Руководство пилота по аэронавтике » Глава 6. Системы самолета » Наддув и турбонаддув » Турбонаддув

Турбонаддув

Turbosuperchargers

Самый эффективный метод увеличения мощности двигателя – использование турбонанаддува. Такой нагнетатель установленный на двигателе, использует энергию выхлопных газов для вращения воздушного компрессора, нагнетающего давление воздуха, попадающего в двигатель через карбюратор или инжектор, для увеличения выходной мощности двигателя на высоте.

Главный недостаток обычного нагнетателя, приводимого в движение двигателем – затраты большого количества выходной мощности двигателя для увеличения мощности на высоте, и этот недостаток нивелируется турбонагнетателем, потому что турбонагнетатели приводятся в действие выхлопными газами двигателя. Это означает, что турбонагнетатель использует энергию от горячих выхлопных газов, которая была бы просто потеряна.

Второе преимущество турбонагнетателей по сравнению с нагнетателями – способность обеспечить контроль над производительнотью двигателя на высотах от уровня моря вплоть до критической высоты двигателя. Критическая высота – максимальная высота, при которой турбированный двигатель может произвести свою номинальную мощность. Выше критической высоты выходная мощность начинает уменьшаться также, как это происходит с обычными поршневыми двигателями без компрессора.

Турбонагнетатели увеличивают давление воздуха попадающего в двигатель, за счет чего двигатель может развивать на высоте мощность равную его мощности на уровне моря или даже большую. Турбонагнетатель состоит из двух главных элементов: компрессора и турбины. Секция компрессора содержит крыльчатку, которая вращается на высокой скорости. Поступающий воздух попадает на лопасти крыльчатки и ускоряется, попадая через диффузор в компрессор. Таким образом крыльчатка производит воздух высокого давления, который попадает в двигатель. Для вращения рабочего колеса, используются выхлопные газы, которые вращают турбину, установленную на противоположной стороне ведущего вала крыльчатки. Управляя количеством выхлопных газов, попадающих в турбину, можно увеличить количество энергии, поступающей от турбины к рабочему колесу, что увеличит количество сжатого воздуха, попадающего в двигатель. Регулировочный клапан, являющийся по сути регулируемой дроссельной заслонкой, установленный в системе выхлопа и позволяет варьировать массу выхлопных газов, попадающих в турбину. Когда клапан закрыт, большинство выхлопных газов от двигателя вынуждено проходить через турбину. В открытом положении, выхлопные газы отводятся в обход турбины непосредственно через выхлопную трубу двигателя. [Рисунок 6-15]

Рисунок 6-15. Компоненты турбонагнетателя.

Так как при сжатии газа его температура повышается, турбокомпрессия как следствие учеличивает температуру воздуха попадаемого в двигатель. Чтобы уменьшить эту температуру и снизить риск детонации топлива, многие турбинные двигатели используют интеркулер (промежуточный охладитель). Этот маленький теплообменник использует внешний воздух, чтобы охладить горячий сжатый воздух прежде, чем он попадет в устройство подачи (дозирования) топлива.

The most efficient method of increasing horsepower in an engine is by use of a turbosupercharger or turbocharger. Installed on an engine, this booster uses the engine’s exhaust gases to drive an air compressor to increase the pressure of the air going into the engine through the carburetor or fuel injection system to boost power at higher altitude.

The major disadvantage of the gear-driven supercharger––use of a large amount of the engine’s power output for the amount of power increase produced––is avoided with a turbocharger, because turbochargers are powered by an engine’s exhaust gases. This means a turbocharger recovers energy from hot exhaust gases that would otherwise be lost.

A second advantage of turbochargers over superchargers is the ability to maintain control over an engine’s rated sea- level horsepower from sea level up to the engine’s critical altitude. Critical altitude is the maximum altitude at which a turbocharged engine can produce its rated horsepower. Above the critical altitude, power output begins to decrease like it does for a normally aspirated engine.

Turbochargers increase the pressure of the engine’s induction air, which allows the engine to develop sea level or greater horsepower at higher altitudes. A turbocharger is comprised of two main elements: a compressor and turbine. The compressor section houses an impeller that turns at a high rate of speed. As induction air is drawn across the impeller blades, the impeller accelerates the air, allowing a large volume of air to be drawn into the compressor housing. The impeller’s action subsequently produces high-pressure, high-density air, which is delivered to the engine. To turn the impeller, the engine’s exhaust gases are used to drive a turbine wheel that is mounted on the opposite end of the impeller’s drive shaft. By directing different amounts of exhaust gases to flow over the turbine, more energy can be extracted, causing the impeller to deliver more compressed air to the engine. The waste gate, essentially an adjustable butterfly valve installed in the exhaust system, is used to vary the mass of exhaust gas flowing into the turbine. When closed, most of the exhaust gases from the engine are forced to flow through the turbine. When open, the exhaust gases are allowed to bypass the turbine by flowing directly out through the engine’s exhaust pipe. [Figure 6-15]

Figure 6-15. Turbocharger components.

Since the temperature of a gas rises when it is compressed, turbocharging causes the temperature of the induction air to increase. To reduce this temperature and lower the risk of detonation, many turbocharged engines use an intercooler. This small heat exchanger uses outside air to cool the hot compressed air before it enters the fuel metering device.

