مکانیک

توربين توربوشارژ

توربين توربوشارژ که شامل يک چرخ و يک محفظه است گاز خروجی موتور را به انرژی مکانيکی برای به کار انداختن کامپرسور تبديل می کند.

گاز که به وسيله ناحيه قطعه قطعه ای توربين محدود می شود نتيجه آن افت دما و فشار ميان ورودی و خروجی است.

اين افت فشار به وسيله توربين به انرژی جنبشی تبديل می شود و چرخ توربين را می چرخاند.

در کل دو نوع توربين وجود دارد :

جريان محوری و جريان شعاعی


در نوع جريان محوری

جريان در چرخ فقط به صورت محوری است.

در نوع جريان شعاعی

جريان ورودی گاز مايل به مرکز است

يعنی در يک جهت شعاعی از بيرون به داخل و جريان خروجی گاز در جهت محوری است.

برای چرخ با قطر بيش از ۱۶۰ ميلی متر فقط توربين شعاعی استفاده می شود.

اين نوع مربوط به موتورهای با توان حدود ۱۰۰۰ کيلووات به ازای هر توربوشارژ است.

و برای قطرهای بيش از ۳۰۰ ميلی متر فقط توربين محوری استفاده می شود.

برای مقادير بين اين دو هر دو متغير ممکن است.

برای کاربردهای خودرو توربين نوع جريان شعاعی رايج تر است.

در توصيف ذيل طرح توربين شعاعی آمده است.

در اين نوع توربين های شعاعی يا مايل به مرکز فشار گاز خروجی به انرژی جنبشی تبديل می شود و گاز خروجی در پيرام ون چرخ با سرعت ثابت به سمت چرخ توربين جهت داده می شود.

انتقال انرژی از انرژی جنبشی به توان محور ( شافت ) در چرخ توربين رخ می دهد که آن چنان دقيق طراحی می شود که تمام انرژی جنبشی هنگامی که گاز به خروجی چرخ می رسد مهيا می شود.

 

خواص عملياتی :

کارايی توربين هنگامی افزايش می يابد که افت فشار ميان ورودی و خروجی افزايش می يابد .

يعنی هنگامی که گاز بيشتری در ورودی توربين در نتيجه سرعت بالاتر موتور مسدود شود يا در موردی که دمای گاز اگزوز به دليل سطح انرژی بالای گاز بالا می رود.

خواص رفتار توربين به وسيله جريان خاص در قسمت تکه تکه ای ٫ در گلوگاه قسمت تکه تکه ای در ناحيه عبور از کانال ورودی تا حلقه مشخص می شود.

با کاهش قطر گلوگاه قسمت تکه تکه ای ٫ گاز بيشتری در قسمت ورودی مسدود می شود و در نتيجه افزايش فشار کارايی توربين افزايش می يابد .

بنابراين می توان در جريان های کم در قسمت تکه تکه ای افزايش فشار بالاتر را فراهم نمود.

جريان در قسمت تکه تکه ای با تغيير محفظه توربين می تواند به راحتی تغيير کند .

گذشته از جريان در قسمت تکه تکه ای در محفظه توربين ، ناحيه خروجی در ورودی چرخ نيز روی جريان جرمی توربين موثر است.

طراحی قالب و حد فاصل چرخ توربين ٫ناحيه تکه تکه ای و بنابراين افزايش فشار را تعديل می کند.

بزرگ بودن حد فاصل در نتيجه بزرگ بودن جريان در ناحيه تکه تکه ای توربين است.

توربين های با هندسه متنوع جريان تکه تکه ای را ميان کانال پيچ دار و ورودی چرخ تغيير می دهند.

ناحيه خروجی به چرخ توربين به وسيله تنوع پره ها يا تنوع حلقه لغزان که ناحيه تکه تکه ای را تشکيل می دهد تغيير می يابد.

در عمل خصوصيات عملياتی توربين های توربوشارژ به وسيله نقشه هايی که در آن پارامترهای جريان بر حسب نسبت فشار رسم شده است توصيف می شود .


نقشه های توربين
٫نمودارهای جريان جرمی و بازده توربين را برای سرعت های مختلف نشان می دهند.

