Mendelova univerzita v Brně Institut celoživotního vzdělávání
Měření a výkonnostní charakteristiky turbodmychadel Bakalářská práce
Vedoucí práce:
Vypracoval:
prof. Ing. Jan Mareček, DrSc.
Tomáš Knop
Brno 2013
ZADÁNÍ – VLOŽIT ORIGINÁL
PROHLÁŠENÍ Prohlašuji, že jsem bakalářskou práci na téma ,,Měření a výkonnostní charakteristiky turbodmychadel“ vypracoval samostatně a použil jen pramenů, které cituji a uvádím v přiloženém seznamu literatury. Bakalářská práce je školním dílem a může být použita ke komerčním účelům jen se souhlasem vedoucího bakalářské práce a děkana ICV MZLU v Brně. V Brně dne:
1.6.2013
Podpis studenta:
_______________________
PODĚKOVÁNÍ Děkuji zejména vedoucímu své bakalářské práce prof. Ing. Janu Marečekovi, DrSc. za cenné rady a za čas, který mi věnoval. Také panu Ing. Lubomíru Holoubkovi, Ph.D za technickou podporu v zkušební laboratoři a panu Bc. Janu Trávníčkovi za odborné rady v rámci mapování.
ABSTRAKT
Měření a výkonnostní charakteristika turbodmychadel je základním krokem při vývoji turbodmychadel. Pro testování je důležitá náležitá příprava testu a dokonalá montáž. V zásadě jsou hlavními problémovými faktory tyto: netěsnost systému, vadné čidlo měřícího zařízení, nedokonalé zaizolování měřících sekcí, chybné vstupní parametry turbodmychadla do ovládacího programu. Z těchto faktorů pak vyplývá špatná opakovatelnost testu a nedosažení požadovaných parametrů.
KLÍČOVÁ SLOVA Turbodmychadlo, kompresor, turbína, teplota, tlak, test.
ABSTRACT
Measurement and performance characteristics of the turbocharger is a fundamental step in the development of turbochargers. The testing is important to the proper preparation of test and perfect fitting. Basically, the main problem these factors: system leaks, faulty sensor measuring devices, imperfect insulation of the measuring section, incorrect input parameters to control program of turbocharger. These factors then shows poor repeatability test and failure to achieve the required parameters.
KEY WORDS Turbocharger, compressor, turbine, temperature, pressure, test.
OBSAH 1
ÚVOD ....................................................................................................................... 8
2
VYMEZENÍ PROBLÉMU A CÍLE PRÁCE ....................................................... 9
3
4
5
6
1.1
Vymezení problému práce ................................................................................. 9
2.1
Cíle práce ........................................................................................................... 9
METODIKA .......................................................................................................... 10 3.1
Princip činnosti................................................................................................. 10
3.2
Funkce a základní popis součástí a děje při přeplňování ................................. 12
TURBODMYCHADLO ....................................................................................... 13 4.1
Základní části turbodmychadla ........................................................................ 13
4.2
Příslušenství a další součásti turbodmychadel: ................................................ 17
4.2.1
Wastegate-WG .......................................................................................... 17
4.2.2
VNT- variabilní nastavení rozváděcích lopatek ....................................... 19
4.2.3
Blow-Off (Bypass) ventil.......................................................................... 20
4.2.4
Intercooler- chladič stlačeného vzduchu................................................... 22
TYPY TESTOVÁNÍ TURBODMYCHADEL PŘI VÝVOJI ........................... 23 5.1
Sekvence testu .................................................................................................. 24
5.2
Typy testování .................................................................................................. 24
5.2.1
Mapování .................................................................................................. 24
5.2.2
Termocykly ............................................................................................... 25
5.2.3
Destruktivní testy ...................................................................................... 28
5.2.4
Testy s poškozenou částí turbodmychadla................................................ 30
5.2.5
Olejové testy ............................................................................................. 30
5.2.6
Switching unit ........................................................................................... 31
5.2.7
Shaft motion .............................................................................................. 31
PRAKTICKÁ ČÁST ............................................................................................ 36 6.1
Měření veličin .................................................................................................. 36 6
6.1.1
Teplota ...................................................................................................... 36
6.1.2
Tlak ........................................................................................................... 37
6.1.3
Průtok ........................................................................................................ 38
6.2
MAPA KOMPRESORU .................................................................................. 40
6.2.1
Charakteristika kompresoru : .................................................................... 40
6.2.2
Průběh děje v kompresor housingu ........................................................... 40
6.2.3
Pracovní cyklus kompresoru ..................................................................... 41
6.2.4
Pracovní cyklus kompresoru ..................................................................... 42
6.2.5
adiabatická komprese ................................................................................ 42
6.2.6
Průhěh ztrát v jednotlivých částech kompresoru ...................................... 43
6.2.7
Geometrický popis jednotlivých částí kompresoru .................................. 44
6.3
TURBÍNOVÁ ČÁST ....................................................................................... 44
6.3.1
Průběh děje v turbíně ................................................................................ 44
6.3.2
Pracovní cyklus turbíny ............................................................................ 45
6.3.3
Podrobný popis jednotlivých částí turbíny ............................................... 47
6.3.4
Geometrický popis jednotlivých částí turbíny .......................................... 47
6.3.5
Charakteristika turbíny ............................................................................. 48
6.4
HODNOTY POUŽÍVANÉ V MAPÁCH (CHARAKTERISTIKÁCH) ........ 49
6.4.1
Vlivy
nedokonalé
montáže
a
přípravy
testu
na
výkonnovou
charakteristiku:........................................................................................................ 51 6.4.2
Možná pochybení při montáži a při testu.................................................. 52
6.4.3
Příklady projevů některých uvedených chyb a jejich vliv na mapu ......... 52
7
OBECNÁ PRAVIDLA A DOPORUČENÍ ......................................................... 62
8
SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY................................................................. 67
9
SEZNAM OBRÁZKŮ .......................................................................................... 69
7
1
ÚVOD
Proč se používají turbodmychadla? Použití turbodmychadla, ať už na zážehovém, nebo vznětovém motoru, má mnoho výhod. Motor s turbodmychadlem má větší účinnost. Do spalovacího prostoru se dostane větší množství vzduchu, tudíž můžeme použít i vyšší množství paliva pro zachování poměru vzduch/palivo. Motor vykazuje vyšší pružnost, nižší spotřebu a má srovnatelné parametry jako atmosférický motor s vyšším zdvihovým objemem. Nebo se může jednat o jiný typ argumentu. Automobilka použitím turbodmychadla a několika úprav motoru, získá další možnou motorizaci, v jiné výkonnostní kategorii, nebo i několik motorizací, do své nabídky pro modely její značky. Někdo může argumentovat složitostí a cenou dalšího dílu do motoru. Ale dnes při sériové výrobě turbodmychadel a dostupných technologiích výroby, je tento argument zanedbatelný. Dnešním trendem je tzv. downsizing a tlak na snižování škodlivin ve výfukových plynech je obrovský. Turbodmychadlo a jeho použití je tedy jasný a základní krok pro splnění těchto limitů při zachování výkonových charakteristik motorů automobilek napříč celým trhem.
8
2
VYMEZENÍ PROBLÉMU A CÍLE PRÁCE
1.1 Vymezení problému práce Hlavní problematikou meření a testování turbodmychadel je spolehlivá opakovatelnost testu, dosažení požadovaných hodnot. Tyto hodnoty jsou odvislé od přípravy testu a správné montáže a zapojení měřidel.
2.1 Cíle práce Tato práce shrnuje výsledky provedených testů a jejich analýz, na základě nichž uvádí zobecnitelná a prakticky využitelná doporučení pro přípravu testu pro měření výkonnostních charakteristik turbodmychadel.
