Know How: Turbo Part VI

Συμπιεστής από την ...ανάποδη

Λοιπόν, τι είπαμε τους προηγούμενους δύο μήνες για το συμπιεστή του τούρμπο και την πορεία της συμπιεζόμενης ροής του αέρα..?? Ε ΟΚ, βάλτε το βίντεο στο rewind και είστε πολύ πολύ κοντά στη λειτουργία του στροβίλου...Είναι τόσο απλό?! Και ναι και όχι... Ο συμπιεστής δίνει ενέργεια στον καθαρό αέρα, αλλά ο στρόβιλος είναι αυτός, που παρέχει αυτήν την ενέργεια στο συμπιεστή αξονικά, απομαστεύοντάς την από τα καυσαέρια, τα οποία -με τη σειρά τους- την είχαν πάρει στη μάζα τους από την ανάφλεξη του μείγματος στον κύλινδρο. Αυτή είναι γενικότερα η δουλειά κάθε στροβίλου και -πέρα από τα αυτοκινητιστικά τούρμπο- είτε μιλάμε για μεγέθους μεζονέτας υδροστρόβιλο φράγματος, είτε για τουρμπίνα αεροπλάνου: είναι ένας θερμοδυναμικός συνδυασμός ενθαλπίας (δηλαδή εσωτερικής ενέργειας και πίεσης) και κινητικής ενέργειας αυτός, που μεταφέρει ενέργεια στο στρόβιλο, ο οποίος την μετατρέπει (μέρος αυτής μόνο δυστυχώς!) σε περιστροφική κινητική ενέργεια στον άξονά του. Σε έναν υδροστρόβιλο ή έναν βιομηχανικό ατμοστρόβιλο, ο άξονας πάει σε γεννήτρια, σε ένα τούρμπο ή έναν turbojet αεροπλάνου, ο άξονας πάει στο συμπιεστή. Μένοντας στα τούρμπο χωράφια μας, η ροή του ακτινικού μας στροβίλου είναι, όπως είπαμε, πραγματικά αντίστροφη αυτής ενός ακτινικού συμπιεστή: αντί για διαχύτη στο κέλυφος μετά τη φτερωτή για να επιβραδύνει τον αέρα και να αυξήσει τη στατική του πίεση, εδώ στο στρόβιλο έχουμε ακροφύσιο πριν τη φτερωτή, που επιταχύνει και μειώνει τη στατική πίεση των καυσαερίων πριν χτυπήσουν τα πτερύγια και τα κάνουν να γυρίσουν σε ταχύτητες, που πλησιάζουν τις 250.000rpm (για σκεφτείτε το νούμερο λίγο παραπάνω, μιλάμε για 4.000 στροφές του άξονα του τούρμπο ΑΝΑ ΔΕΥΤΕΡΟΛΕΠΤΟ!). Επίσης, εδώ το καυσαέριο μπαίνει ακτινικά από το inducer και, αφού στρίψει 90 μοίρες μέσα στην πτερύγωση της φτερωτής, εξέρχεται αξονικά από το exducer (αντί το ρευστό να μπαίνει αξονικά και να βγαίνει ακτινικά, όπως δηλαδή είδαμε στο συμπιεστή), αλλά οι διάμετροι ορίζονται αντίστροφα από του συμπιεστή: η μεγάλη διάμετρος-εισόδου (μέσα στο κέλυφος του στροβίλου, που δεν την βλέπουμε) είναι το inducer και η μικρότρη διάμετρος-εξόδου (αυτό που βλέπουμε, αν αφαιρέσουμε το downpipe) είναι το exducer. Φυσικά, παρά την ομοιότητα στο σχήμα, τα υλικά κατασκευής κελύφους και φτερωτής, ανοχές κτλ. έχουν εντελώς διαφορετικές (πολύ μεγαλύτερες...) απαιτήσεις από αυτά του συμπιεστή, η ροή επηρεάζεται έντονα τόσο από το backpressure της διάταξης της εξάτμισης μετά το στρόβιλο όσο και από τη θύρα του (εσωτερικού) wastegate και γενικώς -σε σχέση με το αλουμίνιο του τούρμπο- εδώ έχουμε πιο hardcore καταστάσεις. Και ποτέ δεν πρέπει να ξεχνάμε ότι το μέγεθος του στροβίλου σε φτερωτή και κελύφος είναι αυτό που πάνω κάτω καθορίζει το μέγεθος του συμπιεστή, δηλαδή ουσιαστικά τόσο το μέγεθος όσο και τα χαρακτηριστικά λειτουργίας (μικρός-μεγάλος για ιδανική απόδοση χαμηλά ή ψηλά αντίστοιχα) ολόκληρου του τούρμπο. Δεν είναι υπερβολή να πούμε ότι ο στρόβιλος, η τουρμπίνα, δηλαδή, είναι η καρδιά όλου του τούρμπο. Όπως είδαμε και στο συμπιεστή, το κέλυφος -γενικώς στις «ΙΧ» αυτοκινητιστικές εφαρμογές- δεν έχει σταθερά πτερύγια κατεύθυνσης (ΟΚ ξέρω, έχουμε και τα VTG, αργότερα αυτά) παρά μόνο την κινητή πτερύγωση της φτερωτής. Δύο είναι τα βασικά μέρη και εδώ στο στρόβιλο, η φτερωτή του και το κέλυφος γύρω της, φύγαμε να μπούμε στη δίνη...

