Know How: Turbo Part XII

Ανατομία ενός χάρτη συμπιεστή τούρμπο

Όταν κάποιος πρωτοκοιτάει ένα χάρτη τούρμπο από την πλευρά του συμπιεστή (θα δούμε και στροβίλου στη συνέχεια, το ένα επηρεάζει απόλυτα το άλλο, όπως καταλαβαίνετε...) σε κάποιον αντίστοιχο πολυσέλιδο κατάλογο κατασκευαστή, μπορεί και να αγχωθεί: οριζόντιες καμπύλες η μία πάνω στην άλλη με διάφορες rpm, ομόκεντρα νησιά σχήματος αμοιβάδας επίσης με ποσοστά η καθεμία, ορίζοντιος και κάθετος άξονας με «περίεργα» νουμεράκια και μονάδες μέτρησης, χαμός...Συνολικά έξι είναι οι περιοχές-είδη γραμμών-μεταβλητές, που περιλαμβάνει ένας τέτοιος χάρτης και πρέπει πάνω από όλα να έχουμε στο νου ένα πράγμα: ότι όλα μαζί οδηγούν σε μία τελική τιμή, που ψάχνουμε, όπου αυτή είναι ο βαθμός απόδοσης του συμπιεστή μας, δηλαδή το πόσο αποδοτικα δουλεύει στο σημείο-εύρος λειτουργίας, που θέλουμε-χρειαζόμαστε...Πάμε να δούμε αυτά τα έξι διακριτά στοιχεία του χάρτη ένα προς ένα, έτσι ώστε να μπορούμε μετά να τον διάβαζουμε με μια γρήγορη ματιά.

Λόγος πίεσης - Πc

Ξεκινάμε με τον κάθετο (Υ) άξονα, όπως βλέπουμε το χάρτη σε συντεταγμένες Χ-Υ. Αυτό αναπαριστά το «λόγο πίεσης» του συμπιεστή και κατ’ επέκταση της εισαγωγής του μοτέρ. Οι τιμές του, ωστόσο, δεν είναι άμεσα ερμηνεύσιμες ως «η πίεση του τούρμπο στο μπαρόμετρο αμά λάχει ‘ναούμ», είναι λίγο πιο σύνθετο. Κάποιοι χάρτες το αφήνουν ως «PR – Pressure Ratio», κάποιοι το κρατάνε ελληνιστί ως «Πc», εμείς φυσικά θα κρατήσουμε το δεύτερο εδώ σήμερα...Ο λόγος πίεσης του συμπιεστή ορίζεται ως ο λόγος της ΑΠΟΛΥΤΗΣ πίεσης εξόδου P2c (αμέσως μετά τη φτερωτή) ως προς την ΑΠOΛΥΤΗ πίεση εισαγωγής P1c (αμέσως πριν τη φτερωτή): Πc = P2c / P1c . Τόνισα το «απόλυτη» και για τις δύο πιέσεις πιο πάνω, διότι εδώ (πρέπει πάντα να) μιλάμε όχι για τη μανομετρική-υπερπλήρωσης- πίεση που διαβάζει ένα μανόμετρο-μπαρόμετρο και η οποία είναι η πίεση ΠΑΝΩ από την ατμοσφαιρική, που πιέζει αυτήν τη στιγμή τα αυτιά μας (όπου η απόλυτη πίεση στο επίπεδο της θάλασσας υπό Κ.Σ. είναι μία ατμόσφαιρα = 1 atm = 14,7 psi = 1,013 bar = 1,033 κιλά δύναμης / τετραγωνικό εκατοστό). Κατά συμφωνία, όταν μιλάμε για πίεση απόλυτη και για να ξεχωρίζει πιο εύκολα, χρησιμοποιούμε τα «psi(a) – pound per square inch (absolute)» και όταν μιλάμε για μανομετρική πίεση χρησιμοποιούμε τα «psi(g) – pound per square inch (gauge)». Με άλλα λόγια ένα επιστημονικό βαρόμετρο στο επίπεδο της θάλασσας υπό Κ.Σ. πρέπει να διαβάζει 14,7psi και ένα θεωρητικά άριστο υπερ-μπαρόμετρο στις ίδιες συνθήκες-τόπο πρέπει να διαβάζει απόλυτη κουλούρα, 0 psi. Όταν τουρμπίσει το εργαλείο και το ίδιο μπαρόμετρο διαβάσει π.χ. 12 psi(g) (0,83 bar), αυτό σημαίνει ότι η απόλυτη πίεση στην πολλαπλή εισαγωγής είναι 12 psi ΠΑΝΩ από την ατμοσφαιρική πίεση εκείνη τη στιγμή, η οποία ατμοσφαιρική πίεση κανείς δεν μας λέει ότι θα είναι μία ατμόσφαιρα ή ένα bar, αφού σχεδόν ποτέ δεν θα είμαστε υπό Κ.Σ. στο επίπεδο της θάλασσας! Αν πούμε, ωστόσο, ότι είμαστε υπό στάνταρντ συνθήκες, τότε το μπαρόμετρο μας εκείνη τη στιγμή, στο παράδειγμα μας, θα αντιστοιχεί σε 12 psi(g) + 14,7 psi(a) = 26,7 psi = 1,84 bar (1 bar = 14,5 psi παρεμπιπτόντως).