9
3
METODIKA
3.1 Princip činnosti Výkon motoru je úměrný množství vzduchu a paliva, které se může dostat do válců. Všechny zažité technické standardy
jsou stejné, větší motory pojmou
více
vzduchu, a jako takové budou produkovat více síly. Pokud chceme, aby malý motor měl parametry jako velký motor, nebo chceme-li využít například větší, chápejme –s větším zdvihovým objemem- motor pro vyšší výkon a kroutící moment, naším hlavním cílem je dopravit více vzduchu do válce. Po instalaci turbodmychadla a náležitých úpravách, které v této práci zmíníme, lze výkon motoru zvýšit. Z pohledu ekologického lze udržet stejnou výkonnostní charakteristiku motoru při nižší spotřebě paliva a nižších emisních hodnotách při použití motoru s menším zdvihovým objemem jako u motoru nepřeplňovaného ale s vyšším zdvihovým objemem. Na obecném schématu níže je znázorněna sestava spalovacího motoru přeplňovaného turbodmychadlem.
10
Obrázek 1 Schéma zapojení turbodmychadla na spalovacím motoru Popis: 1- Sání od vzduchového filtru do kompresorové části turbodmychadla 2 - Výstup z kompresorové části turbodmychadla 3 - Chladič stlačeného vzduchu, tzv. intercooler 4 - Sací kanál v hlavě motoru 5 - Výfukový kanál v hlavě motoru 6 - Vstup výfukových spalin do turbínové části turbodmychadla 7 -Výstup z turbínové části turbodmychadla dále do výfukového potrubí
11
3.2
Funkce a základní popis součástí a děje při přeplňování Přes
vzduchový
filtr
je
nasáván
turbodmychadlem
vzduch
z okolí.
V kompresorové části turbodmychadla je vzduch pak stlačený, což má za následek, že se zvýší hustota tohoto vzduchu. Dnešní přeplňované motory mají chladič plnicího vzduchu (3), ten ochlazuje stlačený vzduch a dále tím zvyšuje hustotu vzduchu a zároveň snižuje riziko detonací / samozápalů, respektive toto nebezpečí oddaluje. Po průchodu sacím potrubím (4) vzduch vstupuje do motoru do válce. Vzhledem k tomu, že vzduch nasátý do motoru má vyšší hustotu, tedy měrné množství vzduchu je větší, než vzduch nasátý běžným způsobem nepřeplňovaným motorem, můžeme do motoru vstřikovat i větší množství paliva, samozřejmě při zachování ideálního, nebo blízkého ideálnímu, poměru paliva a vzduchu ve spalovacím motoru. Poté, co proběhne expansní děj ve válci spaliny proudí výfukovým kanálem. (5) Tyto horké výfukové plyny poté pokračují do vstupu turbínové části turbodmychadla. (6) Tlak a teplota se využije k roztočení turbínového kola (7) a spaliny proudí dále výfukovým potrubím. Popsali jsme si obecně princip činnosti a některé výhody při použití turbodmychadla
na
spalovacím
motoru.
turbodmychadla.
12
Nyní
si
popíšeme
základní
části
4
TURBODMYCHADLO
4.1 Základní části turbodmychadla Základní části turbodmychadla: 1. Ložisková skříň •
Nese radiální a axiální ložiska
•
Je chlazena olejem, chladící kapalinou, vzduchem a kombinacemi těchto možností-olej vždy
•
Prochází jí hřídel turbínového kola
2. Turbínová skříň •
Na hřídeli v ní rotuje turbínové lopatkové kolo
•
Může obsahovat, nebo nést příslušenství např.: aktuátor, WG, VNT
3. Kompresorová skříň •
Našroubované na hřídeli s levým závitem v ní rotuje kompresorové kolo
•
Může nést příslušenství např.: aktuátor, rozváděcí lopatky
•
S backplatem vytváří téměř těsný prostor pro stlačení vzduchu
4. Turbínové kolo s hřídelí •
Tepelně odolná slitina oceli
5. Kopresorové kolo •
Slitina hliníku
•
Titan – pro náročnější použití 13
6. Ložiska •
Kluzná o Axiální o Radiální
•
Valivá-kuličková
Základní části turbodmychadla jsou vyobrazeny na následujícím obrázku.
Obrázek 2-Schematický řez turbodmychadlem
Porovnání kluzných a valivých ložisek Kluzná ložiska se používají již dlouho, ale nyní se opět zvyšuje počet použití ložisek kuličkových. A to hlavně díky dostupným technologiím a materiálům, což vede ke zvýšení výkonu turbodmychadla. Inovace systému využívajícího kuličkových ložisek začaly v důsledku práce s „motorsportem“. Při použití kuličkových ložisek má turbodmychadlo rychlejší/strmější náběh do vyšších otáček cca o 15% a motor má lepší odezvu na pohyb plynového pedálu.
14
Kuličková ložiska také spotřebují cca o polovinu méně energie, než při použití ložisek kluzných. Viz graf:
Obrázek 3Náběh turbodmychadla-porovnání
Jednou z dalších výhod je snížení průtoku oleje - kuličkové ložisko snižuje potřebné množství oleje potřebné pro zajištění odpovídajícího mazání.
Kuličkové ložisko je více odolné v mezních mazacích podmínkách, a snižuje možnost selhání turbodmychadla po vypnutí motoru ihned po zastavení vozidla, kdy se hřídel turbodmychadla dotáčí např. z plných otáček a nikoli z volnoběžných otáček motoru.
Další výhodou, nebo možností, je použití ložisek s kosoúhlým stykem, kde odpadá nutnost použít axiální kluzné ložisko a přitom je pohyb hřídele dokonale vymezen.
15
Dnešní turbodmychadla, pro představu, dosahují až těchto hodnot: •
Max. otáčky: +300 000ot/min
•
Přetlak 4-5 bar
•
Odolnost vůči teplotám vyšším jak 1000°C dlouhodobě na turbínové straně
•
Výstupní teplota vzduchu za výstupem z kompres. skříně je dle materiálu kolečka až 270°C
•
Odolávají thrust pressure-rozdílu tlaků- v obou skříních až 5 bar
Rozložené turbodmychadlo s popisky:
Obrázek 4 Součásti turbodmychadla
16
4.2 Příslušenství a další součásti turbodmychadel: 4.2.1
Wastegate-WG
Nachází se na turbínové straně a plní funkci ochrany proti přetočení turbodmychadla. Každé turbodmychadlo má svoji kritickou rychlost otáček. Tento systém používaly některé komerční dieselové motory, ale dnes již skoro vůbec. Nicméně drtivá většina aplikací zážehových motorů používá wastegate. Obecně jde o to, že wastegate v turbínové části turbodmychadla po dosažení určitého tlaku v kompresorové části, začne otvírat samotný přepouštěcí ventil a část spalin směřujících na turbínové kolo je odváděno mimo něj přímo do výfukového potrubí, aniž by se podílela na roztáčení tohoto kola. Tím se nepřekročí kritická rychlost, resp. kritické otáčky turbodmychadla, což by vedlo k jeho poškození, nebo výraznému opotřebení. Interní (zabudovaný v těle turbínové skříně) WG:
17
Obrázek 5Detail wastegatu Externí (zakomponovaný ve výfukových svodech) WG:
Obrázek 6 Externí wastegate
Wastegate
je
tedy
přepouštěcím
ventilem,
ať
už
zabudovaný
přímo
v turbodmychadle, nebo zabudovaný ve výfukových svodech. Wastegate může být ovládán přetlakem, nebo podtlakem. Funguje na principu rozdílu tlaku a následnému průhybu membrány v baňce proti pružině. Tímto průhybem pohybuje rodem-tyčkou, která ovládá pokličku v případě interního WG, nebo ventil v případě externího wastegatu. Rozdíl tlaků je dán rozdělením ovládací baňky na 2 části. V jedné části je podtlak, nebo přetlak – dle konstrukce WG. V druhé části je pak atmosférický tlak. Díky těmto rozdílům tlaků v obou částech baňky se prohýbá membrána, na kterou je připevněn ovládací rod.
