Принцип работы турбины в дизельном двигателе: Cummins | Мировой лидер в двигателестроении

Содержание

Узнайте, как устроен принцип работы дизельной турбины!

Узнайте, как устроен принцип работы дизельной турбины!

Турбокомпрессор — это компрессор, или воздушный насос, который приводится в работу от турбины. Турбина вращается за счет использования энергии потока отработанных газов. Частота вращения турбокомпрессора дизельного двигателя находится в пределах от 1 000 до 130 000 об/мин (это значит, что лопатки турбины разгоняются почти до линейной скорости звука).

Турбина непосредственно соединяется с компрессором жесткой осью. Компрессор засасывает через воздушный фильтр свежий воздух, сжимает его и затем под давлением подает во впускной коллектор двигателя.
Чем больше воздуха подается в цилиндры, тем больше топлива может сгореть, а это повышает мощность двигателя.

Теоретически существует равновесие мощностей между турбиной и компрессором турбокомпрессора. Чем большую энергию имеют отработанные газы, тем быстрее будет вращаться турбина.
Как следствие, компрессор тоже будет вращаться быстрее.


1. Всасываемый воздух
2. Ротор компрессора
3. Сжатый воздух
4. Вход отработавших газы
5. Ротор турбины
6. Выход отработавших газов

Турбина

Турбина состоит из корпуса и ротора Отработанные газы из выпускного коллектора двигателя попадают в приемный патрубок турбокомпрессора. Проходя по сужающемуся внутреннему каналу корпуса турбины, они ускоряются, и минуя «улитку» направляются к ротору турбины, который приводят во вращение.

Скорость вращения турбины определяется размером и формой канала в ее корпусе.

Корпусы турбин значительно различаются в зависимости от сферы применения. Корпус турбины двигателя грузовика может быть разделен на два параллельных канала, поэтому на ротор воздействуют два потока отработанных газов.

В турбокомпрессоры с большим объемом часто устанавливают дополнительное кольцо с направляющими лопатками. Оно облегчает создание постоянного потока отработанных газов на роторе турбины и делает возможным регулировку потока.

Корпус турбины и ротор отливаются из сплава с высокой термостойкостью.

На оси жестко крепится ротор турбины. Материал оси отличается от материала, используемого для ротора турбины.
Сборка этого соединения осуществляется следующим способом:

  • Ось и ротор, вращающиеся в противоположных направлениях на очень большой скорости, прижимают друг к другу.
  • Выделяющееся при трении тепло сплавляет их друг с другом, образуя неразъемное соединение.
  • Ось в месте соединения пустотелая. Эта пустота затрудняет передачу тепла от ротора турбины к ее оси. На оси со стороны турбины имеется углубление, в котором располагается уплотнительное кольцо.
  • Рабочая поверхность радиальных подшипников упрочняется и полируется.
  • На более тонкий конец оси устанавливается ротор компрессора; там имеется резьба, на которую навинчивается предохранительная гайка для закрепления ротора.
  • После того, как ось изготовлена, она должна быть отбалансирована с максимально возможной точностью, прежде чем она будет установлена в корпус.
  • Компрессор

    Компрессор состоит из корпуса и ротора
    Размеры компрессора определяются количеством воздуха, требуемого для двигателя, и скоростью вращения турбины. Ротор компрессора жестко закреплен на оси турбины и, следовательно, вращается с той же скоростью, что и ротор турбины.

    Лопатки ротора компрессора, изготавливаемые из алюминия, имеют такую форму, что воздух засасывается через центр ротора. Всасываемый таким образом воздух направляется к периферии ротора и при помощи лопаток отбрасывается на стенку корпуса компрессора.
    Благодаря этому воздух сжимается и через впускной коллектор попадает в двигатель.
    Корпус компрессора также изготовлен из алюминия.

    Корпус подшипников

    Смазка турбокомпрессора производится от системы смазки двигателя:

  • Корпус оси образует центральную часть турбокомпрессора, расположенную между турбиной и компрессором
  • Ось вращается в подшипниках скольжения
  • Моторное масло по каналам проходит между корпусом и подшипниками, а также между подшипниками и осью
  • Примечание: В настоящее время появились конструкции, в которых подшипник неподвижен, а ось вращается в масляной ванне. В таких конструкциях масло не только служит для смазки оси, но и охлаждает подшипники с корпусом.

    Для уплотнения турбокомпрессора с двух сторон устанавливаются маслоотражательные прокладки и уплотнительные кольца. Но, несмотря на то, что эти кольца помогают избежать утечек масла, они в действительности не являются уплотнительными прокладками. Их нужно рассматривать как элемент, затрудняющий утечку воздуха и газов между турбиной, компрессором и корпусом оси.

    В обычном режиме работы турбокомпрессора давление в турбине и компрессоре больше давления в корпусе оси.
    Часть газов из турбины и часть воздуха, сжатого в компрессоре, попадают в корпус оси и вместе с моторным маслом по сливному маслопроводу проходят в масляный картер двигателя.

    Все масляные уплотнения динамического типа, т.е. работают на принципе разности давлений:

  • Уплотнительное кольцо вращается с той же скоростью, что и ось. Благодаря имеющимся в нем трем отверстиям создается противодавление маслу
  • Внутренняя часть корпуса оси на уровне кольца имеет сложную герметическую форму для предотвращения просачивания масла к компрессору
  • У нас новая услуга!

    Независимая экспертиза и дефектовка вышедших из строя турбокомпрессоров

    Подробности по телефону: 8-912-895-44-41

    Принцип работы дизельного двигателя с турбиной


    Устройство и принцип работы турбокомпрессора — DRIVE2

    Устройство и принцип работы турбокомпрессора
    Турбокомпрессор (турбина) — механизм, применяемый в автомобилях для принудительного нагнетания воздуха в цилиндры двигателя внутреннего сгорания. При этом привод турбины осуществляется исключительно за счет действия отработавших газов (выхлопа). Применение турбокомпрессора позволяет существенно увеличить мощность двигателя (примерно на 40%), сохраняя компактными его габаритные размеры и низкий уровень расхода топлива.

    Конструкция и принцип работы турбины

    Устройство турбокомпрессора


    Классический турбокомпрессор состоит из следующих элементов:
    — Корпус. Выполняется из жаропрочных материалов (стали). Он имеет форму улитки с двумя разнонаправленными патрубками, оснащенными фланцами для крепления в системе турбонаддува.
    — Турбинное колесо. Преобразует энергию отработавших газов во вращение вала, на котором оно жестко зафиксировано. Изготавливается из жаропрочных материалов (железо-никелевый сплав).
    — Компрессорное колесо. Воспринимает вращение от турбинного колеса и нагнетает воздух в цилиндры двигателя. Колесо компрессора зачастую изготавливают из алюминия, что снижает потери энергии. Температурный режим на этом участке близок к нормальным условиям, и применение жаропрочных материалов не требуется.
    — Вал турбины (ось) — соединяет турбинное и компрессорное колеса.
    — Подшипники скольжения, или шарикоподшипники. Необходимы для крепления вала в корпусе. В конструкции может быть предусмотрен один или два подшипника. Смазка последних осуществляется общей системой смазки двигателя.
    — Перепускной клапан — предназначен для управления потоком отработавших газов, воздействующим на колесо турбины. Это позволяет управлять мощностью наддува. Клапан оснащен пневматическим приводом. Его положение регулируется ЭБУ двигателя, получающим соответствующий сигнал от датчика скорости.


    Основной принцип работы турбины на бензиновом и дизельном двигателях заключается в следующем:
    — Отработавшие газы направляются в корпус турбокомпрессора, где воздействуют на лопатки турбинного колеса.
    — Колесо турбины начинает вращаться и разгоняться. Скорость вращения турбины при высоких оборотах может достигать до 250 000 оборотов в минуту.

    — Пройдя через колесо турбины, отработавшие газы отводятся в систему выпуска.
    — Компрессорное колесо синхронно вращается (поскольку находится на одном валу с турбинным) и направляет поток сжатого воздуха в интеркулер и далее во впускной коллектор двигателя.

    Особенности эксплуатации турбин
    В сравнении с механическим нагнетателем, работающим от привода коленчатого вала, достоинствами турбины является то, что она не отнимает мощность у двигателя, а использует энергию побочных продуктов его работы. Она дешевле в изготовлении и экономичнее в эксплуатации. Хотя технически устройство турбины дизельного двигателя практически не отличается от систем для бензиновых моторов, на дизеле она встречается чаще. Основная особенность заключается в режимах работы. Так для дизеля могут применяться менее жаропрочные материалы, поскольку температура отработавших газов в среднем составляет от 700 °С в дизельных двигателях и от 1000°С в бензиновых моторах. Это значит, что устанавливать дизельную турбину на бензиновый двигатель нельзя.


    С другой стороны, для этих систем характерны и разные уровни давления наддува. При этом стоит учитывать, что производительность турбины зависит от ее геометрических размеров. Давление нагнетаемого в цилиндры воздуха складывается из двух частей: 1 атмосфера давления окружающей среды плюс избыточное, создаваемое турбокомпрессором. Оно может варьироваться от 0,4 до 2,2 и более атмосфер. Если учесть, что принцип работы турбины на дизельном двигателе предусматривает поступление большего объема выхлопных газов, конструкция для бензинового мотора также не может устанавливаться на дизелях

    Виды и срок службы турбокомпрессоров
    Основным недостатком работы турбины является возникающий на малых оборотах двигателя эффект «турбоямы». Он представляет собой временную задержку отклика системы на изменение оборотов двигателя. Для устранения этого недостатка разработаны различные виды турбокомпрессоров:

    — Система twin-scroll, или раздельный турбокомпрессор. Конструкция имеет два канала, которые разделяют камеру турбины и, соответственно, поток отработавших газов. Это обеспечивает более быстрое реагирование, максимальную производительность турбины, а также предотвращает перекрытие выпускных каналов.
    — Турбина с изменяемой геометрией (с переменным соплом). Такая конструкция чаще используется на дизеле. Она предусматривает изменение сечения входа в колесо турбины за счет подвижности ее лопастей. Смена угла поворота позволяет регулировать поток отработавших газов, благодаря чему происходит согласование скорости отработавших газов и рабочих оборотов двигателя. На бензиновом двигателе турбина с изменяемой геометрией часто устанавливается на спортивных автомобилях.

    К минусам турбокомпрессоров можно отнести и небольшой срок службы турбины. Для бензиновых двигателей он в среднем составляет 150 000 километров пробега машины. В свою очередь, ресурс турбины дизельного двигателя несколько больше и в среднем достигает 250 000 километров. При постоянной езде на высоких оборотах, а также при неправильном подборе масла сроки эксплуатации могут сократиться в два или даже в три раза.
    В зависимости от того, как работает турбина, на бензиновом или дизельном двигателе, можно судить о ее исправности. Сигналом о необходимости проверки узла является появление синего или черного дыма, снижение мощности двигателя, а также появление свиста и скрежета. Для профилактики неисправностей необходимо вовремя менять масло, воздушные фильтры и регулярно проходить техобслуживание.

    Турбонаддув. Есть Плюсы и Минусы — DRIVE2

    Двигатель с турбонаддувом. Есть Плюсы и Минусы

    Турбонаддув является наиболее эффективной системой повышения мощности двигателя. Помимо повышения мощности турбонаддув обеспечивает экономию топлива и снижение токсичности отработавших газов. В данной статье мы рассмотрим бензиновый и дизельный двигатель с турбонаддувом, а также принцип работы и всего его плюсы и минусы.

    Что такое турбонаддув?
    Турбонаддув — вид наддува, при котором воздух в цилиндры двигателя подается под давлением за счет использования энергии отработавших газов.

    Турбонаддув применяется как на бензиновых, так и на дизельных двигателях. Вместе с тем, наиболее эффективен турбонаддув на дизелях вследствие высокой степени сжатия двигателя и относительно невысокой частоты вращения коленчатого вала. Сдерживающими факторами применения турбонаддува на бензиновых двигателях являются возможность наступления детонации, которая связана с резким увеличением частоты вращения двигателя, а также высокая температура отработавших газов и соответствующий нагрев турбонагнетателя.

