ΤΕΧΝΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ

Wheel trim συμπιεστή
Το wheel trim είναι ο όρος για την διαφορά μεταξύ του μεγέθους του inducer και του exducer – και αυτή η διαφορά στο μέγεθος προκαλεί αρκετά πράγματα να συμβούν. Όπως ανέφερα νωρίτερα, όσο μεγαλύτερο το inducer του συμπιεστή, τόσο μεγαλύτερη η ροή που μπορεί να διαχειριστεί ο συμπιεστής. Όμως, όσο μεγαλύτερο το inducer σε σχέση με το exducer (που αντιστοιχεί σε μεγαλύτερο αριθμό wheel trim, αν και δεν θα σε κάνω να βαρεθείς με υπολογισμούς), τόσο πιο αργή η απόκριση του τούρμπο, αλλά και τόσο μεγαλύτερες οι πιθανότητες να συμβεί το compressor surge, δηλαδή να βγει η τουρμπίνα εκτός χάρτη λειτουργίας και να ρουφάει κενό αντί για αέρα με καταστροφικές συνέπειες για αυτήν. Από την άλλη, αν αυξήσεις το μέγεθος του exducer χωρίς να αυξήσεις το inducer (δηλαδή, χαμηλότερος αριθμός wheel trim), το τούρμπο θα υστερεί λιγότερο και θα είναι λιγότερο επιρρεπές στο compressor surge. Στην πραγματικότητα όλα τα τούρμπο πρέπει να διαθέτουν την κατάλληλη αναλογία μεταξύ των μεγεθών inducer και exducer, και η αλλαγή του wheel trim συνήθως χρησιμοποιείται για μικρορυθμίσεις όμοιων τούρμπο για κάποια συγκεκριμένη χρήση – κάτι ανάλογο με την αλλαγή της αναλογίας A/R στην πλευρά της τουρμπίνας.


 
Λόγος A/R
Ο λόγος A/R είναι βασικά ένα νούμερο που δείχνει το μέγεθος του κελύφους της τουρμπίνας. Το Α είναι το εμβαδόν της διατομής του κελύφους και το R είναι η ακτίνα – δηλαδή η απόσταση μεταξύ του κέντρου περιστροφής του άξονα του τούρμπο και του κέντρου της διατομής. Οι τιμές A/R εκφράζονται ως ,63, 85, 1,15 κ.λπ: όσο μεγαλύτερη η τιμή A/R, τόσο μεγαλύτερη η χωρητικότητα του κέλυφους. Το μεγαλύτερο A/R σημαίνει ότι η ροή καυσαερίων στην τουρμπίνα είναι μεγαλύτερη – και επομένως η παραγόμενη δύναμη περισσότερη, αλλά εις βάρος της απόκρισης. Ο υπερβολικά μεγάλος A/R θα αυξήσει τρομερά την υστέρηση, αλλά και υπερβολικά μικρή τιμή A/R μειώνει την απόδοση στις ψηλές στροφές. Με παρόμοιο τρόπο με το wheel trim του συμπιεστή, τα περισσότερα τούρμπο μπορούν να... οικειοποιηθούν τρεις ή τέσσερις τιμές Α/R για να ρυθμιστούν κατάλληλα για την εκάστοτε χρήση τους. Και τα κελύφη των συμπιεστών διαθέτουν τιμές A/R: αγνόησέ τις. Ο λόγος A/R επηρεάζει ελάχιστα την πλευρά της συμπίεσης.
 
Σχήμα λεπίδων συμπιεστή
¶λλο ένα πράγμα που διαφέρει από τούρμπο σε τούρμπο, ακόμα και μεταξύ εκείνων με ίδια διάμετρο φτερωτής και wheel trim, είναι το σχήμα των λεπίδων της φτερωτής. Παρότι είναι ένα θέμα πολύ σύνθετο για να εξηγηθεί με λεπτομέρεια, αυτές οι λεπίδες διαθέτουν καμπύλες διαφόρων ακτίνων και γωνίες διαφόρων μοιρών, σχεδιασμένες ώστε να ταιριάζουν στην χρήση κάθε τούρμπο.
 
Κομμένες λεπίδες
Συχνά ακούς τον όρο κομμένες λεπίδες (ή λεπίδες cut back) που χρησιμοποιείται όταν η συζήτηση αναφέρεται σε υβριδικά τούρμπο. Αυτό που εννοεί ο όρος είναι ότι οι λεπίδες της τουρμπίνας είναι “ψαλιδισμένες”, κάνοντας ουσιαστικά μικρότερη την φτερωτή της τουρμπίνας, πράγμα που αυξάνει την ροή στο μαντέμι και πιθανώς και την ισχύ. Δυστυχώς, μειώνει την αποτελεσματικότητα του τούρμπο και αυξάνει την υστέρησή του – γενικά, δεν συνιστάται για σύγχρονα τούρμπο.
 
Τρυπημένο κέλυφος συμπιεστή
Κοιτώντας την αναρρόφηση στον συμπιεστή, το τρυπημένο κέλυφος συμπιεστή είναι οι θύρες τριγύρω από την αναρρόφηση του συμπιεστή. Αυτές οι θύρες είναι τοποθετημένες σε ύψος μεταξύ του ορίου της εισαγωγής αέρα και της εξωτερικής διαμέτρου του συμπιεστή και είναι σχεδιασμένες ώστε να εμποδίζουν το compressor surge.
 
