоянные уровни производительности, несмотря на потерю объема двигателя.
Усовершенствования в других технологиях двигателей означали, что двигатели меньшего размера обеспечивали большую мощность, чем раньше, но этого было бы недостаточно, чтобы покрыть дефицит вместе с растущей массой современных автомобилей и ожиданиями покупателей в отношении производительности.
Турбокомпрессорыбыли естественным выбором, аккуратно решив проблему, обеспечив необходимый прирост мощности при сохранении небольших размеров двигателя. Их рекуперация энергии обеспечивала мощность, не увеличивая потребность двигателя в топливе, как это делают нагнетатели, тем самым повышая топливную эффективность и снижая выбросы.
ДИЗЕЛЬНАЯ МОЩНОСТЬ
Дизельные двигатели были основной движущей силой увеличения турбонаддува. Рост затрат на вождение и лучший пробег значительно увеличили их популярность, и, хотя ранее они считались грязными дизелями, более жесткие правила выбросов заставили производителей действовать и очистить свои характеристики и свой имидж.
Поскольку турбокомпрессор был естественным выбором для системы принудительного впуска в серийных автомобилях, дизельные двигатели были идеальным хозяином.
Дизельные двигателиработают на гораздо более низких оборотах, чем двигатели, работающие на бензине, и этот более узкий диапазон означал, что один турбонаддув мог охватывать большинство диапазонов мощности и обеспечивать большую выгоду. Дизельные двигатели также производят более мощный выхлоп, что делает их более эффективными при питании самого турбонагнетателя.
Кроме того, поскольку время впрыска топлива происходит позже в цикле двигателя, дизельные двигатели не страдают от проблем с детонацией перед зажиганием, вызванных более высокой температурой воздуха, нагнетаемого в камеру сжатия, что устраняет необходимость в промежуточных охладителях — занимая меньше места и снижение затрат на запчасти.
ПРИНУДИТЕЛЬНАЯ ИНДУКЦИЯ
Turbos может иметь смысл для повышения эффективности, но это не дешевая деталь. Турбокомпрессоры работают с ошеломляющими скоростями до 250 000 об / мин по сравнению с частотой вращения двигателя всего несколько тысяч об / мин, и поэтому они должны быть спроектированы с высокой точностью, чтобы выдерживать нагрузки, которым они подвергаются.
Дизельные двигатели сегодня стоят больше, чем бензиновые, из-за использования дополнительных технологий, но производители опасались повышать цены для клиентов, которые выбирали их из соображений экономии.
Маловероятно, что турбины получили бы такое широкое распространение, если бы цели по выбросам не заставляли производителей. Стоимость установки дополнительных деталей и перепроектирования новых двигателей была значительной, но вполне вероятно, что штрафы, понесенные за нарушение этих целевых показателей выбросов, превысили эти затраты, поэтому вместо этого они решили использовать двигатели с турбонаддувом.
Как оказалось, это не помешало продажам оставаться популярными, и теперь турбины входят в стандартную комплектацию большинства дизельных двигателей.Однако наддувы по-прежнему предназначены для двигателей с высокими характеристиками, которые не беспокоятся о том, сколько миль они проезжают на галлон — и ответ будет немного.
MAT FOUNDRY GROUP ЯВЛЯЕТСЯ ВЕДУЩИМ ПРОИЗВОДИТЕЛЕМ СЕРЫХ И ЧУГУННЫХ КОМПОНЕНТОВ ДЛЯ АВТОМОБИЛЕЙ. ЧТОБЫ УЗНАТЬ БОЛЬШЕ О НАС ПРОСМОТРЕТЬ НАШИ ПРОДУКТЫ ИЛИ СВЯЗАТЬСЯ С НАМИ СЕГОДНЯ
DVIDS — Изображения — СТАТОР И КОРПУС АСПИРАЦИОННОГО КОМПРЕССОРА
ВАШИНГТОН, Д.C., СОЕДИНЕННЫЕ ШТАТЫ
09.11.2009
Любезное фото
НАСА
СТАТОР И КОРПУС АСПИРИРОВАННОГО КОМПРЕССОРА
Идентификатор НАСА: C-2002-1064
| Дата съемки: | 09.11.2009 |
| Дата написания: | 02.08.2013 19:07 |
| Идентификационный номер фотографии: | 856503 |
| разрешение: | 3000×2400 |
| Размер: | 2.42 МБ |
| Расположение: | ВАШИНГТОН, округ Колумбия, США |
| Просмотры в сети: | 4 |
| Загрузки: | 0 |