Στο εν λόγω παράδειγμα τώρα, ο λόγος πίεσης είναι Πc = 26,7 / 14,7 = 1,82 (αδιάστατο μέγεθος, χωρίς μονάδες μέτρησης, αφού διαιρούμε πίεση με πίεση, επομένως φεύγουν οι μονάδες) και αυτός είναι ο λόγος, που θα διαβάσουμε-αναζητήσουμε στον κάθετο άξονα του χάρτη. Σε αυτό το σημείο και πριν το χοντρύνουμε περαιτέρω, όμως, να διευκρινίσουμε ότι επίτηδες έχουμε κρατήσει στην κουβέντα τις imperial (αμερικάνικες-αγγλικές και λοιπή ...κοινοπολιτεία, όπως pounds, λίβρες, πόδια, ίντσες, psi κλπ.) μονάδες μέτρησης και δεν τις μετατρέπουμε σε μετρικές (=όλου του υπόλοιπου νορμάλ κόσμου...) και το ίδιο θα κάνουμε και από εδώ και πέρα για τον απλούστατο-πρακτικό λόγο ότι καλώς ή κακώς (κακώς...) στην «πιάτσα» εμπορικά αυτές κυριαρχούν στους χάρτες και τους καταλόγους τούρμπο των εταιρειών: κάποτε κράταγε τα «μετρικά» σκήπτρα π.χ. η πάλαι ποτέ γερμανική Kühnle, Kopp & Kausch / ΚΚΚ / 3Κ έναντι στις imperial μονάδες των χαρτών της Garrett (η οποία με τη σειρά της είχε περάσει κατά σειρά τις AlliedSignal και Honeywell), αλλά αφότου η πρώτη πουλήθηκε, τη δεκαετία του ΄90, στην αμερικάνικη BorgWarner (τα τούρμπο της οποίας πέρασαν για χρόνια -από πλευράς εμπορικής ονοματολογίας- από το ενδιάμεσο «3Κ-BorgWarner» πριν μείνει -τα τελευταία χρόνια- το σκέτο «BorgWarner» εξαφανίζοντας για πάντα το πολυαγαπημένο για τους γερμανορομαντικούς «ΚΚΚ»...), πήραν και αυτής οι χάρτες τον imperial δρόμο... Γυρνώντας στα υπολογιστικά μας, έλα όμως που, όταν λέμε «14,7» απόλυτη ατμοσφαιρική πίεση εισαγωγής, υπονοούμε-συμβιβαζόμαστε με το σφάλμα ότι στην είσοδο του συμπιεστή έχουμε την ίδια πίεση με το περιβάλλον, δηλαδή με αυτήν στην είσοδο του φιλτροκουτιού...