Giriş

Aşırı doldurmalı motorlarda kullanılan kompresörler genellikle santrifüj tiptedirler. Türbin çarkının tahrikiyle dönmeye başlayan kompresör çarkı havayı eksenel olarak emerek radyal olarak basınçlı bir şekilde motora gönderir. Sıkıştırılan havanın sıcaklığı da arttığından motora alınan kütlesel hava miktarı azalır; bunun önüne geçmek için kompresör ile motorun emme manifoldu arasına ısı değiştirici (intercooler) konulması da uygulanan bir yöntemdir.

Bu yazımızda radyal bir kompresörün kompresör haritasını göreceğiz. Kompresör haritasından yola çıkarak kompresörün çalışma aralığı ve limitleriyle ilgili konulara değineceğiz.

Turboşarjlı Motorlarda Hava Besleme Sistemi

Resimle ifade etmek gerekirse turboşarja ve intercooler’a sahip bir motorda hava besleme şöyle gösterilebilir:

Resim 1: Turboşarjlı ve intercooler’lı bir motorun şematik gösterimi. [1]

Kompresör Haritası

Kompresör çalışma koşulları her bir kompresör için hazırlanan haritalara göre belirlenmektedir. Örnek bir kompresör haritası aşağıdaki gibidir.

Resim 1: Örnek bir kompresör haritası. [2]

Burada yatay ekseni kütlesel hava debisini (kg/h veya lbs/min), dikey eksen kompresörün sıkıştırma oranını, % olarak ifade edilen çizgiler kompresör verimini ve kırmızı olarak gösterilen sayılar ise kompresörün dönme hızını ifade etmektedir.

Kompresörün Çalışma Sınırları

Kompresörün çalışma sınırlarını belirleyen 3 etmen vardır, bunlar Dalgalanma Limiti (Surge Limit), Boğulma Limiti (Choke Limit) ve Maksimum Hız Limitidir.

Resim 2: Kompresör haritasında kompresör çalışma sınırlarını gösteren görsel. [3]

1. Dalgalanma Limiti (Surge Limit):

Kompresör çarkının kararlı bir şekilde dönebilmesi için gerekli olan minimum havanın oluşturduğu sınırdır. Düşük hava debilerinde eğer turbo hızı artarsa kompresör çarkındaki kanatçıklar üzerine hava yeterli düzeyde tutunamamaktadır. Yaşanan bu tutunma kaybından (“stall” durumu) ötürü kompresör içerisinde kararsız bir yapı oluşur ve basınç dalgalanmaları veya havanın ters yönde akması olayı yaşanır. Bu olay esnasında turboşarjdan “whoosh” sesi olarak ifade edilen ıslık biçiminde bir ses duyulur.

Kompresörde dalgalanma (surge) 3 çeşittir (bu ifadelerin Türkçe karşılığını yazmaya çalıştım, aynı zamanda İnglizcelerini de yazdım):

1. Hafif Dalgalanma (Mild Surge): Basınçta küçük dalgalanmalar (osilasyon) şeklinde görülür ve ciddi önem arz etmez.
2. Klasik Dalgalanma (Classic Surge): Düşük frekanslı yüksek basınç dalgalanmalarıdır.
3. Derin Dalgalanma (Deep Surge): Kompresörde kütle akışının tersine çevrilmesinin ortaya çıkmasına neden olan kritik durumdur.

Resim 3: Mild surge ve deep surge çevrimlerinin haritada gösterilmesi. [4]

Surge Mekanizması

Resim 4: Kompresörde surge olayı. Hava kanatçıklara düşük bir açıyla yaklaşmaktadır ve kanatçık yüzeyine tutunamayıp ayrılmaktadır. [3]

Kompresörde dalgalanma etkisi, motorda düşük devirlerde yaşanır. Bu sebepten ötürü düşük devirlerdeki tork eğrisi istenilen düzeyde iyileştirilememektedir.

Resim 5: Surge olayı düşük motor devirlerinde tork eğrisini sınırlamaktadır. [3]

2. Boğulma Limiti (Choke Limiti):

Gaz akışının kanatçıkların arasındaki en dar alanda hızının ses hızını aşması olayıdır. Bu durumda kompresör hızı arttığı halde akış hacmi artmamaktadır.

Resim 6: Choke olayına etki eden kanatçıklar arasındaki minimum geçiş alanı. [3]

Boğulma etkisi, motorda yüksek devirlerde yaşanan bir etkidir. Bu sebepten ötürü yüksek devirlerdeki tork eğrisi istenilen düzeyde iyileştirilememektedir.

Resim 7: Choke olayı yüksek motor devirlerinde tork eğrisini sınırlamaktadır. [3]

3. Maksimum Hız Limiti:

Turboşarjın şaft hızının limitidir. Mekanik sınırlar çerçevesinde bu hızın aşılması sonucunda turboşarj görevini yerine getiremeyecektir.

Resim 8: Kompresör haritası üzerinde tork haritasının çalışma bölgesi. [3]

Sonuç ve Değerlendirme

Kompresör haritası motorda turbo seçimi esnasında kullanılan temel verilerden birisidir. Motor performans değerlerinin sağlanıp sağlanamayacağı bu haritadan anlaşılabilir. Motor tork eğrisi ortaya çıkartıldıktan sonra kompresör haritası bu değerlerin hepsinin kendi çalışma aralığı içinde bulundurup bulundurmadığı kontrol edilmelidir. [5]

Yararlanılan kaynaklar ve ileri okuma:

[1] marineinsight.com, erişildi 30 Ağustos 2019, 09:56 (surge çeşitleri ve bunları önlemek için yapılabileceklere de bu kaynaktan bakılabilir.)
[2] garrettmotion.com, erişildi 30 Ağustos 2019, 09:56
[3] Cummins Turbo Techonologies (2009), Turbocharger Training, CTT Dewas, United Kingdom
[4] en.wikipedia.org, erişildi 30 Ağustos 2019, 09:56
[5] Serkan Dağlar, Ağır Vasıta Araç Motorları İçin Tek Kademeli Değişken Geometrili ve Çift Kademeli Turboşarj Karşılaştırması ve Seçimi, Yüksek Lisans Tezi, Makine Mühendisliği Anabilim Dalı, Otomotiv Mühendisliği Programı, Haziran 2012 (Bu yazıda büyük oranda bu tezden faydalanılmıştır. İleri okuma için kullanılabilir. Teze ulaşmak için tıklayınız.)

Adem Oruz

30 Ağustos 2019

Aşırı Doldurmalı Motorlarda Kompresör Çalışma Karakteristiği