برای ساده سازی نقشه منحنی جريان جرمی می تواند به خوبی بازده به صورت منحنی متوسط نشان داده شود.

برای توربوشارژ های با بازده کلی بالا همکاری کامپرسور و قطرهای چرخ توربين اهميت اساسی دارد.

موقعيت عمل روی نقشه کامپرسور سرعت توربوشارژ را مشخص می کند .

قطر چرخ توربين بايد به اندازه ای باشد که در اين رينج عملياتی بازده حداکثر گردد.

 

توربين های با ورودی دوگانه ( Twin-entry turbines )

توربين به گونه ای قرار می گيرد که در معرض فشار ثابت گاز خروجی باشد .

در موتورهای تجاری ديزلی ضربه ای ٫توربين های دوگانه به ضربه های گاز خروجی اين امکان را می دهند که بهينه
گردند.چون نسبت فشار بالاتر توربين در زمان کوتاهتری حاصل می گردد .به اين ترتيب در حين افزايش فشار بازده افزايش می يابد زيرا بازه زمانی هنگامی که بازده بالاتری از جريان جرمی از توربين عبور می کند بهينه می گردد.در نتيجه اين بهينه سازی در انرژی گاز خروجی خواص افزايش فشار و از اين رو رفتار گشتاور مخصوصا در موتورهای با سرعت کم بهبود می يابد .برای جلوگيری از تداخل سيلندرها با يکديگر در طول رد و بدل گاز در چرخه ها ٫ سه سيلندر به يک خروجی گاز چندگانه متصلند.

توربين های با ورودی دوگانه به جريان گاز خروجی اجازه می دهند که به طور جداگانه تغذيه گردند.

 

توربين با محفظه آب سرد ( Water-cooled turbine housings )

بحث های امنيتی نيز بايد در طراحی توربوشارژ مورد نظر قرار گيرند.

در اتاق های موتور کشتی ٫ برای نمونه ٫ برای خطرات آتش سوزی بايد از صفحات داغ احتراز نمود.

بنابراين توربين های با محفظه آب سرد يا محفظه با پوشش های مواد عايق در کاربرد های دريايی مورد استفاده قرار می گيرند.

توربوشارژ

يک توربوشارژ يک گاز اگزوز است که يک کامپرسور را به کار می اندازد و در موتورهای درون سوز برای افزايش توان خروجی با افزايش جرم ورودی اکسيژن به موتور کاربرد دارد .

منفعت توربوشارژها اين است که با افزايش جرمی اندک توان را به طور قابل ملاحظه ای افزايش می دهند .

يک توربوشارژ همچنين دارای يک توربين است که با استفاده از انرژی گازهای خروجی توان لازم را به کامپرسور می دهد .

محور توربين و کامپرسور مشترک است مانند موتور هواپيمای توربو جت.

کامپرسور فشار هوای ورودی به موتور را افزايش می دهد بنابراين در بازه زمانی يکسان جرم بيشتری از اکسيژن وارد محفظه احتراق می گردد ( سوخت بيشتری مورد نياز است برای اينکه هوای لازم برای سوخت تامين گردد ).

سوخت اضافی با ميزان کردن کاربراتور جبران می گردد،اندازه گيری می شود.

انرژی حاصل از سوخت اضافی به طور lbf/in² افزايش فشار با پاسکال ٫بار يا را مهيا kPa کلی توان را افزايش می دهد.

برای مثال يک توربوشارژ با بازده ٪ ۱۰۰ افزايش فشار ۱۰۱ می سازد که موجب دوبرابر شدن توان موتور می شود زيرا فشار کل دو برابر فشار اتمسفری است .

به هر حال کمی کاهش انرژی به دليل گرما و فشار بازگشتی توربين وجود دارد بنابراين به طور کلی بازده توربوشارژها حدود ٪ ۸۰ است زيرا موتور بايد کمی کار انجام دهد برای اين که گازها را به درون توربين توربوشارژ فشار دهد.

کامپرسور :

تفاوت عمده ميان کامپرسورها و پمپ ها اين است که هوايی که از کامپرسورها خارج می شود در هنگام خروج فشرده وتحت فشار است حتی اگر بر سيستم باری وجود نداشته باشد .