    Отличительной особенностью двигателя с турбонаддувом является наличие: турбокомпрессора, интеркулера, регулятора давления наддува, предохранительного клапана и других элементов.

    Турбокомпрессор — является основным конструктивным элементом турбонаддува и обеспечивает повышение давления воздуха во впускной системе.

    Интеркулер предназначен для охлаждения сжатого воздуха. За счет охлаждения сжатого воздуха повышается его плотность и увеличивается давление. Интеркулер представляет собой радиатор воздушного или жидкостного типа.

    Основным элементом управления системы турбонаддува является регулятор давления наддува, который представляет собой перепускной клапан. Клапан ограничивает энергию отработавших газов, направляя их часть в обход турбинного колеса, тем самым обеспечивает оптимальное давление наддува. Клапан имеет пневматический или электрический привод. Срабатывание перепускного клапана производится на основании сигналов датчика давления наддува.

    Также может устанавливаться предохранительный клапан. Он защищает системы от скачка давления воздуха, который может произойти при резком закрытии дроссельной заслонки. Избыточное давление может стравливаться в атмосферу с помощью блуофф-клапана или перепускаться на вход компрессора с помощью байпас-клапана.

    Принцип работы двигателя с турбонаддувом
    Работа системы турбонаддува основана на использовании энергии отработавших газов. Отработавшие газы вращают турбинное колесо, которое через вал ротора вращает компрессорное колесо. Компрессорное колесо сжимает воздух и нагнетает его в систему. Нагретый при сжатии воздух охлаждается в интеркулере и поступает в цилиндры двигателя.

    Несмотря на то, что турбонаддув не имеет жесткой связи с коленчатым валом двигателя, эффективность работы системы во многом зависит от числа оборотов двигателя. Чем выше частота вращения коленчатого вала двигателя, тем выше энергия отработавших газов, быстрее вращается турбина, больше сжатого воздуха поступает в цилиндры двигателя.

    В силу конструкции, турбонаддув имеет ряд негативных особенностей, среди которых с одной стороны задержка увеличения мощности двигателя при резком нажатии на педаль газа — турбояма, с другой — резкое увеличение давления наддува после преодоления турбоямы — турбоподхват.

    Система с двумя параллельными турбокомпрессорами применяется в основном на мощных V-образных двигателях (по одному на каждый ряд цилиндров). Принцип работы системы основан на том, что две маленькие турбины обладают меньшей инерцией, чем одна большая.

    При установке на двигатель двух последовательных турбин максимальная производительность системы достигается за счет использования разных турбокомпрессоров на разных оборотах двигателя. Некоторые производители идут еще дальше и устанавливают три последовательных турбокомпрессора — triple-turbo и даже четыре турбокомпрессора — quad-turbo.

    Комбинированный наддув объединяет механический и турбонаддув. На низких оборотах коленчатого вала двигателя сжатие воздуха обеспечивает механический нагнетатель. С ростом оборотов подхватывает турбокомпрессор, а механический нагнетатель отключается. Примером такой системы является двойной наддув моторов TSI от Volkswagen.

    Минусы двигателя с турбонаддувом
    О плюсах мы поговорили в начале статьи, теперь расскажем про минусы двигателя с турбонаддувом. Обратная сторона повышения мощности мотора при сохранении общих характеристик, то есть форсирования, – более интенсивный износ узлов, как следствие, снижение ресурса силовой установки. Кроме того, турбины требуют применения специальных сортов моторных масел и строгого соблюдения рекомендуемых изготовителем сроков обслуживания. Еще более требователен к вниманию владельца воздушный фильтр.

    Еще один явный недостаток системы турбонаддува – она очень чувствительна к износу поршневой группы. Возрастание давления картерных газов ощутимо снижает ресурс турбины. При продолжительной работе в таких условиях наступает «масляное голодание» и поломка турбокомпрессора. Причем повреждение этого агрегата вполне может привести к выходу из строя всего двигателя.

    Наличие технически сложного турбонаддува двигателя делает мотор автомобиля более сложным, увеличивая число деталей, а значит, снижая общую надежность. К тому же, ресурс самого турбокомпрессора значительно меньше, чем аналогичный показатель двигателя в целом.

    Источник vk.com/pubauto ! ВСЕМ МИРА И ДОБРА !

    Принцип работы турбины на дизельном двигателе

    Воплощение идеи по использованию выхлопных газов с целью разгона ротора позволила увеличить мощность дизельного мотора примерно на 30%. Мотор, на который установлен турбонаддув, называется турбодизелем.

    Содержание:

    Устройство турбины дизельного двигателя

    Турбокомпрессор выполняет задачу по нагнетанию воздуха под давлением в цилиндры мотора: чем больше будет воздуха, тем больше топлива силовой агрегат сможет сжечь, что, в свою очередь, приведет к увеличению мощности двигателя без увеличения объема имеющихся цилиндров.

    Чтобы выполнять возложенные функции с необходимой эффективностью, турбонаддув имеет особую конструкция, состоящую из двух элементов:

    • турбины;
    • компрессора.

    Главная функция компрессора заключается в усилении поступления воздуха в топливную систему. Составные части компрессора находятся в алюминиевом корпусе. Внутри него располагается ротор, закрепленный на оси турбины. Вращаясь, ротор вбирает воздух: большая скорость вращения приводит к большему количеству попавшего внутрь воздуха. Для набора скорости существует турбина.

    Турбина состоит из корпуса с ротором внутри. Поскольку все элементы устройства взаимодействуют с газами высокой температуры, они изготавливаются из специальных материалов, невосприимчивых к такому воздействию.

    Как работает турбина на дизельном двигателе

    Ротор и ось, на которой он закреплен, вращаются в разных направлениях. Частота вращения довольно велика, поэтому элементы плотно прижимаются друг к другу.

    Принцип работы турбины на дизельном двигателе следующий:

    • компрессор обеспечивает поступление воздуха из окружающей среды, который смешивается с дизельным топливом и затем направляется в цилиндры;
    • топливно-воздушная смесь загорается, начинают двигаться поршни. По ходу этого процесса образуются газы, поступающие в выпускной коллектор;
    • скорость движения газов, оказавшихся в корпусе, значительно возрастает. Вступая во взаимодействие с ротором, они приводят его во вращающееся положение;
    • вращение передается компрессорному ротору (за это отвечает вал), который снова втягивает новую порцию воздуха.

    Таким образом, принцип работы основывается на взаимосвязи: чем сильнее вращается ротор, тем больше поступает воздуха, но при этом ротор увеличивает скорость вращения, если количество воздуха возрастает.

    Как работает турбонаддув

    Чтобы разобраться в работе турбонаддува, для начала следует уяснить понятия турбоподхвата и турбоямы.

    Турбоподхват – ситуация, когда набравший скорость ротор увеличивает поступление воздуха в цилиндры, следствием чего становится повышение мощности двигателя.

    Турбояма – момент небольшой задержки, наблюдаемый в работе турбины при увеличении количества поступившего горючего, что достигается нажатием на педаль газа. Задержка вызвана временем, которое нужно ротору для его разгона газами.

    Турбонаддув увеличивает давление отработанных газов за счет более интенсивной работы двигателя. В то же самое время повышается и давление наддува: этот процесс требует контроля и регулировки, поскольку при достижении высоких значений велика вероятность поломки. Функции регулировки давления возложены на клапан, контролем предельно возможных значений занимаются мембрана и пружина с определенными значениями жесткости (когда достигается максимально допустимая величина, мембрана открывает клапан).

    Работа турбины дизельного двигателя также требует контроля давления:

    1. компрессор через клапан, дабы снизить давление, сбрасывает лишний забранный воздух;
    2. когда давление поступившего воздуха достигает максимально допустимой величины, клапан выпускает газы, и ротор вращается с требуемой скоростью, а компрессор всегда забирает только нужное количество воздуха.

    Минусы использования турбокомпрессора

    Казалось бы, установка турбодизеля влечет за собой сплошные преимущества, но это не так. У устройства есть определенные недостатки:

    1. возрастает расход топлива, что особенно ощущается при неправильной регулировке системы;
    2. температура в процессе сжатия повышается, что может привести к детонации. Чтобы избежать такой неприятности, необходим монтаж регуляторов, охладителей и ряда других элементов.

    Турбированный мотор: правила эксплуатации

    Чтобы дизельная турбина работала с максимальным КПД и как можно дольше не выходила из строя, нужно придерживаться определенных правил в процессе эксплуатации автомобиля:

    • придерживаться графика замены масла, что позволит не допустить засорения маслопровода абразивами;
    • использовать качественное моторное масло, соответствующее по характеристикам в паспорте двигателя;
    • не трогаться сразу после включения мотора – движок должен быть прогрет;
    • сразу после прекращения движения не выключать двигатель, дав ему хотя бы 10 секунд поработать на холостых оборотах.

    Как работает турбина: видео

    Все о принципах работы турбонаддува. — DRIVE2

    Турбонаддув – это система, позволяющая увеличить максимальную мощность двигателя автомобиля, используя для этого энергию выхлопных газов. Эту систему еще часто называют просто «турбина» – по названию основного агрегата, который под давлением нагнетает отработанные мотором газы в турбокомпрессор, а тот, в свою очередь, подает в цилиндры двигателя большее количество воздуха, чем атмосферный мотор.

    История

    Многие водители полагают, что турбированные моторы появились относительно недавно — во второй половине ХХ века, когда турбонагнетателями стали оснащать силовые установки автомобилей немецких марок Mercedes-Benz и BMW. На самом деле датой рождения турбированного двигателя считают 1911 год, когда американец Альфред Бюхи получил патент на промышленное изготовление системы, позволявшей в несколько раз увеличить мощность обычного двигателя. Надо отметить, что за 15 лет до этого события двое немцев, Готлиб Даймлер и Рудольф Дизель уже проводили испытание агрегатов, которые помогали более эффективно нагнетать воздух в цилиндры двигателя, но да патентования этой технологии дело так и не дошло.

    Впрочем, первые турбины хотя и давали весьма ощутимую прибавку в мощности, но из-за своей громоздкости во много раз увеличивали и без того немаленький вес двигателей автомобилей тех лет. Так что распространение технологии турбонаддува для легковых автомобилей застопорилось на долгие годы, тогда как турбины довольно активно применялись на грузовом и специальном транспорте. В США, фактической и юридической родине турбонагнетательной системы, производители легкового транспорта не спешили применять ее в серийном производстве, сделав ставку на большие по объему и прожорливые атмосферные моторы. Хотя первые серийные модели, на которых устанавливался турбонаддув, появились именно в Соединенных Штатах – это были Chevrolet Corvair Monza и Oldsmobile Jetfire.

    Более экономная Европа, по которой, к тому же, в середине ХХ века ударил бензиновый кризис, начала склоняться к популярной ныне идее даунсайзинга – уменьшения рабочего объема двигателя с одновременным повышением его мощности. Добиться такого результата помогала система турбонаддува. За прошедшие с момента изобретения системы годы конструкторы усовершенствовали технологию, сделав элементы системы более легковесными, одновременно повысив ее производительность. Но одним из существенных недостатков, который так и не был искоренен по прошествии времени, являлся повышенный расход топлива. И именно поэтому модели, оборудовавшиеся турбированными бензиновыми моторами, не снискали популярности в народе.

    Выход из ситуации был найден в 1970-х годах, когда компания Mercedes-Benz выпустила на рынок свою первую модель, оснащенную дизельным двигателем с турбонаддувом – 300 SD.

