Reinoldso skaičius

Turbokompresoriai veikia itin sudėtingomis aerodinaminėmis sąlygomis, kuriose dujų srautas nuolat keičiasi, susidaro turbulencijos zonos ir vyksta slėgio pokyčiai. Vienas svarbiausių rodiklių, nusakančių srauto pobūdį ir jo poveikį turbinos bei kompresoriaus efektyvumui, yra Reinoldso skaičius (angl. Reynolds Number, Re). Tai beparametrinis dydis, lemiantis, ar srautas yra laminarinis (lygus ir nuspėjamas) ar turbulentinis (chaotiškas ir nenuspėjamas). Reinoldso skaičiaus reikšmė tiesiogiai veikia aerodinaminius nuostolius, šilumos mainus ir visos turbinos darbo efektyvumą. Šiame straipsnyje detaliau aptarsime šio rodiklio reikšmę turbokompresoriuose, jo apskaičiavimo būdus bei poveikį oro ir dujų srautams.

Kas yra Reinoldso skaičius?

Reinoldso skaičius (Re) – tai adimensionalus dydis, parodantis, kaip inertiškosios jėgos santykiauja su klampos jėgomis dujų arba skysčių sraute. Jis apskaičiuojamas pagal formulę:

Re = (ρ * v * L) / μ

Kur:

• ρ – dujų arba oro tankis (kg/m³)
• v – dujų srauto greitis (m/s)
• L – būdingas ilgis (pvz., turbinos sparnuotės skersmuo, m)
• μ – dinaminė klampa (Pa·s)

Priklausomai nuo šio skaičiaus reikšmės, galima nustatyti, kokio pobūdžio yra srautas:

• Re < 2300 – laminarinis srautas: oro arba dujų judėjimas vyksta lygiagrečiomis linijomis be turbulencijos.
• 2300 < Re < 4000 – pereinamasis srautas: mišinys tarp laminarinio ir turbulentinio srauto, jautrus išoriniams trikdžiams.
• Re > 4000 – turbulentinis srautas: chaotiškas, su sūkuriais ir aukštais energijos nuostoliais.

Kaip Reinoldso skaičius veikia turbokompresoriaus darbą?

Turbokompresoriuose oras ir išmetamosios dujos juda labai dideliais greičiais ir esant dideliam slėgiui, todėl Reinoldso skaičius paprastai būna labai didelis (>10⁵), o srautas dažniausiai yra turbulentinis. Tačiau tam tikrose vietose, pavyzdžiui, prie įsiurbimo angos ar išmetimo kanaluose, srauto pobūdis gali keistis, o tai turi tiesioginės įtakos turbinos efektyvumui:

• Didelis Reinoldso skaičius reiškia intensyvesnį dujų maišymąsi ir geresnį šilumos perdavimą, tačiau taip pat didesnius aerodinaminius nuostolius.
• Mažas Reinoldso skaičius reiškia, kad srautas yra stabilesnis, tačiau mažesnis maišymasis gali sumažinti turbinos darbo efektyvumą.
• Pereinamosios būsenos srautai gali sukelti slėgio netolygumus ir didinti guolių bei veleno vibracijas.

Kuriose turbinos dalyse svarbus Reinoldso skaičius?

1. Kompresoriaus pusėje: Reinoldso skaičius lemia oro suspaudimo efektyvumą ir turbulencijos lygį. Jei srautas yra per daug chaotiškas, gali sumažėti slėgio stabilumas ir atsirasti Surge reiškinys – kompresoriaus srauto atbulinė eiga.

2. Turbinos sparnuotėje: Dujos, išeinančios iš cilindrų, sukuria aukštos energijos srautą, kuris sukasi aplink turbinos ašmenis. Reinoldso skaičius čia daro įtaką slėgio kritimui ir aerodinaminėms turbulencijoms.

3. Išmetimo kolektoriuje: Reinoldso skaičius lemia, kaip dujos pasiskirsto prieš patekdamos į turbiną. Jei srautas netolygus, turbinos sparnuotė gali susidėvėti netolygiai.

Kaip optimizuoti Reinoldso skaičiaus poveikį turbokompresoriui?

Yra keletas būdų, kaip sumažinti neigiamą Reinoldso skaičiaus poveikį ir padidinti turbokompresoriaus efektyvumą:

• Aerodinamiškai optimizuoti sparnuotės profiliai – naudojami pažangesni ašmenų dizainai, kurie sumažina srauto pasipriešinimą.
• Išmetimo kolektoriaus geometrija – tinkamai suformuotas išmetimo kolektorius leidžia tolygiau paskirstyti dujų srautą į turbiną.
• Intercooler naudojimas – sumažinus įsiurbiamo oro temperatūrą, didėja oro tankis ir optimizuojamas srauto pasipriešinimas.
• Elektroniniai VGT valdikliai – šiuolaikiniai kintamos geometrijos turbokompresoriai naudoja aktuatorius, leidžiančius koreguoti sparnuotės kampą ir taip reguliuoti oro srautą.

Kodėl Reinoldso skaičius yra svarbus turbokompresoriuose?

Nors Reinoldso skaičius dažniausiai siejamas su skysčių mechanika ir aerodinamika, jis yra esminis parametras, lemiantis turbokompresorių veikimo efektyvumą. Didelėse apkrovose ir dideliuose sūkiuose turbulentinis srautas gali sukelti energijos nuostolius, todėl turbokompresoriai kuriami taip, kad maksimaliai išnaudotų optimizuotą srautą. Inžinieriai, projektuojantys turbinas, nuolat atlieka skaičiavimus, siekdami sumažinti turbulencijos poveikį, tuo pačiu užtikrindami maksimalų našumą ir ilgaamžiškumą.