Γαλή η οικοδίαιτος, τουρμπίνα η φτερωτή

Συνήθως, όταν λέμε «φτερωτή στροβίλου», εννοούμε το ζευγάρι φτερωτής και άξονα τούρμπο και αυτό γιατί, λόγω θερμοκρασιών, καταπονήσεων κτλ., πάνε πολύ περισσότερο πακέτο και κατασκευαστικά και λειτουργικά απ’ ότι πάει ο άξονας του συμπιεστή, απλά έρχεται τσόντα και κουμπώνει στην άκρη του άξονα κατά βάση, ΑΦΟΥ η φτερωτή του στροβίλου είναι ήδη στη θέση της. Αυτό δείχνει τη σημασία του ...σκούρου στροβίλου για το όλο τούρμπο παρότι όλη τη δόξα αισθητικά την κλέβει ο ανοιχτόχρωμος αστραφτερός συμπιεστής: δεν είναι τυχαίο ότι η φτερωτή στροβίλου+άξονα ως ανταλλακτικό είναι το πιο ακριβό μέρος του τούρμπο, είναι δε και το πιο σημαντικό συνάμα. Και γιατί πρακτικά πάνε πακέτο τα δυο τους και οι κατασκευαστές τούρμπο -κατά κανόνα- τα πουλάνε μαζί, ενώ θεωρητικά θα μπορούσαν να είναι διαθέσιμα ξεχωριστά? Διότι -σε αντίθεση με τη φτερωτή του συμπιεστή-  τόσο το να τα κουμπώσεις μαζί όσο και να τα σπάσεις μεταξύ τους, είναι από πλευράς κατεργασιών πέρα από το φάσμα ενός απλού συνεργείου και απαιτεί εξειδικευμένα κέντρα και εργαλεία. Γι’ αυτό και σήμερα, όπως βλέπετε, αναφερόμαστε παράλληλα και πέρα από το στρόβιλο καθαυτό και στον άξονα του τούρμπο. Ο τελευταίος, κατά κανόνα, έχει υποστεί μηχανουργικές κατεργασίες σκλήρυνσης μόνο κατά το μήκος του, εκείνο που έρχεται σε επαφή (εντός εισαγωγικών το «επαφή», μιλάμε για ανοχές άξονα της τάξεως του 0,008 του χιλιοστού, 8 μικρά δηλαδή! Rebuild τούρμπο χωρίς μικρόμετρο, δηλαδή, γιοκ) με τις εδράσεις-κουζινέτα του στο cartridge (θα τα δούμε αργότερα και αυτά), για λόγους φθοράς, όπως υποπτεύεστε. Και για να τον πάμε και ένα βήμα παραπέρα όλον αυτόν το γάμο φτερωτής και άξονα, για αεροπορικές εφαρμογές υπάρχουν κανονισμοί, που επιβάλλουν αυτά τα δύο να αποτελούν ένα αδιαίρετο κομμάτι, κατεργασμένο από κοινό «μασούρι» για λόγους ασφαλείας. Στις ειδικές αυτοκινητιστικές εφαρμογές, όπως είπαμε, πάλι είναι μαζί, αλλά, αφού πρώτα ο άξονας συγκολληθεί στη χυτή φτερωτή με συγκόλληση είτε δέσμης ηλεκτρονίων είτε, ακόμα συχνότερα σήμερα λόγω της ταχύτητας παραγωγής, που προσφέρει, με αδρανειακή μέθοδο συγκόλλησης. Από την άλλη πλευρά του άξονα τώρα έχουμε το σπείρωμα, που θα ρθει να βιδωθεί η φτερωτή του συμπιεστή: το σπείρωμα του άξονα εκεί δεν είναι φτιαγμένο με κατεργασία κοπής υλικού, όπως τορνίρισμα, κολαούζους κτλ., κάτι που θα αδυνάτιζε τοπικά τον άξονα, αλλά οι βόλτες φτιάχνονται με συμπίεση-κύλιση των αυλακώσεων, χωρίς αφαίρεση