18
4.2.2
VNT- variabilní nastavení rozváděcích lopatek
VNT turbodmychadlo se používá především při aplikacích vznětových motorů. Obecně lze říci, že řada pohyblivých lopatek je umístěna kolem vstupu na turbínové kolo a může být nastavena okamžitě v závislosti na plnícím tlaku. Při tom se mění průtok výfukových plynů turbínovou skříní. Výsledkem toho je, že i při nízkých otáčkách motoru a tedy i nízké rychlosti výfukových plynů se turbodmychadlo může točit stejnými otáčkami , aby bylo dosaženo požadovaného plnícího tlaku. V druhém případě a to, že jsou otáčky motoru vysoké a rychlost proudění spalin je také vysoká, se lopatky úplně rozevřou a samy nezvyšují nijak rychlost proudění spalin na turbínové kolo, protože spaliny už tak mají dostatečnou rychlost k dosažení požadovaného plnícího tlaku.
Obrázek 7 Řez turbínovou skříní s VNT
19
Obrázek 8 VNT lopatky
Obrázek 9 VNT lopatky v turbínové skříni 4.2.3
Blow-Off (Bypass) ventil
Blow-Off ventil (BOV) je zařízení pro vyrovnávání tlaku v sacím traktu, aby se zabránilo nadměrnému tlaku v kompresorové skříni a také nadměrnému namáhání hřídele turbodmychadla na krut v momentě, kdy je škrtící klapka v poloze zavřeno. 20
BOV by měl být namontován mezi výstupem z kompresorové skříně a škrtící klapkou, nejlépe po proudu plnicího vzduchu z mezichladiče (pokud je ve výbavě). Když je škrtící klapka uzavřena rychle, proudění vzduchu se rychle sníží, způsobí nestabilitu průtoku a tlakové výkyvy. Tyto rychle cyklující tlakové výkyvy jsou slyšitelné. Toto zvýšené namáhání může nakonec vést ke zničení ložiska v důsledku vysokého zatížení spojeného s vysokým namáháním hřídele. Navíc při opětovném sešlápnutí
plynového
pedálu,
respektive
otevření
škrtící
klapky,
nemusí
turbodmychadlo „přetláčet“ stlačený vzduch v celém systému, který není nikam nasáván, takže probíhají cyklicky výkyvy tlaku i směru proudění, ale velice rychle naplní prázdný systém plnícím vzduchem, který má správný směr proudění. Zapojení BOV do systému je opět dvojí. Jedna možnost, používaná u sériových motorizací je, že přepouštěný vzduch je veden zpět před saní do turbodmychadla. Druhá možnost je ta, že přepouštěný stlačený vzduch je vypouštěn do atmosféry, tohoto zapojení se používá u vysoce výkonných motorizací, v motorsportu, nebo výkonově upravených vozidlech.
Obrázek 10 BOV zabudovaný v intercooleru
21
4.2.4
Intercooler- chladič stlačeného vzduchu
V dnešní době se v rámci maximální účinnosti přeplňovaných motorů používají intercoolery. Intercooler má za úkol ochladit stlačený vzduch, který skrze něj proudí od kompresorové části turbodmychadla do saní a dále do sacího kanálu hlavy motoru. Má tedy zajistit jeho ochlazení, které způsobí zvýšení hustoty tohoto vzduchu. Zároveň díky nižší teplotě vzduchu dopravovaného do spalovacího prostoru nehrozí nebezpečí detonačního spalování a tím poškození motoru, respektive díky tomuto, je možno dosáhnout vyšší účinnosti a vyššího výkonu motoru. Pokud by intercooler v systému stlačeného vzduchu nebyl vřazen, nebo měl nedostačující kapacitu/rozměry, nastalo by detonační spalování, které by zaznamenalo čidlo klepání a řídící jednotka motoru by po tomto zaznamenání upravila předstih zapalování, dávku paliva, průběh vstřikování a následkem toho snížila plnící tlak turbodmychadla a tedy i výkon motoru. Což je nežádoucí.
Intercoolery jsou výměníky tepla a existují v těchto provedeních: •
Intercooler vzduch-vzduch – nejběžnější a nejúčinější provedení
•
Intercooler vzduch-voda – stlačený vzduch je ochlazován chladící kapalinou
•
Speciální verze vzduch-vzduch se systémem krátkodobého ostřiku intercooleru z vnějšku-spouští se za určitého plnícího tlaku, nebo ručně
•
Systém intercooleru spojeného se zařízením vstřikujícím do systému sání jemně rozprášenou mlhovinu směsi destilované vody a lihu v určitém poměru. Tento systém je velice účinný, používá se v motorsportu, své počátky má v letectví. Ve špičkových případech dokáže nahradit intercooler, nebo částečně suplovat menší velikost/plochu intercooleru.
22
5
TYPY TESTOVÁNÍ TURBODMYCHADEL PŘI VÝVOJI Při vývoji turbodmychadel se používá mnoho metod a postupů. Nejdříve se udělá
teoretický výpočet a návrh v simulačních programech na PC, poté se poměrně dlouhou dobu testuje turbodmychadlo jako celek, nebo jeho součásti na zkušebním zařízení nazývanem Gasstand (GS), po testování se tyto zjištěné poznatky z testu na GS vyhodnotí, turbodmychadlo, nebo jeho část se upraví a absolvuje se nový test. Tak to jde tak dlouho, dokud turbodmychadlo, nebo jeho část, nesplňuje veškeré požadavky výrobce, nebo zákazníka, resp.zadavatele testu. Poté se pokračuje testováním přímo na motorech, které jsou na zkušebně a je zde opět simulován nějaký děj, nebo průběh jako za reálného provozu. Motory jsou připojené k výkonové aktivní brzdě. V této práci se zaměříme na samotné testování na zařízení Gasstand. Zjednodušeně se jedná o velice propracovaný plynový hořák, který dokáže simulovat běžné stavy za provozu, tak i extrémní podmínky. Základní rozdělení těchto zařízení je dle maximálního výkonu hořáku. Rozmezí se pohybuje od 200-1000kW.
Obrázek 11 Schema testovacího zařízení Gasstand
23
Do hořáku vstupuje zemní plyn a stlačený vzduch v určitém poměru řízeném soustavou ventilů, kterou ovládá počítač. Ke každému testu je vytvořena v ovládacím programu sekvence, podle které test probíhá. 5.1
Sekvence testu
Základní rozdělení sekvence je na 3 části. •
Heat up - zahřívací fáze, slouží k postupnému najetí/dosažení požadované
teploty na turbínové straně a ustálení požadovaných nejnižších otáček samotného testu. Slouží dále k ohřevu celého objemu oleje, chladící kapaliny, ustálení teplot a tlaků těchto kapalin. K ustálení teploty nasávaného vzduchu. •
Sekvence- samotná sekvence testu, která se odvíjí od požadavků zadavatele
testu, typu testu a očekávaných výsledků. Mezi jednotlivými kroky v sekvenci jsou opět časové rampy na ustálení všech hodnot, poté probíhá hlavní ukládání a opět další krok, to se opakuje v celé sekvenci •
Cool down – chladící fáze. Opět v několika sestupných krocích, pro vychlazení
materiálu, oleje, chladící kapaliny, měřících sekcí. Poté nastává chladnutí přirozenou cestou, nebo mimo sekvenci, roztočením turbodmychadla přes hořák, ale pouze stlačeným vzduchem.