Όμως στην πράξη αυτό δεν ισχύει: και φίλτρο αέρα έχουμε και παππά έχουμε και αντιηχεία και όλες τις ενδιάμεσες σωληνώσεις εισαγωγής. Στην καλύτερη, να έχουμε μία σκέτη φιλτροχοάνη και έναν κοντό σωλήνα μετά πριν το συμπιεστή (μην πεταχτεί κανείς να πει ότι δουλεύει το τούρμπο του με σκέτο καλσόν ή σίτα από κοτέτσι, τον έφαγα). Αυτό πολύ απλά σημαίνει ότι υπάρχει απώλεια πίεσης-ενέργειας της ροής μας στην εισαγωγή, έχουμε δηλαδή μετρήσιμη «πτώση πίεσης» πριν την είσοδο του συμπιεστή, την οποία πρέπει να λάβουμε υπόψη στους υπολογισμούς, αφού δεν είναι αμελητέα: συμβατικά την παίρνουμε ως 1 psi(g) για ένα σχετικά καλό-ψιλοελεύθερο σύστημα εισαγωγής, αλλά, αν μπουν στην εξίσωση περίεργοι παππάδες με σωλήνες, που τραβάνε αέρα από σωλήνα δύο μέτρων ή/και από φίλτρο αέρα, που φιλτράρει μέχρι και ...μόριο υδρογόνου και κρατάει για 60.000km, τότε το 1 psi είναι αισιόδοξο και στην πράξη είναι παραπάνω. Αν, όμως, έστω πούμε ότι έχουμε όντως 1 psi πτώση πίεσης, τότε η απόλυτη πίεση εισαγωγής μας γίνεται τελικά στην πράξη P1c = 14,7psi(a) – 1 psi(g) = 13,7 psi(a) (αφαιρούμε την πτώση πίεσης, αφού δεν «φτάνει» όλη η ατμοσφαιρική από το φίλτρο στην είσοδο της φτερωτής) και τελικά ο νέος λόγος πίεσής μας γίνεται Πc = 26,7 / 13,7 = 1,95 .  Δηλαδή έχουμε αύξηση (1,95-1,82) / 1,82 = 7% , με άλλα λόγια βλέπουμε και αριθμητικά το σχετικά αυτονόητο, ότι δηλαδή όσο πιο πνιγμένη εισαγωγή έχουμε, τόσο περισσότερη πίεση (έργου ώστε να πετύχει τον αυξημένο λόγο πίεσης) πρέπει να καταβάλει-μεταφέρει ο συμπιεστής στο ρευστό για να πετύχουμε μία δεδομένη απόλυτη πίεση εξόδου (26,7 εδώ). Καλσονάτοι-κοτετσιάρηδες λυσσάξτε ελεύθερα, αλλά, αν πάρετε τη φτερωτή στον ώμο, μην κλαίτε μετά. Αυτός είναι λοιπόν ο τελικός λόγος πίεσής μας / ο κάθετος άξονας του χάρτη, αφού λάβουμε υπόψη και την εισαγωγή...? Όχι, γιατί μην ξεχνάτε ότι ακόμα και με φίλτρο στους υπολογισμούς μας, έχουμε ακόμα θεωρήσει δεδομένο ότι είμαστε σε υψόμετρο θάλασσας και με ωραίο ανοιξιάτικο καιρό...