بيشتر ابزاری که برای فشردن هوا مورد استفاده قرار می گيرند از نظر تئوری و حتی گاهی از نظر سخت افزاری بسيار به پمپ های هيدروليکی شبيه هستند و به آن ها با نگاهی مشابه توجه می شود.

اختلاف ديگری که وجود دارد اين است که سيستم های هيدروليکی دارای پمپی هستند که به آن ها توان می دهد که خود جزئی از سيستم است.

در حالی که سيستم های هوايی دارای کامپرسوری هستند که به آن ها توان لازم را می دهد که در کارخانه ها تقريبا ابزاری است مانند سرويس های آب و برق.

ولی کامپرسورهای کوچکی در دسترس هستند که برای کار های خاص و جداگانه ای مورد استفاده قرار می گيرند که عبارتند ٫ ديناميک يا کامپرسورهای با ( positive-displacement ) از کامپرسورهای با جانشينی مثبت که بزرگتر هستند و واحدهای تسهيلاتی ( nonpositive-displacement ) جانشينی غير مثبت کامپرسورها وسيله های تقريبا ساده ای هستند و در دوره های طولانی ( facility-type units )می توانند مورد استفاده باشند به شرط اين که در سيستم های هوايی از آن ها به طور مناسب استفاده گردد.

هنوز و دوباره کامپرسورها متحمل خرابی ها هستند چون هنگام طراحی احتياط های بديهی ناديده گرفته می شوند.

چهار دستورالعمل اساسی که بهبودی قابل قبولی را در حيات کامپرسورها موجب می شود و فقط با تعديل کردن طراحی ممکن می شود عبارتند از:

پمپ ها و کامپرسورها بايد به اندازه ای انتخاب شوند که حداقل فشار و جريان مورد نياز · و ترجيحا ۱۰ تا ٪ ۲۵ بيشتررا تامين کنند.

فيلترها بايد مورد استفاده قرار گيرند تا از واحد پمپاژ محافظت کنند .

و بعضی وقت ها بهتر است که از جريان خروجی و محصولات نيز محافظت نمايند.

شير های اطمينان بايد استفاده شوند تا فشار و خلا را در سطح مناسب نگه دارند. · واحدهای پمپاژ بايد در يک محيط تميز ٫ سرد و خشک نگه داشته شوند. ·

کامپرسورهای دم : ( Bellows )

که شامل يک دم ساخته از يک فلز جوش شده است و به دريچه های ورودی و خروجی به همراه را پوشش می دهند و در psig شيرهای کنترل وصل شده است .

اين کامپرسورها فشار بالای ۱۰ آشکارسازی آلودگی و ابزار اندازه گيری ٫ ابزار نمونه برداری گاز و کاربردهای پزشکی استفاده دارند.

روغن کاری نياز ندارند و با پاکيزه نگه داشتن طول عمرشان افزايش می يابد.

 

کامپرسورهای پره ای : ( Vane )

ماشين هايی ساده با قسمت های متحرک کمی هستند مانند همتای هيدروليکی خود پمپ های پره ای.

اين کامپرسورها ارزان هستند ٫دارای هزينه عملياتی کم و گشتاور مورد نياز اوليه اندک .فشرده و نسبتا دارای لرزش آزاد به همراه ارتعاش در خروجی کامپرسور.

متحرک های لغزنده به طور مناسبی در شکاف های روتور قرار دارند و در هنگام عمل آن ها را خيلی کم پوشش می دهند.

اين کامپرسورها با در دسترس هستند. psi توان های بين ۱۰ تا ۵۰۰ اسب بخار و تا فشار ۱۵۰

 

کامپرسورهای رفت و برگشتی 🙁 Reciprocating )

که شامل يک پيستون و يک سيلندر است که برای محبوس کردن و فشرده ساختن گاز به کار می رود.

در واقع اين واحد مانند موتور اتومبيل است که شامل پيستون های متراکم کننده گاز و شيرهايی است که جريان های ورودی و خروجی را کنترل می کنند.

