Know How Turbo Part II

Know How Turbo Part II

Οι διαθέσιμοι δρόμοι προς την υπερτροφοδότηση

H ανάγκη να στριμώξουμε περισσότερη μάζα αέρα στον κύλινδρο, μέσω της αύξησης της πίεσης και της πυκνότητας, όπως είδαμε στο PartI, η ανάγκη, δηλαδή, για υπερτροφοδότηση (ή «υπερπλήρωση», ό,τι προτιμάτε…) μπορεί να καλυφθεί με διάφορους τρόπους. Πιο σωστά με διάφορες μηχανικές/ρευστομηχανικές διατάξεις, καθεμία από τις οποίες έχει τα υπέρ και τα κατά της. Σήμερα, σωτήριον έτος 2016, δείχνει να έχει εμφανώς το πάνω χέρι το τούρμπο, αλλά αφενός μεν η πρωτοκαθεδρία του δεν ήταν πάντα δεδομένη, αφετέρου πολλές φορές δεν παίζει σόλο και συνεργάζεται με άλλους τύπους υπερτροφοδοτών. Πάμε να δούμε τους βασικούς διαφορετικούς δρόμους, που μας οδηγούν να σηκώσουμε πίεση.

Δύο είναι οι βασικοί τύποι υπερπληρωτών (συμπιεστών υπερπληρωτών πιο σωστά): οι «θετικής μετατόπισης» («positivedisplacement») και οι «δυναμικοί/δυναμικής συμπίεσης». Η πρώτη κατηγορία περιλαμβάνει όλους τους γνωστούς μας «μηχανικούς συμπιεστές», που παίρνουν κίνηση από το στρόφαλο μέσω ιμάντα, γραναζιών ή αλυσίδας και κύριο χαρακτηριστικό τους είναι ότι πρακτικά (υπάρχει μία μικρή διαρροή σε όλο το φάσμα, αλλά ούσα σταθερή στις υψηλές, ειδικά, στροφές, δεν μας πολυαπασχολεί) τροφοδοτούν τον ίδιο όγκο αέρα και ίδια αναλογική αύξηση πίεσης ανά κύκλο λειτουργίας τους, ανεξαρτήτως του ρυθμού περιστροφής τους (rpm). Εδώ, κατά περίπτωση, μιλάμε είτε – κυρίως - για «αντλίες - τρόμπες» (διατάξεις, που οι ίδιες δεν αλλάζουν ουσιαστικά την πυκνότητα του ρευστού παρά μόνο την ταχύτητά του) είτε για καθαρόαιμους συμπιεστές (που οι ίδιες αυξάνουν την πυκνότητα) και περιλαμβάνονται όλοι οι γνωστοί μας τύποι μηχανικών κομπρέσσορων/«κομπρεσσέρ» άνευ φτερωτής: Roots, Lysholm, G - Lader, slidingvane είναι, κατά σειρά, οι πιο διαδεδομένοι. Με τη σειρά τους, διακρίνονται σε εξωτερικής και εσωτερικής συμπίεσης: οι πιο γνωστοί εξωτερικής συμπίεσης είναι οι Roots με τους περιστρεφόμενους λοβούς, που φορούσαν παλιά τα τετρακύλινδρα Mercedes, τα πρώτα MiniCooperS, οι Jaguar κτλ. Τι σημαίνει, όμως, «εξωτερικής» συμπίεσης? Πολύ απλά ότι η συμπίεση δεν γίνεται στον υπερτροφοδότη αυτόν καθαυτόν, αλλά «αργότερα» κατά μήκος της ροής. Ένας συμπιεστής Roots π.χ.«σπρώχνει» απλά τον αέρα σε ατμοσφαιρική πίεση προς την πολλαπλή εισαγωγής (εξού και ο όρος «blower», φυσητήρας, δηλαδή, για τους Roots εις την Αγγλικήν), η οποία έχει ήδη μεγαλύτερη πίεση από τον προηγούμενο κύκλο λειτουργίας, με αποτέλεσμα να επιστρέφει τον αέρα πίσω προς τον συμπιεστή μέχρι οι δύο ροές να ισορροπήσουν. Η επιστρεφόμενη ροή προς τον συμπιεστή είναι αυτή, που τελικά συμπιέζει τον αέρα, διαδικασία, που μόνο αποδοτική δεν είναι για υψηλές πιέσεις λειτουργίας (αρκετά κάτω από 50% συντελεστή απόδοσης), ενώ αντίθετα είναι πολύ αποδοτική για μικρές πιέσεις υπερπλήρωσης και αυτός είναι και ο λόγος, που οι Roots επιλέγονται για αντίστοιχες low - boost εφαρμογές.