Επειδή, όμως, οι κοντράκηδες σπάνια είναι με «λίγο κρασί, λίγο θάλασσα και το αγόρι τους» να ρεμβάζουν στο ταβερνάκι, τότε το 14,7psi, τόσο του P2c εξόδου όσο και το P1c εισόδου, παύει να είναι 14,7, αλλά μικρότερο (ΟΚ, σε σπάνιες περιπτώσεις, αν έχει χαρά Θεού και ταυτόχρονα είστε δώδεκα μέτρα κάτω από τη γη με τον Υποπλοίαρχο Κ12, όπως ο Φουσέκης, τότε θεωρητικά μπορεί και να αυξηθεί αντί να μειωθεί). Το πιο πιθανό όμως είναι να είστε σε υψόμετρο πάνω από τη θάλασσα και δεν χρειάζεται να είστε στην κορυφή του Κ2 για να αρχίσει να επηρεάζεται το Πc σε μη αμελητέα επίπεδα: ας πούμε π.χ. ότι έχετε πάει με τη γκόμενα χειμερινή εκδρομή στο Μαίναλο και θέλετε να ανεβείτε προς την κορυφή (1.981m) για να της δείξετε ότι είστε πραγματικός φυσιοδίφης. Ας υποθέσουμε ότι το εργαλείο φτάνει σώο στα 1.500 μέτρα (5.000 πόδια, θυμηθείτε, επικρατήσαν οι Αγγλοσάξονες...), που τελειώνει ο ανθρώπινος δρόμος, γιατί πιο πάνω στα κατσάβραχα θα βρει το πράμα. Στα 1.500m, λοιπόν, η απόλυτη ατμοσφαιρική πίεση είναι κοντά στα 12,4 psi(a), στο 84% δηλαδή περίπου της «κρασί-θάλασσα-το αγόρι μου» πίεσης. Με 12,4 ατμοσφαιρική πίεση, ο λόγος πίεσης τώρα γίνεται [12 psi(g) + 12,4 psi(a)] / [12,4 psi(a) – 1 psi(g)] = 2,14 . Αυτή η τιμή λόγου πίεσης είναι ένα ολόκληρο 10% σχεδόν περισσότερο απ’ ότι στη θάλασσα με φίλτρο αέρα και σχεδόν 20% περισσότερο απ’ ότι στη θάλασσα ..άφιλτροι, οπότε βλέπετε τώρα με νούμερα πόσο παραπάνω «ζόρι» τρώει το τούρμπο όσο ανεβαίνει το υψόμετρο: και εδώ για δεδομένη επιθυμητή πίεση στην πολλαπλή εισαγωγής (12 psi στο μπαρόμετρο), όσο ανεβαίνουμε σε μεγαλύτερο υψόμετρο τόσο περισσότερο πρέπει να μοχθήσει ο συμπιεστής, αφού, όπως θα δούμε και αργότερα πάνω στο χάρτη, μεγαλύτερο Πc σημαίνει ότι πρέπει να ανέβουμε ψηλότερα στον κάθετο άξονά του, με αποτέλεσμα να επηρεάζονται τόσο οι rpm στον άξονα του τούρμπο και ο βαθμός απόδοσης, που θέλουμε για δεδομένη παροχή ή αντίστροφα να επηρεάζεται η παροχή για δεδομένες rpm άξονα ή βαθμό απόδοσης.  Συνολικά, όπως βλέπετε, ο λόγος πίεσης, το πρώτο από τα δύο βασικά μεγέθη στις συντεταγμένες του χάρτη, στην πράξη εξαρτάται αισθητά και από άλλους παράγοντες πέρα της απλής πίεσης του τούρμπο, που βλέπουμε στο μπαρόμετρο...