 
 
Χωρισμένη διατομή τουρμπίνας
Για να χρησιμοποιήσεις τουρμπίνα με την διατομή του κελύφους του μαντεμιού χωρισμένη σε δύο τομείς, πρέπει και να την συνδυάσεις και με χωρισμένη στα δύο πολλαπλή εξαγωγής. Το χώρισμα στα δύο είναι χρήσιμο επειδή, διαχωρίζοντας την ροή των καυσαερίων, “ταΐζεις” την τουρμπίνα με πιο διακριτούς παλμούς καυσαερίων, αντί να της παρέχεις ένα μεγάλο κύμα καυσαερίων – και αυτό βοηθά το τούρμπο να γεμίζει πιο εύκολα, ιδιαίτερα στις χαμηλές στροφές. Το δεύτερο πλεονέκτημα της χωρισμένης διατομής και πολλαπλής εξαγωγής είναι ότι αυξάνει την ισχύ, διατηρώντας χωριστά την ροή καυσαερίων που προέρχεται από κάθε κύλινδρο.
 
Εσωτερική wastegate
Οι wastegates χρησιμοποιούνται για να επιτρέπουν στα καυσαέρια να παρακάμπτουν την τουρμπίνα εμποδίζοντάς την να υπερστρέφει και συνεπώς δίνοντάς σου την δυνατότητα να ελέγχεις την πίεση. Η εσωτερική wastegate είναι ένα διάφραγμα τοποθετημένο στο κέλυφος της τουρμπίνας, που πιέζεται από ένα ελατήριο που ελέγχεται από έναν actuator, την πίεση του οποίου πρέπει να υπερνικήσει η πίεση των καυσαερίων, ώστε να ανοίξει το διάφραγμα. Οι εσωτερικές wastegates τοποθετούνται συνήθως σε μικρά turbo, επειδή ο ρυθμός αποβολής των καυσαερίων που μπορούν να επιτύχουν είναι μικρότερος από ότι των εξωτερικών wastegates, που για αυτόν τον λόγο προτιμώνται σε μεγαλύτερους στροβιλοσυμπιεστές.
 
Εξωτερική wastegate
Οι εξωτερικές wastegates υπηρετούν τον ίδιο σκοπό με τις εσωτερικές, αλλά είναι ξεχωριστά εξαρτήματα. Γενικά αποβάλλουν μεγαλύτερο όγκο καυσαερίων από τις εσωτερικές. Ο λόγος που χρησιμοποιούνται είναι επειδή τα μεγάλα turbo χρειάζονται μεγαλύτερη παράκαμψη καυσαερίων για να μην καταστραφούν από την υπερβολική αύξηση της πίεσης (overboosting), ιδιαίτερα σε τουρμπίνες που λειτουργούν σε χαμηλές πιέσεις υπερπλήρωσης. Το δεύτερο πλεονέκτημα των εξωτερικών wastegates είναι πως, αν το σύστημα εξάτμισης είναι σχεδιασμένο καλά, παρέχουν καλύτερη ροή καυσαερίων, αυξάνοντας συνολικά την απόδοση – ιδιαίτερα όταν το τούρμπο βρίσκεται στα όριά του.
 
Υλικά εξαρτημάτων
Παρότι η πλειονότητα των turbo αποτελείται από φτερωτές και κελύφη συμπιεστή από αλουμίνιο, ατσάλινους άξονες και σιδερένια κελύφη τουρμπίνας, υπάρχουν αμέτρητες παραλλαγές στα υλικά ανάλογα με τα θερμικά φορτία και την εκάστοτε εφαρμογή για την οποία προορίζονται. Οι πετρελαιοκινητήρες κανονικά αρκούνται στην χρήση συμβατικών υλικών, επειδή τα καυσαέριά τους έχουν χαμηλότερη θερμοκρασία από ότι των κινητήρων βενζίνης. Ωστόσο, σε βενζινοκινητήρες υψηλής απόδοσης συνήθως χρησιμοποιούνται πιο εξωτικά υλικά, που αντέχουν περισσότερη θερμότητα. Τα κελύφη τουρμπινών υψηλής απόδοσης συνήθως αποτελούνται από ένα κράμα σιδήρου ονόματι Ni Resist, που περιέχει μεγάλο ποσοστό νικελίου για αντοχή σε εξαιρετικά υψηλές θερμοκρασίες, ενώ κάποια κατασκευάζονται ακόμα και από ΗΚ30, ένα πανάκριβο κράμα ατσαλιού και Inconel (που είναι και αυτό ένα κράμα που περιέχει νικέλιο). Οι φτερωτές τουρμπινών υψηλής απόδοσης συνήθως κατασκευάζονται από Inconel, αλλά σε ακραίες καταστάσεις κατασκευάζονται από MarM247, που διαθέτει εξαιρετικά υψηλό σημείο τήξης. Επίσης, κάποιες φορές κατασκευάζονται από τιτάνιο ή ακόμα και από κεραμικά υλικά για μικρότερο βάρος και καλύτερη απόκριση – αν και οι κεραμικές φτερωτές είναι αρκετά εύθραυστες σε σχέση με τις μεταλλικές. Οι φτερωτές και τα κελύφη συμπιεστή δεν δέχονται τόσο μεγάλα θερμικά φορτία όσο η τουρμπίνα, και έτσι είναι εφικτό να κατασκευάζονται από μαγνήσιο σε ακραίες περιπτώσεις, εξοικονομώντας αρκετό βάρος συγκριτικά με τα συμβατικά κράματα.