اندازه ها کمتر از ۱ تا بيش از ۵۰۰۰ اسب بخار می باشند.

کامپرسورهای رفت و برگشتی بازده های خوبی دارند و در شرايط مختلف عملياتی مفيد هستند.

 

کامپرسورهای ديافراگم 🙁 Diaphragm )

کامپرسورهای ديافراگم نوعی اصلاح شده از کامپرسورهای رفت و برگشتی هستند .

تراکم به وسيله يک فلز انعطاف پذير يا يک ديافراگم که حرکت آن به وسيله حرکت پيستون زير آن تامين می شود صورت می گيرد.

فضای بين ديافراگم و پيستون معمولا به وسيله يک مايع پر می شود.

 

کامپرسورهای روتوردار 🙁 Lobed-rotor )

که شامل دو قسمت چرخنده است که در يک محفظه در خلاف جهت يکديگر می چرخند .

در بيشتر کامپرسورها در واقع روتورها در تماس با يکديگر نيستند و هم ديگر را حرکت نمی دهند بلکه حرکت آنها به واسطه دنده ها تامين می شود.

چون روتورها واقعا با هم در تماس نيستند هوا اندکی ميان آن ها ناميده می شود که برای هر کامپرسور ( slip ) نفوذ می کند ولی ريتم آن ثابت است.

اين نفوذ لغزش در يک فشار مشخص ثابت است.

برای بازده هر چه بيشتر اين کامپرسورها بايد با حد اکثر سرعت عمل در دسترس هستند.چون psi نمايند.

اين کامپرسورها با توان های بين ۷ تا ۳۰۰۰ اسب بخار و تا فشار ۲۵۰ قطعات داخلی با هم در تماس نيستند نياز یه روغن کاری ندارند.

کمپرسورهای پيستونی مايع 🙁 Piston Liquid )

که در ظاهر هيچ قسمت متحرکی ندارند.

يک روتور با تيغه های انحنادار چندگانه که در يک محفظه بيضوی می چرخند.

سيال محبوس شده در محفظه به وسيله تيغه ها به محيط درونی برده می شود.فضای بين تيغه ها حجم را به خاطر مسير بيضوی تغيير می دهد و سطح داخلی حلقه مايعی که ميان تيغه ها محبوس شده است مانند صفحه يک پيستون مايع عمل می کند.اين کامپرسورها قطرات مايع و ذرات ريز را بدون آسيب جدی می پذيرند.روغن کاری فقط در ياتاقان های مقرر در بيرون از محفظه پمپاژ می باشند. psi مورد نياز است.

اين کامپرسورها دارای توان بين ۱۰ تا ۵۰۰ اسب بخار و فشار بالای ۱۵۰

 

کامپرسورهای مرکزگرا 🙁 Centrifugal )

در حرکت دادن حجم های بزرگ هوا در فشار های نسبتا پايين بهترين نوع هستند.

اين کامپرسورها اساسا شامل محرک چرخنده با سرعت بالا ٫ يک قسمت نفوذگر که سرعت را کاهش و فشار را افزايش می دهد و يک قسمت جمع کننده که کاهش سرعت و افزايش فشار را بيشتر می گرداند.

کامپرسورهای مرکزگرا می توانند در نيازهای با جريان بالا به خوبی به کار گرفته شوند اما وقتی که نيازها ريت جريان را بيشتر کاهش می دهند و فشار خروجی را بيشتر افزايش می دهند کامپرسورها به صورت موجی و غير عادی عمل می کنند.در حالت موجی خط فشار خروجی به طور تصادفی تغيير می کند.اگر اين وضعيت ادامه پيدا کند اين شرايط می تواند به ياتاقان ها ٫ تيغه ها و حتی خود محفظه آسيب برساند.

کامپرسورهای مرکزگرا از ۲ تا ۶ مرحله استفاده می کنند با استفاده ازrpm تا سرعت های ۲۰۰۰۰ cfm سرعت های از ۴۰۰ تا ۳۰۰۰ همچنين با نام دمنده های محيطی شناخته می ( Regenerative blowers ) دمنده های احيا کننده شوند : که از يک محرک صفحه مانند با تيغه هايی که در لبه بيرونی آن نصب شده است عمل می کنند.