υλικού, ώστε να διατηρηθεί η εσωτερική κρυσταλλική δομή του κόκκου του μετάλλου (μία μίνι σφυρηλάτηση δηλαδή). Στην πλευρά του άξονα τώρα από την άλλη και ακριβώς πίσω από το οπίσθιο μέρος της φτερωτής του στροβίλου, ο άξονας έχει τη μέγιστη διάμετρο και διαθέτει συνήθως δύο λούκια-πατούρες: μία για τη στεγανοποιητική τσιμούχα προς το cartridge και μία λαδιού, που σκοπό έχει να πετάει λιπαντικό μακριά από την τσιμούχα κατά την περιστροφή του άξονα.   Και μιας και μιλάμε για ανοχές τρίχας και βαρβάτες κατεργασίες, ίσως ήρθε η ώρα να αναφερθούμε λίγο και στα τούρμπο «δευτέρας διαλογής», που είναι της μόδας τα τελευταία χρόνια, δηλαδή αυτά που δεν προέρχονται από καθιερωμένους κατασκευαστές, αλλά συνηθίζουμε να τα λέμε «κινέζινα» (ενώ δεν είναι πάντα όντως Made in China). Από τη μία πλευρά, λοιπόν, όπως έχετε καταλάβει σήμερα, αλλά και από τις έξι πρώτες συνέχειες της σειράς μας, υπάρχουν σημαντικά στοιχεία του τούρμπο, που -πολύ απλά- δεν πιάνει το μάτι του μέσου αγοραστή τούρμπο: τα υλικά, οι μέθοδοι κατεργασίας και μικρές σχεδιαστικές λεπτομέρειες δεν πρέπει να υποτιμούνται, αφού και η παραμικρή διαφορά μπορεί να έχει ρόλο σε μία κατασκευή, που γυρνάει στις 200.000rpm με 1000 βαθμούς θερμοκρασίας, τις προαναφερθείσες ανοχές και ταχύτητες ροής, που τοπικά στη φτερωτή μπορεί να ξεπεράσουν την ταχύτητα του ήχου. Μπορεί το value for money αρχικά να φαίνεται σούπερ, μπορεί να μας επιτρέπουν να μείνουμε εντός budget, οι κίνδυνοι, όμως, εγκυμονούν ανά πάσα στιγμή για ζημιές, που θα ξεπεράσουν την αξία του τούρμπο. Τα «κινέζινα» τώρα γενικώς χωρίζονται σε δύο κατηγορίες: σε αυτά που χρησιμοποιούν τα «δύσκολα» κατασκευαστικά δομικά μέρη, όπως το cartridge ή/και άξονα-στρόβιλο από γνωστές μάρκες και απλά βάζουν κελύφη από χυτήριο της …γειτονιάς και υπάρχουν και αυτά που είναι 100% κινέζινα σε όλα τα υπεξαρτήματά τους. Προσωπικά, και έχοντας εξηγήσει ότι το κέλυφος τουλάχιστον του συμπιεστή ούτως ή άλλως έχει ρόλο «κομπάρσου» σε σχέση με τη φτερωτή, ένα τούρμπο της πρώτης κατηγορίας, που έχει αποδείξει την αντοχή του σε άλλες εφαρμογές, θα το σκεφτόμουνα. Ένα πραγματικά low budget τούρμπο όμως της δεύτερης κατηγορίας, θα το άφηνα ως ύστατη εναλλακτική… Πάμε όμως πίσω στη φτερωτή του στροβίλου του τούρμπο και στην κατασκευή της. Μιλάμε πρακτικά πάντα εδώ για χυτές φτερωτές από (υπερ)κράματα μετάλλων με μεγάλο ποσοστό νικελίου, με πιο συχνά απαντώμενα το GMR 235 και τα διάφορα κράματα Inconel, όπως είναι π.