توربین توربوشارژ

توربین توربوشارژ 

توربین توربوشارژ که شامل یک چرخ و یک محفظه است گاز خروجی موتور را به انرژی مکانیکی برای به کار انداختن کامپرسور تبدیل می کند.


گاز که به وسیله ناحیه قطعه قطعه ای توربین محدود می شود نتیجه آن افت دما و فشار میان ورودی و خروجی است.

این افت فشار به وسیله توربین به انرژی جنبشی تبدیل می شود و چرخ توربین را می چرخاند.

در کل دو نوع توربین وجود دارد :

جریان محوری و جریان شعاعی


در نوع جریان محوری

جریان در چرخ فقط به صورت محوری است.

در نوع جریان شعاعی

جریان ورودی گاز مایل به مرکز است

یعنی در یک جهت شعاعی از بیرون به داخل و جریان خروجی گاز در جهت محوری است.

برای چرخ با قطر بیش از ۱۶۰ میلی متر فقط توربین شعاعی استفاده می شود.

این نوع مربوط به موتورهای با توان حدود ۱۰۰۰ کیلووات به ازای هر توربوشارژ است.

و برای قطرهای بیش از ۳۰۰ میلی متر فقط توربین محوری استفاده می شود.

برای مقادیر بین این دو هر دو متغیر ممکن است.


برای کاربردهای خودرو توربین نوع جریان شعاعی رایج تر است.

در توصیف ذیل طرح توربین شعاعی آمده است.

در این نوع توربین های شعاعی یا مایل به مرکز فشار گاز خروجی به انرژی جنبشی تبدیل می شود و گاز خروجی در پیرام ون چرخ با سرعت ثابت به سمت چرخ توربین جهت داده می شود.

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



خواص عملیاتی :


کارایی توربین هنگامی افزایش می یابد که افت فشار میان ورودی و خروجی افزایش می یابد .

یعنی هنگامی که گاز بیشتری در ورودی توربین در نتیجه سرعت بالاتر موتور مسدود شود یا در موردی که دمای گاز اگزوز به دلیل سطح انرژی بالای گاز بالا می رود.


خواص رفتار توربین به وسیله جریان خاص در قسمت تکه تکه ای ٫ در گلوگاه قسمت تکه تکه ای در ناحیه عبور از کانال ورودی تا حلقه مشخص می شود.

با کاهش قطر گلوگاه قسمت تکه تکه ای ٫ گاز بیشتری در قسمت ورودی مسدود می شود و در نتیجه افزایش فشار کارایی توربین افزایش می یابد .

بنابراین می توان در جریان های کم در قسمت تکه تکه ای افزایش فشار بالاتر را فراهم نمود.

جریان در قسمت تکه تکه ای با تغییر محفظه توربین می تواند به راحتی تغییر کند .

گذشته از جریان در قسمت تکه تکه ای در محفظه توربین ، ناحیه خروجی در ورودی چرخ نیز روی جریان جرمی توربین موثر است.

طراحی قالب و حد فاصل چرخ توربین ٫ناحیه تکه تکه ای و بنابراین افزایش فشار را تعدیل می کند.

بزرگ بودن حد فاصل در نتیجه بزرگ بودن جریان در ناحیه تکه تکه ای توربین است.

توربین های با هندسه متنوع جریان تکه تکه ای را میان کانال پیچ دار و ورودی چرخ تغییر می دهند.

ناحیه خروجی به چرخ توربین به وسیله تنوع پره ها یا تنوع حلقه لغزان که ناحیه تکه تکه ای را تشکیل می دهد تغییر می یابد.

در عمل خصوصیات عملیاتی توربین های توربوشارژ به وسیله نقشه هایی که در آن پارامترهای جریان بر حسب نسبت فشار رسم شده است توصیف می شود .


نقشه های توربین ٫نمودارهای جریان جرمی و بازده توربین را برای سرعت های مختلف نشان می دهند.

برای ساده سازی نقشه منحنی جریان 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 توربین اهمیت اساسی دارد.

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

قطر چرخ توربین باید به اندازه ای باشد که در این رینج عملیاتی بازده حداکثر گردد.



