معرفی توربوشارژر و کاربردهای آن

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 آنهااستفاده 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.

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.

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.

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.

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.

استفاده از توربوشارژر در موتورهای توربین گازی
استفاده از توربوشارژرها یکی از مؤثرترین راه های راه اندازی توربین های گازی آزمایشگاهی می باشد. از آنجا که طراحی پره های توربین و کمپرسور و نحوه ساخت آنها فرایندی بسیار پیچیده و پرهزینه است، لذا تعداد بسیار محدودی از کشورهای صنعتی دنیا قادر به ساخت آنها می باشند. به همین خاطر مناسبترین گزینه ای که بتوان آنرا جایگزین کمپرسور 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 کسب تجربه در عملکرد موتورهای توربین گاز و توربوجت میباشد. توربین گازهای اولیه که با استفاده از توربوشارژر ساخته شدند، عملکرد مناسبی نداشتند ولی امروزه با بهبود روند طراحی قسمت های مختلف سیکل کاری آنها، عملکردی قابل قبول و مشابه توربین گازهای معمولی دارند. توربوشارژر از یک کمپرسور با صفحه ای آلومنیومی تشکیل می شود که با یک توربین ستاره ای (رادیال ) کوپل می شود. بخش های دوار توربوشارژر جهت جلوگیری از ارتعاشات و قرار گرفتن در فرکانس تشدید ( رزونانس ) بایستی کاملاً در تعادل دینامیکی باشند.