χ. το 713C. Το Inconel έχει καλύτερες ιδιότητες ως προς την αντοχή υπό θερμική καταπόνηση σε σχέση με το GMR 235, αν και στα περισσότερα μοντέλα δεν υπάρχει η επιλογή και απλά ο κατασκευαστής χρησιμοποιεί το ένα ή το άλλο κράμα σε φάση «αυτό είναι πάρτο». Κατά κανόνα, το GMR 235 το συναντάμε σε υπερτροφοδοτούμενα πετρέλαια και λιγότερο σε βενζίνες, ενώ οι περισσότερες βενζινοκίνητες εφαρμογές και σίγουρα οι πιο απαιτητικές, κατά κανόνα, έχουν φτερωτή από κάποιο κράμα Inconel. Πρακτικά δεν νοείται βαρβάτη εφαρμογή υψηλών απαιτήσεων, είτε ΟΕΜ, είτε aftermarket, είτε βενζίνη, είτε πετρέλαιο, με κάτι λιγότερο από Inconel, είναι το μίνιμουμ που ξεκινάμε. Πολύ συχνά σε πρότζεκτ, που απαιτούν πολύ μεγάλες παροχές, συνηθίζεται να μεταφέρουμε αυτούσιο το στρόβιλο από κάποια φορτηγίσια ντίζελ πηγή: σε αυτές τις περιπτώσεις, ενώ από παροχή μπορεί να είμαστε όντως ΟΚ, συχνά πολλοί «ξεχνάνε» να τσεκάρουν και το υλικό της φτερωτής και τα προβλήματα είναι τότε προ των πυλών. Δεν είναι τυχαίο που πολλοί κατασκευαστές χρησιμοποιούν αποκλειστικά και μόνο Inconel για όλες τις φτερωτές τους. O χρυσός κανόνας λέει ότι γενικώς για εφαρμογές, που ξεπερνάνε τους 750 βαθμούς Κελσίου σε θερμοκρασία καυσαερίων, τίποτα λιγότερο από το Inconel δεν θα αντέξει για πολύ.

Inconelαγάπη μου

Αλλά ας πούμε πέντε πράγματα περισσότερο γι’ αυτό το πολυτραγουδισμένο υλικό στροβίλων το Inconel, το οποίο, ενώ όλοι το θεωρούν εξωτικό, στην πραγματικότητα κάθε τούρμπο, που σέβεται τον εαυτό του σήμερα, έχει τουλάχιστον τέτοιο κράμα στη φτερωτή του: η Mitsubushi π.χ. το χρησιμοποιούσε ήδη ως το μαμά υλικό σε όλα τα TD05 μαμά τούρμπο της από εποχής Lancer Evo I…Μην με παρεξηγείτε, δεν λέω ότι δεν είναι γαμηστερό και τρομερό υλικό και μην ξεχνάμε ότι οι εξατμίσεις-χταπόδια από Inconel είναι όνειρο θερινής νυκτός για τους περισσότερους από εμάς, απλά λέω ότι στις μικρές αναλογικά ποσότητες μάζας του, που απαιτούνται για μία φτερωτή τούρμπο, τείνει να είναι εδώ και χρόνια ο κανόνας παρά η εξαίρεση. To Inconel, λοιπόν, είναι ουσιαστικά μία οικογένεια κραμάτων από ωστενιτικά κράματα νικελίου και χρωμίου, τα οποία είναι πολύ ανθεκτικά σε οξείδωση ακόμα και σε ακραίες συνθήκες συνδυασμού πίεσης και θερμοκρασίας. Από μόνο του το υλικό έχει την τάση να σχηματίζει ένα εξωτερικό προστατευτικό στρώμα από την στιγμή και μετά, που θα εκτεθεί σε υψηλή θερμοκρασία. Αλλά εκεί που υπερισχύει ξεκάθαρα σε σχέση π.