هنگامی که محرک می چرخد هوا در فضای بين تيغه ها قرار می گيرد.

نيروهای جانب مرکز هوا را در يک مسير مارپيچ و به طرف خارج محفظه حرکت می دهند ٫ که هوا به وسيله يک تيغه داخلی به تيغه متوالی اوليه باز می گردد و اين فرايند تکرار می شود.

در بعضی مدل ها يک شکافنده جريان دو مسير جريان را به وجود می آورد.

بنابراين هوا بايد دو دايره را اطراف محرک ايجاد کند .

در مدل های ديگر شکافنده وجود ندارد و هوا فقط يک دايره را قبل از خروج ايجاد می کند.

دمنده های می رسانند. psi و فشار را تا ۸ cfm احيا کننده سرعت جريان هوا را تا ۱۰۰۰

 

کامپرسورهای خورشيدی 🙁 Helical )

مانند دو پيچ بزرگ هستند که به هم گره خورده اند و مانند پمپ های پيچی هيدروليک کار می
در شکل تک مرحله ای می باشد .کامپرسورهای psi کنند.ماکزيمم فشار از اين ماشين ها تقريبا ۱۲۵
خورشيدی می توانند خشک کننده يا غرق کننده نفت باشند.

 

کامپرسورهای خورشيدی خشک 🙁 helical Dry )

به دنده های تنظيم شده برای آزادی چرخش ميان قطعا ت ( lobed ) مانند واحدهای روتور دار
چرخنده نياز دارد.اين واحدها دارای بيشترين بازده عملکرد در سرعت های بالای پيوسته می باشند.

 

کامپرسورهای غرق شده ( Flooded )

:به هيچ دنده ای نياز ندارند زيرا صفحات پيچی مملو از نفت می توانند هم ديگر را حرکت دهند.

بنابراين جداسازهای نفتی مورد نياز هستند که هن گام خروج از کامپرسور نفت را از هوا جدا کنند.

و در توان های بين ۷ تا ۳۰۰ اسب بخار در دسترس هستند.

 

کامپرسورهای تک پيچ 🙁 Compressors Single-screw )

که مبنای آن ها همان کامپرسورهای خورشيدی هستند.

هنگامی که پيچ مرکزی می چرخد هوا بين دندانه های پيچ متراکم هستند بر خلاف روتور های ستاره ای شکل.

اين کامپرسورها کمی ارتعاش و سر و صدا دارند و دارای فشار تخليه کم هستند.

روغن کاری نيز مورد نياز است.

 

توربين ها

توربين تکانه ای : (The Impulse Turbine)

کليد فهم اينکه چگونه يک توربين عمل می کند دانستن نيروهای آئروديناميکی است.

 

در مورد توربين

تکانه ای تقريبا به طور منحصر به فرد اين گاز های با سرعت بالا هستند که روی سطوح مقعر تيغه ها
عمل می کنند.به عبارت ديگر اين يک (تاثير سطلی) است که انرژی را استخراج می کند.

گاز به درون سطوح مقعر تيغه ها و با يک زاويه حدود ۴۵ تا ۸۵ درجه هدايت می شود .

و به نسبت محور نيرو به محور منتقل می شود.

خاصيت جالب موتورهای تکانه ای اين است که سرعت گاز پس از خروج از تيغه ها کاهش می يابد در حاليکه فشار ثابت می ماند.

انرژی به دليل تغيير سرعت گاز منتقل می شود نه
فشار گاز.

 

توربين واکنشی 🙁The Reaction Turbine)

در شکل روتور يک توربين واکنشی را مشاهده می کنيم.

به اختلاف ميان سطح مقطع تيغه ها در توربين واکنشی در مقايسه با توربين تکانه ای توجه نماييد.

در توربين های واکنشی به وسيله کاهش سرعت گاز و کاهش فشار گاز انرژی جنبشی گاز به نيروی محور تبديل می شود.

دقيقا مثل با هوا پيما.هنگامی که گاز از سمت چپ تيغه وارد می شود و در طول صفحه ی تيغه حرکت می کند روی صفحه بالاتر کاهش فشار و روی صفحه پايين تر افزايش فشار خواهيم داشت.