توربین های با ورودی دوگانه ( Twin-entry turbines )


توربین به گونه ای قرار می گیرد که در معرض فشار ثابت گاز خروجی باشد .

در موتورهای تجاری دیزلی ضربه ای ٫توربین های دوگانه به ضربه های گاز خروجی این امکان را می دهند که بهینه
گردند.چون نسبت فشار بالاتر توربین در زمان کوتاهتری حاصل می گردد .به این ترتیب در حین افزایش فشار بازده افزایش می یابد زیرا بازه زمانی هنگامی که بازده بالاتری از جریان جرمی از توربین عبور می کند بهینه می گردد.در نتیجه این بهینه سازی در انرژی گاز خروجی خواص افزایش فشار و از این رو رفتار گشتاور مخصوصا در موتورهای با سرعت کم بهبود می یابد .برای جلوگیری از تداخل سیلندرها با یکدیگر در طول رد و بدل گاز در چرخه ها ٫ سه سیلندر به یک خروجی گاز چندگانه متصلند.

توربین های با ورودی دوگانه به جریان گاز خروجی اجازه می دهند که به طور جداگانه تغذیه گردند.



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


بحث های امنیتی نیز باید در طراحی توربوشارژ مورد نظر قرار گیرند.

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

بنابراین توربین های با محفظه آب سرد یا محفظه با پوشش های مواد عایق در کاربرد های دریایی مورد استفاده قرار می گیرند.


توربوشارژ

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

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


یک توربوشارژ همچنین دارای یک توربین است که با استفاده از انرژی گازهای خروجی توان لازم را به کامپرسور می دهد .

محور توربین و کامپرسور مشترک است مانند موتور هواپیمای توربو جت.

کامپرسور فشار هوای ورودی به موتور را افزایش می دهد بنابراین در بازه زمانی یکسان جرم بیشتری از اکسیژن وارد محفظه احتراق می گردد ( سوخت بیشتری مورد نیاز است برای اینکه هوای لازم برای سوخت تامین گردد ).

سوخت اضافی با میزان کردن کاربراتور جبران می گردد،اندازه گیری می شود.

انرژی حاصل از سوخت اضافی به طور lbf/in² افزایش فشار با پاسکال ٫بار یا را مهیا kPa کلی توان را افزایش می دهد.

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

به هر حال کمی کاهش انرژی به دلیل گرما و فشار بازگشتی توربین وجود دارد بنابراین به طور کلی بازده توربوشارژها حدود ٪ ۸۰ است زیرا موتور باید کمی کار انجام دهد برای این که گازها را به درون توربین توربوشارژ فشار دهد.


کامپرسور :


تفاوت عمده میان کامپرسورها و پمپ ها این است که هوایی که از کامپرسورها خارج می شود در هنگام خروج فشرده وتحت فشار است حتی اگر بر سیستم باری وجود نداشته باشد .

بیشتر ابزاری که برای فشردن هوا مورد استفاده قرار می گیرند از نظر تئوری و حتی گاهی از نظر سخت افزاری بسیار به پمپ های هیدرولیکی شبیه هستند و به آن ها با نگاهی مشابه توجه می شود.

اختلاف دیگری که وجود دارد این است که سیستم های هیدرولیکی دارای پمپی هستند که به آن ها توان می دهد که خود جزئی از سیستم است.

در حالی که سیستم های هوایی دارای کامپرسوری هستند که به آن ها توان لازم را می دهد که در کارخانه ها تقریبا ابزاری است مانند سرویس های آب و برق.

ولی کامپرسورهای کوچکی در دسترس هستند که برای کار های خاص و جداگانه ای مورد استفاده قرار می گیرند که عبارتند ٫ دینامیک یا کامپرسورهای با ( positive-displacement ) از کامپرسورهای با جانشینی مثبت که بزرگتر هستند و واحدهای تسهیلاتی ( nonpositive-displacement ) جانشینی غیر مثبت کامپرسورها وسیله های تقریبا ساده ای هستند و در دوره های طولانی ( facility-type units )می توانند مورد استفاده باشند به شرط این که در سیستم های هوایی از آن ها به طور مناسب استفاده گردد.