χ. με το αλουμίνιο ή τα διάφορα ατσάλια, είναι ως προς τον ερπυσμό, δηλαδή ως προς την τάση για μακροπρόθεσμη παραμόρφωση διαστάσεων υπό διαρκή καταπόνηση σε θερμοκρασίες πολύ πιο κάτω από αυτές της τήξης τους μετάλλου, δηλαδή ακόμα και μακριά από το όριο απόλυτης αντοχής: αν «τραβάμε» -με άλλα λόγια- ένα μέταλλο στους 400 βαθμούς, που κανονικά λιώνει στους 1000 βαθμούς, μακροπρόθεσμα θα παραμορφωθεί, αυτό είναι ο ερπυσμός. Το πιο χαρατηριστικό καθημερινό παράδειγμα ερπυσμού είναι τα κουρτινόξυλα: ενώ όταν κρεμάμε τις κουρτίνες το κουρτινόξυλο δεν λυγίζει, γιατί φυσικά το βάρος της κουρτίνας δεν ξεπερνάει το όριο του, σε πέντε-δέκα χρόνια το ίδιο κουρτινόξυλο θα έχει κάνει καμπύλη, παρόλο που το βάρος της κουρτίνας δεν άλλαξε ποτέ! Το ψευδώνυμο του παρεμπιπτόντως είναι «Inco» και σαν κάθε σοβαρή εφεύρεση, που σέβεται τον εαυτό της, ανακαλύφθηκε και αυτή λόγω αναγκών πολέμου και πιο συγκεκριμένα τη δεκαετία του ’40, όταν προσπαθούσαν να βρουν υλικά, που θα άντεχαν στους πρώτους turbojet κινητήρες αεροπλάνων. Κάθε κράμα Inconel έχει διαφορετικά ποσοστά νικελίου, χρωμίου και προσμείξεων: το Inconel 600 π.χ. έχει 72% νικέλιο, 14-17% χρώμιο, 6-10% σίδηρο και διάφορα άλλα μέταλλα για το υπόλοιπο 1-10%. Ωστόσο, σαν υλικό είναι πολύ δύσκολο να κατεργαστεί με κλασσικές μεθόδους εξαιτίας της άμεσης σκλήρυνσής του υπό συνθήκες καταπόνησης, με άλλα λόγια μετά το πρώτο πάσο από την εκάστοτε εργαλειομηχανή, σκληραίνει ακόμα περισσότερο, με αποτέλεσμα πολλές φορές να τσακίζει το ίδιο το κοπτικό εργαλείο! Γι’ αυτόν το λόγο κατά κανόνα το Inconel κατεργάζεται με ρυθμίσεις μικρής ταχύτητας / μεγάλης δύναμης, παρά με ρυθμίσεις μεγάλης ταχύτητας και μικρότερης δύναμης, όπως άλλα κράματα. Γι’ αυτό πολύ συχνά εξαρτήματα από Inconel κόβονται με υδροκοπή ή laser, κάτι που επιταχύνει τη διαδικασία σχεδόν οκτώ φορές σε σχέση με ένα μαχαίρι καρβιδίου. Η συγκόλλησή του με τις παραδοσιακές μεθόδους κατεργασίας συγκόλλησης είναι επίσης πολύ δύσκολη, αφού δημιουργεί μικρορωγμές στο υλικό, οπότε και εδώ συχνά καταφεύγουμε σε high-end συγκολλήσεις, όπως είναι το laser. Τώρα ξέρετε γιατί ένα φαινομενικά απλό μεταλλικό σαλιγκάρι με μία φτερωτή μέσα, όπως είναι πρακτικά ένα τούρμπο, είναι τόσο ακριβό. Πέρα από τις τυπικές high-end εφαρμογές σε αυτοκίνητα, όπως οι στρόβιλοι μας εδώ, οι εξατμίσεις και κάποιες race-spec βαλβίδες εξαγωγής, το συναντάμε σε εξαρτήματα πυραύλων, αεροπορικών κινητήρων, πυρηνικών αντιδραστήρων, ακόμα και στις μπαταρίες των Tesla προσφάτως.

Μετά το Inconel, τι..?