    Конструкторам удалось решить одну из главных проблем турбодвигателя – расход топлива, ведь, как известно, дизельный агрегат менее «прожорливый», чем бензиновый. Еще один несомненный плюс дизельного топлива – его отработанные газы имеют температуру ниже, чем бензиновые, стало быть, основные агрегаты системы турбонаддува можно было производить из менее тяжеловесных и жаростойких материалов. А это, в свою очередь, влияло на конечную стоимость автомобиля, что довольно скоро оценили покупатели.

    В чем отличия?

    Системы турбонаддува для бензинового и дизельного моторов конструктивно практически не имеют отличий. В эту систему входят такие компоненты: турбина, турбокомпрессор и интеркулер (промежуточный охладитель). Некоторые водители ошибочно считают, что между турбонаддувом и турбокомпрессором есть какая-то разница. Ее нет, так как компрессор – лишь составляющий элемент системы наддува.

    Турбина представляет собой улиткообразный патрубок, в который попадают выхлопные газы. Они вращают крыльчатку находящегося в патрубке ротора, благодаря чему газы идут дальше в турбокомпрессор. Он также представлен в виде улиткообразного патрубка, в котором есть своя крыльчатка. Ротор турбины объединен с ротором турбокомпрессора, следовательно, чем быстрее вращается крыльчатка первого, тем быстрее крутится крыльчатка второго. Попадающая в турбокомпрессор воздушная смесь под давлением, которое создается вращением крыльчатки, подается к цилиндрам двигателя.

    На входе в цилиндры стоит третий основной компонент турбонаддува – интеркулер, который охлаждает поступающий из турбокомпрессора воздух, чтобы повысить его плотность и уменьшить объем – тогда в цилиндры попадет больше воздуха, который, смешиваясь с топливом, сгорает более эффективно. А эффективное сгорание топлива позволяет поднять мощность двигателя, при этом расход топлива, идущий на образование топливовоздушной смеси в цилиндрах уменьшается.

    Еще один немаловажный компонент системы турбонаддува – приводной нагнетатель (либо малый турбокомпрессор), который создает давление в турбине на малых оборотах и помогает избежать такого явления как турбояма (когда двигатель не может развить мощность на малых оборотах из-за недостаточного поступления в систему турбонаддува выхлопных газов).

    Помимо указанных выше основных компонентов турбонаддува, в систему входят еще такие элементы как регулировочный, перепускной и стравливающий клапаны, а также выпускной коллектор, воздушные и масляные патрубки.

    Регулировочный клапан помогает поддерживать давление в системе на установленном уровне и при необходимости сбрасывать его в трубу приемки. Функция перепускного клапана состоит в нагнетании воздуха обратно во впускные патрубки, откуда он снова попадает в турбину – это происходит, когда дроссельная заслонка закрыта. Стравливающий клапан отводит избыточный воздух из системы турбонаддува при закрытой дроссельной заслонке. Воздушные патрубки подают воздух в турбину, а по масляным патрубкам подается жидкость для смазки и охлаждения системы турбонаддува.

    Разновидности

    В настоящее время производится два основных вида турбин: одинарные и двойные. Первые устанавливаются в основном на рядные двигатели: они используют энергию выхлопных газов от всех цилиндров мотора и подают воздух во все цилиндры. Вторыми комплектуются силовые установки с V-образным расположением цилиндров. Они имеют два турбокомпрессора, которые подают воздух в определенные цилиндры. Иногда для повышения мощности двигателя на таких турбинах используют так называемый перекрестный выпускной коллектор, который аккумулирует выхлопные газы из всех цилиндров мотора и направляет этот, более мощный поток к компрессорам, что повышает давление в турбине, и, соответственно, мощность двигателя.

    Революционной в деле турбонаддува стала идея применения изменяемой геометрии турбины. Она позволяет регулировать геометрию сопла турбины, создавая более мощные потоки воздуха уже на низких оборотах, вследствие чего многократно повышается мощность двигателя.

    Принцип работы турбины — DRIVE2

    Для получения более четкого представления о принципе работы турбокомпрессора, необходимо ознакомиться с системой функционирования двигателя внутреннего сгорания. На сегодняшний день, большинство дизельных легковых и грузовых автомобилей оснащаются 4-х тактными поршневыми двигателями, работа контролируется при помощи впускных и выпускных клапанов. Каждый рабочий цикл состоит из 4 тактов при 2 полных оборотах коленвала.

    Впуск – при движении поршня вниз, воздух (в дизельном двигателе) или смесь топлива и воздуха (в бензиновом двигателе) проходит через открытый впускной клапан.
    Компрессия – происходит сжатие горючей массы.
    Расширение – смесь воздуха и топлива воспламеняется при помощи свечей (бензиновый двигатель), дизельное топливо впрыскивается под давлением и воспламенение происходит произвольно.
    Выпуск – при движении поршня вверх, выпускаются выхлопные газы.

    Увеличение объема

    Увеличение объема обеспечивает увеличение мощности двигателя, так как увеличение камеры сгорания позволяет нагнетание большего объема воздуха и большее колличество сжигаемого топлива. Увеличение объема может быть достигнуто путем увеличения колличества цилиндров или увеличения объема каждого цилиндра. В целом, увеличения объема приводит к увеличению массы двигателя. Этот способ не обеспечивает значительных преимушеств по уровню выбросов и потреблению топлива.

    Увеличение скорости работы двигателя

    Другим способом увеличения мощности двигателя является увеличение скорости работы двигателя. Увеличение скорости проводится путем увеличения количества ходов поршня на единицу времени. Однако, по техническим причинам этот способ имеет жесткие ограничения. Увеличение скорости работы двигателя приводит к увеличению потерь при накачивании и других операциях, что вызывает падение эффективности работы.

    Турбокомпрессия

    При применении двух первых способов, двигатель обеспечивается только собственным нагнетанием. Воздух для сгорания проходит прямо в цилиндр во время впускного такта. При использовании турбокомпрессора, воздух, поступающий в камеру сгорания предварительно сжимается. В двигатель поступает тот же объем воздуха, однако, более высокое давление обеспечивает прохождение большего колличества воздушной массы, что позволяет увеличить объем сжигаемого топлива. Таким образом, при использовании турбокомпрессора, мощность двигателя увеличивается по отношению к его объему и колличеству потребляемого топлива.

    Охлаждение нагнетаемого воздуха

    В ходе компрессии, нагнетаемый воздух нагревается до 180 С. При охлаждении, плотность воздуха увеличивается, что позволяет увеличить объем нагнетаемого воздуха.
    Охлаждение нагнетаемого воздуха является одной из немногих мер по увеличению мощности двигателей внутреннего сгорания, которые положительно влияют на уровень потребления топлива и уровень выброса вредных веществ. Снижение температуры входящего воздуха обеспечивает снижение температуры сгорания и, таким образом, снижение колличества вырабатываемого NO (x). Увеличение плотности воздуха снижает расход топлива и уровень загрязнения окружающей среды.

    Существуют два типа турбокомпрессии – механическая турбокомпрессия и компрессия выхлопных газов.

    Механическая турбокомпрессия

    При механической турбокомпрессии, воздух сжимается при помощи компрессора, приводимого от двигателя. Однако, часть получаемого увеличения мощности уходит на привод компрессора. В зависимости от размера двигателя, мощность, необходимая для привода компрессора составляет от 10 до 15% от общей выработки двигателя. Таким образом, при сравнении с обычным двигателем такой же мощности, двигатель с механической турбокомпрессией имеет повышенный расход топлива.

    Турбокомпрессия выхлопных газов

    При использовании компрессии выхлопных газов, энергия газа, которая не используется в обычных условиях, направлена на привод турбины. Компрессор находится на одном валу с турбиной и обеспечивает забор, сжатие и подачу воздуха в камеру сгорания. В этом случае механичекие соединения с двигателем отсутствуют.
    Преимущества турбокомпрессии выхлопных газов.

    По сравнению с обычным двигателем такой же мощности, турбодвигатель имеет меньший расход топлива, так как часть энергии выхлопных газов способствует увеличению мощности двигателя. Меньший объем двигателя сокращае

    Турбина. Устройство и принцип действия. — Opel Calibra, 2.0 л., 1993 года на DRIVE2

    Практически для каждого человека, интересующегося автомобилем и его устройством, важно понимание основных принципов работы турбонаддува. Тем более, что в настоящее время появляется все больше и больше серийных образцов автомобилей, оснащенных турбонагнетателями.

    Даже Mercedes, традиционно преданный механическим нагнетателям, осознав плюсы турбонаддува, оснащает этой системой все больше и больше моделей, не говоря уже о BMW, Японских автопроизводителях!

    Можно сколько угодно повторяться в статьях про турбины, но это все будет не более чем своя трактовка общеизвестных фактов. Я не буду изобретать велосипед, и в этой заметке буду отталкиваться от информации «из уст» одного из ведущих производителей турбин — фирмы Garrett, однако внесу немного дополнительной информации.

    Итак,

    ***

    Каков принцип работы системы турбонаддува?

    Мощность двигателя пропорциональна объему воздуха и топлива, способного войти в цилиндры. При прочих равных, бОльшие двигатели потребляют бОльший поток воздуха и как результат, дают бОльшую мощность. Если мы хотим чтобы наш крошка-мотор работал также как двигатель-богатырь, либо если нам надо, чтобы уже не маленький двигатель выдавал еще бОльшую мощность, наша цель — «впихнуть» больше воздуха в цилиндр. Установив турбонагнетатель мы сможем резко увеличить характеристики двигателя.

    Так каким-же образом турбонагнетатель «запихивает» больше воздуха в двигатель? Давайте для начала обратимся к схеме ниже:

    1. Входное отверстие «холодной части» турбокомпрессора (она же — compressor)

    2. Выход «холодной части» турбокомпрессора (она же — compressor)

    3. Промежуточный охрадитель воздуха (интеркулер — intercooler)

    4. Впускной клапан ГБЦ

    5. Выпускной клапан ГБЦ

    6. Входное отверстие «горячей части» турбокомпрессора (она же — turbine)

    7. Выход «горячей части» турбокомпрессора (она же — turbine)

    Схема работы турбо

    омпоненты, составляющие типичную систему турбонаддува

    * Воздушный фильтр (не показан), через который атмосферный воздух проходит прежде чем попасть в турбокомпрессор (1)

    * Воздух который превышает величину плотности атмосферного воздуха (масса/еденица объема) является сжатым. (2)

    * У большинства современных оснащенных турбонаддувом, есть промежуточный охладитель воздуха (интеркулер) (3), который охлаждает сжатый воздух, дабы далее увеличить его плотность и уменьшить склонность к детонации

    * После прохождения через впускной коллектор (4), воздух входит в цилиндры двигателя, которые содержат фиксированный объем. Так как вошедший воздух большей плотности, каждый цилиндр может работать с большим массовым расходом воздуха. В свою очередь, более высокий массовый расход воздуха позволяет загнать в цилиндр больше топлива (с неизменным коэффициентом воздух/топливо — air/fuel). Воспламеняясь, воздушно — топливная смесь большего объема приводит к увеличению мощности, производимой данным размером, или по другому — объемом цилиндра

    * Объем газов, полученный в результате сожжения топлива в цилиндре, выходит, в такте выхлопа, в выпускной коллектор (5)

    * Газ высокой температуры на большей скорости направляется прямиком в «горячую часть» турбокомпрессора — турбине (6) и давят на крыльчатку. Турбина создает противодавление на двигателе, что означает что давление выхлопных газов двигателя выше чем атмосферное давление

    * Снижение давления и температуры происходит во время прохождения через турбину (7), которая (как и все гениальное) просто использует бесплатную энергию выхлопных газов для привода компрессора и нагнетания давления

    ***

    Компоненты, составляющие конструкцию турбокомпрессора

    турбина в разрезе

    В дополнение нужно отметить что температура выхлопных газов бензиновых двигателей гораздо выше этого параметра у дизелей, а как следствие — турбокомпрессоры для дизельных двигателей, при схожей конструкции сделаны из более дешевых, но менее жаропрочных материалов. Так что использование дизельных турбокомпрессоров на бензиновом двигателе мы не рекомендуем — выкинете деньги…

    ***

    Другие компоненты системы турбонаддува

    Клапаны Блоуофф (Байпас)

    Описание данных компонентов вы сможете найти в материале Как читать турбокарты

    Вестгейты (Wastegates)

    Вестгейт, также как и блоуофф, является средством управления наддувом, только со стороны выхлопа. Некоторые коммерческие дизельные системы турбонаддува вовсе обходятся без оного (т.н. система свободно плавающего турбонагнетателя). Однако, использование турбонаддува на бензиновых двигателях требует применения этого компонента.