هنوز و دوباره کامپرسورها متحمل خرابی ها هستند چون هنگام طراحی احتیاط های بدیهی نادیده گرفته می شوند.

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


پمپ ها و کامپرسورها باید به اندازه ای انتخاب شوند که حداقل فشار و جریان مورد نیاز · و ترجیحا ۱۰ تا ٪ ۲۵ بیشتررا تامین کنند.


فیلترها باید مورد استفاده قرار گیرند تا از واحد پمپاژ محافظت کنند .

و بعضی وقت ها بهتر است که از جریان خروجی و محصولات نیز محافظت نمایند.


شیر های اطمینان باید استفاده شوند تا فشار و خلا را در سطح مناسب نگه دارند. · واحدهای پمپاژ باید در یک محیط تمیز ٫ سرد و خشک نگه داشته شوند. ·


کامپرسورهای دم : ( Bellows )


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

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

روغن کاری نیاز ندارند و با پاکیزه نگه داشتن طول عمرشان افزایش می یابد.



کامپرسورهای پره ای : ( Vane )

ماشین هایی ساده با قسمت های متحرک کمی هستند مانند همتای هیدرولیکی خود پمپ های پره ای.

این کامپرسورها ارزان هستند ٫دارای هزینه عملیاتی کم و گشتاور مورد نیاز اولیه 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 خیلی کم پوشش می دهند.

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



کامپرسورهای رفت و برگشتی :( Reciprocating )

که شامل یک پیستون و یک سیلندر است که برای محبوس کردن و فشرده ساختن گاز به کار می رود.

در واقع این واحد مانند موتور اتومبیل است که شامل پیستون های متراکم کننده گاز و شیرهایی است که جریان های ورودی و خروجی را کنترل می کنند.

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

کامپرسورهای رفت و برگشتی بازده های خوبی دارند و در شرایط مختلف عملیاتی مفید هستند.



کامپرسورهای دیافراگم :( Diaphragm )

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

تراکم به وسیله یک فلز انعطاف پذیر یا یک دیافراگم که حرکت آن به وسیله حرکت پیستون زیر آن تامین می شود صورت می گیرد.

فضای بین دیافراگم و پیستون معمولا به وسیله یک مایع پر می شود.



کامپرسورهای روتوردار :( Lobed-rotor )

که شامل دو قسمت چرخنده است که در یک محفظه در خلاف جهت یکدیگر می چرخند .

در بیشتر کامپرسورها در واقع روتورها در تماس با یکدیگر نیستند و هم دیگر را حرکت نمی دهند بلکه حرکت آنها به واسطه دنده ها تامین می شود.

چون روتورها واقعا با هم در تماس نیستند هوا اندکی میان آن ها نامیده می شود که برای هر کامپرسور ( slip ) نفوذ می کند ولی ریتم آن ثابت است.

این نفوذ لغزش در یک فشار مشخص ثابت است.

برای بازده هر چه بیشتر این کامپرسورها باید با حد اکثر سرعت عمل در دسترس هستند.چون psi نمایند.

این کامپرسورها با توان های بین ۷ تا ۳۰۰۰ اسب بخار و تا فشار ۲۵۰ قطعات داخلی با هم در تماس نیستند نیاز یه روغن کاری ندارند.

کمپرسورهای پیستونی مایع :( Piston Liquid )


که در ظاهر هیچ قسمت متحرکی ندارند.

یک روتور با تیغه های انحنادار چندگانه که در یک محفظه بیضوی می چرخند.

سیال محبوس شده در محفظه به وسیله تیغه ها به محیط درونی برده می شود.فضای بین تیغه ها حجم را به خاطر مسیر بیضوی تغییر می دهد و سطح داخلی حلقه مایعی که میان تیغه ها محبوس شده است مانند صفحه یک پیستون مایع عمل می کند.این کامپرسورها قطرات مایع و ذرات ریز را بدون آسیب جدی می پذیرند.روغن کاری فقط در یاتاقان های مقرر در بیرون از محفظه پمپاژ می باشند. psi مورد نیاز است.