Υπάρχει ζωή μετά το Inconel για τη φτερωτή του στροβίλου? Όχι μόνο υπάρχει, αλλά είναι και ακόμα πιο βαρβάτη, αφού τα τελευταία χρόνια έχουν παρουσιαστεί ακόμα πιο βαρβάτα υλικά. Το πιο γνωστό είναι το TiAl (καμία σχέση με την Tial…), δηλαδή το αλουμινίδιο του τιτανίου. Τέτοιο υλικό στη φτερωτή χρησιμοποιούν τα αμέσως πιο βαρβάτα τούρμπο από αυτά, που μένουν στο Inconel: η Mitsubushi π.χ. χρησιμοποιεί αλουμινίδιο του τιτανίου στο στρόβιλο των τούρμπο των RS εκδόσεων των Evo, από τη γενιά VI και μετά. Πρόκειται για διαμεταλλική ένωση, δηλαδή κάτι μεταξύ μετάλλου και κεραμικού υλικού. Περιέχει κυρίως τιτάνιο και αλουμίνιο μεταξύ άλλων μικρότερων –ποσοστιαία- προσμείξεων, αλλά οι ιδιότητες, που αποκτά το κράμα, είναι απείρως καλύτερες από του τιτανίου ή του αλουμινίου ξεχωριστά. Το TiAl είναι εξαιρετικά ελαφρύ, μόλις τέσσερα γραμμάρια ανά κυβικό εκατοστό πυκνότητα (σχεδόν η μισή από του Inconel!!) και με αντίστοιχα μεγάλη αντοχή σε οξείδωση και θερμική καταπόνηση. H πολύ μικρή του πυκνότητα κάνει τις φτερωτές από αυτό το υλικό να έχουν αντίστοιχα και πολύ μικρή ροπή αδρανείας, τόσο μικρή που «κοντράρει» τη ροπή αδρανείας της φτερωτής του συμπιεστή, που είναι στην άλλη άκρη του άξονα: αυτό είναι κάτι τρομερό για ένα τούρμπο, αφού -κατά κανόνα στα πιο προσγειωμένα τούρμπο- η ροπή αδρανείας του στροβίλου είναι κατά πολύ μεγαλύτερη από του, πολύ πιο αδύνατου σε πάχος πτερυγίων, συμπιεστή. Φυσικά μικρότερη ροπή αδρανείας σημαίνει μικρότερη απαιτούμενη κινητική ενέργεια καυσαερίων για την περιστροφή του άξονα κι επομένως χαμηλότερο boost threshold και ταχύτερο spool up. Ανακαλύφθηκε το 1970, αλλά πρακτικές -για ευρεία παραγωγή- εφαρμογές σε αυτοκίνητα και αεροπλάνα ξεκίνησαν μόλις αμέσως μετά το millenium: το μεγάλο του πρόβλημα είναι ότι δεν είναι και πολύ «ελατό και όλκιμο» σε θερμοκρασίες δωματίου πριν θερμανθεί πάρα πάρα πολύ, με άλλα λόγια βγάζει το λάδι για να διαμορφωθεί. Το πρόβλημα ξεκινάει από το γεγονός ότι δεν ρέει ομαλά και εύκολα σε υγρή μορφή, δηλαδή είναι πολύ δύσκολο να χυτευτεί: στο καλούπι, από το οποίο βγαίνει η φτερωτή, το υλικό είναι πολύ δύσκολο να φτάσει στις άκρες των κοιλοτήτων, που βγάζουν τις άκρες των πτερυγίων, ενώ και στο κεντρικό κορμό της φτερωτής υπάρχει κίνδυνος δημιουργίας κενών. Η κατεργασία κοπής του είναι επίσης εφιάλτης λόγω της σκληρότητάς του, ενώ να σημειώσουμε ότι κατά την κοπή εκπέμπει ένα «εκτυφλωτικό» επίπεδο λάμψης σαν αυτή που βγάζει το καιγόμενο μαγνήσιο. Εφιάλτης, και γι’ αυτό και το πληρώνεις, είναι και η σύγκολληση του πίσω τοιχώματος της φτερωτής με τον άξονα του τούρμπο: φανταστείτε ότι ενώ η συγκόλληση μιας φτερωτής από Inconel στον άξονα του τούρμπο (κατά κανόνα μιλάμε για chromoly, δηλαδή κράμα ατσαλιού με χρώμιο και μολυβδένιο) γίνεται σχετικά εύκολα