5.2 Typy testování Nyní si zmíníme několik základních možných typů testování turbodmychadel. 5.2.1 Mapování Performance testy, jedná se výkonnostní charakteristiku turbodmychadla. Měříme teplotu a tlak ve všech čtyřech měřících sekcích, otáčky kompresorového kola měříme speedsenzorem, který je zašroubován skrze kompresorovou skříň a směřuje na lopatky kompres. kola. Ovládáme průtok turbínou i kompresorem, teplotu a tlak oleje, popřípadě chladící kapaliny.
24
5.2.2 Termocykly Endurance testy, jedná se o dlouhodobější testy, často simulující limitní stavy turbodmychadla a to cyklicky. V samotné sekvenci takový test vypadá asi tak, že turbodmychadlo má na vstupu do turbínové části 620°C teplotu spalin a 100 000 ot/min po několika vteřinách na těchto hodnotách nastává 30s rampa na 285 000 ot/min a teplota na vstupu do turbínové části je stanovena na 1050°C, nastává výdrž 5 minut a poté následuje rampa dolů na původní hodnoty. Tedy na turbínové části 620°C teplota spalin a 100 000 ot/min. Tento děj se opakuje 50 hodin bez přerušení.
Po 50 hodinách testu nastává cooldown, zmíněný výše. Po vychlazení probíhá demontáž turbodmychadla a kompletní revize. Reviduje se zejména opotřebení WG nebo VNT, odření ovládacího rodu a pinu. Dále pak trhliny v turbínové skříni. Po kompletní fotodokumentaci a naměření trhlin a vůlí se turbodmychadlo opět složí a namontuje na testovací zařízení. Spustí se test na dalších 50 hodin. Tento děj se opakuje až do dosažení zadaných hodin testu, například 800 hodin. Poté se vyhodnotí výsledky.
Zde uvádím několik příkladů z revizí endurance testu, jedná se o fotografie turbínové skříně:
Obrázek 12 Turbínová skříň, pohled z vně
25
Pohled na vstup do turbínové skříně, prasklý devider:
Obrázek 13 Schematicky znázorněný divider
Obrázek 14 Divider
26
Obrázek 15 Divider-prasklina
Obrázek 16 Divider-detail praskliny 27
Pohled na „tongue“ tzv. jazyk v turbínové skříni: (pohled ze směru ložiskové skříně na turbínovou skříň)
Obrázek 17 Poškozený jazyk turb. skříně 5.2.3 Destruktivní testy Testuje se výdrž v kritických otáčkách, test končí zničením turbodmychadla, nebo jeho části
Obrázek 18 Poškozené lopatky kompr. kola 28
Obrázek 19 Poškozená kompr. skříň
Obrázek 20 Poškozené kompr. kolo
Obrázek 21 Poškozené axiální ložisko 29
Obrázek 22 Poškozené kluzné ložisko 5.2.4 Testy s poškozenou částí turbodmychadla Většinou se jedná o turbodmychadla z výrobní linky. Schválně je implementována například chyba z výrobní linky, vadná montáž, otřep po obrábění, větší vůle, nesouosost a testuje se jednak typ projevu této chyby a jednak výdrž a vliv na výkonnostní charakteristiku
5.2.5 Olejové testy Testuje se výdrž ložisek v extrémních případech, nebo mnoho cyklických opakování. Jde o testy s nízkým tlakem oleje, cyklujícím tlakem oleje, s přehřátým olejem kolem 150-175°C.
Speciální částí olejových testů je testování
s použitím
kontaminovaného oleje. Takový olej obsahuje jemné piliny kovu, bronzu, křemičitý písek, naftu, karbonové spečence. Jedním z dalších typů „olejových“ testů je test probíhající asi takto: turbodmychadlo se roztočí na požadované otáčky a zahřeje se na provozní teplotu, po ustálení hodnot se vypne hořák a mazání turbodmychadla, tímto se simuluje vypínání přeplňovaného motoru. Olej se nechá několik minut zapékat a pak se hořák i mazání opět zapne a turbodmychadlo se roztočí opět do plných otáček a zahřeje se na provozní teplotu. Olej se zapéká v těsnících kroužcích na hřídeli a v ložisku, pak většinou dojde ke ztrátě těsnosti těsnících kroužků a olej začne unikat do rozpálené turbínové skříně. Následuje vzplanutí a možné přetočení turbodmychadla.
30
Obrázek 23 Zapečený olej v těsnících kroužcích
5.2.6 Switching unit Další typ testu je také na výdrž, je použito zařízení switching unit, které má dvě větve pro dva vstupy do turbínových částí. Testují se tedy 2 turbodmychadla zaráz. Jde o to, že se střídavě přepínají jednotlivé větve a turbodmychadla se pohybují v maximálních parametrech cyklicky za sebou, to simuluje jednotlivé náběhy do maximálního zatížení turbodmychadla. Po předem stanovených hodinách testu se opět dělají revize obdobného typu, jak bylo popsáno výše. 5.2.7 Shaft motion Tento test, jak již název napovídá, se zaobírá pohybem hřídele turbodmychadla při různých stavech a zatíženích. Hledají se limitní frekvence a překročení přetížení v jednotlivých osách. V kompresorové skříni jsou připraveny otvory pro sondy.
31
Obrázek 24 Příprava shaf motion testu
Obrázek 25Otvory pro sondy 32
Po zkalibrování sond a zapojení sond do speciálního převodníku a měřícího zařízení, se sondy namontují do otvorů směrem ke hřídeli/matce kola-dle konstrukce.
Obrázek 26 Sondy směřující k hřídeli Výsledný graf pohybu hřídele vypadá například takto:
Obrázek 27Výsledný graf 33
Kde: -
bílá čára je skutečný pohyb hřídele v testu.
-
Červený kruh je limitní.
-
Zelená čára je průměr orbity.
Může dojít k poškození části turbodmychadla, po překročení limitních stavů, jak zobrazují následující obrázky.
Obrázek 28Kompresorové kolo
34
Obrázek 29 Vytržená hřídel z ložiskové skříně
35
6
PRAKTICKÁ ČÁST
Teorie pro měření výkonnostní charakteristiky turbodmychadla
6.1
Měření veličin
6.1.1 Teplota V přírodních a technických vědách a jejich aplikacích je to skalární intenzivní veličina, která je vzhledem ke svému pravděpodobnostnímu charakteru vhodná k popisu stavu ustálených makroskopických systémů. Teplota souvisí s kinetickou energií částic látky. [1] Teplota je základní fyzikální veličinou soustavy SI s jednotkou kelvin (K) a vedlejší jednotkou stupeň Celsia (°C). Nejnižší možnou teplotou je teplota absolutní nuly (0 K; -273,15 °C), ke které se lze libovolně přiblížit, avšak nelze jí dosáhnout.
6.1.1.1 Měření teploty K měření teploty se při měření charakteristik v HTT Brno používají 2 druhy termočlánků (PT100 a K typ). Pro měření teplot T1C, T2C se používají odporová čidla (PT100) Měří se změna napětí, která je závislá na změně odporu (který je závislý na teplotě) Specifikace: ThermoEst; PN:GF78901, Accuracy: Class A (0.15C), 4wire, Exication current: 1mA, Range (0 +600C), StainLess Steel, lenght: 100mm, Diameter: 3mm. Pro měření teplot T1T, T2T se používají termoelektrické čidla (K typ).
