Motorsporto srityje turbokompresorius nėra vien tik oro siurblys; tai sudėtingas termodinaminis įrenginys, kuris privalo veikti ties fizinių galimybių riba. Aukštam našumui pasiekti reikalinga tiksli kompresoriaus efektyvumo, turbinos srauto charakteristikų ir sukimosi inercijos pusiausvyra. Šiame straipsnyje nagrinėjami modernios aukšto našumo turbokompresorių inžinerijos techniniai pagrindai.
Kompresoriaus žemėlapis yra pagrindinis įrankis turbokompresoriaus galimybėms suprasti. Inžinieriai privalo analizuoti šiuos žemėlapius, kad užtikrintų, jog variklio oro srauto poreikis išliktų didžiausio efektyvumo „saloje“ (moderniems modeliams tai paprastai yra 75–80 %). Kritinis aukšto našumo sistemų gedimo taškas yra siurbčiojimo riba (angl. surge line), kurioje srauto nestabilumas sukelia katastrofines apkrovas guoliams. Pagal technines didelio srauto įrenginių, tokių kaip „Garrett G-Series“, specifikacijas, turi būti griežtai laikomasi siurbčiojimo ribos atsargos, kad būtų išvengta ašinio atraminio guolio gedimo.
A/R santykis yra fundamentalus geometrinis parametras, apibrėžiantis turbinos ir kompresoriaus korpusų srauto charakteristikas. Tai įėjimo skerspjūvio ploto ir atstumo nuo turbinos centro iki to ploto centroido santykis. Lenktynėse optimalaus A/R parinkimas yra kompromisas tarp reakcijos į akseleratorių (ang. spool-up) ir maksimalios galios aukštuose sūkiuose.
Pavyzdžiui, mažesnis turbinos A/R (pvz., 0.63) padidina išmetamųjų dujų greitį, greičiau išjudindamas turbinos ratą esant žemiems sūkiams. Priešingai, didesnis A/R (pvz., 0.82 arba 1.06) sumažina priešslėgį esant dideliems variklio sūkiams, o tai labai svarbu siekiant išvengti išmetamųjų dujų sugrįžimo ir sumažinti išmetamųjų dujų temperatūrą (EGT). Ištvermės lenktynėse pirmenybę teikiame didesniam A/R, kad sumažintume šiluminę apkrovą turbinos korpusui.
Šiuolaikiniai našūs turbokompresoriai naudoja pažangius skaičiuojamosios skysčių dinamikos (CFD) metodus sparnuotės geometrijai optimizuoti. Pagrindiniai inžineriniai parametrai yra:
Atliekant aukšto našumo turbokompresoriaus remontą ar surinkimą, gamintojo nustatytų tolerancijų laikymasis yra privalomas. Remiantis standartinėmis „Garrett“ ir „BorgWarner“ eksploatacinėmis procedūromis:
Šių priveržimo momentų nesilaikymas sukelia veleno išlinkimą esant aukštam įpūtimo slėgiui (viršijančiam 2.5 bar), o tai veda prie korpuso kontakto su sparnuote, jos sunaikinimo ir galiausiai – katastrofinio variklio gedimo. Inžinerinis meistriškumas šioje srityje apibrėžiamas kaip griežta disciplina išlaikant šias tolerancijas ekstremaliomis šiluminėmis sąlygomis, būdingomis profesionaliam automobilių sportui.
