Didelio našumo turbokompresorių konstrukcijose atidarymo vožtuvo apylankos kanalas dažnai yra pagrindinis „butelio kaklelis“, ribojantis turbinos efektyvumą esant dideliam masiniam oro srautui. Turbokompresoriui pasiekus tikslinį slėgį, atidarymo vožtuvas atsidaro, kad nukreiptų išmetamąsias dujas aplink turbinos ratą. Jei ši apylanka aerodinamiškai neefektyvi, susidaro priešslėgis (išmetimo kolektoriaus slėgis), kuris neigiamai veikia variklio tūrinį efektyvumą ir didina siurbimo nuostolius. Šiame straipsnyje nagrinėjama skaitmeninės skysčių dinamikos (CFD) taikymo svarba optimizuojant apylankos geometriją, ypatingą dėmesį skiriant srauto pralaidumo koeficiento gerinimui ir srauto atsiskyrimo mažinimui.
Tradicinis iteracinis fizinis turbinų korpusų testavimas yra itin brangus ir reikalauja daug laiko. Šiuolaikiniai inžineriniai procesai naudoja aukšto tikslumo „Reynolds-Averaged Navier-Stokes“ (RANS) simuliacijas, kad vizualizuotų srauto struktūras atidarymo vožtuvo kanale. Tikslas – maksimaliai padidinti apylankos angos pralaidumo koeficientą (Cd). CFD analizė dažniausiai orientuojasi į kelis kritinius srauto parametrus:
Iteruojant geometriją – ypač modifikuojant vožtuvo lizdo spindulį ir apylankos kanalo kreivumą – inžinieriai gali sumažinti sūkurių susidarymą, kurie „uždusina“ kanalą. Simuliacijos dažnai rodo, kad padidinus perėjimo spindulį nuo 0,5 mm iki 2,5 mm, masinio srauto pralaidumas pikinėmis sąlygomis gali padidėti iki 8 proc.
Srauto optimizavimas reikalauja griežto mechaninių tolerancijų laikymosi atidarymo vožtuvo mazge. Remiantis pramonės standartais „Garrett“ ir „BorgWarner“ dydžio korpusams, siekiant išlaikyti optimizuoto apylankos kanalo vientisumą, kritiškai svarbūs šie tarpai:
Dažnas CFD studijų rezultatas yra „srovės interferencijos“ reiškinys, kai nukreiptas išmetamųjų dujų srautas atsitrenkia į turbinos rato menčių nugarinę pusę arba difuzoriaus sienelę, sukurdamas aukšto slėgio zonas, kurios destabilizuoja ištekantį srautą. Inžinieriai tai sprendžia optimizuodami apylankos kanalo „atakos kampą“. Tikslas – sujungti apylankos srautą su pagrindiniu turbinos išėjimo srautu mažesniu nei 25 laipsnių kampu. Tai apsaugo nuo srauto grįžtamojo judėjimo ir sumažina turbulenciją, o tai yra būtina norint išsaugoti išmetamųjų dujų kinetinę energiją po turbinos.
Diegiant CFD optimizuotus korpusus, technikai privalo patikrinti, ar atidarymo vožtuvo pavara kalibruota pagal specifinę naujos kanalo geometrijos srauto dinamiką. Jei apylankos srautas žymiai padidėja, būtina patikrinti pavaros spyruoklės standumą, kad būtų išvengta „slėgio šliaužimo“ (angl. *boost creep*), kai vožtuvas atidaromas dėl išmetamųjų dujų slėgio, o ne dėl numatyto pneumatinio signalo. Diagnostika turėtų apimti vakuumo/slėgio siurblio testą. Standartinė vidutinio dydžio turbokompresoriaus pavara turėtų pradėti judėti esant maždaug 0,5 bar slėgiui ir pasiekti pilną eigą esant 1,0 – 1,2 bar. Bet kokie nuokrypiai nuo šių diapazonų po optimizavimo atliktų bandymų metu rodo galimą mechaninį strigimą arba vidinių tarpiklių nusidėvėjimą.
Atidarymo vožtuvo apylankos optimizavimas yra sinergetinis procesas tarp CFD pagrįsto aerodinamikos projektavimo ir tikslaus mechaninio surinkimo. Tobulinant apylankos kanalo geometriją ir griežtai laikantis nurodytų 0,015 mm – 0,030 mm koto tolerancijų, inžinieriai gali sėkmingai išplėsti turbokompresoriaus darbo diapazoną, užtikrindami geresnį slėgio valdymą ir sumažintus variklio siurbimo nuostolius. CFD įrankiams tobulėjant, galimybė iteratyviai kurti vidines kanalo konfigūracijas išliks aukso standartu kuriant didelio našumo turbokompresorius.
Pažangiausios skaičiavimo skysčių dinamikos (CFD) metodologijos dabar apima atliekų vartų (wastegate) vožtuvo svyruojančio elgesio, esant aukšto pulsavimo išmetamųjų dujų aplinkai, tranzientinį modeliavimą, ypač dviejų srautų (twin-scroll) architektūrose, tokiose kaip „BorgWarner B1-frame“ serijoje (detalės Nr. 12709880005). Analizuojant apėjimo angą (bypass orifice), inžinieriai turi atsižvelgti į ribinio sluoksnio poslinkio storį, nes realaus pasaulio srautas retai elgiasi kaip idealios dujos „Inconel“ turbinos korpuso apribotose tūryse. Išleidimo koeficiento (Cd) optimizavimas apima iteratyvų vožtuvo „ritinėlio-sėdynės“ menisko modeliavimą, siekiant sumažinti antrinį srauto atsiskyrimą, kuris dažnai yra atsakingas už priešlaikinį turbulencijos atsiradimą turbinos spiralinės (volute) jungties liežuvio ir griovelio (tongue-and-groove) sąsajoje. Specializuotų užpilų (fillets) įdiegimas apėjimo angos išėjime gali nukreipti didelio greičio apėjimo srovę (jet) nuo turbinos išėjimo (exducer), taip veiksmingai sušvelninant lokalizuotus atgalinio slėgio smailiukus, kurie prisideda prie ašmenų galiuko erozijos ir pagreitinto guolių alyvos kokso kaupimosi.