Турбина с изменяемой геометрией

Конструкция классической турбины

Упрощенно конструкцию классического турбонагнетателя можно представить в виде двух крыльчаток, соединенных вместе одной осью. Находятся эти крыльчатки в отдельных герметично разделенных камерах. На одну из крыльчаток подводятся выпускные газы работающего двигателя и заставляют ее вращаться. Это вращение передается через совместную ось на вторую крыльчатку, соединенную с подводом атмосферного воздуха. Захваченный крыльчаткой свежий воздух направляется к цилиндрам двигателя для сгорания.

Турбина увеличивает мощность двигателя

Дело в том, что мощность дизельного двигателя увеличивается за счет подачи большего количества топлива. Но в этом случае мы очень быстро столкнемся с проблемой: увеличив порцию топлива в очередной раз, мы определим, что все оно не сгорает - для его горения не хватает кислорода. Помните школьные уроки, на которых нам утверждали, что горение - это химическая реакция? Это правда. Окисление происходит с помощью кислорода и, если его мало, то нам не удастся сжечь (= окислить) все топливо. В этом случае достигается предел мощности.

Осознав задачу, инженеры разработали турбокомпрессор, который нагнетает дополнительный воздух в камеры сгорания. Есть дополнительный воздух, значит можно увеличить порцию впрыскиваемого топлива и увеличить мощность двигателя

Турбояма

Выпускные газы могут раскрутить крыльчатки турбины до скорости 150 000 - 210 000 об/мин! Если не учитывать геометрические особенности конструкции турбины, то можно вывести простую взаимосвязь: чем больше отработанных газов попадают в турбину, тем выше ее скорость вращения и тем больше свежего воздуха она нагнетает. Именно здесь классическую турбину подстерегает неприятность. Дело в том, что мы ожидаем от турбодвигателя ускорения в любой момент. Представьте себе, что автомобиль двигается с небольшой скоростью, а двигатель работает в нижнем диапазоне частоты вращения. В таком экономном режиме двигатель вырабатывает малое количество отработанных газов и, следовательно, скорость вращения турбины низкая.

Тут водитель решает обогнать автобус, резко нажимает на педаль акселератора и ... ничего не происходит. Ожидаемого ускорения нет. Причиной является врожденная задержка турбины, называемая в народе «турбоямой»: сразу же после команды водителя скорость вращения турбины низкая, а двигатель сначала увеличивает впрыск, потом это топливо сгорает и только потом поступает к турбине в виде отработанных газов. Постепенно скорость турбины увеличивается, она нагнетает больше воздуха и вот оно долгожданное ускорение - можно обгонять, но тут на «встречке» вырисовывается другой автомобиль и маневр приходиться откладывать. Неприятно.
Решение пришло в виде турбины с изменяемой геометрией. Ее отличие от классической конструкции - наличие специальных направляющих лепестков в канале, через который на крыльчатку подводятся отработанные газы. Принцип работы умиляет своей простотой.

Принцип работы турбины с изменяемой геометрией

Принцип работы турбокомпрессора с изменяемой геометрией состоит в изменении сечения на входе колеса турбины с целью оптимизировать мощность турбины для заданной нагрузки.

При низких оборотах двигателя и поток отработанных газов является небольшим и он раскручивает турбину недостаточно сильно для резкого ускорения. В этот момент по сигналу блока управления направляющие лопатки смещаются и уменьшают расстояние между собой. Несмотря на то, что объем отработанных газов не увеличился, ему теперь приходиться «протискиваться» через узкий коридор, что заставляет отработанные газы двигаться быстрее.
В результате обороты турбины возрастают и увеличивается давление наддува. Таким образом, удается увеличить скорость вращения турбины без резкого увеличения объема отработанных газов.

На полной скорости работы двигателя и при высоком уровне газового потока турбокомпрессор развдвигает направляющие лепестки, защищая себя от превышения оборотов и поддерживая давление наддува на уровне необходимом двигателю.

Изменение площади сечения (расстояния между направляющими элементами) может управляться непосредственно давлением турбины с помощью привода, с помощью вакуумного регулятора или шагового электромотора.

a. корпус турбины
b. крыльчатка для отработанных газов
c. корпус турбокомпрессора
e. ось рычага смещения регулируемого кольца
f. регулируемое кольцо
g. оси направляющих лепестков
h. направляющие лепестки