Όλοι οι υπόλοιποι τύποι μηχανικών συμπιεστών θετικής μετατόπισης (άνευ φτερωτής πάντα) είναι τύπου εσωτερικής συμπίεσης, με πιο γνωστούς τους κοχλιωτούς συμπιεστές (Lysholm), ενώ, κατ’ εξαίρεση σε κάποιους high - endRoots με ειδική γεωμετρία στους λοβούς, λαμβάνει χώρα και μία μικρή εσωτερική συμπίεση, εξομοιώνοντας τη λειτουργία των κοχλιωτών. «Εσωτερικής συμπίεσης» τώρα σημαίνει ότι όλη η δουλειά γίνεται μέσα στο συμπιεστή, με την υπό πίεση ροή να διοχετεύεται προς τον κινητήρα, χωρίς επιστρεφόμενες ροές (φαινόμενα backflow) προς συμπίεση σε δεύτερο χρόνο από κάποια πίεση και μετά. Συνολικά και σε γενικές γραμμές, ο βαθμός απόδοσης εδώ είναι μεγαλύτερος από τους Roots (μπορεί να φτάσει και το 90%), αν και, όταν η πίεση στην εισαγωγή ανέβει υπερβολικά (υπερβεί την εσωτερική του συμπιεστή), έχουμε και πάλι επιστρεφόμενη ροή. Με άλλα λόγια, η διαστασιολόγηση (ουσιαστικά η χωρητικότητα του συμπιεστή σε κυβικά σε σχέση με την αντίστοιχη του κινητήρα) πρέπει να είναι σωστή για την επιθυμητή και μόνο πίεση υπερπλήρωσης, αλλιώς το αποτέλεσμα είναι ίδιο ή και χειρότερο από τους Roots.

Και μετά από αυτήν τη μικρή εγκυκλοπαιδική βόλτα στους θετικής μετατόπισης συμπιεστές (αν είστε καλά παιδιά και τρόικας επιτρέπουσας στο μέλλον θα επανέλθουμε κάποια στιγμή για περισσότερη εμβάθυνση στα μη - φυγοκεντρικά μηχανικά κομπρεσσέρ) πάμε στη δεύτερη μεγάλη κατηγορία, τους δυναμικούς, που είναι και η κατηγορία, που περιλαμβάνει - μεταξύ άλλων - και τα τούρμπο μας.

Όταν τώρα μιλάμε για δυναμικούς συμπιεστές, μιλάμε για διατάξεις πολύ μεγάλων ρυθμών περιστροφής φτερωτών, που επιτυγχάνουν τη συμπίεση επιταχύνοντας το ρευστό σε υψηλή ταχύτητα και στη συνέχεια επιβραδύνοντάς το μέσω της διάχυσης (στον διαχύτη), δηλαδή μετατρέποντας (πιο σωστά «ανακτώντας») την κινητική ενέργεια σε πίεση. Όπως θα χρειαστεί να αναφέρουμε πολλάκις στις προσεχείς μας συνέχειες στις σχετικές κουβέντες περί των διαφόρων ειδών πιέσεων, από εκεί βγαίνει και ο όρος «δυναμικής» συμπίεσης: μία φτερωτή αυξάνει αρχικά το κομμάτι της δυναμικής πίεσης της ροής (δηλαδή την ταχύτητα ή/και την πυκνότητά της) και στη συνέχεια, μέσω του νόμου του Μπερνούλι, την μετατρέπει σε ωφέλιμη στατική πίεση, επιβραδύνοντάς την στο διαχύτη του κελύφους, αυξάνοντας φυσικά την ολική πίεση - ενέργεια της ροής (=δυναμική συν στατική πίεση) και δημιουργώντας θετικό λόγο πίεσης και συνεπώς βαθμό υπερπλήρωσης (τα αναφέρουμε επιγραμματικά εδώ για να μπούμε στο νόημα, θα έρθει η ώρα τους να τα ξεφτιλίσουμε όλα αυτά).