 

Παροχήμάζας (Compressor Flow / Corrected Air Flow)

Στον οριζόντιο άξονα του χάρτη του συμπιεστή -κατά κανόνα- κάποιος θα βρει την παροχή μάζας του αέρα, που διατρέχει τον / σπρώχνει ο συμπιεστής και επομένως και ολόκληρος ο κινητήρας. Αν ο λόγος πίεσης δείχνει υπό ποια πίεση συμπιέζεται ο όποιος αέρας, η παροχή μάζας μας δείχνει το πόσος ακριβώς είναι αυτός ο όποιος. To γινόμενο της πίεσης ενός ρευστού με την παροχή (μάζας αν είναι συμπιεστό, όπως εδώ) μας δίνει άλλωστε την ισχύ, που δίνει σε αυτό η εκάστοτε αντλία-συμπιεστής, με άλλα λόγια μπορούμε να υπολογίσουμε και την ισχύ στον άξονα του τούρμπο καθαυτού (δηλαδή ουσιαστικά πόσα άλογα θα έδινε θεωρητικά σε έναν τροχό, που θα προσαρμόζαμε στην άκρη του, αν δεν έδινε την ισχύ του στον αέρα εισαγωγής!) πέρα από την ισχύ που βγάζει ο κινητήρας, αφού κάψει τον αέρα, που του έστειλε ο συμπιεστής (σε ένα τουρμπάτο μοτέρ, που δουλεύει κοντά στη μέγιστη παροχή αέρα, το τούρμπο αποδίδει στον άξονά του το 10-15% της ισχύος του μοτέρ, δηλάδη σε ένα τουρμπάτο μοτέρ 500 ίππων ο άξονας του τούρμπο αποδίδει πάνω από 50 άλογα ισχύος!). Γενικώς, όταν μιλάμε για παροχή μάζας στη ρευστομηχανική ή τα υδραυλικά, εννοούμε την ποσότητα εκφρασμένη σε μάζα του ρευστού, που περνάει από μία διατομή στη μονάδα του χρόνου και επομένως εκφρασμένη σε μονάδες μάζας/χρόνου, εδώ λοιπόν, συνεχίζοντας αγγλοσαξονικά, σε lb(s)/min. Υπάρχουν μετρητικές διατάξεις σε επίπεδο εργαστηρίου, που μας επιτρέπουν να μετρήσουμε με απόλυτη ακρίβεια την παροχή μάζας σε ένα τούρμπο, αλλά, όπως θα δούμε, τον επόμενο μήνα σε υπολογιστικά παραδείγματα, για να κάνουμε τη δουλειά μας οι κατάλληλοι τύποι υπολογισμού της παροχής είναι αρκετοί για την επιλογή του κατάλληλου για την εφαρμογή τούρμπο. Πιο σπάνια από την παροχή μάζας στον οριζόντιο άξονα παίζει να βρούμε και απλή παροχή όγκου αντί γι’ αυτήν, εκφρασμένη σε CFM, κυβικά πόδια ανά λεπτό. Αν ξέρουμε την εκάστοτε πυκνότητα του αέρα, μπορούμε εύκολα να περάσουμε από τη μία παροχή στην άλλη, αφού η παροχή μάζας ισούται με το γινόμενο της παροχής όγκου επί την πυκνότητα του αέρα (0,076 lb/ft^3 στο επίπεδο της θάλασσας). Και το πιο σημαντικό για εμάς τους αλογομούρηδες: πως συσχετίζεται ποσοτικά η παροχή μάζας του οριζόντιου άξονα με την ισχύ, όχι του άξονα του τούρμπο, που είδαμε, αλλά με την ισχύ του μοτέρ μας στο στρόφαλο..? Ως εμπειρικό κανόνα, έχετε στο νου σας περίπου 10 ίππους για κάθε μία lb/min παροχής από τον οριζόντιο άξονα του χάρτη σας. Μπορεί να είναι λίγο λιγότερο, μπορεί λίγο περισσότερο, αλλά κάπου εκεί θα είναι και θα το δούμε και στο γρουσούζικο Part XIII με πολύ συγκεκριμένα παραδείγματα επιλογής τούρμπο. Χοντρικά όμως από τώρα λέμε ότι κάποιος, που κοιτάει προς 500 άλογα, θα πρέπει πάνω κάτω να αρχίσει να ψάχνει χάρτες γύρω από την περιοχή των 50 lb/min.