هنگامی که گاز لبه انتهايی را ترک می کند کاهش سرعت گاز ٫ فشار و يک زاويه رو به پايين (منظور جهت حرکت است ) خواهيم داشت.که نتيجه آن يک بالا رفتن يا نيروی واکنشی خواهد بود.


توربين تسلا يا ديسک 🙁The Tesla or Disk Turbine)

در شکل يک نمايه از توربين ديسک يا تسلا مشاهده ميشود.

توجه داشته باشيد که هيچ گونه تيغه ای وجود ندارد.

ديسک هايی ساده و نازک با واشرهايی در ميان و اطراف و يک واشر ستاره ای در مرکز.

گاز با سرعت بالا و با زاويه ۹۰ درجه عمود بر صفحه ها وارد لبه توربين ديسک می شود.

گاز به طوری که بر صفحه ها مماس گردد هدايت می شود.

به عبارت ديگر گاز لبه انتهايی صفحه ها را قطع می کند.

هنگامی که گاز وارد دستگاه ديسک می شود ابتدا با واشر های بيرونی مواجه می شود.

نيروهای آئروديناميکی کروی نقش کليدی را در چرخاندن اين نوع توربين بازی می کنند.

واشرها به عنوان عناصر شتاب دهنده به وسيله لبه پيشتاز و به عنوان عناصر کشاننده به وسيله لبه انتهايی عمل می کنند ( به نسبت جهت حرکت گاز ).اين تاثير شتاب-کشانندگی برای شروع حرکت توربين ضروری است.

هنگامی که گاز دميده می شود و قبل از اين که به واشرهای دورتادور برسد در طول ديسک باريک شروع به چرخش می کند و به حالت خروج از مرکز در می آيد.اين چرخش گاز موجب می شود که به سطح ديسک بچسبد دقيقا مانند مولکول های هوا که به سطح هواپيما و آب که به سطح قايق می چسبد.اين اثر متقابل چسبيدن و حرکت چرخشی گاز موجب کشانده شدن ديسک در جهت حرکت گاز خواهد شد.

وجود افت سرعت و فشار يعنی تغيير يک بردار در مسير گاز.

اين نيروی منتقل شده بايد شکلی از عکس العمل داشته باشد.

در صورتی که واشرها به عنوان شتاب دهنده و صفحه ها به عنوان عناصر عکس العمل عمل می نمايند.

قابل ذکر است که اين نوع توربين خواص پنهان ديگری نيز دارا می باشد.

هنگامی که سرعت چرخش توربين حدود ٪ ۵۰ نرخ سرعت آن است گاز های شامل انرژی جنبشی از صفحه ها با کمترين فشار بازگشتی عبور م ی کنند.

از ٪ ۵۰ تا ٪ ۱۰۰ نرخ سرعت ( که با سرعت گاز و قطر ديسک مشخص می شود ) نيروهای گريز از مرکز وارد بر گاز يک فشار بازگشتی را روی گاز ورودی به وجود می آورند.

هنگامی که سرعت محيطی توربين به سرعت گاز نزديک می شود گاز های فشار بازگشتی دری را ميان صفحه ها می بندند و گاز محرک را مسدود می کنند.

به اين دليل است که سرعت محيطی توربين هرگز با سرعت گاز محرک برابر نمی شود.اين در يا سد هرگز کامل بسته نمی شود.

اگر بسته می شد توربين متوقف می شد.

 

اين همچنين توضيح می دهد:

۱) چرا توربين ديسک به بالاترين بازده هنگامی دست می يابد که سرعت محيطی به سرعت گاز در نزديک ترين حالت باشد.

۲) چرا گشتاور افزايش می يابد هنگامی که سرعت روتور تا ٪ ۶۰ نرخ سرعت کاهش کاهش می يابد.

و ۳) چرا سرعت توربين زير ٪ ۵۰ نرخ سرعت است.

نمایش بیشتر

مطالب مرتبط

دیدگاهتان را بنویسید

همچنین ببینید

بستن
بستن