Οι δυναμικοί συμπιεστές μπορεί να είναι αξονικής ή ακτινικής ροής, η πρώτη κατηγορία αφορά τα πάντα, που ρουφάνε και αποβάλλουν αέρα σε «ευθεία» κατεύθυνση ροής, από τον ανεμιστήρα του παππού σας το καλοκαίρι μέχρι και τους turbofan κινητήρες τoυ Airbus 320, που σας πήγε Λονδίνο πέρσι. Οι αξονικής ροής έχουν ένα βασικό χαρακτηριστικό, το οποίο είναι υπεύθυνο για το γεγονός ότι δεν τους βλέπετε κάτω από το καπό σας: με μία βαθμίδα συμπίεσης, δηλαδή με μία φτερωτή, δεν μπορούν να ανεβάσουν την πίεση πολύ πάνω από 10%, με άλλα λόγια περισσότερο από 0,1bar: στα αεροπλάνα, η συμπίεση γίνεται σε διαδοχικά στάδια πολλαπλών φτερωτών, όπου η μία αυξάνει την εισερχόμενη πίεση από την προηγούμενη και την δίνει στην επόμενη για περαιτέρω συμπίεση και μόνο έτσι επιτυγχάνουμε συνολικά μεγάλο λόγο πίεσης στα δύο άκρα, λύση, που για οικονομικούς και μόνο λόγους, δεν συζητιέται καν για τα τετράτροχα (συμβαίνει στα διπλά turbo σειριακής διατάξης, όπως σε κάτι τελευταία turbodiesel ή σε αγώνες tractorpulling, αλλά σε αυτές τις ειδικές περιπτώσεις θα επανελθουμε πολύ αργότερα).

Η δεύτερη κατηγορία, οι δυναμικοί συμπιεστές ακτινικής ροής, αφορούν τα τουτού μας. Ονομάζονται και «φυγοκεντρικοί συμπιεστές», διότι φυγοκεντρίζουν το ρευστό, δηλαδή το περιστρέφουν και εκμεταλλεύονται τη φυγόκεντρο για να του προσδώσουν τα επιθυμητά ρευστομηχανικά χαρακτηριστικά. Αυτό, που στη πράξη συμβαίνει στον ακτινικό συμπιεστή, είναι η αλλαγή της διεύθυνσης της ροής κατά 90 μοίρες (όπως την βλέπουμε στον τρισδιάστατο χώρο, η ροή μπαίνει ομοαξονικά του άξονα περιστροφής της φτερωτής, στρίβει μέσα στα πτερύγια 90 μοίρες και εξέρχεται τελικά στην ακτινική διεύθυνση από τη φτερωτή λόγω φυγοκέντρου και τελικά δραπετεύει περιφερειακά λόγω του σχήματος του κελύφους) μεταξύ της εισόδου και της εξόδου από τη φτερωτή, ενώ επίσης ο εισερχόμενος αέρας βρίσκεται, αναλογικά, σε επαφή με τη φτερωτή για μεγαλύτερο χρονικό διάστημα σε σχέση με του ακτινικού τύπου κι επομένως υπάρχει μεγαλύτερη δυνατότητα επιτάχυνσης της ροής ανά βαθμίδα (εξού και η πιο «άμεση» αύξηση της πίεσης και ο λόγος, που μπορούμε να πετύχουμε ακόμα και 4+ bar υπερπίεσης από μία μόνο φτερωτή).

