Как работают турбокомпрессоры и нагнетатели в поршневых двигателях?

Mar 09, 2024

Многие слышали эти условия; сегодня мы их сломаем.

Двигатели производят мощность путем сжигания воздуха и топлива. Воздух и топливо вместе называются смесью, которую иногда называют зарядом. В поршневом двигателе выходная мощность двигателя зависит от количества или веса заряда, который может быть принят цилиндрами двигателя.

Вес смеси, которую могут всасывать поршни в цилиндры, во многом зависит от ее температуры и давления. Когда самолет набирает высоту, уменьшение плотности воздуха приводит к снижению давления воздуха, и, в конечном итоге, в цилиндры поступает меньше кислорода. По этой причине безнаддувный двигатель теряет мощность с увеличением высоты.

Чтобы увеличить мощность поршневого двигателя, он может быть с турбонаддувом или наддувом.

Турбокомпрессор состоит из турбины и компрессорного узла. Турбина и компрессор установлены на одном валу; таким образом, когда вращается турбина, вращается и компрессор.

Компрессор турбокомпрессора напрямую подключен к системе впуска цилиндров, а турбина - к системе выхлопа. Компрессор также открыт для воздухозаборника двигателя.

Турбокомпрессоры могут увеличить мощность двигателя на взлете и позволить самолету подниматься на большую высоту. Безнаддувный двигатель может создавать давление на уровне моря только в 29,92 дюйма Меркурия. По мере подъема давление падает из-за пониженной плотности воздуха. С турбокомпрессором двигатель может генерировать гораздо большую мощность. Например, один из самых мощных когда-либо созданных поршневых двигателей Pratt & Whitney R-4360 с наддувом может создавать давление в коллекторе в 60 дюймов Меркурия на взлете, что чуть более чем в два раза превышает нормальное атмосферное давление.

Независимо от того, оснащен ли двигатель турбонаддувом или нет, он все равно будет терять мощность при наборе высоты. Однако при использовании двигателя с турбонаддувом или наддувом двигатель теряет мощность гораздо медленнее. Это облегчает подъем на большую высоту и достижение большей скорости.

Когда турбокомпрессор вращается, воздух поступает в компрессор, увеличивая давление воздуха. Компрессоры, используемые в турбокомпрессорах, в основном центробежные и состоят из двух основных частей: крыльчатки и диффузора. Когда воздух попадает на крыльчатку, он ускоряется и выбрасывается за пределы крыльчатки. Из крыльчатки воздух, получивший теперь значительную кинетическую энергию, подается в диффузор. Диффузор состоит из лопаток, образующих расходящиеся каналы. Когда воздушный поток проходит через эти каналы, увеличенная площадь уменьшает скорость воздуха, увеличивая его давление. Это простое преобразование кинетической энергии (скорости) в потенциальную энергию (давление).

Турбинный узел турбокомпрессора — это то, что приводит в движение компрессор. Для этого выхлопные газы из выхлопа двигателя направляются на турбину, заставляя ее вращаться. Количество выхлопных газов, попадающих в турбину, контролируется так называемым перепускным клапаном.

Это наиболее важная часть турбокомпрессора, поскольку она контролирует его скорость или вращение. Перепускная заслонка, по сути, представляет собой клапанный механизм, который контролирует количество выхлопных газов, поступающих в турбину турбокомпрессора. Когда вестгейт полностью закрыт, почти все выхлопные газы двигателя направляются в турбину. Это увеличивает скорость вращения турбины и турбокомпрессора.

Перепускной клапан должен надлежащим образом контролироваться, чтобы предотвратитьчрезмерное повышение ситуация. Чрезмерное наддув — это состояние, при котором двигатель испытывает слишком большое давление, что приводит к серьезным повреждениям. Есть два метода управления вестгейтом. Один из них - передать управление перепускной заслонкой пилоту, а другой (который является наиболее предпочтительным методом) - иметь автоматический механизм для управления им.

Контроллер абсолютного давления (APC) автоматически управляет перепускной заслонкой, чтобы предотвратить чрезмерное наддув. APC содержит анероидную капсулу, которая может измерять давление на выходе компрессора турбонагнетателя. Он использует давление масла от смазки двигателя для управления приводом перепускной заслонки, который оснащен пружинным механизмом. Когда на выходе компрессора обнаруживается слишком высокое давление, APC сливает масло из привода перепускной заслонки, в результате чего пружинный механизм открывает перепускную заслонку, позволяя некоторым выхлопным газам выйти в атмосферу. Когда двигателю требуется мощность, масло по команде APC подается к приводу перепускной заслонки, закрывая ее и перенаправляя выхлопные газы в турбину.