σε σχέση με το TiAl, ειδικές μέθοδοι απαιτούνται για το δεύτερο, οι οποίες περιλαμβάνουν κατεργασία σε δεύτερη και επόμενες φάσεις σε τόρνο, φρέζα και ζυγοσταθμιστικά μηχανήματα, οι οποίες υπερβαίνουν σε αριθμό κατά πολύ τα βήματα, που θέλει μια φτερωτή Inconel. Οι ακριβείς συνθέσεις των κραμάτων (μία προσθήκη μήδεν κόμμα κάτι ποσοστού ενός μετάλλου στο κράμα μας), καθώς και οι πατενταρισμένες κατεργασίες, που είπαμε είναι επτασφράγιστα μυστικά των κατασκευαστών τούρμπο, αφού καθορίζουν και την όλη διαφορά μεταξύ «ναι γίνεται» και «όχι δεν βγαίνει». Όλα αυτά που λέμε εδώ σήμερα για το στρόβιλο και το πως αντέχει χίλιους βαθμούς στις 250.000rpm, να φανταστείτε ότι είναι μόνο οι «επικεφαλίδες» πραγμάτων, που κανένας εξωτερικός -των εταιρειών- παράγοντας δεν είναι σε θέση να γνωρίζει επακριβώς… Από τις τρεις πιθανές μεταλλικές μορφές του, την gamma TiAl, την alpha 2-Ti₃Al και TiAl₃ (υπάρχει διαφορά στο πως κρυσταλλώνεται κάθε φορά το πλέγμα του μετάλλου ανάλογα με τις θερμοκρασίες, που το φέρνουμε κατά την τήξη και επανασκλήρυνση, εξού και η φάση gamma - γ), το πρώτο είναι το πιο συχνά απαντώμενο σε πρακτικές εφαρμογές σαν αυτές που συναντάμε κι αυτό που φαίνεται να τείνει σιγά σιγά να αντικαταστήσει τα παραδοσιακά υπερκράματα νικελίου, σαν αυτά που είδαμε πιο πάνω. Εκτός από το βαρβάτο τούρμπο σας, θα βρείτε το υλικό αυτό στους στροβίλους των Boeing 787 και του τελευταίου 747. Εμπορικά θα το βρείτε και με την ονομασία «Gamma-Ti», όπως π.χ. το ονομάζει η BorgWarner στην τελευταία σειρά EFR τούρμπο της για αγωνιστικές και high-end street εφαρμογές.  

Πόσα πτερύγια έχει η τουρμπίνα μας και γιατί..?

Όπως είδαμε και στην περίπτωση του συμπιεστή, έτσι και στο στρόβιλο ο αριθμός των πτερυγίων της φτερωτής δεν βγαίνει με κλήρωση στην τύχη, ούτε με το πόσο ωραίο φαίνεται, είναι ολόκληρη επιστήμη πίσω από τον αριθμό τους και η ρευστομηχανική καθορίζει τα πάντα. Το πρώτο κριτήριο, που μπαίνει στην εξίσωση εδώ, είναι η διαφορά διαμέτρου μεταξύ του inducer και του exducer: όσο αυτή μεγαλώνει, τόσο μεγαλώνει και η απόσταση μεταξύ των πτερυγίων στο inducer, αφού, ενώ τα πτερύγια στο exducer μπορεί να είναι αρκετά πυκνά, στο αυξημένης ακτίνας inducer οι αποστάσεις μεταξύ τους έχουν φυσικά μεγαλώσει όσο «ανοίγει» η φτερωτή προς τα έξω. Αποτέλεσμα είναι ότι, αν ο αριθμός των πτερυγίων είναι μικρός, τότε τα πτερύγια αδυνατούν να οδηγήσουν αποτελεσματικά τη ροή από την έξοδο του ακροφυσίου του κελύφους του στροβίλου (το κομμάτι ανάμεσα στο σπιράλ του μαντεμιού και τη φτερωτή, που θα δούμε πιο κάτω και που αποτελεί το αντίστοιχο, αλλά αντίστροφο κομμάτι με το διαχύτη του κελύφους του συμπιεστή) στην είσοδο του inducer κι έτσι η ροή αποκολλάτε στην πλευρά της υπερπίεσης του πτερυγίου (η πλευρά του πτερυγίου, στην