معرفی توربوشارژر و کاربردهای آن

[ریپورتر]

دمیدن هوا با فشار به داخل سیلندر می باشد توربوشارژ با این کار در خروج دود
کمک کرده در ضمن توربوشارژ با این کار هوای بیشتری به داخل سیلندر تزریق می کند این کار
توربوشارژ باعث بهتر پر کردن سیلندر خواهد شد و راندمان موتور افزایش می یابد
http://khodroha.com/torbo.jpg
تامین هوای بیشتر در واقع مهیا ساختن اکسیژن بیشتر برای انجام احتراق بوده و این امر سبب
احتراق بهتر سوخت در محفظه احتراق و در نهایت قدرت بیشتر موتور خواهد بود
در موتورهای دیزل دو زمانه از یک دمنده به همین منظور استفاده می شود که قبلا شرح داده شد
فشار هوای ارسالی توسط دمنده تنها اندکی از فشار جو (فشار اتمسفر) بیشتر است و بنابراین
اثر توربو شارژ را ندارد
توربو شارژ نیروی خود را از دودهای خروجی موتور می گیرد

تامین هوای موتور(توربوشارژ)
موتورهایی که توربو شارژ ندارد به عنوان موتورهای بدون توربو شارژ یا موتورهای معمولی یاد
می شوند زیرا در این موتورها به علت حرکت پیستون در داخل سیلندر عمل مکش هوا به داخل
سیلندرها انجام می شود به این ترتیب هوای داخل سیلندر با فشار جو تامین می گردد حتی در
شرایط ایدال فشار هوای ورودی در داخل سیلندرها به فشار جو نمی رسد و در عمل به مقدار
قابل توجهی کمتر از ان می باشد
توربو شارژ جریان هوای ورودی به محفظه احتراق را تقویت نموده و باعث افزایش فشار ان به
نسب دو برابر فشار جو می گردد این امر سبب افزایش قدرت خروجی و گشتاور موتور از 25 تا
40 درصد بسته به طراحی توربوشارژ و موتور می شود

توربو شارژر
توربوشارژر شامل یک کمپرسور و یک توربین می باشد که هر دو روی شفت نصب شده اند و
توربین توسط گازهای خروجی حاصل از احتراق چرخانیده می شود به این ترتیب انرژی این گازها
که در صورت نبودن توربوشارژ تلف می شد برای چرخانیدن کمپرسور استفاده می شود و هوای
بیشتری برای سیلندرها موتور تامین می کند توربو شارژ دارای یک قسمت دوار (روتور) است که
شامل یک شفت می باشد و یک سر ان توربین و سر دیگر ان یک کمپرسور نصب شده است این
قسمت دوار داخل یک پوسته قرار گرفته که دارای دو محفظه یکی توربین و دیگری برای کمپرسور
می باشد گازهای خروجی موتور مستقیما وارد محفظه توربین شده و توربین و در نتیجه کمپرسور
را با سرعت بالایی به چرخش وا می دارند از هوا از مرکز محفظه کمپرسور مکیده شده و تحت
فشار قرار گرفته و توسط نیروی گریز از مرکز که بواسطه سرعت بسیار بالای چرخش کمپرسور
ناشی می شود به درون موتور رانده می شود به این ترتیب هوای بیشتری به داخل سیلندر
ارسال می گردد اگر سوخت بیشتری به داخل سیلندرها تزریق شود انرژی گازهای خروجی نیز
افزایش یافته و در نتیجه سرعت چرخش توربوشارژ نیز بالاتر می رود این امر سبب افزایش هوای
تامین شده برای موتور می گردد

اجزای توربوشارژ
اجزای توربو شارژ عبارتند از توربین در سمت راست و کمپرسور در سمت دیگر (بستگی به دید )
محور دوار در وسط حامل توربین و کمپرسور می باشد و از داخل دارای مجرایی است که در ان
روغن به منظور روغنکاری و خنک کاری محور و یاتاقان جریان دارد پوسته محفظه توربین دارای
پره های ثابت می باشد که به عنوان نازل های حلقوی عمل می کنند گازهای خروجی موتور روی
پره های ثابت پوسته محفظه چرخیده و سپس با سرعت بسیار زیاد روی پره های توربین برخورد
می نماید