Měření je založeno na Seebekově jevu – na spoji dvou různých kovů vzniká el. napětí úměrné teplotě (difuze elektronů na rozhraní dvou materiálů)
6.1.1.2 Specifikace: ROSSEL
MESSTECHNIK;
PN:
ALSTE-KB-3,0-250-2,Kl.12-4006-01437-11;
Accuracy: Class
36
6.1.2 Tlak Tlak je fyzikální veličina, vyjadřující poměr velikosti síly F, působící kolmo na rovinnou plochu [2] 6.1.2.1 Význam různých tlaků
Obrázek 30 Definice tlaků
Dynamický tlak: Součet statického a dynamického tlaku je konstantní (Bernouliho rovnice), a proto, pokud se proud vzduchu nepohybuje, je statický tlak maximální a dynamický tlak nulový. V případě pohybu pak stoupá dynamický tlak a statický o tutéž hodnotu klesá. S rostoucí rychlostí roste i dynamický tlak. [3]
Změna dynamického tlaku může sloužit k měření rychlosti průtoku (Pitotova
2222 ////
2222
wwww
⋅
Ř T
=
ρρρρ S
pppp dddd
trubice)
w − rychlost proudeni
ρstř − stredni hustota proudícího média 37
6.1.2.2 Měření tlaku K měření tlaku se na Brno GS používají snímače tlaku s elektrickým výstupem; Na deformační prvek (primární senzor) navazuje vhodný senzor s elektrickým výstupem (sekundární senzor), který vyhodnocuje deformaci způsobenou změnou měřeného tlaku. K převodu na elektrický signál se využívají piezoelektrické snímače.
Total pressure = tlak totální (celkový) = tlak absolutní + tlak dynamický Pro potřeby termodynamických výpočtů a tvorbu charakteristik je používán tlak totální. Použitá instrumentace v HTT BRNO umožňuje měření pouze absolutního tlaku. Tlak dynamický, který je závislý na rychlosti a hustotě proudícího média se numericky dopočítává.
6.1.3 Průtok Průtok rozlišujeme laminární a turbulentní. O laminárním nebo turbulentním proudění rozhoduje vždy Reynoldsovo číslo.
Všechny použité metody měření (teplota, tlak a průtok) jsou v HTT Brno měřeny za předpokladu laminárního proudění .
Laminární
Turbulentní
w
w
38
Přechodná
w
Laminární
Turbulentní
Laminární podvrstva
x
Obrázek 31 Proudění V laboratoři Brno je měření průtoku prováděno pomocí ABB Sensyflow. Toto měření je založeno na principu hot film anometrie - referenční vyhřívaná plocha je proudem ochlazována. Změna výkonu pro vyhřátí referenční plochy je uměrná velikosti proudění. Kompresorová část:
Obrázek 32 Popis kompr. části
39
6.2
MAPA KOMPRESORU
6.2.1
Charakteristika kompresoru :
Omezení pracovního rozsahu Kompresoru:
PRT-T ( Total-to-Total Tlakový poměr)
Čáry (ostrůvky)
SURGELINE -
Konstantní Účinnosti
Limit stability průtoku
Speed/Pressure Limit – Limit mechanické životnosti (překročení maximální obvodové rychlosti) “Choke” Limit -
Limit praktického použití
Čáry konstatní rychlosti
Korigovaný průtok
Obrázek 33 Mapa
6.2.2
Průběh děje v kompresor housingu
Voluta shromažduje stlačený vzduch a směřuje jej k výstupu
V difuzéru docházi k zpomalení rychlosti proudu a je přeměněn na statický tlak
Kompresorové kolo předává rychlost proudu vzduchu
Obrázek 34 Děj v kompresoru 40
Průběh stlačení v kompresoru C101 (52) 55 Trim, 50 EI, 160 000 RPM, 0.1 Kg/s 2.50E+05
Vstup kola 1
Výstup z kola 2
Výstup z difuzoru 3
STATIC PRESSURE (Pa)
2.00E+05
1.50E+05
1.00E+05
5.00E+04
0.00E+00 0.00E+00
1.00E-02
2.00E-02
3.00E-02
4.00E-02
MERIDIONAL DISTANCE (m)
Expanze probíhá i v kole Obrázek 35 Stlačení vzduchu v kompresoru
6.2.3
Pracovní cyklus kompresoru
Obrázek 36 Cyklus kompresoru 41
5.00E-02
6.00E-02
6.2.4 Pracovní cyklus kompresoru
T-S Diagram Ztráty Výstup z kola
P02 P03 P06
T02 = T06 Výstup
Teplota
T02,ideal
Výstup z difuzoru
T06,ideal
Skutečný kompresní děj
Ideální kompresní děj
P00
T00
Vstup Entropie (ztráty)
Obrázek 37 T-S diagram
6.2.5 adiabatická komprese
Tkonecny stav Tpocatecni stav
pkonecny stav = p pocatecni stav
χ −1 χ
PRtotal−total =
P06.comp.outlet.total. pressure
PRtotal−total =
P02.comp.wheel.outlet.total. pressure
ηcomp. =
ηcomp. =
P00.comp.inlet.total. pressure
idealni komprese skutecna komprese
c p × (T06.ideal − T00 ) c p × (T06.skut − T00 )
P00.comp.inlet.total. pressure
χ −1
T06.ideal χ = PRtotal −total T00
χχ−1 T00 × PRtotal −total − 1 ηcomp. = (T06.skut − T00 )
χ −1 χ
T06.ideal = T00 × PRtotal −total
42
Při ideálním ději v kompresoru dochází k adiabatickému stlačení (kompresi). Adiabatický děj je termodynamický děj, při kterém nedochází k tepelné výměně mezi plynem a okolím. Děj probíhá při dokonalé tepelné izolaci, takže soustava žádné teplo nepřijímá ani nevydává. Za adiabatický lze pokládat takový děj, který proběhne tak rychle, že se výměna tepla s okolím nestačí uskutečnit.
Účinnost kompresoru je poměr mězi stlačením ideálním a skutečným. Změna stavu v kompresoru (stlačení) může být popsána pomocí změny entalpie. Pro ideální děj platí, že teplota výstupu z kompresoru je závislá na velikosti stlačení (tlakový poměr) a vlastnostech stlačeného média (měrná tepelná kapacita média). Na základě stavové rovnice pro ideální adiabatický děj je možné na základě známé vstupní teploty, stupně stlačení a měrné tepelné kapacity spočítat ideální výstupní teplotu. Skutečný děj v kompresoru je možné popsat naměřenými hodnotami vstupní a výstupní teploty.
Pozn: Při ideálním adiabatickém ději nedochází k výměně tepla s okolím.
6.2.6
Průhěh ztrát v jednotlivých částech kompresoru
Voluta a výstup z kompresoru 5 pts. Bezlopatkový difusor 7 pts. Kolo: vnitřní ztráty Třecí ztráty, Backflow a výstupní víření 11 pts.
23 pts. Celkem
Vliv různých částí kompresoru na pokles účinnosti (Kompressor s 77% účinnosti)
Obrázek 38 Ztráty 43
6.2.7
Geometrický popis jednotlivých částí kompresoru
Parametry kompresoru : • Kolo: EI -- Exit Area/ Inlet Area •Difusér: DE -- Exit Area/ Inlet Area
Area H b3
•Housing HD – Housing Outlet/Diffuser Outlet
EI =
Compressor Housing
πd 2 b2 π
b2
( d 1 s − d 1h ) 2
4
2
Ød3
π d 3b3 DE = πd 2b2 HD =
Backplate
H π d 3b3
Ød2 Ød1s X
Compressor Wheel
Ød1h
Blade Inducer Blade Exducer
Obrázek 39 Popis kompr.