    Существуют две разновидности вестгейтов — внутренний и внешний. И тот и другой обеспечивают обход выхлопных газов мимо колеса турбины. Обход газов колеса, как вы уже понимаете, уменьшает мощность турбокомпрессора, позволяя турбине соответствовать мощности, требуемой для данного уровня наддува. Аналогично блоуоффам, вестгейты используют в своей конструкции силу пружины, для регулировки потока, проходящего в обход турбины.

    Внутренние вестгейты встроены в корпус турбины и состоят из клапана «хлопушки», тяги, наконечника, и пневматического привода (актюатора).

    Очень важно подсоединить актюатор исключительно к давлению наддува, т.к. механизм не работает с вакуумом и не может относиться к впускному коллектору.

    Внешние вестгейты монтируются на специально изготавливаемом для них приливе на коллекторе. Преимущество внешнего вестгейта заключается в том, что обойдя турбину, поток воздуха может быть повторно включен в поток газов, идущий ниже по течению турбины. Это позволяет улучшить производительность турбины. Для гоночной техники, этот поток может быть выведен прямиком в атмосферу.

    ***

    Втулки против шариковых подшипников

    Втулки долгое время были основой для турбокомпрессоров. Они дешевы, практичны, но шарикоподшипник является новой вехой в постройке турбокомпрессоров и несет с собой существенное улучшение их характеристик.

    Массовое появление турбин на шарикоподшипниках началось в результате участия группы Garrett Motorsports в нескольких гоночных сериях, где получило название «картридж подшипник»

    Картридж — одинарная втулка, которая содержит ряд шарикоподшипников с каждой стороны, в то время как традиционная система подшипника содержит набор втулок и подшипник осевого давления

    Втулки

    Шарикоподшипники, картридж

    спользование шарикоподшипников положительно сказывается на отклике турбины, что в свою очередь благоприятно сказывается на динамике автомобиля
    До новых встреч! )

    Эксплуатация и принцип работы турбины на дизельном двигателе

    Гениальная идея использования выхлопных газов для разгона ротора позволила создать турбированный дизельный двигатель внутреннего сгорания и увеличить его мощность на 40–50%. Это притом, что во время работы в обычном режиме выброс газов сопровождается снижением коэффициента полезного действия в пределах 30 — 40%.

    Принцип работы турбины дизельного двигателя основан на увеличении количества воздуха, смешиваемого с топливом и поступающего в камеру сгорания. За один и тот же период времени и при равных объемах цилиндров, двигатель с турбонаддувом может сжечь большее количество топлива, чем движок, не оснащенный таким устройством. А значит, его мощность и КПД в единицу времени значительно возрастет.

    Рассмотрим устройство турбины дизельного двигателя, как работает, и каким образом достигаются такие показатели.

    Конструктивные элементы системы

    Для осуществления возложенных функций, система турбонаддува состоит из двух основных частей:

    1. Компрессор;
    2. Турбина.

    Компрессор служит для нагнетания атмосферного воздуха в систему подачи топлива. Он состоит из корпуса и расположенной в нем крыльчатки, которая, вращаясь, всасывает воздух. Чем выше ее скорость вращения, тем больше объем принятого воздуха. Увеличению скорости способствует работа турбины.

    Она также состоит из корпуса с крыльчаткой (ротором), которая приводится в движение выхлопными газами. В корпусе газы проходят через специальный канал, имеющий форму улитки, что позволяет им увеличить скорость.

    Как работает турбонаддув дизельного двигателя

    Ротор турбины и крыльчатка компрессора жестко закреплены на одном валу. Таким образом, скорость вращения ротора передается крыльчатке. Круг замыкается:

    • Через компрессор воздух из атмосферы, смешиваясь с топливом, подается в цилиндры двигателя;
    • Смесь сгорает, приводя в движение поршни, и образовавшиеся в результате газы поступают в выпускной коллектор;
    • Здесь они принимаются в корпус турбины, разгоняются в канале и на выходе взаимодействуют с ротором, заставляя его вращаться;
    • Ротор через вал передает вращение крыльчатке компрессора, которая всасывает в корпус атмосферный воздух.

    Получается взаимосвязанная схема работы, когда количество всасываемого воздуха зависит от скорости вращения крыльчатки и, наоборот, крыльчатка вращается быстрее при большем количестве забираемого воздуха.

    Принцип работы турбонаддува имеет два момента, называемые турбоямой и турбоподхватом.

    Первый момент характеризуется задержкой в работе турбины после увеличения подачи топлива нажатием на педаль газа, так как для разгона ротора выхлопными газами требуется время.

    Вслед за турбоямой наступает момент турбоподхвата, когда разогнавшийся ротор резко увеличивает подачу воздуха в цилиндры, повышая мощность двигателя.

    Регулировка давления наддува

    Турбонаддув дизельного двигателя повышает его мощность за счет возрастания давления выхлопных газов, являющихся результатом увеличения числа оборотов и интенсивности работы мотора. Этот же процесс повышает давление наддува. Если его не регулировать, то на самых высоких оборотах оно может достичь опасных значений, приводящих к поломкам и механическим повреждениям.

    Регулировка давления производится с помощью выпускного предохранительного клапана, а контроль максимально допустимого значения — с помощью мембраны и пружины определенной жесткости.

    Суть работы: при достижении предельного значения давления, мембрана, установленная в корпусе компрессора, преодолевает воздействие пружины и открывает регулировочный клапан.

    Давление регулируют как на стороне компрессора, так и на стороне турбины:

    1. Работающий турбокомпрессор сбрасывает в атмосферу через выпускной клапан излишки забранного воздуха, тем самым снижая давление.
    2. В турбине клапан выпускает отработанные газы под воздействием мембраны компрессора, когда давление всасываемого воздуха достигает максимального уровня. Благодаря этому, ротор вращается с установленной скоростью, а компрессор не забирает лишний воздух и не увеличивает давление.

    Второй вариант расположения клапана позволяет изготавливать системы меньших габаритов. Кроме того, турбонагнетатель с клапаном в компрессоре подвержен чрезмерному нагреву из-за повышенной температуры выпускаемого воздуха, что негативно сказывается на эффективности его работы.

    Поэтому турбонаддув дизельного двигателя чаще оснащают регулировочным клапаном в турбине, а регулировку в компрессоре используют в качестве дополнения.

    Система смазки

    Смазка вала турбонагнетателя осуществляется смазочной системой двигателя.

    На вал устанавливают уплотнительные кольца, предотвращающие проникновение масла в полости корпусов компрессора и турбины. Они же предохраняют корпуса от перегрева. Но герметичность обеспечивается не столько уплотнениями, сколько разностью величины давления в различных частях агрегата. Эту разницу давлений создает турбинная ось (вал), имеющая неравномерный диаметр.

    Особая форма литья корпуса, в котором расположен вал, также способствует удержанию масла.

    Если мотор не развивает требуемую мощность, это может быть симптомом неисправности турбонаддува. Наиболее часто встречающиеся проблемы — загрязнение воздушного фильтра или потеря герметичности впускного коллектора. Кроме потери мощности, их можно диагностировать по несвойственному для исправной машины цвету и количеству дыма, выходящего из выхлопной трубы.

    Недостатки турбокомпрессоров

    Принцип работы турбины на дизельном двигателе создает и негативные факторы:

    • Повышенный расход горючего. Возможность сжечь большее количество солярки за счет увеличенного объема подачи воздуха, вместе с мощностью повышает и «прожорливость» машины. Уменьшить аппетит до разумных пределов позволяет правильная регулировка системы.
    • Положительные стороны наддува приводят к многократному повышению температуры во время такта сжатия, что может вызвать детонацию в двигателе. Решается эта проблема установкой охладителей, регуляторов и прочих элементов.

    Правила эксплуатации

    Чтобы в полной мере использовать ресурс турбины дизельного мотора и продлить ее срок службы, необходимо выполнять ряд условий:

    • Регулярно менять масло в системе, чтобы не допустить попадания абразива в маслопровод и его засорения.
    • Применять только качественное масло, имеющее сертификат, той марки, которая соответствует указанной в паспортных данных двигателя.
    • Прогревать мотор перед началом движения и не давать холодному двигателю высоких нагрузок.
    • Никогда резко не отключать движок, а после остановки автомобиля давать ему возможность поработать несколько секунд на холостых оборотах.

    Принцип работы дизельного двигателя с турбиной

    Начать стоит с того, что КПД дизельного двигателя гораздо выше, чем у бензинового аналога. Проще говоря, этот мотор расходует гораздо меньше топлива. Подобного результата конструкторам удалось добиться за счёт создания уникальной конструкции.

    Безусловно, современные бензиновые двигатели обладают множеством разнообразных технологических инноваций. Достаточно вспомнить прямой впрыск. Несмотря на это, показатель полезного действия бензинового мотора составляет порядка 30 процентов. У дизеля этот же параметр достигает 40. Если же вспомнить турбонаддув, то цифра может дойти до 50%.

    Неудивительно, что дизельные моторы постепенно завоёвывают Европу. Дорогой бензин стимулирует покупателей к покупке более экономичных машин. Производители в режиме реального времени отслеживают изменения в потребительских предпочтениях, внедряя соответственные коррективы в производственный процесс.

    К сожалению, конструкция дизельного двигателя не лишена недостатков. Одним из самых существенных является большой вес. Безусловно, инженеры проделали огромный путь, постепенно уменьшая вес мотора, но у всего есть предел.

    Дело в том, что в устройстве дизельного двигателя все детали должны быть подогнаны друг к другу максимально точно. Если в бензиновых аналогах допускается возможность небольшого люфта, то здесь всё по-другому. Как результат в самом начале внедрения технологии дизельные агрегаты устанавливали только на большие машины. Достаточно вспомнить те же грузовики начала прошлого века.

    История создания

    Тяжело себе представить, но первый работоспособный дизельный двигатель сконструировал инженер Рудольф Дизель ещё в XIX веке. Тогда в качестве топлива использовался обычный керосин.

    С развитием технологии учёные стали экспериментировать. В результате, какие только виды топлива не использовались, чтобы достичь лучших результатов. К примеру, некоторое время моторы заправлялись рапсовым маслом и даже сырой нефтью. Безусловно, подобный подход не мог дать по-настоящему серьёзных достижений.

    Многолетние изыскания привели учёных к идее использования мазута и солярки. Их низкая себестоимость и неплохая воспламеняемость позволили составить серьёзную конкуренцию бензиновым аналогам.

    Изначально системы впрыска топлива в устройстве дизельных двигателей были крайне несовершенны. Это не позволяло использовать агрегаты в машинах, которые работали на высоких оборотах.

    Первые образцы автомобилей, оснащённых дизельными двигателями, появились в 20-х годах прошлого века. Это был грузовой и общественный транспорт. До этого моторы такого класса применялись только на стационарных станках или кораблях.

    Лишь спустя 15 лет появились первые машины, которые работали за счёт дизельного двигателя. Несмотря на это ещё очень долго дизель, будучи мощным и имеющим иммунитет к детонации, не имел широкого распространения в автомобилестроении. Дело в том, что при наличии весомых преимуществ у агрегата был целый ряд недостатков, таких как повышенный шум при работе и большой вес.

    Лишь в 70-х годах, когда начали расти цены на нефть, всё кардинально изменилось. Автомобилестроители и потребители устремили свои взоры к автомобилям, в своём устройстве, имеющим дизельные двигатели. Именно тогда впервые появились компактные дизели.

