Современные тенденции в производстве турбин

Уменьшение размеров

Для борьбы с инерционностью наддува (замедленным временем реакции на нажатие педали акселератора) при резком ускорении конструкторы турбокомпрессоров уменьшают размеры турбин и увеличивают скорость их вращения.  

Фирмой ККК разработаны новые модели турбокомпрессоров (К-14, К-13, К-12, К-04, К-03) взамен более старой К-24. 

Турбокомпрессоры К-14, производящиеся с 1984 года (кроме прочих они устанавливались на автомобили концерна VW: Golf, Passat и Transporter), представляют собой развитие конструкции К-24.

Турбокомпрессор К-24 весит 8,1 кг, а диаметр его ротора равен 60 мм, в то время как турбокомпрессор К-14 весит всего 4,9 кг, а диаметр его ротора равен 50 мм. Ротор турбокомпрессора К-24 весит 0,289 кг, а К-14 – только 0,191 кг. Это дает уменьшение инерционных сил на 40% и приводит к уменьшению времени срабатывания на целую секунду.

 Фирма Garrett также усовершенствовала свои турбокомпрессоры: взамен старых Т-3 начала выпуск Т-2, и взамен Т-25 – перешла к Т-15, причем последний весит всего 3,3 кг и имеет диаметр ротора 43 мм.

Стремление к постоянному уменьшению размеров турбокомпрессоров не ограничивается только соображениями инерционности наддува, но заключается также и в том, что турбокомпрессор и систему промежуточного охлаждения подающегося воздуха все чаще рассматривают как единое целое. В то же время производители автомобилей стремятся использовать малогабаритные двигатели для того, чтобы иметь возможность улучшения аэродинамических форм своих машин. Нужно также принимать во внимание необходимость размещения дополнительных устройств, повышающих комфорт водителя и пассажиров. Использование ныне обязательных катализаторов и уловителей сажи также требует дополнительного пространства, поэтому под капотом современного автомобиля становится просто-напросто тесно, и все, что устанавливается там, должно иметь минимальные размеры.

Использование керамических материалов

В современных турбинах часто используют керамику. Керамика имеет меньшую плотность чем сталь, таким образом уменьшается инерция, и турбина быстрей раскручивается. Преимущества керамического ротора турбины следующие:

• большая температурная устойчивость (свыше 1200°С);
• значительно меньший вес (всего лишь 10% от массы металлического ротора);
• меньшая инерционность (ускоряется минимум в два раза быстрее, чем металлический);
• возможность уменьшения толщины стенок корпуса турбины и их массы;
• возможность модификации всего корпуса. Корпус уже не должен быть массивным, чтобы выдерживать удары отколовшихся частей ротора турбины;
• меньший коэффициент температурного расширения, чем у металлического ротора (при температуре 900°С линейное расширение не превышает 20% от расширения металлического ротора). Кроме того, он хуже поддается деформации. Поэтому расстояние между лопатками ротора турбины и стенкой ее корпуса может быть уменьшено, что делает турбину более эффективной.

Однако керамические турбины больше подвержены воздействию всяких примесей, поступающих из выпускного коллектора. Кроме этого, такие турбины больше чувствительны к ударным нагрузкам (их желательно не ронять!).

Трудности, возникающие на пути создания керамических роторов, – это хрупкость материала, неустойчивость к воздействию микроскопических частиц, усложненный производственный контроль качества.

В настоящее время испытываются различные варианты соединения металлической оси с керамическим ротором турбины. Сварка двух различных материалов представляет ряд трудностей. Существуют также конструкции вала и ротора, состоящие из одной керамической детали.

Кроме исследований керамических роторов турбины, разрабатываются также корпусы турбины с внутренним керамическим покрытием.

Для борьбы с микроскопическими твердыми частицами в отработавших газах фирмой Garrett создан корпус турбины с сепаратором и собирающей емкостью для этих частиц.

Шариковые подшипники

Цель применения шариков – это уменьшение трения, и соответственно увеличение силы выпуска. В этом деле пальма первенства принадлежит компании Nissan. Улучшение от использования шариковых подшипников составляет около 45% и время на раскрутку уменьшается примерно на 25%. Шарикоподшипниковые или роллерные турбины Garrett можно узнать по 6 болтам на их корпусе. Компания Garrett является ведущим производителем шарикоподшипниковых турбин, она снабжает своими частями многие известные фирмы, например такую как HKS. Компания APEXi использует части от IHI, эти турбины часто встречаются на автомобилях Subaru.

Изменяемая геометрия

Регулируемое сечение корпуса турбины – идеал, к которому стремились, начиная с установки газовой турбины на автомобиле Chrysler в 1958 году. Интерес к турбине с изменяемой геометрией заключается в том, что она снижает до минимума инерционность и позволяет турбине оптимально работать на повышенных оборотах или при максимальной нагрузке, причем регулировочный клапан не нужен.

В настоящее же время почти все производители турбокомпрессоров имеют свои системы с изменяемой геометрией. Так, фирма Garrett предлагает турбину с регулируемым сечением T-25-VNT с ротором, имеющим дополнительные подвижные лопатки, с помощью которых регулируется поток отработавших газов как на низких, так и на высоких оборотах двигателя.

Существует также другая конструкция – Garrett T25-VAT. Она имеет единственный подвижный лепесток в канале турбины, который уменьшает сечение и, соответственно, поток газов на низких оборотах. На более высоких оборотах лепесток полностью убирается, чтобы максимально использовать производительность турбины.

В обеих системах может быть установлен предохранительный клапан для предотвращения перегрузки.

Фирма ККК выпускает надежный и дешевый турбокомпрессор с изменяемой геометрией. В этой конструкции лопатки не приводятся сложной внешней системой рычагов, а свободно колеблются на своих собственных осях таким образом, что максимальная производительность обеспечивается при любых режимах работы двигателя. Степень открывания лопаток ограничена регулировочным кольцом, а положение кольца определяется положением педали акселератора.

Турбины с раздвоенным пульсом

Такие турбины имеют раздельные пути, ведущие к турбине. Это поддерживает пульс от выпускных газов в более изолированном состоянии, соответственно разные цилиндры оказывают меньше негативного влияния друг на друга, поэтому отдача улучшается. Турбины с раздвоенным пульсом (или с двойным входом) доступны от многих тюнинговых компаний, серийно же они встречаются на двигателе Toyota 3S-GTE, а также на некоторых моделях Nissan.

Перепускные клапана (Wastegates)

Цель перепускного клапана – пустить часть выпускного газа в обход турбины, таким образом ограничив скорость вращения турбины и соответственно и давление на впускном коллекторе. Перепускные клапана бывают двух видов: внутренние и внешние. На большинстве турбин используются внутренние. В следствие их расположения, поток проходящего воздуха очень ограничен, что не способствует высокой эффективности, соответственно газ может устремиться в турбину, так как там пройти проще, и повредить ее или двигатель.

Другая проблема, что выходящий из турбины газ и газ, идущий в обход, могут „резко встретиться”, в следствие чего может возникнуть эффект турбулентности, что оказывает отрицательное влияние на мощность.

Внешние перепускные клапана устанавливаются отдельно от турбины, именно такие ставятся на гоночные машины. Такие клапана, как правило, более надежны, но их размер часто не способствует удачному расположению под капотом обычной серийной машины. Такие компании, как HKS, Garrett и Turbonetics, выпускают перепускные клапана нескольких размеров, выбирать подходящий следует в зависимости от мощности. Одно из преимуществ внешнего клапана – это возможность регулировки механизма, т.е. точки, когда пружина начинает действовать.