Οριακή καμπύλη πάλμωσης (surge line)

Δύο είναι οι κύριες καταστάσεις-φαινόμενα /σταθμοί- λειτουργίας ενός συμπιεστή και καθεμία από τις δύο αντικατοπτρίζεται και ως προβληματική περιοχή «γεωγραφικά» πάνω στο χάρτη. Το πρώτο φαινόμενο είναι αυτό του surge, πάλμωση ή κυμάτωση στα Ελληνικά και το οποίο ορίζεται από την όρθια ή πλαγιαστή γραμμή του surge στο αριστερό μέρος του χάρτη μας: αν οι συντεταγμένες πίεσης-παροχής μας δώσουν σημείο λειτουργίας αριστερά από τη γραμμή του surge, τότε είμαστε σε κατάσταση αστάθειας της ροής. Η πίεση -υπό τέτοιες συνθήκες- ανεβοκατεβαίνει συνεχώς και απότομα, ενώ ηχητικά πρόκειται για το γνωστό φτερούγισμα-γάβγισμα από τη φτερωτή τούρμπο, σουτουτουτουτου, φριφριφριφρι, πείτε το, όπως θέλει ο καθένας. Υπάρχουν δύο είδη surge, ένα «κακό» και ένα «ΟΚ». Το πρώτο, το κακό-καταστροφικό, είναι το surge υπό φορτίο. Και όταν λέμε υπό φορτίο εννοούμε να αρχίσει ο συμπιεστής τα γαβγίσματα, που «κανονικά» θα έκανε μόνο στο άσε, ενώ είμαστε με φουλ πατημένο γκάζι-ανοιχτή πεταλούδα. Το surge υπό φορτίο καταστρέφει εύκολα τούρμπο και μοτέρ ολόκληρα και μπορεί να συμβεί κατά κανόνα, αν έχουμε επιλέξει υπερβολικά μεγάλο συμπιεστή στο τούρμπο: σε αυτήν την περίπτωση και για να το περιγράψουμε γλαφυρά, ο συμπιεστής ουσιαστικά θέλει να σπρώξει αέρα, αλλά οι σωληνώσεις-πολλαπλή-εισρόφηση από το μοτέρ είναι μικρές, με αποτέλεσμα να μην έχει που να πάει ο αέρας και να στουμπώνει. Στο χάρτη μας αυτό σημαίνει ότι αναπτύσσεται υπέρμετρη πίεση (μεγάλο Πc στον κάθετο άξονα) αέρα, που δεν έχει να πάει πουθενά (μικρή παροχή στον οριζόντιο άξονα), επομένως το σημείο λειτουργίας μας φεύγει σφαίρα προς πάνω αριστερά μεριά του χάρτη, πέραν την γραμμής του surge του χάρτη (εκεί που τελειώνει και το μεγαλύτερο ομόκεντρο «νησί»), ενώ ταυτόχρονα ο άξονα του τούρμπο συνεχίζει να ζορίζει το συμπιεστή, αφού ο στρόβιλος συνεχίζει να δέχεται φουλ καυσαέρια.