6.3 TURBÍNOVÁ ČÁST 6.3.1
Průběh děje v turbíně
Pro pohon kompresoru je využito turbíny. V turbíně dochází k expanzi proudícho média a přenosu energie. Expandující proud pohání lopatky turbínového kola a přes hřídel je poháněn kompresor Turbínové kolo je poháněno expanzí proudícího média
Skřín turbíny je urychluje průchod spalin a směřuje jej na lopatky turbínového kola
Vstupní proud
Obrázek 40 Děj v turbíně 44
6.3.2
Pracovní cyklus turbíny vstup do voluty Vstup do turbíny
1
r , radiální směr
0
Vstup do kola Výstup z kola
θ, tangenciální směr
2
Výstup z turbíny
3 4
a , axialní směr
Obrázek 41Cyklus v turbíně
T-S Diagram Vstup do turbíny
P00
Teplota
T00 Idealní Expanze
Aktuální expanze
Výstup z turbíny
T04, actual
P04 (absolutní statický tlak)
T4, ideal.
P4 (absolutní totální tlak) Entropie (ztráty)
Obrázek 42 T-S diagram Podobně jako u kompresoru dochází v turbíně k adiabatickému ději. V turbíně dochází k adiabatické expanzi. Účinnost turbíny je rovna poměru skutečné a ideální expanze.
45
Pro ideální děj platí, že teplota výstupu z turbíny je závislá na velikosti expanze (tlakový poměr) a vlastnostech stlačeného média (měrná tepelná kapacita média). Na základě stavové rovnice pro ideální adiabatický děj je možné na základě známé vstupní teploty, stupně stlačení a měrné tepelné kapacity spočítat ideální výstupní teplotu.
Tkonecny stav Tpocatecni stav
pkonecny stav = p pocatecni stav
PRtotal − static =
χ −1 χ
aktuální expanze ideální expanze
ηturb =
P04.exit.static. pressure P00.inlet .total . pressure
ηturb. =
χ −1 T04 = (PRtotal − static ) χ T00
T04.ideal = T00 ⋅ (PRtotal − static )
c p × (T00 − T04.actual ) c p × (T00 − T4.ideal )
χ −1 χ
T04.ideal = T00 ⋅ (PRtotal − static )
χ −1 χ
ηturb. =
c p × (T00 − T04.actual ) χ −1 p04.exit.static. pressure χ c p × T00 × 1 − p 00.inlet .total . pressure
Práce turbíny je použita nejen na pohon kompresoru ale i na pokrytí všech mechanických ztrát (ložiska).
ETATM =
ETATM =
Vykon (prikon) kompresoru Vykon turbiny
c p.C × mC × (T2C − T1C ) χ −1 χ p c p.T × mT × T1T × 1 − 4.static p3.total
46
6.3.3 Podrobný popis jednotlivých částí turbíny
Inlet Section T-T Section
Volute
Inlet Flow
Axial Clearance
Inducer Leading Edge
Shroud Contour Radial Clearance Tongue
Blade Tip Contour
Mounting Flange
Exducer Trailing Edge
Hub Contour
Obrázek 43 Popis turbíny
6.3.4 Geometrický popis jednotlivých částí turbíny
ATT (plocha hrdla) RTT (Radius k dynamickému středu Hrdla)
r3
r2
A/R = ATT/RTT Trim = (r3/r2)2x100
A/R a Trim určují průtok
Obrázek 44 Geometrický popis
47
A0 (Inlet Area)
6.3.5 Charakteristika turbíny Housing a voluta 1 pts. Vstup do kola 2 pts. Průtok kolem 9 pts. Vůle mezi kolem a skříní 3 pts. Výstup z kola 1 pts. Ztráty vířením na výstupu 1 pts.
.
Ztráty rozptylem na výstupu
1 pts. 18 pts. (total-to-total) 4 pts. (t-t to t-s korekce) Celkové Aerodynamic ztráty: 22 pts. Mechanické ztráty: 1 pts.
Celkové ztráty:
23 pts.
Obrázek 45 Ztráty
Zvýšování rychlosti turbíny
Tlakový poměr (spád)
Obrázek 46 Mapa turbíny
48
Adiabatická účinnost
Průtok turbínou
Mapa turbíny
6.4
HODNOTY POUŽÍVANÉ V MAPÁCH
(CHARAKTERISTIKÁCH) Vzhledem k tomu, že hodnoty aktuálně změřené jsou platné jen pro daný stav podmínek na vstupu do kompresoru / turbíny, je pro účely porovnání výhodné naměřené hodnoty vztáhnout ke standartním podmínkám. Při zavedení standartních podmínek je použito kritérium podobnosti. Obecně platí, že rozhodující podmínkou podobnosti je rovnost Machova čísla v odpovídajích průřezech. Pro Machovo číslo menší jak 0,3 je možné uvažovat médium jako nestlačitelné
Pro výpočet Machova čísla vstupní rychlosti proudu platí:
Mac =
m& × T1 c1 m& × v m& × r × T1 = Konst × 2 1 = Konst × = Konst × a1 d × a1 p1 p1 × d 2 × κ × r × T1
Poměr vstupní rychlosti proudu a rychlosti zvuku je možné na základě stavové rovnice a geometrickém popisu kompresoru dále rozepsat a pro zjednodušení hodnoty neměnné označit jako konstantu.
Pro porovnání hodnot měřených a standartních tedy platí:
Mac = Konst ×
m& × T1S m& × T1 = Konst × K p1 p1S
Pro výpočet Korigovaného průtoku platí:
m& K = m& ×
T1 p1S × TS p1
Pro výpočet Machova čísla obvodové rychlosti plati:
Mau =
u π ×n×d n = = Konst × a1 κ × r × T1 T1
49
Pro porovnání hodnot měřených a standartních tedy platí:
Mau = Konst ×
n n = Konst × K T1 T1S
Pro výpočet Korigovaných otáček platí:
nK = n ×
T1S T1
Ve výše uvedených vzorcích platí
m& K − korigovanyprutok m& − nekorigovany prutok T1 − teplota vstupni TS − teplota standartní p1 − tlak vstupni p1S − tlak standartní nK − korigovaneotacky n − nekorigovane otacky
Pro kompresorovou část jsou standartní podmínky voleny:
T1Sc = 298K p1Sc = 100000Pa Pro turbínovou část jsou standartní podmínky voleny:
T1St = 288K p1St = 101325Pa
50
6.4.1 Vlivy nedokonalé montáže a přípravy testu na výkonnovou charakteristiku:
Při testu jsou na turbodmychadlo připojeny 4 měřící sekce. Sání, výtlak, vstup a výstup z turbínové skříně. Na všech těchto sekcích je tlakový odběr ze 3 bodů svedený do jednoho. Dále jsou na každé této sekci 3 termočlánky, každý jinak hluboko zasunut v průřezu sekce. Z nich se průměruje teplota v měřící sekci pro výpočty v ovládacím programu.
Obdobným způsobem je měřen i tlak, teplota a průtok oleje, popřípadě chladící kapaliny- je-li turbodmychadlo chlazeno vodou. Veškerá tato data jsou ukládána do souborů.