    Дизельный двигатель

    Устройство дизельного двигателя

    Устройство дизельного двигателя состоит из четырёх основных элементов:

    • цилиндров,
    • поршней,
    • топливной форсунки,
    • впускного и выпускного клапана.

    Каждый элемент конструкции выполняет свою задачу и имеет свои конструкционные особенности. В процессе развития данная технология дополнилась многими деталями, которые позволили добиться гораздо большей производительности, вот основные из них:

    • турбина,
    • топливная форсунка,
    • интеркуллер.

    Каждая из этих деталей позволила значительно увеличить КПД дизельного двигателя.

    Принцип работы

    Дизельный двигатель работает за счёт сжатия. Благодаря этому процессу жидкость под давлением попадает в камеру сгорания. Пропускными элементами служат форсунки инжектора.

    Воздух должен быть достаточно горячим, чтобы топливо воспламенилось . Перед тем как попасть внутрь жидкость проходит через ряд фильтров, которые задерживают чужеродные частички, способные навредить системе.

    Чтобы понять принцип работы дизельного двигателя нужно рассмотреть весь процесс подачи и воспламенения топлива от начала и до конца. На начальном этапе воздух подаётся через впускной клапан. При этом поршень движется вниз.

    Некоторые впускные системы дополнительно обустраиваются заслонками. Благодаря им в конструкции создаётся два канала, через которые воздух попадает внутрь. В результате данного процесса происходит завихрение воздушных масс.

    Когда поршень достигает верхней точки, воздух сжимается в 20 раз. Предельное давление составляет порядка 40 килограмм на квадратный сантиметр. При этом температура доходит до 500 градусов.

    Форсунка впрыскивает топливо внутрь камеры в строго заданном количестве. Воспламенение происходит исключительно из-за высокой температуры. Именно этот факт объясняет то, что в устройстве дизельного двигателя нет свечей. Мало того, система зажигания отсутствует как таковая.

    Отсутствие в конструкции дроссельной заслонки позволяет развить большой крутящий момент. Но число оборотов при этом находится на стабильно низкой отметке. За один цикл может осуществляться несколько впрыскиваний жидкости.

    Вниз поршень толкает давление расширяющихся газов. Результатом данного процесса является то, что поворачивается коленвал. Связующим звеном в данном микропроцессе является шатун.

    Дойдя до нижней точки, поршень вновь поднимается вверх, тем самым выталкивая уже отработанные газы. Они выходят наружу посредством выпускного клапана. Такой рабочий цикл повторяется раз за разом в дизельном двигателе.

    Чтобы снизить процент сажи в газах, которые выходят через выхлопную систему существует специальный фильтр. Он позволяет в значительной мере уменьшить вред, наносимый экологии.

    Дополнительные узлы

    Как работает турбина

    Турбина в устройстве дизельного двигателя позволяет в значительной мере увеличить общую производительность системы. Тем не менее автомобильные инженеры не сразу пришли к этому решению.

    Толчком к созданию турбины и внедрению её в общее устройство дизельного двигателя стало то, что топливо не успевает полностью сгореть, пока поршень движется к мёртвой точке.

    Принцип работы турбины на дизельном двигателе заключается в том, что данный конструкционный элемент позволяет добиться полного сгорания топлива. Как результат мощность мотора существенно возрастает.

    • Два кожуха — один крепится на турбину, второй на компрессор.
    • Подшипники представляют собой опору узла.
    • Защитную функцию выполняет стальная сетка.

    Весь цикл работы турбины дизельного двигателя состоит из следующих этапов:

    1. Воздух всасывается внутрь при помощи компрессора.
    2. Подключается ротор, приходящий в движение за счёт ротора турбины.
    3. Интеркуллер охлаждает воздух.
    4. Воздух проходит несколько фильтров и попадает внутрь через впускной коллектор. В конце данного действия клапан закрывается. Открытие происходит при завершении рабочего хода.
    5. Через турбину дизельного двигателя проходят отработанные газы, тем самым оказывая давление на ротор.
    6. На данном этапе скорость вращения турбины дизельного двигателя может достигать около 1500 оборотов в секунду. Это заставляет вращаться ротор компрессора посредством вала.

    Этот цикл повторяется раз за разом. Благодаря использованию турбины мощность дизельного двигателя растёт.

    Увеличение плотности воздуха позволяет подавать его в значительно большем количестве внутрь двигателя. Увеличение потока способствует тому, что топливо внутри системы полностью сгорает.

    Интеркуллер и форсунка

    Во время сжатия увеличивается не только плотность воздуха, но и его температура. К сожалению, это сильно влияет на долговечность дизельного двигателя. Поэтому учёными было придумано такое устройство, как интеркуллер. Он эффективно снижает температуру воздушного потока.

    В устройстве может быть одна или две форсунки. Их задача заключается в том, чтобы распылять и дозировать топливо. Принцип работы форсунки дизельного двигателя реализуется за счёт кулачка, который отходит от распределительного вала.

    Итоги

    За счёт использования новых технологий и дополнительных узлов дизельный двигатель позволяет добиться поразительного показателя полезного действия от сгорания топлива. Данный показатель достигает 40—50 процентов. Что почти в два раза больше, чем в бензиновом аналоге.

    Гениальная идея использования выхлопных газов для разгона ротора позволила создать турбированный дизельный двигатель внутреннего сгорания и увеличить его мощность на 40–50%. Это притом, что во время работы в обычном режиме выброс газов сопровождается снижением коэффициента полезного действия в пределах 30 — 40%.

    Принцип работы турбины дизельного двигателя основан на увеличении количества воздуха, смешиваемого с топливом и поступающего в камеру сгорания. За один и тот же период времени и при равных объемах цилиндров, двигатель с турбонаддувом может сжечь большее количество топлива, чем движок, не оснащенный таким устройством. А значит, его мощность и КПД в единицу времени значительно возрастет.

    Рассмотрим устройство турбины дизельного двигателя, как работает, и каким образом достигаются такие показатели.

    Конструктивные элементы системы

    Для осуществления возложенных функций, система турбонаддува состоит из двух основных частей:

    Компрессор служит для нагнетания атмосферного воздуха в систему подачи топлива. Он состоит из корпуса и расположенной в нем крыльчатки, которая, вращаясь, всасывает воздух. Чем выше ее скорость вращения, тем больше объем принятого воздуха. Увеличению скорости способствует работа турбины.

    Она также состоит из корпуса с крыльчаткой (ротором), которая приводится в движение выхлопными газами. В корпусе газы проходят через специальный канал, имеющий форму улитки, что позволяет им увеличить скорость.

    Как работает турбонаддув дизельного двигателя

    Ротор турбины и крыльчатка компрессора жестко закреплены на одном валу. Таким образом, скорость вращения ротора передается крыльчатке. Круг замыкается:

    • Через компрессор воздух из атмосферы, смешиваясь с топливом, подается в цилиндры двигателя;
    • Смесь сгорает, приводя в движение поршни, и образовавшиеся в результате газы поступают в выпускной коллектор;
    • Здесь они принимаются в корпус турбины, разгоняются в канале и на выходе взаимодействуют с ротором, заставляя его вращаться;
    • Ротор через вал передает вращение крыльчатке компрессора, которая всасывает в корпус атмосферный воздух.

    Получается взаимосвязанная схема работы, когда количество всасываемого воздуха зависит от скорости вращения крыльчатки и, наоборот, крыльчатка вращается быстрее при большем количестве забираемого воздуха.

    Принцип работы турбонаддува имеет два момента, называемые турбоямой и турбоподхватом.

    Первый момент характеризуется задержкой в работе турбины после увеличения подачи топлива нажатием на педаль газа, так как для разгона ротора выхлопными газами требуется время.

    Вслед за турбоямой наступает момент турбоподхвата, когда разогнавшийся ротор резко увеличивает подачу воздуха в цилиндры, повышая мощность двигателя.

    Регулировка давления наддува

    Турбонаддув дизельного двигателя повышает его мощность за счет возрастания давления выхлопных газов, являющихся результатом увеличения числа оборотов и интенсивности работы мотора. Этот же процесс повышает давление наддува. Если его не регулировать, то на самых высоких оборотах оно может достичь опасных значений, приводящих к поломкам и механическим повреждениям.

    Регулировка давления производится с помощью выпускного предохранительного клапана, а контроль максимально допустимого значения — с помощью мембраны и пружины определенной жесткости.

    Суть работы: при достижении предельного значения давления, мембрана, установленная в корпусе компрессора, преодолевает воздействие пружины и открывает регулировочный клапан.

    Давление регулируют как на стороне компрессора, так и на стороне турбины:

    1. Работающий турбокомпрессор сбрасывает в атмосферу через выпускной клапан излишки забранного воздуха, тем самым снижая давление.
    2. В турбине клапан выпускает отработанные газы под воздействием мембраны компрессора, когда давление всасываемого воздуха достигает максимального уровня. Благодаря этому, ротор вращается с установленной скоростью, а компрессор не забирает лишний воздух и не увеличивает давление.

    Второй вариант расположения клапана позволяет изготавливать системы меньших габаритов. Кроме того, турбонагнетатель с клапаном в компрессоре подвержен чрезмерному нагреву из-за повышенной температуры выпускаемого воздуха, что негативно сказывается на эффективности его работы.

    Поэтому турбонаддув дизельного двигателя чаще оснащают регулировочным клапаном в турбине, а регулировку в компрессоре используют в качестве дополнения.

    Система смазки

    Смазка вала турбонагнетателя осуществляется смазочной системой двигателя.

    На вал устанавливают уплотнительные кольца, предотвращающие проникновение масла в полости корпусов компрессора и турбины. Они же предохраняют корпуса от перегрева. Но герметичность обеспечивается не столько уплотнениями, сколько разностью величины давления в различных частях агрегата. Эту разницу давлений создает турбинная ось (вал), имеющая неравномерный диаметр.

    Особая форма литья корпуса, в котором расположен вал, также способствует удержанию масла.

    Если мотор не развивает требуемую мощность, это может быть симптомом неисправности турбонаддува. Наиболее часто встречающиеся проблемы — загрязнение воздушного фильтра или потеря герметичности впускного коллектора. Кроме потери мощности, их можно диагностировать по несвойственному для исправной машины цвету и количеству дыма, выходящего из выхлопной трубы.

    Недостатки турбокомпрессоров

    Принцип работы турбины на дизельном двигателе создает и негативные факторы:

    • Повышенный расход горючего. Возможность сжечь большее количество солярки за счет увеличенного объема подачи воздуха, вместе с мощностью повышает и «прожорливость» машины. Уменьшить аппетит до разумных пределов позволяет правильная регулировка системы.
    • Положительные стороны наддува приводят к многократному повышению температуры во время такта сжатия, что может вызвать детонацию в двигателе. Решается эта проблема установкой охладителей, регуляторов и прочих элементов.

    Правила эксплуатации

    Чтобы в полной мере использовать ресурс турбины дизельного мотора и продлить ее срок службы, необходимо выполнять ряд условий:

    • Регулярно менять масло в системе, чтобы не допустить попадания абразива в маслопровод и его засорения.
    • Применять только качественное масло, имеющее сертификат, той марки, которая соответствует указанной в паспортных данных двигателя.
    • Прогревать мотор перед началом движения и не давать холодному двигателю высоких нагрузок.
    • Никогда резко не отключать движок, а после остановки автомобиля давать ему возможность поработать несколько секунд на холостых оборотах.

    История создания дизельных двигателей с турбонаддувом

    Турбокомпрессоры применялись для повышения мощности двигателей внутреннего сгорания еще на этапе развития этого вида технологий. Запатентованный американцем Альфредом Бюхи в 1911 году турбокомпрессор на заре своего развития сыграл значительную роль в военной авиации – турбированные бензиновые двигатели ставились на истребители и бомбардировщики для повышения их высотности. Свое применение в автомобильном дизелестироении технология нашла относительно недавно. Первым серийным автомобилем с турбированным дизелем был появившийся в 1978 г. Mercedes-Benz 300 SD, а в 1981 г. за ним последовал VW Turbodiesel.