انواع توربو شارژ
همه توربو شارژ ها به یک طریق عمل می کنند اما چگونگی ورود گازهای خروجی به داخل توربین
متفاوت می باشد سه نوع توربوشارژ وجود دارد این سه نوع عبارتند از نوع حلزونی ساده و نوع
حلزونی با افزایش سرعت و نوع ضربانی

توربوشارژ حلزونی ساده
این نوع توربوشارژ دارای یک معبر تنها می باشد که گازهای خروجی موتور را به چرخ توربین منتقل
می کند حلزون یک معبر مارپیچ در درون پوسته محفظه توربین می باشد که مقطع ان ثابت نبوده
و کاهش می یابد
این تغییر به دلیل ثابت نگهداشتن سرعت گازهای خروجی هنگام عبور از طول حلزن می باشد
گازهای خروجی به طور پیوسته از حلزون عبور کرده و وارد توربین می شوند گازها از میان پره های
توربین عبور کرده و باعث چرخش توربین شده و سپس توربین را ترک و وارد اگزوز می شوند
چرخ کمپرسور به همراه توربین روی یک شفت نصب شده است پره های کمپرسور دارای انحنا
بوده و تحت تاثیر نیروی گریز از مرکز هوا را فشرده می سازد هوای فشرده شده با سرعت زیاد
و فشار کم از لبه پره های کمپرسور جدا می شود هوا از دیفیوز عبور نموده وارد قسمت حلزونی
پوسته کمپرسور می شود این امر سبب می گرد از انکه هوا مستقیما وارد محفظه احتراق شود
ان کاهش و فشار ان افزایش یابد

توربوشارژ حلزونی با افزاینده سرعت
این نوع توربوشارژ دارای یک حلزون و یک افزاینده سرعت (پره های ثابت) یا دو حلزون و دو مجرا
می باشد گازهای خروجی وارد منیفولد دود و از انجا وارد حلزونها شده اما بجای انکه مستقیما
وارد چرخ توربین شوند از پره های ثابت روی پوسته توربین عبور نموده و با زاویه مناسب بسیار
زیاد و با انرژی بالاتر با پره های توربین برخورد می نماید سمت کمپرسور توربو شارژ همانطور
که قبلا در نوع حلزونی توضیح داده شد عمل می کند

توربوشارژ نوع ضربانی
استفاده از این نوع توربوشارژ یک منیفولد دود نوع ضربانی را طلب می کند زیرا از ضربات دودهای
خروجی که از سیلندرها موتور خارج می شود استفاده می کند این امر سبب افزایش سرعت
توربوشارژ می شود
منیفولد نوع ضربانی دارای معبری از هر سیلندر می باشد که در انتها به دو کانال اصلی جداگانه
تبدیل می شوند این دو کانال به دو کانال روی پوسته توربین می پیوندند منیفولد دارای مقطع نسبتا
کوچکی می باشد تا از ضربات بهره بیشتری ببرد زیرا در منیفولد بزرگتر اتلاف بیشتر است شکل
منیفولد به گونه ای طرح گشته تا از جریان گازهای ازاد نیز به خوبی گازهای توده ای استفاده کند
در حین شتاب گیری این امر اجازه می دهد انرژی گازهای خروجی سریعا به توربین رسیده و شتاب
موتور بهبود یابد
برای بهره بردن بهتر از گازهای توده ای سیلندرها بطور یک در میان با توجه به ترتیب احتراق به
یک کانال مرتبط گشته اند مثلا در یک موتور شش سیلندر که ترتیب احتراق 4-2-6-3-5-1 می باشد
سیلندرهای 1و2و3 به یک کانال و سیلندرهای 4و5و6 به کانال دیگر متصل می گردند به این ترتیب
باعث می شود توده های دود بیشتر از هم جدا باشند و اثر بیشتری خواهد داشت
http://khodroha.com/torbo1.gif

[ریپورتر]

سعید شادروانان، مصطفی خلیلی
اعضای گروه تحقیقاتی پیشرانش- انجمن علمی هوافضا
دانشگاه آزاد اسلامی- واحد علوم و تحقیقات

مقدمه
در این مقاله به معرفی توربوشارژر و بررسی اصول عملکرد آن در موتورهای دیزلی و هواپیما پرداخته خواهد شد. درک صحیح عملکرد توربوشارژرها مستلزم شناخت طرز کار موتورهای چهار زمانه می باشد. لذا ابتدا بطور خلاصه عملکرد موتورهای دیزلی را ارائه کرده و کاربرد توربوشارژر را بررسی می نماییم.