Το βασικό χαρακτηριστικό - μειονέκτημα τώρα του ακτινικού συμπιεστή, σε σχέση με τους συμπιεστές θετικής μετατόπισης, είναι ότι η πίεση εξόδου εξαρτάται απόλυτα από τους ρυθμούς περιστροφής του. Δεν θα μπούμε από σήμερα αναλυτικά σε χάρτες απόδοσης συμπιεστή κτλ., αλλά ας πούμε ότι χονδρικά η αύξηση της πίεσης υπερπλήρωσης προκύπτει από το τετράγωνο της ταχύτητας περιστροφής του συμπιεστή, δηλαδή διπλασιασμός της ταχύτητας περιστροφής οδηγεί σε τετραπλασιασμό της πίεσης. Βασικό πλεονέκτημα σε σχέση με τους θετικής μετατόπισης συμπιεστές είναι η δυνατότητα λειτουργίας σε βαθμούς απόδοσης άνω του 80%, ενώ επίσης υπάρχει και μεγαλύτερη αντοχή σε ενδεχόμενο backfire σε σχέση με Roots, Lysholm και σία: ένα βαρβάτο backfire σε ένα τουρμπάτο μοτέρ πρακτικά δεν κάνει μεγαλύτερη διαφορά απ’ ότι κάνει σε ένα ατμοσφαιρικό, ενώ το ίδιο backfire γυρνώντας σε συμπιεστή με λοβούς/κοχλίες μπορεί κυριολεκτικά να τους ανατινάξει.

Τόση ώρα μιλάμε για ακτινικούς/φυγοκεντρικούς δυναμικούς συμπιεστές, αλλά επίτηδες δεν είπαμε περί του πως αυτοί οδηγούνται, από που προέρχεται, δηλαδή, η ενέργεια περιστροφής τους: η πρώτη λύση είναι φυσικά η μηχανική οδήγησή τους, δηλαδή η σύνδεση τους με το στρόφαλο, όπως συμβαίνει με τους θετικής μετατόπισης, έτσι και στους μηχανικούς φυγοκεντρικούς συμπιεστές,όπως οι Rotrex κτλ. Για να γυρίσει, όμως, στις περιπτώσεις αυτές η φτερωτή στο σαλιγκάρι του συμπιεστή στους πολύ υψηλούς ρυθμούς, που θέλουμε για να πάρουμε ωφέλιμη πίεση (100.000rpm και βάλε), καταλαβαίνει κανείς ότι δεν φτάνουν οι 5.000 ή 7.000rpm του στροφαλου: χρειαζόμαστε κάποιου είδους μετάδοση, μία διάταξη, που θα πολλαπλασιάσει τις στροφές του κινητήρα σε δεκαπλάσιο, εικοσαπλάσιο κτλ. ρυθμό περιστροφής, υποπολλαπλασιάζοντας αντίστοιχα φυσικά τη ροπή στρέψης (την οποία δεν χρειαζόμαστε ούτως ή άλλως, αφού η ροπή περιστροφής της φτερωτής είναι ένα ελάχιστο κλάσμα αυτής της περιστροφής του στροφάλου). Αυτό γίνεται στους μηχανικούς φυγοκεντρικούς συμπιεστές