    Устройство и принцип работы дизельного двигателя с турбонаддувом

    Принцип работы турбированного дизельного двигателя основан на использовании энергии выхлопных газов. Покинув цилиндр, отработавшие газы попадают на крыльчатку турбины, вращая ее и закрепленную с ней на одном валу турбину компрессора, встроенного в систему подачи воздуха в цилиндры.

    Таким образом, в отличие от атмосферных дизелей, в турбокомпрессорных агрегатах воздух в цилиндры подается принудительно под более высоким давлением. В итоге объем воздуха, попадающего в цилиндр за один цикл, возрастает. В сочетании с увеличением объема сгорающего топлива (пропорции топливно-воздушной смеси остаются неизменными) это дает прирост мощности до 25%.

    Для еще большего повышения объема поступающего в цилиндры воздуха дополнительно применяют интеркулер – специальное устройство, охлаждающее атмосферный воздух перед нагнетанием в двигатель. Из школьного курса физики известно, что холодный воздух занимает меньше места, чем теплый. Таким образом, при охлаждении можно «затолкать» в цилиндр больше воздуха за цикл.

    В результате у турбодизеля меньше удельный эффективный расход топлива (в граммах на киловатт-час) и выше объемная мощность (количество лошадиных сил на литр объема двигателя). Все это обеспечивает возможность существенно подрастить суммарную мощность мотора без значительного увеличения его габаритов и числа оборотов.

    Плюсы и минусы дизельного двигателя с турбонаддувом

    Обратная сторона повышения мощности мотора при сохранении общих характеристик, то есть форсирования, – более интенсивный износ узлов, как следствие, снижение ресурса силовой установки. Кроме того, турбины требуют применения специальных сортов моторных масел и строгого соблюдения рекомендуемых изготовителем сроков обслуживания. Еще более требователен к вниманию владельца воздушный фильтр. Также в работе двигателей с турбинами низкого давления может присутствовать эффект «турбоямы», выражающийся в заметном «проседании» на низких и средних оборотах двигателя.

    Турбированные моторы менее экономичны, чем атмосферные дизели, потребляя на 20 – 50% больше топлива при том же объеме. Еще один явный недостаток системы турбонаддува – она очень чувствительна к износу поршневой группы. Возрастание давления картерных газов ощутимо снижает ресурс турбины. При продолжительной работе в таких условиях наступает «масляное голодание» и поломка турбокомпрессора. Причем повреждение этого агрегата вполне может привести к выходу из строя всего двигателя, а турбированные дизели еще менее ремонтопригодны, чем их атмосферные братья.

    Да и вообще, наличие технически сложного турбокомпрессора, нуждающегося в дополнительных устройствах стабилизации давления, аварийного его сброса и так далее делает силовую установку автомобиля более замысловатой, увеличивая число деталей, а значит, снижая общую надежность. К тому же, ресурс самого турбокомпрессора значительно меньше, чем аналогичный показатель двигателя в целом.

    Современные технологии усовершенствования дизельных двигателей

    Значительную популярность сегодня приобрела система повышения эффективности и гибкости режимов дизеля под названием «Common-Rail». Если в традиционном дизельном двигателе каждая секция насоса высокого давления подает топливо в отдельный топливопровод, замкнутый на одну форсунку. Даже несмотря на изрядную толщину стенок топливопроводов при подаче в них жидкости под давлением в 1500-2000 атмосфер они незначительно, но «раздуваются». В результате попадающая в цилиндр порция топлива отличается от расчетной. «Довесок», сгорая, увеличивает расход горючего, повышает дымность и снижает полноту сгорания топливно-воздушной смеси.

    Удачное инженерное решение этой проблемы разработали одновременно сразу несколько автопроизводителей. В новой системе топливный насос высокого давления подает горючее в общий трубопровод — топливную рампу, которая, помимо прочего, играет роль ресивера, то есть стабилизатора давления в контуре. В рампе все время присутствует постоянный объем топлива, находящегося не под пульсирующим давлением, а под постоянным.

    К тому же, развитие интеллектуальных технологий позволило оснастить форсунки электронными системами открытия (в традиционных дизелях регулировка циклов впрыска происходит гидромеханическим способом при повышении давления в трубопроводе). Электронный блок, управляющий работой форсунок, учитывает информацию о положении педали акселератора, давлении в рампе, температурном режиме двигателя, его нагрузке и т.д. На основе этих данных рассчитывается размер порции топлива и момент его подачи.

    Еще одно новшество, появившееся благодаря развитию автомобильной электроники – двухэтапная подача топлива в камеру сгорания. Сначала впрыскивается «разгонная» (около миллиграмма) порция. При сгорании она дополнительно к эффекту сжатия повышает температуру в камере, и основная доза, впрыскиваемая следом, сгорает более плавно, также плавно наращивая давление в цилиндре. В результате двигатель работает мягче и менее шумно, а расход топлива сокращается примерно на 20% при одновременном возрастании крутящего момента на малых оборотах на 25%. Что немаловажно — уменьшается содержание в выхлопе сажи.

    Среди новых разработок, призванных улучшить экологические характеристики дизелей одновременно с оптимизацией их экономичности, наиболее перспективной считается система BlueTec, разработанная специалистами концерна Daimler AG. Основная ее составляющая – инновационная методика каталитической нейтрализации выхлопных газов.

    Каталитические нейтрализаторы современных автомобилей работают за счет керамических или металлических «сот», покрытых слоем химически активных веществ — катализаторов. Катализаторы окисляют или восстанавливают токсичные соединения CO, CH и NOx до углекислого газа, простого азота и воды.

    Однако особенности дизельного топлива, а также процессов образования и сгорания топливно-воздушной смеси в дизеле таковы, что выхлоп содержит не только вредные химические компоненты, но большое количество сажи. Причем если начать уменьшать долю сажи возрастает содержание NOx, и наоборот. Таким образом, для комплексной очистки дизельного выхлопа нужна многокомпонентная химико-механическая система, усложняющая конструкцию автомобиля и, как следствие, снижающая рентабельность производства.

    Технология BlueTec построена на сочетании традиционных и новых решений. Сначала отработавшие газы проходят имеющийся на большинстве дизельных автомашин противосажевый фильтр и катализатор, «истребляющий» соединения углерода. Далее в выпускной тракт впрыскивается активный реагент AdВlue на основе мочевины (раствора аммиака в воде). Получившаяся смесь попадает в специальный нейтрализатор избирательного действия (SCR), в котором аммиак из AdBlue под влиянием катализа при температуре 250–300°С вступает в химическую реакцию с окислами азота, «разбирая» их на азот и воду. Здесь же «дожигаются» остальные вредные компоненты.

    При очевидных плюсах BlueTec имеет не менее очевидные минусы. Хранение запаса компонента AdВlue требует отдельной емкости. Сама система осложняется за счет присутствия дополнительных узлов и магистралей. К тому же, система еще более прихотлива к качеству топлива и может работать только на солярке с минимальным содержанием серы.

    Еще одна весьма актуальная для России проблема — раствор AdВlue замерзает при минус 11,5 градусов. Поэтому инженеры BlueTec сейчас активно работают над совершенствованием систем без использования мочевины. Сегодня проходят опробование и доработку комплексы из противосажевого фильтра, платинового каталитического нейтрализатора и двух SCR-катализаторов, «заряженных» исключительно на борьбу с оксидами азота. В настоящее время система позволяет обеспечить содержание NOx в выхлопе дизелей примерно на уровне Евро-5.

    Принцип работы турбокомпрессора для дизельного двигателя

    Для точного определения неисправностей, связанных с турбокомпрессором, необходимо знание принципа его работы. Нижеприведеннная информация относится к турбокомпрессорам массовых дизельных двигателей, поскольку они достаточно просты.

    Турбокомпрессор — это компрессор, или воздушный насос, который приводится от турбины. Турбина вращается за счет использования энергии потока отработавших газов. Частота вращения турбокомпрессора дизельного двигателя находится в пределах от 1000 до 130.000 об/мин (это значит, что лопатки турбины разгоняются почти до линейной скорости звука). Турбина непосредственно соединяется с компрессором жесткой осью. Компрессор засасывает через воздушный фильтр свежий воздух, сжимает его и затем под давлением подает во впускной коллектор двигателя. Чем больше воздуха подается в цилиндры, тем больше топлива может сгореть, а это повышает мощность двигателя.

    Теоретически существует равновесие мощностей между турбиной и компрессором турбокомпрессора. Чем большую энергию имеют отработавшие газы, тем быстрее будет вращаться турбина. Как следствие, компрессор тоже будет вращаться быстрее.


    Турбокомпрессор Garrett в разобранном виде

    Турбина

    Турбина состоит из корпуса и ротора. Отработавшие газы из выпускного коллектора двигателя попадают в приемный патрубок турбокомпрессора. Проходя по постепенно сужающемуся внутреннему каналу корпуса турбины, они ускоряются, а пройдя этот имеющий форму улитки корпус, направляются к ротору турбины и приводят ее во вращение.

    Скорость вращения турбины определяется размером и формой канала в ее корпусе. Это напоминает поливочный шланг: чем больше вы перекрываете пальцем выходное отверстие, тем дальше бьет струя воды. Размеры турбины и ее корпуса зависят от конкретного двигателя.

    Корпусы турбин значительно различаются в зависимости от сферы применения. Корпус турбины двигателя грузовика может быть разделен на два параллельных канала, поэтому на ротор воздействуют два потока отработавших газов. При таком типе корпуса становится возможным использование импульсного движения потока газов и достижение резонансных явлений. Отсюда и обязательность разделения выпускных каналов для каждого цилиндра.

    В корпусе турбины, имеющем двойной канал, каждый поток распределяется по всей поверхности ротора турбины. Другая конструкция корпуса с двумя каналами позволяет использовать импульсы давления (поток распределяется симметрично с каждой стороны ротора).

    В случае системы с постоянным давлением используется только энергия поступательного движения отработавших газов. При этом могут применяться только корпусы турбины с одним каналом. Этот вариант используется в корпусах с водяным охлаждением, которые применяются на судовых двигателях.

    В турбокомпрессоры с большим объемом часто устанавливают дополнительное кольцо с направляющими лопатками. Оно облегчает создание постоянного потока отработавших газов на роторе турбины и делает возможным регулирование потока внутри ее корпуса.

    Корпус турбины отливается из сплава с высокой термостойкостью. Ротор турбины также изготавливается из высококачественных материалов, имеющих высокую температурную стойкость. Ту часть, через которую входят отработавшие газы, называют впуском, а идущую к выхлопной трубе — выпуском.

    На оси жестко крепится ротор турбины. Материал оси отличается от материала, используемого для ротора турбины. Сборка этого соединения осуществляется следующим способом. Ось и ротор, вращающиеся в противоположных направлениях на очень большой скорости, прижимают друг к другу. Выделяющееся при трении тепло сплавляет их друг с другом, образуя неразъемное соединение.

    Ось в месте соединения пустотелая. Эта пустота затрудняет передачу тепла от ротора турбины к ее оси. На оси со стороны турбины имеется углубление, в котором располагается уплотнительное кольцо. Рабочая поверхность радиальных подшипников упрочняется и полируется.

    Выступающий бортик, на который будет запрессовано кольцо, обрабатывается с высокой точностью. На более тонкий конец оси устанавливается ротор компрессора; там имеется резьба, на которую навинчивается предохранительная гайка для закрепления ротора. После того, как ось изготовлена, она должна быть отбалансирована с максимально возможной точностью прежде чем она будет установлена в корпус.

    Компрессор

    Компрессор состоит из корпуса и ротора. Размеры компрессора определяются количеством воздуха, требуемого для двигателя, и скоростью вращения турбины. Ротор компрессора жестко закреплен на оси турбины и, следовательно, вращается с той же скоростью, что и ротор турбины.

