Что такое сурдж турбины
Что такое сурдж турбины
Okolo Stok. Тюнинг запчасти запись закреплена
Помпаж и избыточное давление 
Для начала разберем, что такое помпаж и где его «найти».
Помпаж турбины – это неисправность в работе турбонаддува, которое характеризуется появлением пульсационного давления оказывающим ударную нагрузку на лопатки крыльчатки.
Использовать турбину, на которой обнаружился помпаж не стоит. Если ничего не предпринять, со временем это может привести к частичной деформации и как следствие разрушению деталей всасывающего тракта и воздушной крыльчатки. Кроме этого появляется вибрация деструктивно влияющая на весь двигатель и турбину, в частности.
Граница Surge (помпаж).
Граница Surge это крайняя левая линия компрессорной карты (Рисунок 1). Работа компрессора левее этой границы, т.е. за пределами обозначенной компрессорной картой, связанна с нестабильностью воздушного потока, всплесками и провалами наддува. Длительная работа компрессора в таком режиме приводит к преждевременному выходу его из строя в виду большой переменной нагрузки на подшипники и крыльчатку компрессора.
Турбина может попасть в режим Surge (помпаж) в одном из двух случаев.
Еще одним способом, помогающим снизить вероятность попадания компрессора в зону Surge является использование компрессорного хаузинга с так называемым «Ported Shroud». Фактически это обводные воздушные каналы, встроенные в компрессорный хаузинг (Рисунок 2, 3).
Важно заменить, что противопомпажный портинг не является панацеей и был разработан для минимизации помпажных явлений в турбо системах, а не для замены блу-оффов!
Это все хитро и умно расписано мастерами Garrett TurboTech. Но на практике, особенно на соревнованиях, зачастую специально «затягивают» блоу-офф до максимума или снимают вовсе для уменьшения лага турбины (очень неприятный провал по реакции на педаль). Такой способ «анти-лага» работает за счет постоянной поддержки давления во впускном тракте перед дросселем.
Основы турбонаддува. Часть 3
Эта часть будет несколько сложнее первых двух, в ней мы рассмотрим составляющие компрессорной карты, оценим «соотношение давлений» и массовый расход воздуха вашего двигателя, а так же научимся рисовать точки на компрессорной карте для правильно подбора турбокомпрессора.
Для начала обозначим и разъясним некоторые термины, с которыми нам придется столкнуться в этой статье:
Понятие абсолютного и относительного давления.
Под абсолютным давлением мы будем понимать давление относительно полного вакуума. Соответственно оно может быть только больше или равным нулю. На Земле на уровне моря оно принято равным одной атмосфере или 1атм.
Под относительным давлением мы будем понимать давление относительно атмосферного. Соответственно оно может быть как положительным так и отрицательным, в зависимости от того больше или меньше оно чем атмосферное.
Составляющие компрессорной карты
Компрессорная карта это график, описывающий конкретные характеристики компрессора в различных режимах его работы. Среди этих характеристик мы разберем: эффективность компрессора, диапазон массового расхода воздуха, возможности работы на разных давлениях наддува, а так же скорость вращения вала турбины.
Ниже приведена типичная компрессорная карта с названиями ее составляющих.
Рассмотрим их по порядку:
По вертикальной оси у нас расположен Pressure Ratio, или «соотношение давлений», величина, описываемая как отношение абсолютного давления на выходе из компрессора к абсолютному давлению на его входе:
*Очень грубо говоря эта величина просто показывает во сколько раз компрессор сжал воздух.
Как рассчитать Pressure Ratio: К примеру мы хотим рассмотреть ситуацию работы компрессора при 0.7 атм наддува в коллекторе. Для начала вспомним что «наддув» это относительное давление, а мы везде оперируем только абсолютным. Поэтому сразу добавляем к нему 1.0 атмосферного давления и дальше имеем в виду что у нас 1.7атм абсолютного давления в коллекторе
. В нашем случае, при нормальном атмосферном давлении на входе в турбину, соотношение давлений будет таким:
PR = Pcr/Pin = 1.7/1.0 = 1.7
Но на самом деле все несколько сложнее. В виду наличия в системе воздушного фильтра давление на входе в компрессор, как правило, несколько меньше атмосферного. В зависимости от размера и качества фильтра оно может быть меньше на 0.02-0.10атм. Допустим у нас оно меньше атмосферного на 0.05атм.
Тогда наша формула приобретет следующий вид:
PR = 1.7/(1.0-0.05) = 1.7 / 0.95 = 1.79
В случае спортивной машины без воздушного фильтра, мы можем принять наш делитель всегда равным единице и просто считать PR = 1 + ДавлениеНаВыходе.