معرفی توربوشارژرها و نحوه عملکرد آنها
استفاده از توربوشارژرها یکی از مؤثرترین راه های افزایش بازده در موتورهای توربین گازی می باشد. به منظور درک صحیح از نحوه عملکرد توربوشارژرها می بایستی ابتدا طرز کار موتور اتومبیل های مدرن را بررسی کنیم. این موتورها با نام مرسوم چهار زمانه شناخته شده و در هر چرخه کاری، پیستون چهار مرحله را طی می کند. زمانی که پیستون پائین می آید، در یک لحظه هوا از طریق دریچه ای به داخل سیلندر وارد می شوند و وقتی که پیستون برمی گردد، دریچه ها (سوپاپ) بسته شده و هوای درون محفظه احتراق با بالا آمدن پیستون متراکم می گردد. زمانی که پیستون به بالای سیلندر می رسد، با جرقه ی شمع، مخلوط هوا و سوخت مشتعل می شود.



http://samplic.googlepages.com/ASG-005.jpg

در صورتی که دبی ورودی به داخل سیلندر افزایش یابد و هوای فشرده تری وارد آن شود، احتراق و انفجار قوی تر و نیرومندتر خواهد بود. برای این منظور توربوشارژرها وارد سیکل کاری می شوند.


http://samplic.googlepages.com/ASG-006.jpg

توربوشارژرها بین سالهای 1909 تا 1911 توسط آلفرد.ج.بوچی توسعه یافتند. در طول جنگ جهانی اول برای نخستین بار از توربوشارژرها در هواپیما استفاده شد که موتور آنها طبق اصول موتورهای اتومبیل کار می کرد. مشکل اصلی در هواپیما زمانی بود که هواپیما در ارتفاع زیاد با هوای رقیق تر برخورد می کرد و دبی هوای ورودی به موتور کاهش می یافت، با نصب توربوشارژرها این مشکل حل شد. توربوشارژرها جهت مکش هوا به داخل موتور از کمپرسور استفاده می کنند و کمپرسور شرایط مناسبی را جهت انجام فرایند احتراق فراهم می کند. معمولاً گازهای خروجی از موتور به اتمسفر رانده می شود، اما موتورهایی که از توربوشارژر استفاده می کنند، گازهای خروجی به طرف توربین هدایت شده و باعث گردش توربین می شود. توربین بوسیله شفت به کمپرسور متصل است و گردش آن باعث گردش کمپرسور می گردد.