Obrázek 47 Sestavený test na gasstandu, všechny měřící sekce zapojeny
51
6.4.2 Možná pochybení při montáži a při testu •
Špatná pozice termočlánků
•
Měřící chyba převodníků v BOOM Boxu
•
Nefunkční termočlánek
•
Poškozená izolace vedení termočlánku
•
Nedostateční izolace
•
Špatný průměr měřící sekce
•
Netěsnost kolem termočlánků
•
Oscilace vstupní / okolní teploty
•
Špatně zapojené termočlánky
•
Nečistoty v sekci
•
Nečistoty v kompresorové skříni
•
Nedokonalá izolace měřící sekce
•
Poškozené vedení měření tlaku
6.4.3 Příklady projevů některých uvedených chyb a jejich vliv na mapu
6.4.3.1 Compressor flow measurement error:
Ovlivnění / chyba v měření compressor masslow je vidět: •
WC / PRC-Posun na hodnotách WC
•
WC / SURGE line-Posun na hodnotách WC
•
WC / ETAC-Posun na hodnotách WC
•
WC / ETAOA-Snížení ETAOA
•
PRT / ETATM-Snížení ETATM
•
PRT / ETAOA-Snížení ETAOA
52
Compressor Corrected Flow vs Compressor Pressure Ratio gs17_091222_base607_a.cd t gs17_100119_base607_a.cd t Series3
3.5
Series4 Series5 Series6 Series7 Series8
P R C - C om pressor P ressure R atio
3
2.5
2
1.5
1 0
0.02
0.04
0.06
0.08
0.1
WC - Compressor Corrected Flow
Obrázek 48 Chyba v měření
53
0.12
0.14
6.4.3.2 Compressor inlet měřící sekce •
Ovlivnění / chyba v nastavení průměru compressor inlet měřící sekce.
•
WC / P1C- Průběh tlaku v sání, v případě použití menší sekce je průběh tlaku
strmější = větší tlakové ztráty •
WC / PRC- Celkově minimální změny, pokud nedojde k velké chybě ve výběru
měřící sekce, Pokud je sekce příliš malá, je ovlivněn hlavně CHOKE flow •
Nb Mach 1C- Velikost Machova čísla se snižováním průměru sekce roste. Hrozí
dosažení mezní hodnoty 0,3 •
WC / ETAC- Zvětšení ETAC při větším průtoku a tlaku (horní speedline)
gs17_100527_base608_a.cdt
WC vs P1C
gs17_100528_base608_a.cdt
99000
Series3 Series4 Series5 Series6
98500
Series7 Series8 Series9
98000
97500
97000
96500
96000 0
0.02
0.04
0.06
Obrázek 49 Ovlivnění 54
0.08
0.1
0.12
6.4.3.3 Inlet disconected
Odpojení kompressor inlet měřící sekce v průběhu testu •
WC / PRC- Průběh tlaku v sání, v případě odpojení sekce tlakový spád (PRC)
klesá •
WC / SURGE line- Deformace Surge line
•
WC / ETAOA- Propad hodnot ETAOA
•
PRT / ETATM- Propad hodnot ETATM
•
PRT / ETATM- Propad hodnot ETATM
•
PRT / ETAOA-Propad hodnot ETAOA
55
Compressor Corrected Flow vs Compressor Pressure Ratio gs17_090703_base602_a.cd t gs17_100615_base610_a.cd t Series3
3.5
Series4 Series5 Series6 Series7 Series8
P R C - C o m p r e s s o r P r e s s u r e R a tio
3
2.5
2
1.5
1 0
0.02
0.04
0.06
0.08
0.1
WC - Compressor Corrected Flow
Obrázek 50 Odpojeno sání
56
0.12
0.14
6.4.3.4 Point Instability
Vliv okolních vlivů (TAA, PAA) •
WC / T1C-V případě vlivů TAA je průběh T1C zobrazen jako oscilace
•
WC / PRC-Odchylky od ideálního tvaru (parabola)
•
WC / ETAC-Odchylky od ideálního tvaru (parabola)
•
WC / ETAOA-Odchylky od ideálního tvaru (parabola)
•
PRT / ETATM-Odchylky od ideálního tvaru (parabola)
•
PRT / ETAOA-Odchylky od ideálního tvaru (parabola)
Compressor Corrected Flow vs Compressor Efficiency 0.7 gs18_090717_base602_a.cdt gs18_090720_base602_a.cdt Series3 Series4 Series5 Series6 Series7 Series8 Series9
ETAC - Compressor Efficiency
0.65
0.6
0.55
0.5
0.45
0.4 0
0.01
0.02
0.03 WC - Compressor Corrected Flow
Obrázek 51 Vliv nestability
57
0.04
0.05
0.06
6.4.3.5 TAA / T1C nestabilita Vliv nestability okolní teploty •
WC / T1C-V případě vlivů TAA je průběh T1C zobrazen jako oscilace
•
WC / PRC-Odchylky od ideálního tvaru (parabola)
•
WC / ETAC-Odchylky od ideálního tvaru (parabola)
•
WC / ETAOA-Odchylky od ideálního tvaru (parabola)
•
PRT / ETATM-Odchylky od ideálního tvaru (parabola)
gs17_091108_base506.cdt
WC vs T1C
gs17_100126_base507_a.cdt
298
Series3 Series4 Series5
297
Series6 Series7 Series8
296
Series9
295
294
293
292
291
290 0
0.02
0.04
0.06
0.08
0.1
Obrázek 52 Vliv nestabilní teploty
58
0.12
0.14
0.16
0.18
0.2
6.4.3.6 T2C influence Nesprávná izolace, změna v přestupu tepla na compressor outlet.
WC / DTTC-Rozdíl hodnot DTTC (= teplotní spád). Nižší DTTC = vyšší ETAC WC / ETAC-Rozdíl v hodnotě ETAC WC / ETAOA-Hodnota ETAOA je stejná PRT / ETATM-Rozdíl v hodnotě ETATM
Compressor Corrected Flow vs Compressor DTTC 0.6
gs17_100526_base608_a.cdt gs17_100527_base608_a.cdt Series3 Series4 0.5 Series5 Series6 Series7 Series8 Series9
DTTC - Delta T (Turbocharger)
0.4
0.3
0.2
0.1
0 0
0.02
0.04
0.06
0.08
WC - Compressor Corrected Flow
Obrázek 53 Nedokonalá izolace
59
0.1
6.4.3.7 Turbine Flow issue - leackage or blade damage & WT flow iisue Netěsnost turbine inlet sekce nebo poškození turbínového kola (náhlá změna průtoku turbínou) •
WT / PRT-Změna v průtoku turbínou
•
PRT / ETATM-Pokles ETATM
•
PRT / ETAOA-Pokles ETAOA
Kompresor beze změn !
Turbine Pressure Ratio vs Turbine Corrected Flow 0.09
0.085
WT - Turbine Corrected Flow
0.08
0.075
0.07 gs17_091001_base108_d.cdt gs17_091019_base108_a.cdt
0.065
Series3 Series4 Series5
0.06
Series6 Series7 Series8
0.055
Series9
0.05 1
1.5
2
2.5 PRT - Turbine Pressure Ratio
Obrázek 54 Netěsnost sekce
60
3
3.5
4
Compressor Corrected Flow vs Compressor Pressure Ratio
gs17_091001_base108_d.cd t gs17_091019_base108_a.cd t Series3
3
Series4 Series5 Series6 Series7 Series8
PRC - Compressor Pressure Ratio
2.5
2
1.5
1 0
0.02
0.04
0.06
0.08
0.1
0.12
WC - Compressor Corrected Flow
Obrázek 55 Kompresor beze změny
61
0.14
0.16
0.18
7
OBECNÁ PRAVIDLA A DOPORUČENÍ Obecná pravidla a doporučení pro přípravu a montáž testu pro měření
výkonnostní charakteristiky turbodmychadla •
Standardizovaná montáž
•
Čistota měřících sekcí
•
Výběr odpovídající měřící sekce- průměr
•
Čistota čidel
•
Těsnost měřících sekcí a potrubí
•
Stabilní teplota a vlhkost sacího vzduchu-klima
•
Dostatečné prohřátí sekcí a turbodmychadla
•
Pravidelná údržba hořáku
•
Správná montáž a hloubka montáže jednotlivých termočlánků
•
Zapojení čidel do převodníků se správným rozsahem
•
Standartní mezi-měření pro stálou porovnatelnost Gasstandu
•
Proškolení pracovníků
•
Kontrolní list přípravy testu
•
Odpovídající sekvence a vstupní data o turbodmychadle
Přikládám několik zásadních kroků s fotografiemi: •
Všechny šrouby na přírubě mezi hořákem a sekcí musí být řádně dotažené.