این کامپرسورها دارای توان بین ۱۰ تا ۵۰۰ اسب بخار و فشار بالای ۱۵۰



کامپرسورهای مرکزگرا :( Centrifugal )

در حرکت دادن حجم های بزرگ هوا در فشار های نسبتا پایین بهترین نوع هستند.

این کامپرسورها اساسا شامل محرک چرخنده با سرعت بالا ٫ یک قسمت نفوذگر که سرعت را کاهش و فشار را افزایش می دهد و یک قسمت جمع کننده که کاهش سرعت و افزایش فشار را بیشتر می گرداند.

کامپرسورهای مرکزگرا می توانند در نیازهای با جریان بالا به خوبی به کار گرفته شوند اما وقتی که نیازها ریت جریان را بیشتر کاهش می دهند و فشار خروجی را بیشتر افزایش می دهند کامپرسورها به صورت موجی و غیر عادی عمل می کنند.در حالت موجی خط فشار خروجی به طور تصادفی تغییر می کند.اگر این وضعیت ادامه پیدا کند این شرایط می تواند به یاتاقان ها ٫ تیغه ها و حتی خود محفظه آسیب 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 همچنین با نام دمنده های محیطی شناخته می ( Regenerative blowers ) دمنده های احیا کننده شوند : که از یک محرک صفحه مانند با تیغه هایی که در لبه بیرونی آن نصب شده است عمل می کنند.

هنگامی که محرک می چرخد هوا در فضای بین تیغه ها قرار می گیرد.

نیروهای جانب مرکز هوا را در یک مسیر مارپیچ و به طرف خارج محفظه حرکت می دهند ٫ که هوا به وسیله یک تیغه داخلی به تیغه متوالی اولیه باز می گردد و این فرایند تکرار می شود.

در بعضی مدل ها یک شکافنده جریان دو مسیر جریان را به وجود می آورد.

بنابراین هوا باید دو دایره را اطراف محرک ایجاد کند .

در مدل های دیگر شکافنده وجود ندارد و هوا فقط یک دایره را قبل از خروج ایجاد می کند.

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



کامپرسورهای خورشیدی :( Helical )

مانند دو پیچ بزرگ هستند که به هم گره خورده اند و مانند پمپ های پیچی هیدرولیک کار می
در شکل تک مرحله ای می باشد .کامپرسورهای psi کنند.ماکزیمم فشار از این ماشین ها تقریبا ۱۲۵
خورشیدی می توانند خشک کننده یا غرق کننده نفت باشند.



کامپرسورهای خورشیدی خشک :( helical Dry )

به دنده های تنظیم شده برای آزادی چرخش میان قطعا ت ( lobed ) مانند واحدهای روتور دار
چرخنده نیاز دارد.این واحدها دارای بیشترین بازده عملکرد در سرعت های بالای پیوسته می باشند.



کامپرسورهای غرق شده ( Flooded )

:به هیچ دنده ای نیاز ندارند زیرا صفحات پیچی مملو از نفت می توانند هم دیگر را حرکت دهند.

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

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



کامپرسورهای تک پیچ :( Compressors Single-screw )

که مبنای آن ها همان کامپرسورهای خورشیدی هستند.

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

این کامپرسورها کمی ارتعاش و سر و صدا دارند و دارای فشار تخلیه کم هستند.

روغن کاری نیز مورد نیاز است.



توربین ها

توربین تکانه ای : (The Impulse Turbine)

کلید فهم اینکه چگونه یک توربین عمل می کند دانستن نیروهای آئرودینامیکی است.



در مورد توربین

تکانه ای تقریبا به طور منحصر به فرد این گاز های با سرعت بالا هستند که روی سطوح مقعر تیغه ها
عمل می کنند.به عبارت دیگر این یک (تاثیر سطلی) است که انرژی را استخراج می کند.

گاز به درون سطوح مقعر تیغه ها و با یک زاویه حدود ۴۵ تا ۸۵ درجه هدایت می شود .

و به نسبت محور نیرو به محور منتقل می شود.

خاصیت جالب موتورهای تکانه ای این است که سرعت گاز پس از خروج از تیغه ها کاهش می یابد در حالیکه فشار ثابت می ماند.

انرژی به دلیل تغییر سرعت گاز منتقل می شود نه
فشار گاز.