http://samplic.googlepages.com/ASG-007.jpg

در شرایط معمولی فشار هوا در سطح دریا Psi ۱۴/۷ می باشد و توربوشارژری که هوا را با فشار Psi 8 پمپ می کند باعث افزایش 54 درصدی هوای ورودی می شود.
طراحی و ساخت توربوشارژرها روندی پیچیده دارد. برای مثال، می دانیم که فشار مستقیماً با درجه حرارت عمل می کند. به طوری که هر چه فشار بیشتر شود حرارت نیز بیشتر خواهد شد. هوا توسط یک خنک کننده داخلی Intercooler چگالیده تر می شود. به این معنی که درصد مولکول های بیشتری در همان حجم از هوا وجود خواهد داشت. از آنجائی که توربوشارژر فشار هوا را تقریباً دو برابر می کند موجب دو برابر شدن درجه حرارت می شود. یکی از راه حل ها استفاده از خنک کننده داخلی می باشد که اساساً یک رادیاتور است. هوای متراکم شده که از توربوشارژر خارج می شود از میان لوله ای که توسط هوای مکیده شده موتور خنک شده، عبور می کند.
مشکل دیگری که توربوشارژرها با آن مواجه اند، واماندگی می باشد. این مشکل زمان کار توربوشارژر و هنگامی که دسته گاز فشرده شود اتفاق می افتد. توربین دارای وزن است و لذا در مقابل تغییر در حرکت از خود مقاومت نشان می دهد. پره کوچکتر توربین با اینرسی کمتر شاید مشکل را حل کند ولی مساحت کوچک پره توربین باعث می شود توربین در سرعت های پایین نچرخد. اگر چه پره های توربین بزرگتر تمایلی به توقف یک مرتبه ندارند اما در آنها مشکل وزن و اینرسی همچنان وجود دارد.
در اغلب موارد به منظور جلوگیری از پدیده واماندگی از توربوشارژرهای دو زنجیره ای استفاده می شود، که یک توربوشارژر کوچکتر جلوی توربوشارژر بزرگتر کار می کند. توربوشارژر کوچک، سرعتهای کمتر را پوشش می دهد و توربوشارژر بزرگ سرعت های بیشتر را.
راه دیگر غلبه بر این مشکل استفاده از توربین های با پره سرامیکی است که وزن کمتری دارند. لذا می توان توربین های بزرگتری را به کار گرفت طوری که در سرعت های بالا مقاوم باشند و در سرعتهای پایین مشکل واماندگی نداشته باشند.


http://samplic.googlepages.com/ASG-008.jpg

اصطکاک از دیگر مشکلات توربوشارژر است. شفت رابط قسمتهای دوار بایستی روغنکاری شوند و روغنکاری نیز مشکلات خاص خودش را از قبیل نوع روغن، حجم و زمان روغن کاری و درجه حرارت قابل قبول دارا است. می توان به جای روغن از بلبرینگ (Ball bearing) استفاده کرد. آنها طوری ساخته می شوند که در برابر درجه حرارتهای بالا مشکلی نداشته باشند. این یاتاقان ها آزادانه می چرخند و اصطکاک روی شفت را از بین می برند. اما هزینه آنها زیاد است و در سیستمهای با راندمان بالا مورد استفاده قرار می گیرند.
موضوع مهم دیگر در توربوشارژرها مسئله تراکم است و اگر تراکم در هنگام ورود هوا به داخل محفظه احتراق از حد مطلوب بیشتر باشد باعث بالا رفتن فشار شده و ممکن است موتور از کار بیفتد.


http://samplic.googlepages.com/ASG-009.jpg


استفاده از توربوشارژر در موتورهای توربین گازی
استفاده از توربوشارژرها یكی از مؤثرترین راه های راه اندازی توربین های گازی آزمایشگاهی می باشد. از آنجا كه طراحی پره های توربین و كمپرسور و نحوه ساخت آنها فرایندی بسیار پیچیده و پرهزینه است، لذا تعداد بسیار محدودی از كشورهای صنعتی دنیا قادر به ساخت آنها می باشند. به همین خاطر مناسبترین گزینه ای كه بتوان آنرا جایگزین كمپرسور و توربین در موتورهای توربین گازی نمود، توربوشارژرها می باشند. توربین گاز ساخته شده با توربوشارژر، همه مشخصه های معمولی توربین گاز را نشان می دهد و بستر مناسبی جهت انجام آزمایش و كسب تجربه در عملكرد موتورهای توربین گاز و توربوجت میباشد. توربین گازهای اولیه كه با استفاده از توربوشارژر ساخته شدند، عملكرد مناسبی نداشتند ولی امروزه با بهبود روند طراحی قسمت های مختلف سیكل كاری آنها، عملكردی قابل قبول و مشابه توربین گازهای معمولی دارند. توربوشارژر از یك كمپرسور با صفحه ای آلومنیومی تشكیل می شود كه با یك توربین ستاره ای (رادیال ) كوپل می شود. بخش های دوار توربوشارژر جهت جلوگیری از ارتعاشات و قرار گرفتن در فركانس تشدید ( رزونانس ) بایستی كاملاً در تعادل دینامیكی باشند.


http://samplic.googlepages.com/ASG-010.jpg