To άλλο το surge, το (πολύ πιο) ανώδυνο, είναι το surge άνευ φορτίου, δηλαδή το surge με αφημένο γκάζι / κλειστή πεταλούδα σε αυτοκίνητα ή χωρίς σκάστρα ή με πολύ μικρή / σκληρή σκάστρα (θα επανέλθουμε σε αυτά σε ειδική σκαστρο-συνέχεια), δηλαδή αυτό που μπορεί να ακούμε στο 99,9% των γαβγισμάτων από το τούρμπο. Όταν κλείσει απότομα η πεταλούδα από απότομο άφημα του γκαζιού, η παροχή μάζας μειώνεται επίσης πολύ απότομα, το τούρμπο, όμως, ακόμα περιστρέφεται σπρώχνοντας αέρα και ανεβάζοντας πίεση υπερπλήρωσης. Πρακτικά, κύματα αέρα αναστρέφουν τη διεύθυνσή τους και επιστρέφουν προς τα πίσω στη φτερωτή, μείωνουν την πίεση, ακολούθως μετά όμως ξαναφεύγουν προς την πεταλούδα (αφού, ακόμα και χωρίς ισχύ από το στρόβιλο, ο άξονας περιστρέφεται στην ίδια φορά) κ.ο.κ., εξού και το διακοπτόμενο ηχητικό γάβγισμα. Και εδώ η φάση προς πάνω αριστερά στο χάρτη, όπως και πριν, εδώ, όμως, στο άνευ φορτίου surge, η διαφορά είναι ότι, αφού δεν πατάμε γκάζι, ο στρόβιλος δεν κοντράρει το συμπιεστή, αλλά τον αφήνει να εκτονωθεί, χωρίς να τον σπρώχνει αντίρροπα περαιτέρω: μετά από λίγο και με τον άξονα να έχει αρχίσει να επιβραδύνει, η πίεση σταδιακά (σε κάθε φρουτ του φρουτφρουτφρουτ όλο και πέφτει) θα εκτονωθεί και έτσι θα περάσουμε πάλι σε σημεία δεξιότερα της γραμμής του surge στο χάρτη, δηλαδή εντός της νορμάλ περιοχής λειτουργίας. Όλο αυτό το θέμα του surge άνευ φορτίου λύνεται με τη σκάστρα, αλλά για την ώρα αυτό το αφήνουμε για αργότερα. Από πλευράς του συμπιεστή καθαυτού, το πρόβλημα περιορίζεται με τα «ported shroud» κελύφη, που είδαμε στο Part V: με ένα τέτοιο «τρύπιο» κέλυφος στο inducer, η γραμμή του surge στο χάρτη μετατοπίζεται πιο αριστερά, με άλλα λόγια έχουμε μεγαλύτερο περιθώριο για λειτουργία χωρίς πάλμωση για δεδομένη φτερωτή συμπιεστή ή για ακόμα μεγαλύτερη φτερωτή, χωρίς να μπούμε στην επικίνδυνη περιοχή. Και γιατί δεν έχουν όλα τα turbo «ported shroud»..? Γιατί από τις οπές του δραπετεύει λίγη πίεση ακόμα και, όταν δεν το θέλουμε (μακριά από την περιοχή του surge), άρα αν είμαστε 100% σίγουροι ότι δεν το χρειαζόμαστε, μπορούμε και να το αποφύγουμε.

Οριακή γραμμή στραγγαλισμού (choke line)

H δεύτερη επικίνδυνη κατάσταση για το συμπιεστή είναι το φαινόμενο του στραγγαλισμού, το λεγόμενο choke, το οποίο στο χάρτη οριοθετείται από τη δεξιά οριακή γραμμή τελειώματος των «νησιών» και πέρα από το οποίο η απόδοση πέφτει σε πολύ χαμηλά επίπεδα (55-60% και κάτω). Πέραν της μείωσης του βαθμού απόδοσης (το οποίο ισχύει άλλωστε και για την περιοχή του surge), εδώ κινδυνεύουμε από υπερστροφία του άξονα του τούρμπο. Γενικώς, το choke είναι η ακριβώς αντίστροφη κατάσταση από το surge: εδώ έχουμε υπερβολικά μικρή φτερωτή για την εφαρμογή μας, η οποία κακομοίρα περιστρέφεται σαν τρελή (δηλαδή η παροχή της αυξάνεται υπέρμετρα και το σημείο λειτουργίας πάει τέρμα δεξιά στο χάρτη), επειδή, όμως, η εισαγωγή-αναρρόφηση του κινητήρα της πέφτουν ολίγον τι τεράστιες, δεν καταφέρνει-προλαβαίνει να ανεβάσει πίεση και έτσι λαχανιάζει (το Πc μένει χαμηλά και έτσι είμαστε κάτω δεξιά στο χάρτη πέρα από τον choke line). Ρευστομηχανικά και υπό κατάσταση choke, εκτός από την αύξηση της παροχής και τη μείωση της πίεσης, έχουμε και μείωση πυκνότητας του αέρα, με τελικό αποτέλεσμα η ροή -στα πιο στενά σημεία που πρέπει να περάσει- να επιταχύνει (λόγω φαινομένου Venturi) σε επίπεδο διηχητικό (κοντά στο Μach 1), με αποτέλεσμα να υπάρχει αδυναμία περαιτέρω αύξησης της παροχής.