Air Flow или расход воздуха
По горизонтальной оси у нас расположен «массовый расход воздуха».
Это величина, показывающая, массу воздуха, проходящую за единицу времени через компрессор и, соответственно, дальше через двигатель. Исторически это величина на компрессорных картах выражается в lb/min или по-русски в фунтах воздуха за минуту времени. Фунт это 0.45кг, а минута это 60 секунд 🙂
Поскольку, как мы уже проходили, мощность двигателя напрямую зависит от количества топливо-воздушной смеси которая проходит через него, массовый расход, это, одна из главных характеристик которую мы можем получить, изучая компрессорную карту. При прохождении через мотор 1 фунта воздуха в минуту, современные моторы вырабатывает в среднем 9-11 лошадиных сил мощности. Соответственно даже беглый взгляд на компрессорную карту может нам сказать, на какую потенциальную мощность мы можем рассчитывать с этой турбиной. На приведенном выше примере, область работы компрессора заканчивается примерно на 52 фунтах, соответственно эту турбину грубо можно сразу оценить на 500лс.
Что такое Surge
Граница Surge это крайняя левая линия компрессорной карты. Работа компрессора левее этой границы, т.е. за пределами обозначенной компрессорной картой, связанна с нестабильностью воздушного потока, всплесками и провалами наддува. Длительная работа компрессора в таком режиме приводит к преждевременному выходу его из строя в виду большой переменной нагрузки на подшипники и крыльчатку компрессора.
Турбина может попасть в режим Surge в одном из двух случаев.
Еще одним способом, помогающим снизить вероятность попадания компрессора в зону Surge является использование компрессорного хаузинга с так называемым «Ported Shroud». Фактически это обводные воздушные каналы, встроенные в компрессорный хаузинг:
Благодаря этим каналам удается сместить границу Surge левее по компрессорной карте, за счет того что часть воздуха может выйти из компрессора назад во впуск. Это позволяет при прочих равных использовать больший компрессор на меньшей турбинной части без возникновения эффекта Surge. Ниже приведено сравнение двух компрессорных карт: с обычным компрессорным хаузингом и со встроенными обводными каналами:
Видно, что есть довольно значительная область карты красного цвета, которая является рабочей для турбины с портированным компрессорным хаузингом, но при этом находится левее границы Surge карты синего цвета, соответствующей обычному хаузингу.
Как это выглядит в реальной жизни? Ниже приведено фото двух турбин 30й серии, первая 3071 без «Ported Shroud», вторая 3076 с заводским «Ported Shroud»
Так же бывает возможность доработки заводского компрессорного хаузинга под «Ported Shroud», если с завода он не был изготовлен. Например в случае GT3582R это выглядит так:
Посмотрим еще раз на нашу компрессорную карту и рассмотрим последние три составляющих:
«Предельная граница эффективности», «Зоны эффективности компрессора» и «Скорость вращения турбины»
Предельная граница эффективности компрессора
Как линия Surge ограничивает карту слева, так граница эффективности ограничивает ее справа. Garrett на своих картах указывает область работы компрессора до 60-58% эффективности. Все, что находится правее этой границы, будет иметь эффективность ниже 58% и использование компрессора в этой области теряет смысл. За этим пределом начинается неоправданно большой нагрев сжимаемого компрессором воздуха, а скорость вращения турбины выходит за допускаемые производителем значения.
Зоны эффективности компрессора
Мы видим концентрические замкнутые линии, расходящиеся из центральной области карты. Возле каждой такой линии подписано значение эффективности компрессора внутри области очерченной этой линией. Самая маленькая область в центральной части соответствует максимально возможной эффективности компрессора. По мере удаления от центра мы будем попадать в области все меньшей и меньшей эффективности пока не упремся либо в предел по Surge слева, либо в предел по производительности справа.
Скорость вращения турбины
Линии, обозначенные на карте как «скорость вращения турбины», показывают с какой скоростью будет вращаться вал турбины в этой области. Значения выражаются в оборотах вала за минуту времени. С ростом скорости вращения турбины у нас увеличивается давление и/или расход воздуха через компрессор. Как видно, эти линии начинают сходиться в области границы зоны эффективности и, как уже было сказано выше, за пределами этой области скорость вращения турбины быстро увеличивается за пределы допустимого.
На этом мы заканчиваем рассмотрение компрессорной карты и теперь, понимая что на ней изображено, в следующей главе мы перейдем к изучению процесса подбора турбины под конкретный мотор.