    Лопатки ротора компрессора, изготавливаемые из алюминия, имеют такую форму, что воздух засасывается через центр ротора. Всасываемый таким образом воздух направляется к периферии ротора и при помощи лопаток отбрасывается на стенку корпуса компрессора. Благодаря этому воздух сжимается и через впускной коллектор попадает в двигатель. Корпус компрессора также изготовлен из алюминия.

    Корпус оси

    Смазка турбокомпрессора производится от системы смазки двигателя. Корпус оси образует центральную часть турбокомпрессора, расположенную между турбиной и компрессором. Ось вращается в подшипниках скольжения. Моторное масло по каналам проходит между корпусом и подшипниками, а также между подшипниками и осью. В большинстве турбокомпрессоров радиальные подшипники вращаются со скоростью, равной половине скорости оси.

    В настоящее время появились конструкции, в которых подшипник неподвижен, а ось вращается в масляной ванне. Масло не только служит для смазки оси, но и охлаждает ее, подшипники и корпус.

    Для уплотнения с двух сторон турбокомпрессора устанавливаются маслоотражательные прокладки. С двух сторон устанавливаются также уплотнительные кольца.

    Но, несмотря на то, что эти кольца помогают избежать утечек масла, они в действительности не являются уплотнительными прокладками. Их нужно рассматривать как элемент, затрудняющий утечку воздуха и газов между турбиной, компрессором и корпусом оси. В обычном режиме работы турбокомпрессора давление в турбине и компрессоре больше давления в корпусе оси. Часть газов из турбины и часть воздуха, сжатого в компрессоре, попадают в корпус оси и вместе с моторным маслом по сливному маслопроводу проходят в масляный картер двигателя.


    На рисунке показан путь, по которому проходит масло внутри корпуса оси турбокомпрессора Garrett T04B

    Все масляные уплотнения динамического типа, т.е. работают на принципе разности давлений:

    1. Разница в диаметрах оси из-за действия центробежных сил образует разность давлений, что затрудняет просачивание масла к турбине.

    2. Со стороны турбины уплотнительные кольца расположены в выточках (как в корпусе оси так и на самой оси). Этот же принцип установки колец применен и со стороны компрессора.

    Уплотнительные кольца являются элементом, играющим главную роль в обеспечении герметичности. Кроме того, они передают тепло с оси на корпус.

    3. Уплотнительное кольцо вращается с той же скоростью, что и ось. Благодаря имеющимся в нем трем отверстиям создается противодавление маслу.

    4. Внутренняя форма корпуса оси на уровне кольца герметичности весьма своеобразна с целью предотвращения просачивания масла к компрессору.

    5. Давление в компрессоре и турбине вытесняет масло в корпус оси.

    Когда обороты двигателя низкие или он работает без нагрузки, давление в корпусе оси больше, чем в компрессоре. В компрессоре воздух отжимается от центра на периферию и сжимается. Этот же эффект мы можем наблюдать при быстром размешивании кофе в чашке: кофе будет отброшен на стенки чашки. Воздух в компрессоре завихряется и отбрасывается на стенки компрессора, после чего этот сжатый воздух поступает в двигатель. Поэтому становится ясно, почему в случае слабого наддува в двигателе с турбокомпрессором (т.е. когда давление турбокомпрессора близко к нулю) за ротором компрессора образуется небольшое разрежение.

    Естественно, при работе компрессора могут иметь место утечки масла из корпуса оси в компрессор. Скорость вращения оси турбокомпрессора может быть настолько высокой, что избежать утечек масла, используя обычные манжеты (устанавливаемые, к примеру, в коробке передач), невозможно.

    Поэтому в корпус оси устанавливают несколько уплотнительных колец, используя разные методы для наиболее качественного уплотнения мест возможной утечки масла.

    Вот некоторые из них:

    Механический сливной маслопровод турбокомпрессора Garrett. В этом компрессоре главную роль при уплотнении играет уплотнительное кольцо. Когда двигатель работает на малых оборотах либо без нагрузки, за ротором компрессора образуется область пониженного давления (разрежения). Масло и газы, которые находятся в корпусе оси, устремляются между задней пластиной и уплотнительным кольцом к компрессору. Когда эта смесь проходит через отверстия кольца, масло, более тяжелое, чем газы, отбрасывается к наружной стороне кольца, но остается в корпусе оси, в то время как газы продолжают свое движение в компрессоре.

    Таким образом, уплотнительное кольцо, которое вращается на большой скорости вместе с осью турбокомпрессора, действует как центробежный сепаратор масла.

    Пластина для отвода масла. Большинство производителей турбокомпрессоров в той или иной форме используют эту схему. Это неподвижная пластина, расположенная поперечно со стороны компрессора.

    Масло, идущее от уплотнительных колец, стекает по внутренней стороне пластины вниз, то есть к отверстию для слива масла. Верхняя часть этой пластины имеет такую форму, что она постоянно находится выше нормального уровня масла в корпусе оси. В случае возможного образования разрежения в компрессоре газы засасываются легче, чем более тяжелое масло.

    Со стороны турбины проблема отвода масла не так важна, если принять во внимание, что в нормальных условиях давление в турбине всегда выше, чем в корпусе оси. При некоторых условиях эксплуатации может иметь место падение давления в турбине; в таком случае требуется установка пластины для отвода масла со стороны турбины.

    Любая конструкция корпуса оси подразумевает также необходимость максимального снижения теплообмена между турбиной с уплотнительными кольцами и компрессором. С этой целью со стороны турбины устанавливается термоизоляционная прокладка, а в корпусе оси имеется множество элементов для теплообмена. Например, в турбокомпрессорах (Garrett для дизельных двигателей с марта 1989 года используется корпус оси, имеющий ребра охлаждения.

    Регулировка давления наддува

    Мощность дизельного двигателя ограничена максимальным числом оборотов, равным приблизительно 5000 об/мин. Ее можно поднять, только увеличив рабочий объем двигателя или степень сжатия.

    По соображениям ограничения массы и размеров автомобиля его оснащают как можно меньшим двигателем, который будет работать с максимальными оборотами, чтобы обеспечить требуемую мощность.

    Дизельный двигатель работает в широком диапазоне чисел оборотов. Соответствие мощности турбины и нерегулируемого компрессора турбокомпрессора означает соответствие создаваемого последним давления энергии отработавших газов. Увеличивая мощность двигателя (например, нажимая на педаль акселератора), мы увеличиваем как количество отработавших газов, так и давление наддува. Недостатком этой конструкции будет создание слишком высокого давления на максимальных оборотах. Повреждения двигателя избегают, ограничивая давление.

    Принцип работы регулятора давления.
    Давление наддува в компрессоре воздействует на мембрану, которая прижимается пружиной. Когда сила сжатой пружины преодолевается, открывается регулировочный клапан, уменьшая поток отработавших газов через турбину и удерживая таким образом давление наддува ниже определенного предела, при превышении которого двигатель был бы поврежден. В турбокомпрессорах для дизельных двигателей этот клапан почти всегда встроен в корпус турбины. Этим достигается компактность конструкции и точность работы.

    На рисунке представлен в разрезе регулировочный клапан фирмы Garrett.


    1 — корпус турбины; 2 — клапан; 3 — уплотнение; 4 — направляющая пружины; 5 — пружины; 6 — клапан; 7 — контргайка; 8 — крышка с отводом воздуховода; 9 — вентиляционный канал

    Верхняя часть стержня клапана полая. Эта полость заканчивается на середине стержня боковым отверстием. Обычно давление во впускном трубопроводе над мембраной выше давления в корпусе. Вот почему более холодный воздух из компрессора циркулирует по полости в стержне к точке крепления стержня в корпусе турбины и затем по вентиляционному воздуховоду к корпусу турбины. Крышка Мембраны зажата на корпусе клапана таким образом, что на практике никакая регулировка усилия пружины невозможна. Если предохранительный клапан не работает как надо, корпус турбины вместе с клапаном должен быть заменен полностью.

    Работа предохранительного клапана фирмы KKK.
    Этот клапан также может быть встроен в выхлопную трубу, как отдельно от корпуса турбины, так и в ней. Чтобы максимально уменьшить передачу тепла, встраивают множество теплоизоляционных элементов. Кроме этого, корпус клапана имеет ребра охлаждения, которые поглощают тепло и рассеивают его в окружающий воздух.

    Давление наддува можно также регулировать со стороны компрессора. При определенном давлении регулировочный клапан открывается и выпускает часть воздуха в атмосферу или во впускной трубопровод перед компрессором. Эта система, правда, имеет два недостатка. Во-первых, выпускаемый воздух имеет повышенную температуру, поэтому термодинамические преимущества турбокомпрессора уменьшаются. Во-вторых, если давление регулируется только компрессором, требуется слишком большая турбина, чтобы в любой момент времени обеспечить нужную производительность компрессора. Это вызывает увеличение времени реакции на нажатие педали акселератора, поскольку турбокомпрессор срабатывает с запаздыванием.

    На практике клапан у компрессора используется как дополнительная защита от повышения давления совместно с регулятором давления наддува.

    Корпус оси

    С уменьшением размеров турбины и компрессора общая величина современных турбокомпрессоров также уменьшается. При этом турбина располагается все ближе к компрессору.

    Передача тепла от турбины к компрессору по оси и корпусу оси неблагоприятно сказывается на надежности и долговечности корпуса, а также ухудшает теплоотдачу турбокомпрессора: воздух должен быть как можно более холодным, поскольку холодный (более плотный) воздух содержит больше кислорода, чем горячий.

    В ходе развития турбокомпрессоров для автомобильных дизельных двигателей конструкторы постоянно искали новые возможности воспрепятствования передаче тепла. При изготовлении корпуса оси стали встраивать большее количество термокомпенсационных элементов, увеличили количество содержащегося в корпусе масла.

    Так, фирма Garrett изготовила «морщинистый» корпус оси, разработанный специально для автомобильных двигателей. Этот корпус устанавливается на турбокомпрессоре TЗ той же фирмы. Благодаря особой форме корпуса достигнуто снижение температуры на его внутренней поверхности, при этом пиковые температуры снижены:

    а) усилением вентиляции вокруг основания турбины, что значительно улучшает циркуляцию масла и отвод тепла;

    б) увеличением размеров металлических деталей, чтобы ускорить поглощение тепла;

    в) использованием охлаждающих ребер для улучшения отвода тепла от основания турбины.

     

    Двигатель

    Турбодизель ‒ работа турбины дизельного двигателя – ПРОТРАК

    Одним из “ноу-хау” в совершенствовании работы дизельных двигателей стало применение турбодизелей, которые позволяют топливу сгорать в полном объеме и, соответственно, выделять при этом еще больше энергии.

    Принцип работы турбины на дизельном двигателе заключается в нагнетании воздуха, который находится в камерах сгорания за счет энергии отработанных газов. Система турбонадува состоит из турбокомпрессора, интеркулера (охладителя) и самой турбины.

    Устройство турбины обеспечивает поступление газов через приемный патрубок, который соединяется с выпускным клапаном. Газы раскручивают турбину, которая находится на одном валу с компрессором. Раскрученный компрессор нагнетает воздух под высоким давлением в цилиндры через клапаны впуска.

    Чем выше будут обороты, тем больше воздуха поступает в цилиндры, что позволяет топливу сгорать в полном и значительно большем объеме и выделять больше энергии.

    Роль интеркулера в данном процессе заключается в охлаждении поступающего воздуха, что приводит к сокращению занимаемого им объема. А значит, обеспечивает еще большее количество кислорода, которое поступает в двигатель за один такт.

    Среди тех, кто по достоинству оценил плюсы турбированных двигателей, любители быстрой езды, а также те, кто предпочитает экономичную езду. Действительно, наличие турбин позволяет сократить расход топлива в расчете на общее количество лошадиных сил и обеспечивает впечатляющую разгонную динамику при ускорении.