οποία «χτυπάει» ντιρέκτ το καυσαέριο, η από πίσω πλευρά του είναι η πλευρά της υποπίεσης). Έτσι, κάποιος Jamieson, λίγο μέτα τον ελληνικό εμφύλιο, διατύπωσε αυτό που ονομάζουμε «κριτήριο» για τον ελάχιστο αριθμό πτερυγίων», που εξασφαλίζει τη μη-αποκόλληση της ροής στα πτερύγια του στροβίλου. Ο κύριος, λοιπόν, αυτός μετά από βαρβάτες εξισώσεις, που περιέχουν ένα σωρό διαφορετικές ταχύτητες σε διάφορες θέσεις, δυνάμεις φυγόκεντρες και Coriolis, πυκνότητες και γωνίες, υπολόγισε ότι υπάρχει μία ελάχιστη τιμή ακτινικής ταχύτητας της ροής κατά την περιφερειακή διεύθυνση, η οποία δεν αποκολλά τη ροή και η οποία έρχεται για ελάχιστη γωνία θ=-π/Ζ, όπου θ είναι η γωνιακή θέση ξεκινώντας να μετράμε από το μέσο της απόστασης δύο πτερυγίων, Ζ ο αριθμός των πτερυγίων και π το …π. Συνδυάζοντας όμορφες εξισώσεις, με τις οποίες δεν σας κουράσω αναλυτικά, προκύπτει ότι ο ακτινικός στρόβιλος του τούρμπο μας καθορίζεται να έχει ελάχιστο αριθμό πτερυγίων Zmin = 2 x ω x R x π / W , όπου ω είναι η γωνιακή ταχύτητα της φτερωτής, R η διάμετρος του inducer του στροβίλου και W η ακτινική συνιστώσα της ταχύτητας. Στην πράξη, και για σιγουριά, οι κατασκευαστές χρησιμοποιούν κατιτίς μεγαλύτερο αριθμό πτερυγίων απ’ ότι βγάζει ο τύπος πάνω, π.χ. αν βγαίνει 8, μπορεί να βάλουν 10 κ.ο.κ.

Trimπαντού

Είδαμε τον ορισμό του trim για το συμπιεστή, ας δούμε και τον αντίστοιχο στο στρόβιλο, όπου εδώ η μόνη διαφορά είναι ότι αντιστρέφεται η διάμετρος inducer με την exducer στο κλάσμα του τύπου, αφού εδώ η δεύτερη είναι μεγαλύτερη από την πρώτη:

Trim στροβίλου = (exducer^2/inducer^2) x 100

Όπως είδαμε και στο συμπιεστή, μιλάμε για το λόγο τον επιφανειών, που αντιστοιχούν στη διάμετρο της φτερωτής στην έξοδο ως προς αυτήν της εξόδου και φανερώνει την ικανότητα παροχής αναρρόφησης εδώ στο στρόβιλο, η οποία αυξάνεται όσο αυξάνεται και η τιμή του trim, πηγαίνοντας π.χ. από ένα trim 50 κάτι για τα μικρά τούρμπο σε 80 κάτι για τα πιο …τερατόμορφα. Εδώ να τονίσουμε και κάτι για τις διαμέτρους γενικότερα από πλευράς εμπορικής: σε αντίθεση με το συμπιεστή, όπου στους καταλόγους τους οι κατασκευαστές δίνουν στοιχεία τόσο για το inducer όσο και για το exducer, στην περίπτωση του στροβίλου κατά κανόνα δίνουν μόνο μία διάμετρο, η οποία είναι αυτή του inducer. Καθώς όμως διαθέσιμο πάντα είναι και το trim της φτερωτής, από τον τύπο πάνω, αν για κάποιο -στην πράξη καθαρά ακαδημαϊκό, αφού δεν είναι ότι μπορούμε να διαλέξουμε- λόγο θέλουμε να βρούμε και το exducer, τότε απλά αντικαθιστούμε τις τιμές και λύνουμε ως προς exducer. Κάποιοι κατασκευαστές δίνουν το trim του στροβίλου όχι ως αδιάστατο λόγω εμβαδού, όπως στο τύπο πάνω, αλλά ως ποσοστό διαμέτρων: λένε δηλαδή «88% trim» και εννοούν ότι η διάμετρος του exducer είναι το 88% της διαμέτρου του inducer.