Система управления нагнетателями

System Operation

На большинстве современных двигателях с турбокомпрессором положением регулировочного клапана выхлопных газов управляет чувствительный к давлению механизм, связанный с гидроприводом. Моторное масло, через гидропривод перемещает положение заслонки регулировочного клапана. В таких системах производится автоматическое управление положеием заслонки, чтобы достигать заданного абсолютного давления во впускном коллекторе (MAP) просто изменяя положение рукоятки дросселя.

В других системах используюется отдельное ручное управление для изменения положения заслонки регулировочного клапана. При ручном управлении необходимо постоянно проверять датчик давления во впускном коллекторе, не достиг ли он заданного значения. Ручные системы часто встречаются на самолетах, которые были оснащены системами турбокомпрессии уже после покупки. Эти системы требуют специальных навыков эксплуатации. Например, если регулировочную заслонку оставить закрытой после снижения с большой высоты, во впускном коллекторе может возникнуть давление, которое превышает ограничения двигателя. Это явление, назваемое “overboost”, может породить серьезный взрыв в связи с увеличением плотности воздуха во время снижения.

Хотя на автоматизированных системах управлением заслонки, overboost менее вероятен, он все же может произойти. Если даигатель работет на взлетной мощности, и при этом температура моторного масла ниже нормы, то холодное масло из-за большей вязкости не сможет достаточно быстро переместить заслонку регулировочного клапана, что может привести к overboost`у. Для предотвращения overboost`а, управляйте дросселем осторожно, чтобы не допустить превышение максимальных пределов давления во впускном коллекторе.

Пилот, управляющий самолетом с турбонаддувом, должен знать об эксплуатационных ограничениях. Например, турбина турбонагнетателя и рабочее колесо могут работать на частоте вращения более 80,000 оборотов в минуту при чрезвычайно высоких температурах. Чтобы достигнуть высокой вращательной скорости, их подшипники должны постоянно находиться в масле для уменьшения трения и отвода тепла. Для достижения необходимых смазывательных функций, температура масла должна достичь нормального рабочего диапазона прежде, чем дроссель будет установлен в крайнее положение. Кроме того, необходимо дать турбонагнетателю остыть, а турбине замедлиться, прежде чем выкючить двигатель. Иначе, масло, остающееся в подшипниковом узле, будет кипеть, что приведет к формированию твердого нагара на подшипниках и вале. Эти отложения сильно ухудшают эффективность и срок службы турбонагнетателя. Для дополнительных ограничений эксплуатации обратитесь к РЛЭ.

On most modern turbocharged engines, the position of the waste gate is governed by a pressure-sensing control mechanism coupled to an actuator. Engine oil directed into or away from this actuator moves the waste gate position. On these systems, the actuator is automatically positioned to produce the desired MAP simply by changing the position of the throttle control.

Other turbocharging system designs use a separate manual control to position the waste gate. With manual control, the manifold pressure gauge must be closely monitored to determine when the desired MAP has been achieved. Manual systems are often found on aircraft that have been modified with aftermarket turbocharging systems. These systems require special operating considerations. For example, if the waste gate is left closed after descending from a high altitude, it is possible to produce a manifold pressure that exceeds the engine’s limitations. This condition, called an overboost, may produce severe detonation because of the leaning effect resulting from increased air density during descent.

Although an automatic waste gate system is less likely to experience an overboost condition, it can still occur. If takeoff power is applied while the engine oil temperature is below its normal operating range, the cold oil may not flow out of the waste gate actuator quickly enough to prevent an overboost. To help prevent overboosting, advance the throttle cautiously to prevent exceeding the maximum manifold pressure limits.

A pilot flying an aircraft with a turbocharger should be aware of system limitations. For example, a turbocharger turbine and impeller can operate at rotational speeds in excess of 80,000 rpm while at extremely high temperatures. To achieve high rotational speed, the bearings within the system must be constantly supplied with engine oil to reduce the frictional forces and high temperature. To obtain adequate lubrication, the oil temperature should be in the normal operating range before high throttle settings are applied. In addition, allow the turbocharger to cool and the turbine to slow down before shutting the engine down. Otherwise, the oil remaining in the bearing housing will boil, causing hard carbon deposits to form on the bearings and shaft. These deposits rapidly deteriorate the turbocharger’s efficiency and service life. For further limitations, refer to the AFM/POH.

Высотные рабочие характеристики

High Altitude Performance

Когда самолет, оборудованный турбонаддувом, поднимается, заслонка регулировочного клапана выхлопных газов постепенно закрывается, чтобы поддержать максимальное допустимое давление во впускном коллекторе. В какой-то момент заслонка будет полностью закрыта, и дальнейшие увеличения высоты приведет к уменьшению давления во впускном коллекторе. Такая высота – критическая высота, которая определяется самолетом или производителем двигателя. При оценке рабочих характеристик системы турбокомпрессии, необходимо знать, что, если давление во впускном коллекторе начинает уменьшаться до достижения критической высотой, двигатель и система турбокомпрессии должны быть осмотрены компетентным специалистом по авиационному техобслуживанию, чтобы проверить правильность работы системы.

As an aircraft equipped with a turbocharging system climbs, the waste gate is gradually closed to maintain the maximum allowable manifold pressure. At some point, the waste gate will be fully closed and further increases in altitude will cause the manifold pressure to decrease. This is the critical altitude, which is established by the aircraft or engine manufacturer. When evaluating the performance of the turbocharging system, be aware that if the manifold pressure begins decreasing before the specified critical altitude, the engine and turbocharging system should be inspected by a qualified aviation maintenance technician to verify the system’s proper operation.


Система Orphus