με ένα συνδυασμό σχέσεων διαμέτρου τροχαλιών (μικρότερη σε διάμετρο στον άξονα του συμπιεστή απ’ ότι στον άξονα του στροφάλου) και πλανητικού συστήματος γραναζιών στο «κιβωτιάκι» μετάδοσης του συμπιεστή, που βρίσκεται κολλητά πίσω από το κέλυφος του συμπιεστή. Έτσι, πετυχαίνουμε λόγους μετάδοσης της τάξεως π.χ. του 25 προς 1 και βάλε, δηλαδή, όταν το μοτέρ βρίσκεται στις 5.000rpm, η φτερωτή του συμπιεστή πρέπει να βρίσκεται στις 125.000rpm και να είναι σε φουλ πίεση. Είναι αυτό πάντα αρκετό? Όχι, δεν είναι και δεν είναι, γιατί αφενός από κάποιο ρυθμό περιστροφής του μοτέρ θα έχουμε υπερβολική πίεση υπερπλήρωσης, που δεν θέλουμε, επιβάλλοντας την ανάγκη για επιπλέον διατάξεις εκτόνωσης ή ολίσθησης του άξονα μέσω συμπλέκτη και αφετέρου, σε πολύ χαμηλές στροφές, ακόμα και το 25:1 ως σταθερή σχέση μετάδοσης μπορεί να μην επαρκεί για σοβαρή ροπή χαμηλά, αφού ακόμα και στις 1.000rpm μοτέρ, 25.000rpm συμπιεστή, η φτερωτή από πλευράς δημιουργίας πίεσης θα κοιμάται. Η λύση είναι η πολύ προσεχτική διαστασιολόγηση του συμπιεστή, αλλά ακόμα και αυτή θα οδηγήσει μόνο σε ιδανική απόδοση σε συγκεκριμένο εύρος στροφών λειτουργίας: ιδανικά θα θέλαμε μεταβλητή σχέση μετάδοσης, έτσι ώστε η παραγωγή της πίεσης να μην είναι ανάλογη του ρυθμού περιστροφής του μοτέρ, αλλά π.χ. του πατήματος του γκαζιού. Με μία τέτοια λύση θα μπορούσαμε να έχουμε πολύ καλή σχέση μετάδοσης χαμηλά, ώστε ο συμπιεστής να περιστρέφεται από το ρελαντί στο Θεό και ταυτόχρονα, από την άλλη, ψηλά θα είχαμε χαμηλότερη σχέση, έτσι ώστε να κοντρολάρουμε την αυξανόμενη πίεση. Ήδη από τα ΄50s είχαν παρουσιαστεί variabledrive μεταδόσεις για συμπιεστές και σήμερα οι περισσότεροι κατασκευαστές μηχανικών φυγοκεντρικών προσφέρουν ανάλογες λύσεις με ηλεκτρομηχανική ρύθμιση, γενικώς, όμως, πρόκειται για ακριβές και πολύπλοκες διατάξεις. Σε κάθε περίπτωση, ένας φυγοκεντρικός μηχανικός συμπιεστής για δεδομένη ισχύ έχει μικρότερη μάζα και όγκο από έναν αντίστοιχο θετικής μετατόπισης.