По материалам Garrett TurboTech.
Перевод и адаптация Oleg Coupe (TurboGarage)
При использовании материалов ссылка на источник обязательна.
surge
бросок напряжения
Волна напряжения переходного процесса, распространяющаяся по линии или по цепи и характеризующаяся быстрым нарастанием, за которым следует более медленное снижение напряжения (МСЭ-Т K.43, МСЭ-Т K.48).
[http://www.iks-media.ru/glossary/index.html?glossid=2400324]
Тематики
выброс напряжения
Динамическое изменение напряжения в сети электропитания в виде повышения напряжения за верхний допустимый предел.
[ГОСТ 19542-93]
Выброс напряжения – динамическое кратковременное отклонение напряжения с последующим возвращением к исходному значению.
В отличие от заброса напряжения причинами выброса напряжения могут быть не только изменение нагрузки, но и повреждения электрических сетей, процессы коммутации и др.
С точки зрения электромагнитной совместимости выброс напряжения рассматривается как помеха, воздействующая на работу технического средства. По длительности и амплитуде выброса напряжения нормативные документы различают несколько степеней жесткости испытаний.
При испытаниях на устойчивость ТС должно быть подвергнуто воздействию выбросов напряжения не менее трёх раз, с интервалом между ними не менее 10 с.
Информация об устойчивости цифровых устройств релейной защиты к выбросам напряжения содержится в работе [3].
Тематики
выброс тока
бросок тока
экстраток
—
[Я.Н.Лугинский, М.С.Фези-Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо-русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999 г.]
Тематики
Синонимы
гидравлический удар
Резкое повышение или понижение давления движущейся жидкости при внезапном уменьшении или увеличении скорости потока
[ГОСТ 26883-86]
удар гидравлический
Резкое повышение давления жидкости в трубопроводе при внезапном изменении скорости потока в случае остановки насосов или быстрого перекрытия трубопровода
[ Терминологический словарь по строительству на 12 языках (ВНИИИС Госстроя СССР) ]
Тематики
Обобщающие термины
Тематики
импульсное перенапряжение
В настоящее время в различных литературных источниках для описания процесса резкого повышения напряжения используются следующие термины:
Мы в своей работе будем использовать термин «импульсное перенапряжение», понимая под ним резкое изменение напряжения с последующим восстановлением
амплитуды напряжения до первоначального или близкого к нему уровня за промежуток времени до нескольких миллисекунд вызываемое коммутационными процессами в электрической сети или молниевыми разрядами.
В соответствии с классификацией электромагнитных помех [ГОСТ Р 51317.2.5-2000] указанные помехи относятся к кондуктивным высокочастотным переходным электромагнитным апериодическим помехам.
[ Техническая коллекция Schneider Electric. Выпуск № 24. Рекомендации по защите низковольтного электрооборудования от импульсных перенапряжений ]
surge
spike
Sharp high voltage increase (lasting up to 1mSec).
[http://www.upsonnet.com/UPS-Glossary/]
Параллельные тексты EN-RU
Surges are caused by nearby lightning activity and motor load switching
created by air conditioners, elevators, refrigerators, and so on.
[APC]
ВОПРОС: ЧТО ЯВЛЯЕТСЯ ИСТОЧНИКОМ ИМПУЛЬСНЫХ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ И ПОМЕХ?
ВОПРОС: КАК ОПАСНОЕ ИМПУЛЬСНОЕ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЕ МОЖЕТ ПОПАСТЬ В МОЮ СЕТЬ И НАРУШИТЬ РАБОТУ ОБОРУДОВАНИЯ?
ВОПРОС: ПОЧЕМУ ПРОБЛЕМА ЗАЩИТЫ ОТ ИМПУЛЬСНЫХ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ ОСТРО ВСТАЛА ИМЕННО В ПОСЛЕДНЕЕ ВРЕМЯ?
Эта проблема приобрела актуальность в связи с интенсивным внедрением чувствительной электроники во все сферы жизни. Учитывая возросшее количество информационных линий (связь, телевидение, интернет, ЛВС и т.д.) как в промышленности, так и в быту, становится понятно, почему защита от импульсных перенапряжений и приобрела сейчас такую актуальность.
Перенапряжением называется любое превышение напряжения относительно максимально допустимого для данной сети. К этому виду сетевых помех относятся как перенапряжения связанные с перекосом фаз достаточно большой длительности, так и перенапряжения вызванные грозовыми разрядами с длительностью от десятков до сотен микросекунд. Методы и средства борьбы зависят от длительности и амплитуды перенапряжений. В этом отношении импульсные перенапряжения можно выделить в отдельную группу.