Norint praplėsti veikimo diapazoną, viršijantį fiksuotos geometrijos mazgų apribojimus, Kintamos Geometrijos Turbinos (KGT, angl. VGT) architektūros, pavyzdžiui, naudojamos „BorgWarner VTG“ (pvz., 5304 970 0000 serija), naudoja antgalio mentelių mazgą, kuris realiuoju laiku moduliuoja efektyvų A/R santykį. Dinamiškai keičiant gerklės (ang. throat) plotį per elektroniniu būdu valdomą pavarą, šios sistemos valdo išmetamųjų dujų slėgį platesniame variklio apkrovos spektre, veiksmingai švelnindamos įprastus perkrovos (surge) ribojimų apribojimus. Didelio našumo pritaikymuose, kur KGT yra nepraktiškas, inžinieriai naudoja MWE (Map Width Enhancement) griovelius arba „suangomis“ vadinamas (ang. ported shrouds) sritis, kurios leidžia kontroliuojamą oro recirkuliaciją iš kompresoriaus ratų įtekėjimo (inducer) zonos atgal į žemo slėgio regioną, esantį prieš pagrindines menteles. Šis nuleidimo (ang. bleed-off) metodas fiziškai perkelia perkrovos liniją į kairę, leidžiant sparnuotei išlaikyti aerodinaminį stabilumą esant mažesnėms masinio srauto normoms, neaukojant piko efektyvumo esant aukštiems slėgio santykiams. Optimalaus srauto prigludimo pasiekimas šiose recirkuliuojančiuose kanaluose reikalauja preciziško nuleidimo (bleed) angų apdirbimo, siekiant išvengti nepageidaujamo srauto atsiskyrimo, kuris kitaip sukeltų harmonines vibracijas kompresoriaus ratų įtekėjimo kraštuose.
Kalbant apie rotoriaus dinaminį stabilumą, perėjimas nuo tradicinių hidrodinaminio plėvelės guolių prie pažangių rutulinių guolių kasečių mazgų – ypač „Garrett 849894“ serijos keraminių rutulinių guolių CHRA – iš esmės pakeitė sukimosi dažnio slenkstį. Šie mazgai veikia su žymiai mažesne trinties jėga, leidžiančia momentinį veleno pagreitį; tačiau jiems reikia griežtai reguliuojamo alyvos padavimo apribojimo, siekiant išvengti „putojimo“ ir vėlesnio tepalo trūkumo esant dideliam slėgiui. Netinkamas reguliuojančios angos kalibravimas, dažnai sukeliantis alyvos slėgį, viršijantį 45-50 psi prie CHRA įleidimo angos, lemia vidinį sandarinimo praleidimą ir anglies nuosėdų susidarymą alyvoje. Šis nuosėdų susidarymo reiškinys paaštrėja dėl šilumos sulaikymo (ang. heat soak) greito išjungimo metu, kai stovinti alyva guolio korpuse patiria pirolizę, sudarydama abrazyvines nuosėdas, kurios pažeidžia keraminių rutuliukų ir bėgimo takelių hidrodinaminį tarpą, neišvengiamai sukeliant katastrofišką guolio narvelio suirimą.
Aukšto slėgio pritaikymuose, naudojant tokius mazgus kaip „BorgWarner EFR 9280“, integruotas Kompresoriaus Recirkuliacijos Vožtuvas (CRV) yra būtinas siekiant apsaugoti kompresoriaus pakopą staiga uždarant sklendę. Be jo, slėgio skirtumas per kompresoriaus pakopą sukelia kompresoriaus strigimo (ang. stall) įvykį, sukeliantį masinį atvirkštinį-aksinį apkrovimą traukos guoliui – komponentui, kuris dažnai yra įvertintas atlaikyti tik ribotą pereinamąjį ašinį jėgą. Inžinieriai turi užtikrinti, kad CRV veikimo laikas neviršytų 50 milisekundžių, kad sėkmingai išsklaidytų slėgio šuolį, kol jis negrįžta atgal į įtekėjimo (inducer) zoną. Be to, vertinant ilgalaikį struktūrinį vientisumą, mikrįtrūkių atsiradimas turbinos rato galinėje pusėje, ypač Inconel 713C lietiniuose, naudojamuose didelio EGT (išmetamųjų dujų temperatūra) aplinkose, yra latentinis gedimo režimas. Reguliarus neardomasis patikrinimas (NDI) naudojant fluorescencinį skvarbos bandymą (ang. fluorescent penetrant testing) turbinos mentelėms yra privalomas, nes bet kokia menka struktūrinė deformacija pakeis aerodinaminį profilį, sukeliant stiprias mentelių galiukų osciliacijas ir per ankstyvą korpuso kontaktą esant padidintiems darbinio sukimosi greičiams.