Obrázek 56 Měřící sekce 62
•
Udělat tlakovou zkoušku turbinové vstupní sekce
Obrázek 57 Tlaková zkouška •
Profouknout stlačeným vzduchem olej ze všech hadiček sloužících k měření
tlaku.
Obrázek 58 Olej v tlakové hadici •
Mezi kompresor inlet sekcí a kompresor housingem nesmí být mezera.
Obrázek 59 Pohled na sání 63
•
Před každou montáží měřící sekce na celu musí být tato sekce rozebrána a
vyčištěna+odmaštěna
Obrázek 60 Měřící sekce
•
Udělat tlakovou zkoušku na kompresor výstupní sekci
Obrázek 61 Zátka pro tlakovou zkoušku
64
•
Připojit vedení oleje k turbodmychadlu a ověřit jeho těsnost i po zahřátí a
zvýšení tlaku
Obrázek 62 Olejový vstup a výstup •
Připojit speed senzor tak aby v případě vylétnutí výstupní sekce kompresoru,
nebyl utržen a aby neležela žádná jeho část na horkých částech TC nebo sekcí.
Obrázek 63 Speedsenzor
65
•
Zaizolovat měřící sekce
Obrázek 64 Celkový pohled na test
Obrázek 65 Zaizolovaná měřící sekce
Pokud se dodrží všechny tyto zásady a doporučení, je zaručen dobrý výsledek s výbornou opakovatelností.
66
8
SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY 1) BOŘIVOJ GRODA, Petr Hájek. Termomechanika. Vyd. 1. V Brně: Mendelova zemědělská a lesnická univerzita, 2001. ISBN 80-715-7555-0. 2) BOŘIVOJ GRODA, Petr Hájek. Termomechanika. Vyd. 1. V Brně: Mendelova zemědělská a lesnická univerzita, 2001. ISBN 80-715-7555-0. 3) BOŘIVOJ GRODA, Petr Hájek. Termomechanika. Vyd. 1. V Brně: Mendelova zemědělská a lesnická univerzita, 2001. ISBN 80-715-7555-0.
67
68
9
SEZNAM OBRÁZKŮ
Obrázek 1 Schéma zapojení turbodmychadla na spalovacím motoru ............................ 11 Obrázek 2-Schematický řez turbodmychadlem .............................................................. 14 Obrázek 3Náběh turbodmychadla-porovnání ................................................................. 15 Obrázek 4 Součásti turbodmychadla .............................................................................. 16 Obrázek 5Detail wastegatu ............................................................................................. 18 Obrázek 6 Externí wastegate .......................................................................................... 18 Obrázek 7 Řez turbínovou skříní s VNT ........................................................................ 19 Obrázek 8 VNT lopatky .................................................................................................. 20 Obrázek 9 VNT lopatky v turbínové skříni .................................................................... 20 Obrázek 10 BOV zabudovaný v intercooleru ................................................................. 21 Obrázek 11 Schema testovacího zařízení Gasstand ........................................................ 23 Obrázek 12 Turbínová skříň, pohled z vně ..................................................................... 25 Obrázek 13 Schematicky znázorněný divider ................................................................ 26 Obrázek 14 Divider ......................................................................................................... 26 Obrázek 15 Divider-prasklina ......................................................................................... 27 Obrázek 16 Divider-detail praskliny............................................................................... 27 Obrázek 17 Poškozený jazyk turb. skříně ....................................................................... 28 Obrázek 18 Poškozené lopatky kompr. kola .................................................................. 28 Obrázek 19 Poškozená kompr. skříň .............................................................................. 29 Obrázek 20 Poškozené kompr. kolo ............................................................................... 29 Obrázek 21 Poškozené axiální ložisko ........................................................................... 29 Obrázek 22 Poškozené kluzné ložisko............................................................................ 30 Obrázek 23 Zapečený olej v těsnících kroužcích ........................................................... 31 Obrázek 24 Příprava shaf motion testu ........................................................................... 32 Obrázek 25Otvory pro sondy .......................................................................................... 32 Obrázek 26 Sondy směřující k hřídeli ............................................................................ 33 Obrázek 27Výsledný graf ............................................................................................... 33 Obrázek 28Kompresorové kolo ...................................................................................... 34 Obrázek 29 Vytržená hřídel z ložiskové skříně .............................................................. 35 Obrázek 30 Definice tlaků .............................................................................................. 37 Obrázek 31 Proudění ...................................................................................................... 39 69
Obrázek 32 Popis kompr. části ....................................................................................... 39 Obrázek 33 Mapa ............................................................................................................ 40 Obrázek 34 Děj v kompresoru ........................................................................................ 40 Obrázek 35 Stlačení vzduchu v kompresoru .................................................................. 41 Obrázek 36 Cyklus kompresoru ..................................................................................... 41 Obrázek 37 T-S diagram ................................................................................................. 42 Obrázek 38 Ztráty ........................................................................................................... 43 Obrázek 39 Popis kompr................................................................................................. 44 Obrázek 40 Děj v turbíně ................................................................................................ 44 Obrázek 41Cyklus v turbíně ........................................................................................... 45 Obrázek 42 T-S diagram ................................................................................................. 45 Obrázek 43 Popis turbíny ............................................................................................... 47 Obrázek 44 Geometrický popis ..................................................................................... 47 Obrázek 45 Ztráty ........................................................................................................... 48 Obrázek 46 Mapa turbíny ............................................................................................... 48 Obrázek 47 Sestavený test na gasstandu, všechny měřící sekce zapojeny ..................... 51 Obrázek 48 Chyba v měření ........................................................................................... 53 Obrázek 49 Ovlivnění ..................................................................................................... 54 Obrázek 50 Odpojeno sání .............................................................................................. 56 Obrázek 51 Vliv nestability ............................................................................................ 57 Obrázek 52 Vliv nestabilní teploty ................................................................................. 58 Obrázek 53 Nedokonalá izolace ..................................................................................... 59 Obrázek 54 Netěsnost sekce ........................................................................................... 60 Obrázek 55 Kompresor beze změny ............................................................................... 61 Obrázek 56 Měřící sekce ................................................................................................ 62 Obrázek 57 Tlaková zkouška .......................................................................................... 63 Obrázek 58 Olej v tlakové hadici ................................................................................... 63 Obrázek 59 Pohled na sání.............................................................................................. 63 Obrázek 60 Měřící sekce ................................................................................................ 64 Obrázek 61 Zátka pro tlakovou zkoušku ........................................................................ 64 Obrázek 62 Olejový vstup a výstup ................................................................................ 65 Obrázek 63 Speedsenzor ................................................................................................. 65 Obrázek 64 Celkový pohled na test ................................................................................ 66 Obrázek 65 Zaizolovaná měřící sekce ............................................................................ 66 70
71