 

Τουρμπίνα!

Γιατί, όμως, να μπλέξουμε με όλα αυτά τα γρανάζια, τους συμπλέκτες και τις τροχαλίες, τα οποία, όπως και να οδηγούνται, στερούν σοβαρή ενέργεια από το στρόφαλο: σε πολύ γενικές γραμμές, ένας μηχανικός συμπιεστής τρώει για την κίνησή του περίπου το ένα τρίτο της ισχύς, που αποδίδει επιπλέον στο μοτέρ μέσω της υπερπίεσής του, αν, δηλαδή, δίνει 150 άλογα, τότε τρώει ο ίδιος τα 50, με άλλα λόγια ως καθαρό κέρδος αποδίδει 100. Αντ’ αυτού, γιατί να μην κολλήσουμε πίσω από το σαλιγκάρι του ακτινικού μας συμπιεστή ένα άλλο ομοαξονικό σαλιγκάρι, του οποίου τα σωθικά μπορούν να περιστρέφονται στις ίδιες πολύ υψηλές στροφές, χωρίς κανένα απολύτως πρόβλημα και μάλιστα με ενέργεια, που είναι άμεσα διαθέσιμη προς εκμετάλλευση και που διαφορετικά θα χανόταν στο περιβάλλον..? Ας χώσουμε, λοιπόν, εκεί την ακριβώς αντίστροφη ρευστομηχανικά διάταξη ενός συμπιεστή, μία διάταξη, δηλαδή, που, σε αντίθεση με το συμπιεστή, ο οποίος μετατρέπει μηχανική ενέργεια σε ρευστομηχανική, μετατρέπει τη ρευστομηχανική - θερμοδυναμική ενέργεια σε μηχανική. Η διάταξη αυτή πρέπει να έχει ακριβώς την ίδια αρχιτεκτονική με τον ακτινικό συμπιεστή, αλλά με αντίστροφη φορά: να μπαίνει περιφερειακά, να στρίβει 90 μοίρες ακτινικά μέσα στη φτερωτή και τελικά να βγαίνει παράλληλα με τον άξονά της. Και σε ποιο σημείο στον κινητήρα έχουμε άπλετη «άχρηστη» θερμική και κινητική ενέργεια αερίων..? Ω ναι, στην εξαγωγή - εξάτμιση. Ας κολλήσουμε, λοιπόν, έναν ακτινικό μονοβάθμιο στρόβιλο, μία τουρμπίνα στην καθομιλουμένη, βρε αδερφέ, εκεί πίσω από το συμπιεστή και voilà, τσάμπα πηγή ενέργειας για το συμπιεστή μας: όχι ακριβώς , όπως θα δούμε αργότερα μιλώντας αναλυτικά για backpressure και πιέσεις πολλαπλής εισαγωγής - θαλάμου καύσης vs. πιέσεις πολλαπλής εξαγωγής στο άνοιγμα των βαλβίδων εξαγωγής, αλλά για την ώρα το πιάσατε το νόημα. Το συνολικό ενεργειακό μας ισοζύγιο με την τοποθέτηση ενός στροβίλου εκεί πίσω βελτιώνεται και αυτός είναι ο λόγος, που όλη η φάση με τα ecofriendly μοτέρ πάει εδώ και χρόνια προς την κατεύθυνση του downsizing, με τη χρήση τουρμπάτων μοτέρ στη θέση ατμοσφαιρικών. Τα θερμοδυναμικά - ενεργειακά γενικά πλεονεκτήματα του τούρμπο, όμως, προεκτείνονται και πέραν των ατμοσφαιρικών εφαρμογών και ως προς τους μηχανικούς συμπιεστές, που προαναφέραμε: ο καλύτερος αυτός βαθμός απόδοσης (γνωστός και ως αδιαβατικός, χωρίς μεταφορά, δηλαδή, θερμότητας εξωτερικά από και προς το περιβάλλον) στην πράξη σημαίνει μικρότερη αύξηση της θερμοκρασίας του υπό συμπίεση αέρα για δεδομένη αύξηση της πιέσεώς του. Όπως θα δούμε μιλώντας αργότερα για intercoolers, κατά τη συμπίεση μία παράλληλη αύξηση της θερμοκρασίας είναι αναπόφευκτη, σε κάθε περίπτωση, όμως, και ειδικά κόντρα στους Roots συμπιεστές, ένα τούρμπο δίνει αναλογικά μικρότερες θερμοκρασίες αέρα, άρα μεγαλύτερη πυκνότητα αέρα, άρα περισσότερο οξυγόνο, άρα περισσότερη ισχύ, όπως αναλύσαμε τον προηγούμενο μήνα. Εάν πούμε συμβατικά εδώ ότι οι αυξημένες θερμοκρασίες εξαγωγής δεν επηρεάζουν μέσω του μηχανοστασίου άμεσα τις θερμοκρασίες της εισαγωγής, τότε για σταθερή πίεση υπερπλήρωσης ένα τούρμπο μπορεί να δώσει 15 - 30% περισσότερη ισχύ απ’ ότι ένας Roots, εξαιτίας της διαφοράς στον αδιαβατικό βαθμό απόδοσης και μόνο. Με άλλα λόγια, για μία πίεση, που ένα light turbo kit θα μπορούσε να την σκαπουλάρει, χωρίς καν τη χρήση intercooler, ένα κομπρέσσορ κιτ μπορεί να το απαιτεί. Αναφέραμε, που υπερισχύει το τούρμπο, αναφέραμε και κάποια από τα θεματάκια του πεταχτά σήμερα (και εις βάθος οδεύοντας προς το καλοκαιράκι), αλλά κάποιοι κατασκευαστές, όπως η VW και η Volvo σκέφτηκαν «γιατί να μην έχουμε τα καλύτερα και από τα δύο?», παρουσιάζοντας τα τελευταία χρόνια (Οk, ξέρω ξέρω, και οι Ιταλοί της Lancia παλιότερα) μοτέρ με «twincharging», δηλαδή και τούρμπο και μηχανικό συμπιεστή. Θα αναφερθούμε σε αυτά αργότερα.