 

Χαρακτηριστικές καμπύλες σταθερού ρυθμού περιστροφής του τούρμπο

Σε ένα χάρτη τούρμπο, εκτός από τα ομόκεντρα «νησιά», διακρίνουμε και επάλληλες καμπύλες, οι οποίες τα τέμνουν από άκρη σε άκρη και ενώνουν την surge line με την choke line. Αυτές οι καμπύλες ονομάζονται «turbo speed lines» και είναι ουσιαστικά αντίστοιχες της χαρακτηριστικής καμπύλης μίας αντλίας, μόνο που σε αντίθεση π.χ. με μία αντλία νερού, η οποία έχει ένα συγκεκριμένο σταθερό-προβλεπόμενο-διακριτό ρυθμό περιστροφής (και επομένως μία χαρακτηριστική γι’ αυτόν το ρυθμό), εδώ το τούρμπο μπορεί να περιστραφεί από 0-200.000 rpm, περνώντας από όλο το εύρος «άπειρων τέτοιων χαρακτηριστικών καμπυλών». Δηλαδή, καθώς το τούρμπο σπουλάρει επιταχύνοντας, εντός του χάρτη οδεύουμε ή προς τα πάνω και δεξιά (αυξάνεται ταυτόχρονα και η πίεση υπερπλήρωσης και η παροχή) ή κυρίως προς τα δεξιά (σταθερή πίεση με αυξανόμενη παροχή). Επειδή όμως δεν μπορούμε να έχουμε άπειρες καμπύλες στο χάρτη, διαλέγουν οι κατασκευαστές κάποιες βασικές τιμές για να τραβήξουν την καμπύλη, π.χ. 50.000rpm – 75.000rpm – 100.000rpm, αναγράφοντας στην άκρη της καμπύλης το αντίστοιχο νουμεράκι. Αν κάποιος θέλει τώρα να δει τι γίνεται σε ενδιάμεσο σημείο, π.χ. στις 90.000rpm, δεν έχει παρά να κάνει μία σχετική παρεμβολή ανάμεσα στις υπάρχουσες καμπύλες. Αν θεωρητικά μπορούσαμε να κρατήσουμε το τούρμπο σε σταθερές στροφές, τότε θα είχαμε λειτουργία κατά μήκος μίας τέτοιας πτωτικής χαρακτηριστικής καμπύλης, όπου η πίεση θα μειωνόταν όσο αυξανόταν η παροχή και αντιστρόφως, όπως ακριβώς δηλαδή συμβαίνει και με τη χαρακτηριστική μιας υδραντλίας.

 

Τα «νησιά» κοινού βαθμού απόδοσης του συμπιεστή

Τόση ώρα μιλάμε για ομόκεντρα νησιά στο χάρτη, αλλά δεν αναφέραμε ακριβώς τι αντιπροσωπεύουν: κάθε νησί-δακτύλιος αντιπροσωπεύει έναν κοινό βαθμό απόδοσης του συμπιεστή, με το κεντρικό νησί να αποτελεί το σύνολο των σημείων λειτουργίας του συνδυασμού λόγου πίεσης-παροχής, που διαθέτουν τη μέγιστη τιμή βαθμού απόδοσης (κοντά 0,80 ή 80% ανάλογα με το πως προτιμάει να το γράφει ο κάθε κατασκευαστής). Όσο απομακρυνόμαστε από το κέντρο, ο βαθμός απόδοσης όλο και μειώνεται, μέχρι που πέφτει κάτω από το 60% στις οριακές γραμμές surge και choke. Φυσικά εμείς θέλουμε να κινούμαστε για όσο το δυνατόν περισσότερο και όσο πιο κοντά στο κέντρο γίνεται, ώστε να δουλεύουμε το συμπιεστή μας κοντά στο βέλτιστο σημείο σχεδιασμού του και ακριβώς έτσι φτάνουμε στην επιλογή του από τη διαθέσιμη γκάμα. Εκεί ακριβώς θα επικεντρωθούμε το Μάη, αφού πρώτα τον πιάσετε βεβαίως βεβαίως…