Ιστορία και εξελίξεις των στροβιλοϋπερπληρωτών σε ναυτικές μηχανές

Οι μηχανές εσωτερικής καύσης στηρίζονται στην καύση που συμβαίνει εντός τους. Η καύση είναι η διαδικασία κατά την οποία ένα καύσιμο αντιδρά με το οξυγόνο, απελευθερώνοντας ενέργεια απαραίτητη για να κινήσει αρχικά το έμβολο και στη συνέχεια όλο τον κινηματικό μηχανισμό, ώστε εν τέλει να περιστραφούν οι ρόδες ή η γεννήτρια ρεύματος ή η προπέλα. Το καύσιμο αντιδρά σε συγκεκριμένη αναλογία με το οξυγόνο στον περιορισμένο χώρο του κυλίνδρου, άρα υπάρχει ένα όριο ποσότητας καυσίμου και συνεπώς όριο ισχύος για τη μηχανή. Αν μπορούσαμε να εισάγουμε αέρα υπό πίεση που θα καταλαμβάνει τον ίδιο χώρο, δεν θα μας έδινε τη δυνατότητα να κάψουμε περισσότερο καύσιμο; Περισσότερο καύσιμο, δηλαδή παραπάνω ισχύς, σωστά;

Αυτό επιτυγχάνεται με την υπερπλήρωση, της οποίας η ανάγκη είχε γίνει αντιληπτή από πολύ νωρίς. Το 1896, ο Rudolf Diesel κατασκεύασε έναν πειραματικό 4χρονο κινητήρα, όπου ο αέρας συμπιεζόταν από το κάτω μέρος του εμβόλου. Παρ’ όλα αυτά, προβλήματα με την ισχύ συμπίεσης οδήγησαν τον Diesel να θεωρήσει ότι τα συγκεκριμένα πειράματα οδηγούσαν στη λάθος κατεύθυνση και τα σταμάτησε. Διάφορα μονοπάτια ακολουθήθηκαν στην εξέλιξη της υπερπλήρωσης, μέχρι που το 1905 ο Ελβετός Alfred Buchi κατέθεσε μια ευρεσιτεχνία, όπου πρότεινε τη σύνδεση ενός αξονικού πολυβάθμιου συμπιεστή ενός 4χρονου κινητήρα diesel και ενός πολυβάθμιου αξονικού στροβίλου σε έναν κοινό άξονα, πατέντα η οποία αποτέλεσε τη βασική ιδέα για τη στροβιλοϋπερπλήρωση (turbocharging).

Στη στροβιλοϋπερπλήρωση, πέρα από την αύξηση ισχύος της μηχανής, υπάρχει ένα ακόμα πλεονέκτημα: η εκμετάλλευση της υψηλής ενέργειας των καυσαερίων, άρα υψηλότερη απόδοση του συστήματος μηχανής εσωτερικής καύσης-στροβιλοϋπερπληρωτή! Πόση αύξηση; Ποικίλλει. Παρ’ όλα αυτά, ενδεικτικά αναφέρονται:

• Ένας ατμοσφαιρικός κινητήρας αποδίδει 400 hp, ενώ με turbo φτάνει τους 600 hp, δηλαδή αύξηση 50%.
• Κινητήρας χωρίς turbo έχει απόδοση 35%, ενώ με turbo φτάνει το 45%, δηλαδή αύξηση απόδοσης κατά 28,5%.

Η βασική λογική της στροβιλοϋπερπλήρωσης είναι η εξής:

• Τα θερμά και υψηλής ταχύτητας καυσαέρια, μετά την καύση, κινούν τον στρόβιλο (Turbine Rotor).
• Ο στρόβιλος (Turbine Rotor), κινούμενος, κινεί μέσω του κοινού άξονα τον συμπιεστή (Compressor Wheel).
• Ο συμπιεστής (Compressor Wheel), κινούμενος, αναρροφά τον αέρα από το περιβάλλον και τον συμπιέζει, για να οδηγηθεί εν τέλει στη μηχανή.

Απλό σαν λογική. Όμως, υπάρχουν πολλές προκλήσεις στη σχεδίαση και στην κατασκευή τους για να αντεπεξέρχονται σε δύσκολες συνθήκες, όπως:

• Υψηλές θερμοκρασίες λόγω της υψηλής θερμοκρασίας των καυσαερίων που διέρχονται από την τουρμπίνα.
• Υψηλές στροφές δεκάδων χιλιάδων περιστροφών ανά λεπτό (rpm) του περιστρεφόμενου μηχανισμού.

Υλικά, γεωμετρία, ανοχές, τεχνολογίες ψύξης, τεχνολογίες έδρασης μελετώνται και κατασκευάζονται με ακρίβεια για την επίτευξη του επιθυμητού βέλτιστου αποτελέσματος.

Μεγάλο κεφάλαιο, επίσης, είναι η ζεύξη κατάλληλου turbocharger με τη μηχανή, όπου πρέπει να ληφθούν υπόψη πολλές παράμετροι. Έτσι, διάφορα μοντέλα υπάρχουν, παλαιότερα ή πιο καινούργια, αξονικά ή ακτινικά. Η MAN διαθέτει τα παρακάτω turbochargers: NA, NR, TCA, TCR, TCT, TCX. Αναμένονται τα TCP και TCF.

Παράλληλα, αξίζει να αναφερθούν και κάποιες τεχνολογίες που σχετίζονται με τη λειτουργία των turbochargers, όπως:

• Internal Flow Recirculation (IRC): Κατασκευαστική λεπτομέρεια εντός του turbo που εκτονώνει αέρα όταν απαιτείται, επεκτείνοντας τα όρια της καμπύλης πάλμωσης (surging).
• Jet Assist System: Εξωτερικό σύστημα αέρα, που δύναται να επιταχύνει τον συμπιεστή όταν απαιτείται.
• Waste Gate: Τηλεχειριζόμενο επιστόμιο που ανοίγει με κατάλληλο τρόπο, ούτως ώστε τα καυσαέρια να παρακάμψουν το turbocharger, προστατεύοντάς το σε υψηλά φορτία.
• Variable Turbine Area (VTA): Σύστημα που μεταβάλλει τη γωνία του δακτυλίου ακροφυσίου (Nozzle Ring) κατά το δοκούν, βελτιστοποιώντας τη ροή καυσαερίων σε διαφορετικές συνθήκες λειτουργίας.

Η συντήρηση των turbochargers είναι ζωτικής σημασίας για τη διασφάλιση της σωστής λειτουργίας τους και την ασφάλεια του χειριστή. Βασικές λειτουργικές παράμετροι που πρέπει να παρακολουθούνται περιλαμβάνουν την πίεση και τη θερμοκρασία του λαδιού, τις στροφές καθώς και τη θερμοκρασία καυσαερίων, πέρα από τον έλεγχο τοπικά για κραδασμούς και διαρροές.

Συνοψίζοντας, η στροβιλοϋπερπλήρωση έχει αποδειχθεί κρίσιμη καινοτομία για την αύξηση της ισχύος και της απόδοσης των μηχανών εσωτερικής καύσης. Καθώς η ζήτηση για αποδοτικούς και φιλικούς προς το περιβάλλον κινητήρες αυξάνεται, η στροβιλοϋπερπλήρωση θα συνεχίσει να διαδραματίζει καθοριστικό ρόλο.