 

Περί ονοματολογίας και κατηγοροποίησης

Μπλέξαμε πολλούς όρους σήμερα, τόσο στα Ελληνικά όσο και τα Αγγλικά, οπότε ας πούμε και πέντε κουβέντες για το τυπικό του θέματος σχετικά με το πως τα συναντάμε στη βιβλιογραφία, παραδοσιακά στα περιοδικά του χώρου και πως στην καθομιλουμένη. Καταρχάς, τόσο ο φυγοκεντρικός συμπιεστής, όσο και ο αντίστοιχος στρόβιλος, είτε τα θεωρούμε ξεχωριστές μονάδες είτε συνδυάζονται σε μία μονάδα τούρμπο, ανήκουν στην ευρύτερη υποομάδα μηχανών, που ονομάζεται «στροβιλομηχανές» (turbomachines) και που ορίζονται ως οι μηχανές εκείνες, που συναλλάσουν ενέργεια, μέσω δυναμικής αλληλεπίδρασης με μία ή περισσότερες σειρές στρεφόμενων πτερυγίων, με ρευστό, που ρέει συνεχώς μέσα σε αυτές. Η διαφορά από τις «μηχανές μετατόπισης» (π.χ. τα εμβολοφορά μοτέρ ή αντλίες) εντοπίζεται ακριβώς εδώ, όπου, δηλαδή, η συναλλαγή έργου στις μεν εμβολοφόρες γίνεται περιοδικά σε συγκεκριμένη κάθε φορά ποσότητα ρευστού, ενώ στις στροβιλομηχανές γίνεται συνεχώς κατά μήκος της διαδρομής του ρευστού. Οι πτερυγώσεις, με τη σειρά τους, χωρίζονται σε κινητές και σταθερές, όπου, στα δικά μας χωράφια, μας απασχολούν οι κινητές και μόνο (θα δούμε και σταθερές στα πτερύγια των VTG μαντεμιών αργότερα), οι οποίες κινητές πτερυγώσεις ονομάζονται και «πτερωτή» ή «φτερωτή» για εσάς και εμένα. Με τη σειρά τους, οι στροβιλομηχανές χωρίζονται σε «κλειστές» (enclosed) και «ανοιχτές» (extended): το τούρμπο των αυτοκινήτων ανήκει στην πρώτη κατηγορία, ενώ έλικες, προπέλες κτλ. ανήκουν στη δεύτερη. Με άλλα λόγια, συνδυάζοντας τα παραπάνω, τα τούρμπο ανήκουν στις κλειστές ακτινικές στροβιλομηχανές. Όταν έχουμε πολλές φτερωτές στη σειρά, μιλάμε για πολυβάθμιο συμπιεστή ή στρόβιλο, αλλά, όπως είπαμε, εδώ έχουμε να κάνουμε με διατάξεις μίας «βαθμίδας» (stage). Από την πλευρά του συμπιεστή τώρα, ο όρος «συμπιεστής» (compressor) χρησιμοποίειται μόνο, όταν έχουμε σοβαρή μεταβολή πυκνότητας/πίεσης/θερμοκρασίας στο ρευστό, ενώ, αν η πυκνότητα αλλάζει μόνο αμελητέα, μιλάμε απλά για φυσητήρα ή ανεμιστήρα (fan). Ο στρόβιλος, μόνος του, στα Αγγλικά ονομάζεται «turbine», αλλά στην καθομιλουμένη, στα χωράφια μας, έχει επικρατήσει το «τουρμπίνα» για ολόκληρη τη διάταξη του τούρμπο και όχι μόνο για το μαντέμι/στρόβιλο, όπως θα όφειλε. Στα Ελληνικά, το τούρμπο επίσημα ονομάζεται τυπικά «σύστημα υπερπλήρωσης διά του καυσαερίου» ή «υπερπλήρωση με ζεύγος στροβίλου - συμπιεστή» ή «στροβιλο - υπερπληρωτής». Ο όρος «στροβιλοσυμπιεστής (εξάτμισης ή σκέτο)» έχει επικρατήσει ως ο αμέσως πιο επίσημος όρος για το τούρμπο μετά το «υπερσυμπιεστής εξάτμισης», αλλά στη βιβλιογραφία ως «στροβιλοσυμπιεστή» μπορείτε να συναντήσετε μονάχα το συμπιεστή του τούρμπο, όταν θέλουμε να τον ξεχωρίσουμε από τους εμβολοφόρους συμπιεστές. Στα Αγγλικά, τώρα, ενώ γενικώς ο υπερπληρωτής ανεξαρτήτως είδους τυπικά ονομάζεται «supercharger» και ολόκληρη η διατάξη του τούρμπο παλιότερα ως «turbosupercharger», στην πράξη έχει επικρατήσει το supercharger για τους μηχανικά οδηγούμενους μόνο, με τη διάταξη με στρόβιλο να κονταίνει σε «turbocharger» ή σκέτο «turbo». Και, αν νομίζει κάποιος ότι λέγοντας «τούρμπο» έχει επικρατήσει ο Αγγλικός όρος, αυτό δεν ισχύει, αφού η ρίζα των turbo/turbine είναι η ελληνική λέξη «τύρβη», δηλαδή η κατάσταση τυρβώδους (περιστρεφόμενης, ακανόνιστης, ανώμαλης) ροής («turbulentflow»), που προκαλεί ή προκαλείται από ένα στροβιλοσυμπιεστή. Όχι, που θα μας την έμπαιναν οι Αγγλοσάξονες…