Šiuolaikinių autosporto turbokompresorių pažangi aerodinaminė optimizacija labai priklauso nuo specifinių įleidimo (inducer) menčių atlenkimo kampų ir pertvarų (splitter) konfigūracijų, siekiant valdyti viršgarsinio srauto ypatybes kompresoriaus įleidime. Tokiuose agregatuose kaip „Garrett G-Series G42-1200“ (PN: 871389-5002S), įleidimo geometrijos geometrija yra kruopščiai apskaičiuojama siekiant kontroliuoti smūgio bangos susidarymą, kuris paprastai įvyksta, kai menčių galiukų greitis viršija Mach 1,0. Plono profilio, stipriai atlenktų menčių naudojimas sumažina kritimo kampo jautrumą, leidžiant kompresoriui išlaikyti didelį masinio srauto efektyvumą net veikiant neprojektinėmis darbo vietomis. Inžinieriai turi patikrinti, ar menčių galiukų paviršiaus apdaila, dažnai nurodoma kaip Rz 1,6 μm ar mažesnė, yra išlaikoma, kad būtų išvengta ribinio sluoksnio atsiskyrimo, kuris kitaip sukeltų parazitinį aerodinaminį pasipriešinimą ir sumažintų bendrą etapo slėgio santykio potencialą.
Besisukančios mazgo struktūrinį vientisumą dažnai pažeidžia dvisraunio turbinos korpuso asimetrinio slėgio apkrovos sukeliamas harmoninis osciliavimas. Naudojant aukštos našumo agregatus, tokius kaip „BorgWarner EFR 9280“ (PN: 179391), gyvybiškai svarbu atsižvelgti į turbinos rato modines vibracijos charakteristikas. „Inconel 713C“ turbinos menčių nuovargio trukmės analizė atskleidžia, kad rezonanso dažniai gali keistis dėl terminio minkštėjimo esant temperatūrai, viršijančiai 950 °C. Siekdami sumažinti didelio ciklo nuovargio (HCF) ir vėlesnio menčių galiukų virpėjimo riziką, profesionalūs variklių konstruktoriai naudoja specializuotas elektronines slėgio kontrolės strategijas, skirtas slopinti pereinamuosius slėgio pulsus, kurie sutampa su turbinos rato mazgo natūraliais dažniais. Be to, tinkamos išleidimo (wastegate) sklendės spyruoklės standumo parinkimas yra nepriklausomas nuo pasirinkimo; per mažas aktuatorius, pavyzdžiui, randami senesniuose T3/T4 agregatuose, osciliuos prieš išmetamųjų dujų atgalinį slėgį, sukeldamas priešlaikinį išleidimo sklendės įvorės susidėvėjimą ir sukeldamas nestabilią slėgio kontrolę, kuri sustiprina kompresoriaus perkrovą (surge).
Tepimo sistemos architektūra reikalauja itin didelio tikslumo, ypač naudojant dvieilių keraminių rutulinių guolių CHRA (central housing rotating assembly), nes riedėjimo elementai yra labai jautrūs tepalo klampumo pokyčiams šiluminio ciklo metu. Naudojant ribotuvą, kurio vidinis skersmuo viršija gamintojo rekomenduojamą 1,0 mm–1,2 mm diapazoną, pavyzdžiui, nurodytą „Garrett GT“ ir „G-Series“ šerdims, sukeliamas per didelis tepalo plėvelės šlytis, todėl atsiranda lokalizuotas kaitimas vidiniuose guolio takeliuose. Ši terminė degradacija skatina kietų anglies nuosėdų – dažnai vadinamų „lakas“ (varnish) – susidarymą, kuris efektyviai keičia vidinius guolio kasetės tarpus, didina sukimosi trintį ir keičia veleno dinaminį balansą. Siekiant užtikrinti maksimalų eksploatavimo laiką, inžinieriai turi įdiegti išjungimo po sustabdymo terminio valdymo protokolą, naudojant elektrinį pagalbinį vandens siurblį, kad būtų palaikoma aušinimo skysčio cirkuliacija per CHRA vandens apvalkalą, taip apsaugant nuo likusios šilumos patekimo į guolio korpusą ir išsaugant sintetinės aukštos temperatūros sandariklių vientisumą.