Под импульсным перенапряжением понимается кратковременное, чрезвычайно высокое напряжение между фазами или фазой и землей с длительностью, как правило, до 1 мс.
При наличии системы громоотвода импульс разряда распределяется между громоотводом, сетью питания, линиями связи и бытовыми коммуникациями. Характер распределения во многом зависит от конструкции здания, прокладки линий и коммуникаций.
Переключения в энергосети вызывают серию импульсных перенапряжений различной мощности, сопровождающуюся радиочастотными помехами широкого спектра. Природа возникновения помех приведена на примере ниже.
Например при отключении разделительного трансформатора мощностью 1кВА 220\220 В от сети вся запасенная трансформатором энергия «выбрасывается» в нагрузку в виде высоковольтного импульса напряжением до 2 кВ.
Мощности трансформаторов в энергосети значительно больше, мощнее и выбросы. Кроме того переключения сопровождаются возникновением дуги, являющейся источником радиочастотных помех.
Электростатический заряд, накапливающийся при работе технологического оборудования интересен тем, что хоть и имеет небольшую энергию, но разряжается в непредсказуемом месте.
Форма и амплитуда импульсного перенапряжения зависят не только от источника помехи, но и от параметров самой сети. Не существует два одинаковых случая импульсного перенапряжения, но для производства и испытания устройств защиты введена стандартизация ряда характеристик тока, напряжения и формы перенапряжения для различных случаев применения.
Так для имитации тока разряда молнии применяется импульс тока 10/350 мкс, а для имитации косвенного воздействия молнии и различных коммутационных перенапряжений импульс тока с временными характеристиками 8/20 мкс.
Таким образом, если сравнить два устройства с максимальным импульсным током разряда 20 кА при 10/ 350 мкс и 20 кА при импульсе 8/20 мкс у второго, то реальная «мощность» первого примерно в 20 раз больше.
Существует четыре основных типа устройств защиты от импульсного перенапряжения:
1. Разрядник
Представляет собой ограничитель перенапряжения из двух токопроводящих пластин с калиброванным зазором. При существенном повышении напряжения между пластинами возникает дуговой разряд, обеспечивающий сброс высоковольтного импульса на землю. По исполнению разрядники делятся на воздушные, воздушные многоэлектродные и газовые. В газовом разряднике дуговая камера заполнена инертным газом низкого давления. Благодаря этому их параметры мало зависят от внешних условий (влажность, температура, запыленность и т.д.) кроме этого газовые разрядники имеют экстремально высокое сопротивление (около 10 ГОм), что позволяет их применять для защиты от перенапряжения высокочастотных устройств до нескольких ГГц.
При установке воздушных разрядников следует учитывать выброс горячего ионизированного газа из дуговой камеры, что особенно важно при установке в пластиковые щитовые конструкции. В общем эти правила сводятся к схеме установки представленной ниже.
Время срабатывания менее 25 нс. Максимальный импульсный ток от 2 до 40 кА при длительности импульса 8/20 мкс.
Однако при прямом попадании молнии в электросеть может нарушиться целостность изоляции первичной обмотки и трансформатор выходит из строя.
4. Защитный диод
Защита от перенапряжения для аппаратуры связи. Обладает высокой скоростью срабатывания (менее 1 нс) и разрядным током 1 кА при токовом импульсе 8/20 мкс.
Все четыре выше описанные ограничителя перенапряжения имеют свои достоинства и недостатки. Если сравнить разрядник и варистор с одинаковым максимальным импульсным током и обратить внимание на длительность тестового импульса, то становится ясно, что разрядник способен поглотить энергию на два порядка больше, чем варистор. Зато варистор срабатывает быстрее, напряжение срабатывания существенно ниже и гораздо меньше помех при работе.
Разделительный трансформатор, при определенных условиях, имеет безграничный ресурс по защите нагрузки от импульсного перенапряжения (у варисторов и разрядников при срабатывании происходит постепенное разрушение материала элемента), но для сети 100 кВА требуется трансформатор 100кВА (тяжелый, габаритный и довольно дорогой).
Следует помнить, что при отключении первичной сети трансформатор сам по себе генерирует высоковольтный выброс, что требует установки варисторов на выходе трансформатора.
