Турбокомпресор

Турбокомпре́сор або газотурбі́нний нагніта́ч — компресор динамічної дії (відцентровий або осьовий), у якому дія на потік стискуваного газу здійснюється обертовими ґратками лопаток ротора, що урухомлюється і працює в парі на одному валу із турбіною^[1][2]. Є основним конструктивним елементом газотурбінних двигунів.^[3] та важливим вузлом двигунів внутрішнього згоряння, що оснащені системою наддування.

Відцентрове робоче колесо турбокомпресора, показано окремо

Газотурбінні двигуни

Схема двигуна з турбовентилятором.
1 — Вентилятор.
2 — Компресор низького тиску.
3 — Компресор високого тиску.
4 — Камера згоряння.
5 — Турбіна високого тиску.
6 — Турбіна низького тиску.
7 — Сопло.
8 — Вал ротора високого тиску.
9 — Вал ротора низького тиску.

Основним призначенням турбокомпресора є підвищення тиску робочого тіла газотурбінного двигуна шляхом його нагнітання компресором, котрий отримує енергію від турбіни. Турбокомпресор у сукупності з камерою згоряння, що розташована між турбіною і компресором, називається газогенератором. Турбокомпресор низького тиску турбореактивного двигуна, що складається з компресора низького тиску (вентилятора) і турбіни, інколи називають турбовентилятором^[3][4].

Турбокомпресори автомобільних двигунів

Розріз автомобільного турбокомпресора

В автомобілях турбокомпресор (англ. turbocharger) використовується у системах турбонаддування з метою покращення характеристик шляхом нагнітання повітря або паливо-повітряної суміші у двигун внутрішнього згоряння шляхом енергії вихлопних газів.

Турбокомпресор підвищує тиск у впускній системі двигуна, в результаті чого збільшується маса повітря, яке надходить у камеру згоряння, що дозволяє забезпечити приріст потужності двигуна до 30-40%.

Турбокомпресори, що використовуються в автомобільних двигунах, найчастіше (з міркувань мінімізації масо-габаритних параметрів) виконуються за двоконсольною схемою з опорами, які розташовуються між дисками компресора і турбіни. Вал обертається у підшипниках ковзання. Використовуються підшипники плаваючого типу, тобто вони мають зазор як з боку корпусу, так і валу. Підшипники змащуються моторною оливою системи змащення двигуна. Олива подається по каналах в корпусі підшипників. Для герметизації масла на валу встановлені защільнювальні кільця. У деяких конструкціях бензинових двигунів для поліпшення охолодження додатково застосовується рідинне охолодження турбонагнітачів. Корпус підшипників турбонагнітача включений у двоконтурну систему охолодження двигуна.

Вихлопні гази надходять у корпус і спрямовуються на лопатки турбінного колеса, яке набирає високих обертів (до 250000 об/хв), обертаючи при цьому робоче колесо компресора. Відпрацьовані гази після турбінного колеса покидають турбіну через осьовий отвір і відводяться у випускну систему. Турбіна працює в умовах високих температур, тому її елементи виготовляють з жароміцних матеріалів (залізо-нікелевих сплавів та сталей).

Продуктивність турбокомпресора переважно визначається розміром і формою турбіни. У загальному випадку, чим більшою є турбіна, тим вищою буде продуктивність компресора. Але при малих обертах двигуна компресор не спроможний забезпечувати потрібну продуктивність, у результаті чого спостерігається турбозатримка або «турбояма» (англ. turbolag) при збільшенні навантаження на двигун, що обумовлює відставання зростання вихідної потужності у відповідь на зміну тиску відпрацьованих газів.

Малий за розмірами турбокомпресор розкручується до номінальної швидкості значно швидше, зате має меншу продуктивність. Найменші розміри мають турбокомпресори для двигунів легкових автомобілів — діаметр їх коліс порядку 50 мм. Найбільші розміри у суднових турбокомпресорів — діаметр коліс — до 1,2 м.

На фото зліва видно латунний штуцер підключення зливу оливи. На фото справа видно лінію (у металевому оплетенні) подачі масла і штуцери подачі охолоджувальної рідини

Крильчатка компресора (кришку знято)

Турбінне колесо (корпус знято)

Для зниження наслідків турбозатримки, підвищення продуктивності конструкції турбокомпресорів постійно вдосконалюються. Найпопулярнішими технічними рішеннями є:

• зниження маси турбіни за рахунок застосування легших і міцних матеріалів (кераміка тощо);
• застосування нових конструкцій підшипників, що забезпечують зниження втрат на тертя;
• використання двох послідовних або паралельних турбокомпресорів (англ. twin-turbo або англ. bi-turbo відповідно);
• використання турбін зі змінною геометрією (англ. Variable-geometry turbochargers, VGT також відома як VNT—турбіна від англ. Variable Nozzle Turbine).

Основні параметри турбокомпресорів для автотракторних двигунів стандартизовані та дозволяють обирати їх типорозміри для конкретного двигуна за заданим ступенем підвищення тиску та припустимим значенням колової швидкості компресора. За цією швидкістю та діаметром диска робочого колеса визначається частота обертання вала. З умови міцності для дисків з нікелевих сплавів колова швидкість не повинна перевищувати 250…350 м/с при температурі газів перед турбіною 730 °C.

Див. також

• Газова турбіна