توربین واکنشی :(The Reaction Turbine)

در شکل روتور یک توربین واکنشی را مشاهده می کنیم.

به اختلاف میان سطح مقطع تیغه ها در توربین واکنشی در مقایسه با توربین تکانه ای توجه نمایید.

در توربین های واکنشی به وسیله کاهش سرعت گاز و کاهش فشار گاز انرژی جنبشی گاز به نیروی محور تبدیل می شود.

دقیقا مثل با هوا پیما.هنگامی که گاز از سمت چپ تیغه وارد می شود و در طول صفحه ی تیغه حرکت می کند روی صفحه بالاتر کاهش فشار و روی صفحه پایین تر افزایش فشار خواهیم داشت.

هنگامی که گاز لبه انتهایی را ترک می کند کاهش سرعت گاز ٫ فشار و یک زاویه رو به پایین (منظور جهت حرکت است ) خواهیم داشت.که نتیجه آن یک بالا رفتن یا نیروی واکنشی خواهد بود.


توربین تسلا یا دیسک :(The Tesla or Disk Turbine)

در شکل یک نمایه از توربین دیسک یا تسلا مشاهده میشود.

توجه داشته باشید که هیچ گونه تیغه ای وجود ندارد.

دیسک هایی ساده و نازک با واشرهایی در میان و اطراف و یک واشر ستاره ای در مرکز.

گاز با سرعت بالا و با زاویه ۹۰ درجه عمود بر صفحه ها وارد لبه توربین دیسک می شود.

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

به عبارت دیگر گاز لبه انتهایی صفحه ها را قطع می کند.

هنگامی که گاز وارد دستگاه دیسک می شود ابتدا با واشر های بیرونی مواجه می شود.

نیروهای آئرودینامیکی کروی نقش کلیدی را در چرخاندن این نوع توربین بازی می کنند.

واشرها به عنوان عناصر شتاب دهنده به وسیله لبه پیشتاز و به عنوان عناصر کشاننده به وسیله لبه انتهایی عمل می کنند ( به نسبت جهت حرکت گاز ).این تاثیر شتاب-کشانندگی برای شروع حرکت توربین ضروری است.

هنگامی که گاز دمیده می شود و قبل از این که به واشرهای دورتادور برسد در طول دیسک باریک شروع به چرخش می کند و به حالت خروج از مرکز در می آید.این چرخش گاز موجب می شود که به سطح دیسک بچسبد دقیقا مانند مولکول های هوا که به سطح هواپیما و آب که به سطح قایق می چسبد.این اثر متقابل چسبیدن و حرکت چرخشی گاز موجب کشانده شدن دیسک در جهت حرکت گاز خواهد شد.


وجود افت سرعت و فشار یعنی تغییر یک بردار در مسیر گاز.

این نیروی منتقل شده باید شکلی از عکس العمل داشته باشد.

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

قابل ذکر است که این نوع توربین خواص پنهان دیگری نیز دارا می باشد.

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

از ٪ ۵۰ تا ٪ ۱۰۰ نرخ سرعت ( که با سرعت گاز و قطر دیسک مشخص می شود ) نیروهای گریز از مرکز وارد بر گاز یک فشار بازگشتی را روی گاز ورودی به وجود می آورند.

هنگامی که سرعت محیطی توربین به سرعت گاز نزدیک می شود گاز های فشار بازگشتی دری را میان صفحه ها می بندند و گاز محرک را مسدود می کنند.

به این دلیل است که سرعت محیطی توربین هرگز با سرعت گاز محرک برابر نمی شود.این در یا سد هرگز کامل بسته نمی شود.

اگر بسته می شد توربین متوقف می شد.



این همچنین توضیح می دهد:

۱) چرا توربین دیسک به بالاترین بازده هنگامی دست می یابد که سرعت محیطی به سرعت گاز در نزدیک ترین حالت باشد.


۲) چرا گشتاور افزایش می یابد هنگامی که سرعت روتور تا ٪ ۶۰ نرخ سرعت کاهش کاهش می یابد.

و ۳) چرا سرعت توربین زیر ٪ ۵۰ نرخ سرعت است.