Одной из серьезных проблем в процессе организации защиты оборудования от грозового и коммутационного перенапряжения является то, что нормативная база в этой области до настоящего времени разработана недостаточно. Существующие нормативные документы либо содержат в себе устаревшие, не соответствующие современным условиям требования, либо рассматривают их частично, в то время как решение данного вопроса требует комплексного подхода. Некоторые документы в данный момент находятся в стадии разработки и есть надежда, что они вскоре выйдут в свет. В их основу положены основные стандарты и рекомендации Международной Электротехнической Комиссии (МЭК).
Чем опасно импульсное перенапряжение для бытовых электроприборов?
Изоляция любого электроприбора рассчитана на определенный уровень напряжения. Как правило электроприборы напряжением 220 – 380 В рассчитаны на импульс перенапряжения около 1000 В. А если в сети возникают перенапряжения с импульсом 3000 В? В этом случае происходит пробои изоляции. Возникает искра – ионизированный промежуток воздуха, по которому протекает электрический ток. В следствии этого – электрическая дуга, короткое замыкание и пожар.
Заметьте, что прибой изоляции может возникнуть, даже если у вас все приборы отключены от розеток. Под напряжением в доме все равно останутся электропроводка, распределительные коробки, те же розетки. Эти элементы сети также не защищены от импульсного перенапряжения.
Причины возникновения импульсного перенапряжения.
Одна из причин возникновения импульсных перенапряжений это грозовые разряды (удары молнии). Коммутационные перенапряжения которые возникают в результате включения/отключения мощной нагрузки. При перекосе фаз в результате короткого замыкания в сети.
Защита дома от импульсных перенапряжений
Существует частичная и полная защита устройствами УЗИП.
Частичная защита подразумевает защиту непосредственно от пробоя изоляции (возникновения пожара), в этом случае достаточно установить один прибор УЗИП на вводе электрощитка (защита грубого уровня).
При полной защите УЗИП устанавливается не только на вводе, но и возле каждого потребителя домашней электросети (телевизора, компьютера, холодильника и т.д.) Такой способ установки УЗИП дает более надежную защиту электрооборудованию.
Как читать турбокарты
Ознакомившись с данным материалом вы сможете научиться базовому чтению турбокарт
Этот материал возможно поможет вам лучше понимать/считывать информацию с т.н. турбокарт, представленных для большинства компрессоров и явится подсказкой при выборе турбины.
Термин «компрессор», употребляемый мной в статье не является определением механических нагнетателей, а относится к турбинам и к центробежным нагнетателям.
Основные параметры работы компрессоров и турбин в основном показаны на т.н. турбокартах, наглядно иллюстрирующих отношение между величиной давления (Pressure ratio) и объемом/массовым расходом (volume flow rate) воздуха компрессором
Область данных на карте, используемая для центробежных нагнетателей, ограничена линиями Surge line и Choke line, а также максимально допустимой скоростью компрессора (Maximum Permissible Speed)
Итак, что такое Choke line
Правая граница турбокарты
Максимальный расход воздуха центробежного компрессора обычно ограничивается профилем впускного отверстия компрессора. Когда поток воздуха на входе в компрессор достигает скорости звука, дальнейшее увеличение расхода воздуха невозможно. Границу Choke line легко найти на карте по резко падающим линиям скорости (Maximum Permissible Speed) справа.
После выхода за пределы Choke line резко снижается эффективность компрессора. В случае превышения допустимого порога Choke line необходимо подобрать компрессор большего размера.
Что такое Surge line
Левая граница турбокарты, т.н. линия срыва потока.
Длительная работа турбины в этой области может привести к ее раннему выходу из строя в связи с превышением нагрузки на ось.
Помпаж обычно возникает в одной из двух ситуаций
Вторая ситуация обычно возникает в случае резкого отпускания газа после набора оборотов и давления под нагрузкой. Это происходит из-за того, что массовый поток воздуха резко уменьшен, поскольку дроссельная заслонка закрыта, но компрессор все еще быстро вращается и дает наддув. Это сразу-же переносит нас в левую сторону турбокарты, прямо в зону помпажа
Помпаж пройдет сам, когда скорость вращения компрессора снизится и давление упадет. Но так никаких турбин не напосешься.
В случае использования байпасного клапана (recirculating bypass valve) сбрасываемый поток воздуха повторно попадает во впуск компрессора.
Блоуофф-же выбрасывает давление в атмосферу, издавая характерное пшиканье.
Efficiency Islands (Островки эффективности)
Представляют собой концентрические области на турбокарте, которые показывают эффективность компрессора в любом месте карты.
Самый маленький «остров» около центра карты является островом пиковой эффективности (peak efficiency island)
Последующие, удаляющиеся от центра кольца, являются показателем снижения эффективности компрессора