 

Πώς, πότε και γιατί ξεκίνησαν όλα.

Ιστορικά οι αδερφοί Roots, μέσω της Roots Blower Company, προηγήθηκαν κάθε κουβέντας πέρι τούρμπο και από το 1860 κιόλας πατένταραν τον ομώνυμο κομπρέσσορά τους, που αρχικά διοχέτευε αέρα σε υψικαμίνους (ακόμα δεν έχει ανακαλυφθεί καν το αυτοκίνητο...). Η πρώτη πατέντα για την υπερτροφοδότηση μηχανής εσωτερικής καύσης έρχεται το 1885 από τον Gottlieb Daimler, ένα χρόνο, δηλαδή, πριν πάρει την πατέντα για το πρώτο αυτοκίνητο . Για να μιλήσουμε, ωστόσο, για τον πρώτο φυγοκεντρικό συμπιεστή, πρέπει να φτάσουμε στο 1902 και τον Louis Renault, ενώ το πρώτο υπερτροφοδοτούμενο αγωνιστικό πρωτοπαρουσιάστηκε μαζί με τον Παναθηναϊκό το 1908 και έπιανε 160 km/h, τρομακτική ταχύτητα για την εποχή. Για αυτοκίνητο μαζικής παραγωγής με μηχανικούς υπερτροφοδότες (Roots) φτάνουμε στο 1921 και τις Mercedes 6/25/40 hp και 10/40/65 hp, που έφεραν το εμπορικό προσωνύμιο «Kompressor», που κρατάει μέχρι και σήμερα. Ιδέες για κοχλιωτούς συμπιεστές βρίσκουμε μέχρι και το 1878, η πρώτη, όμως, λειτουργική πατέντα, το 1935, ανήκει (φυσικά) στον Alf Lysholm. Και πάμε να εξειδικεύσουμε τώρα στα τούρμπο, δηλαδή στην ιδέα του να πάρει κάποιος τους ήδη υπάρχοντες συμπιεστές και να τους κινήσει με καυσαέρια: ο μάγκας, λοιπόν, που το πρωτοέκανε, ήταν ο Ελβετός Alfred Büchi, διευθυντής εξέλιξης πετρελαιοκίνητων της Sulzer, που πήρε την πατέντα το 1905, αλλά για τα επόμενα 20 χρόνια τούρμπο δεν είδαν τα αυτοκίνητα παρά μόνο τα ιπτάμενα: στον Α’ ΠΠ, πολλά γαλλικά μαχητικά με κινητήρα Renault φοράγανε τούρμπο, ενώ το 1918, η General Electric έχωσε σαλίγκαρο στον LibertyV12 αεροπορικό της κινητήρα (πρώτα τον δοκίμασαν εκεί ψηλάααα στο PikesPeak, για να αποδείξουν ότι με το τούρμπο ο κινητή

 

Αρθρογράφος