    Стоимость капитального ремонта дизельного двигателя определяется исходя из  марки автомобиля и его параметров. Более подробно вы можете уточнить по телефонам, или обратившись к нашим специалистам по адресу:

    СТО ПРОТРАК — Грузовой сервис и грузовой магазин:

    г. Екатеринбург, Полевской тракт 19 км, дом 16 (база №16)

    Тел.: 8 (800) 511-58-20 многоканальный 

    график работы: пн-пт: 10:00-22:00 сб-вс: выходной

    Как проверить турбину дизельного двигателя при покупке?

    Гениальная идея использования выхлопных газов для разгона ротора позволила создать турбированный дизельный двигатель внутреннего сгорания и увеличить его мощность на 40–50%. Это притом, что во время работы в обычном режиме выброс газов сопровождается снижением коэффициента полезного действия в пределах 30 — 40%.

    Принцип работы турбины дизельного двигателя основан на увеличении количества воздуха, смешиваемого с топливом и поступающего в камеру сгорания. За один и тот же период времени и при равных объемах цилиндров, двигатель с турбонаддувом может сжечь большее количество топлива, чем движок, не оснащенный таким устройством. А значит, его мощность и КПД в единицу времени значительно возрастет.

    Рассмотрим устройство турбины дизельного двигателя, как работает, и каким образом достигаются такие показатели.

    Конструктивные элементы системы

    Для осуществления возложенных функций, система турбонаддува состоит из двух основных частей:

    1. Компрессор;
    2. Турбина.

    Компрессор служит для нагнетания атмосферного воздуха в систему подачи топлива. Он состоит из корпуса и расположенной в нем крыльчатки, которая, вращаясь, всасывает воздух. Чем выше ее скорость вращения, тем больше объем принятого воздуха. Увеличению скорости способствует работа турбины.

    Она также состоит из корпуса с крыльчаткой (ротором), которая приводится в движение выхлопными газами. В корпусе газы проходят через специальный канал, имеющий форму улитки, что позволяет им увеличить скорость.

    Устройство системы турбонаддува

    На практике турбонаддув применяется как на моторах, использующих дизельное топливо, так и на бензиновых. Однако наиболее часто эта система встречается именно на дизельном двигателе, поскольку для них характерна высокая степень сжатия, меньшая температура выхлопа и низкие обороты коленчатого вала. Более высокая степень сжатия обеспечивает повышение мощности турбированного двигателя и увеличивает его КПД.

    В бензиновых моторах температура отработавших газов выше, что может спровоцировать эффект детонации, приводящий к быстрому износу поршневой группы. Для предотвращения этого явления необходимо использовать бензин с более высоким октановым числом, что не всегда является экономически выгодным.

    Принцип работы турбины

    Система турбонаддува состоит из следующих элементов:

    • Воздухозаборник;
    • Воздушный фильтр;
    • Перепускной клапан — регулирует подачу отработавших газов;
    • Дроссельная заслонка — регулирует подачу воздуха на впуске;
    • Турбокомпрессор — повышает давление воздуха во впускной системе. Состоит из турбинного и компрессорного колес;
    • Интеркулер — охлаждает воздух, способствуя лучшему наполнению цилиндров и снижению вероятности детонации;
    • Датчики давления — фиксирует давление наддува в системе;
    • Впускной коллектор — распределяет воздух по цилиндрам;
    • Соединительные патрубки — необходимы для крепления элементов системы между собой.

    Как работает турбонаддув дизельного двигателя

    Ротор турбины и крыльчатка компрессора жестко закреплены на одном валу. Таким образом, скорость вращения ротора передается крыльчатке. Круг замыкается:

    • Через компрессор воздух из атмосферы, смешиваясь с топливом, подается в цилиндры двигателя;
    • Смесь сгорает, приводя в движение поршни, и образовавшиеся в результате газы поступают в выпускной коллектор;
    • Здесь они принимаются в корпус турбины, разгоняются в канале и на выходе взаимодействуют с ротором, заставляя его вращаться;
    • Ротор через вал передает вращение крыльчатке компрессора, которая всасывает в корпус атмосферный воздух.

    Получается взаимосвязанная схема работы, когда количество всасываемого воздуха зависит от скорости вращения крыльчатки и, наоборот, крыльчатка вращается быстрее при большем количестве забираемого воздуха.

    Принцип работы турбонаддува имеет два момента, называемые турбоямой и турбоподхватом.

    Первый момент характеризуется задержкой в работе турбины после увеличения подачи топлива нажатием на педаль газа, так как для разгона ротора выхлопными газами требуется время.

    Вслед за турбоямой наступает момент турбоподхвата, когда разогнавшийся ротор резко увеличивает подачу воздуха в цилиндры, повышая мощность двигателя.

    Особенности эксплуатации турбированных двигателей

    На режимах разгона автомобиля в силу инерционности системы возникает явление, получившее название «турбояма». Сущность явления заключается в следующем:

    • Автомобиль движется с небольшой постоянной скоростью.
    • Турбина вращается в соответствующем режиме.
    • При резком нажатии на педаль ускорения в цилиндры двигателя подается больше топлива.
    • После его сгорания образуются отработавшие газы, которые с большей силой воздействуют на турбину и увеличивают мощность двигателя. Однако происходит это с некоторой временной задержкой.

    Таким образом, между моментом нажатия на педаль и фактическим ускорением автомобиля присутствует некоторая временная задержка — «турбояма». Также данное явление проявляется в виде недостатка крутящего момента на малых оборотах двигателя.

    Виды систем турбонаддува

    Производители разработали различные способы избавления от «турбоямы»:

    • Турбина с изменяемой геометрией. Конструкция предусматривает изменение сечения входного канала. За счет этого выполняется регулирование потока отработавших газов.
    • Два турбокомпрессора, установленных последовательно (Twin Turbo). На каждый режим работы (обороты двигателя) предусматривается свой компрессор.
    • Два турбокомпрессора, установленных параллельно (Bi Turbo). Схема разбиения на две турбины снижает инерцию системы, и турбояма становится не так ощутима.
    • Комбинированный наддув. Устройство предусматривает и механический, и турбонаддув. Первый включается при низких оборотах, второй при высоких.

    Что такое турботаймер и для чего он необходим

    Другой стороной инерционности системы с турбокомпрессором является необходимость снижать обороты постепенно. Нельзя резко выключать зажигание после того, как двигатель работал на высоких оборотах. Это обусловлено тем, что подшипники будут продолжать вращение, а поскольку масло не будет подаваться в систему — возникнет повышенное трение. Оно, в свою очередь, спровоцирует быстрый износ вала турбины.

    Для решения этой проблемы применяется турботаймер. Это устройство устанавливается на приборной панели и подключается в цепь зажигания. После выключения зажигания ключом система запускает таймер, который глушит двигатель спустя некоторое время, давая возможность турбине снизить обороты до приемлемых значений.

    Регулировка давления наддува

    Турбонаддув дизельного двигателя повышает его мощность за счет возрастания давления выхлопных газов, являющихся результатом увеличения числа оборотов и интенсивности работы мотора. Этот же процесс повышает давление наддува. Если его не регулировать, то на самых высоких оборотах оно может достичь опасных значений, приводящих к поломкам и механическим повреждениям.

    Регулировка давления производится с помощью выпускного предохранительного клапана, а контроль максимально допустимого значения — с помощью мембраны и пружины определенной жесткости.

    Суть работы: при достижении предельного значения давления, мембрана, установленная в корпусе компрессора, преодолевает воздействие пружины и открывает регулировочный клапан.

    Давление регулируют как на стороне компрессора, так и на стороне турбины:

    1. Работающий турбокомпрессор сбрасывает в атмосферу через выпускной клапан излишки забранного воздуха, тем самым снижая давление.
    2. В турбине клапан выпускает отработанные газы под воздействием мембраны компрессора, когда давление всасываемого воздуха достигает максимального уровня. Благодаря этому, ротор вращается с установленной скоростью, а компрессор не забирает лишний воздух и не увеличивает давление.

    Второй вариант расположения клапана позволяет изготавливать системы меньших габаритов. Кроме того, турбонагнетатель с клапаном в компрессоре подвержен чрезмерному нагреву из-за повышенной температуры выпускаемого воздуха, что негативно сказывается на эффективности его работы.

    Поэтому турбонаддув дизельного двигателя чаще оснащают регулировочным клапаном в турбине, а регулировку в компрессоре используют в качестве дополнения.

    Устройство турбины дизельного двигателя – что может ей угрожать?

    Ни для кого не секрет, что составляющей частью горючей смеси является воздух, и для вытягивания литра топлива требуется как минимум 15 литров воздуха. Так что даже слабые турбированные движки способны работать так же, как и более мощные агрегаты, но не оснащенные данной системой. Правда, есть и некоторые недостатки, ведь устройство турбины дизельного двигателя довольно сложное, и иногда ее стоимость составляет около 10 % стоимости всей машины, так что в случае ее поломки владельцу придется изрядно потратиться.

    Самыми распространенными проблемами дизельных турбин являются: недостаточное количество масла либо же загрязнение самой конструкции. В этом случае возникает повышенное трение, приводящее к износу и, как следствие, нарушениям работы всей системы. Также довольно часто на лопатки турбинного или компрессорного колеса попадают посторонние предметы: отломавшиеся части поршней ДВС, клапанов, воздушных фильтров, а также болты, шайбы, гайки и т.д.

    Кроме того, не самым благоприятным образом отражаются и неисправности в системе смазки и, конечно же, повышенная температура отработанных газов. Еще одна причина, по которой турбокомпрессоры выходят из строя – неисправность соплового аппарата (заклинивание). Это может быть вызвано выходом из строя электрического или вакуумного привода, отвечающего за изменение геометрии, или попаданием в этот механизм масла и сажи из движка.

    Система смазки

    Смазка вала турбонагнетателя осуществляется смазочной системой двигателя.

    На вал устанавливают уплотнительные кольца, предотвращающие проникновение масла в полости корпусов компрессора и турбины. Они же предохраняют корпуса от перегрева. Но герметичность обеспечивается не столько уплотнениями, сколько разностью величины давления в различных частях агрегата. Эту разницу давлений создает турбинная ось (вал), имеющая неравномерный диаметр.

    Особая форма литья корпуса, в котором расположен вал, также способствует удержанию масла.

    Если мотор не развивает требуемую мощность, это может быть симптомом неисправности турбонаддува. Наиболее часто встречающиеся проблемы — загрязнение воздушного фильтра или потеря герметичности впускного коллектора. Кроме потери мощности, их можно диагностировать по несвойственному для исправной машины цвету и количеству дыма, выходящего из выхлопной трубы.

    Зачем в автомобиле нужен интеркулер

    Практически любой современный дизельный двигатель оснащается интеркулером. Несмотря на всевозможные разновидности подобных устройств, основное их назначение остаётся неизменным – понижение температуры нагнетаемого воздуха. Как правило, промежуточный охладитель устанавливается непосредственно после турбины. Воздух, проходя через трубки представленного устройства отдаёт большую часть тепла и, будучи охлажденным, поступает в камеру сгорания двигателя.

    Охлажденная воздушная смесь обладает большей плотностью. Такая консистенция наиболее оптимальна с точки зрения эффективной работы любого двигателя. Чем больше плотность воздушной смеси, тем значительнее объём поступившего в камеру сгорания воздуха. Такая смесь будет способствовать более высокому давлению внутри цилиндров, что существенно повысит КПД дизельного двигателя.

    Сама конструкция интеркулера выполнена таким образом, чтобы проходящий через него воздух не встречал на своём пути каких-либо препятствий. В противном случае, это бы повлекло за собой снижения давления, нагнетаемого турбиной воздуха, что неблагоприятно отразилось бы на эффективной работе мотора.

    Недостатки турбокомпрессоров

    Принцип работы турбины на дизельном двигателе создает и негативные факторы:

    • Повышенный расход горючего. Возможность сжечь большее количество солярки за счет увеличенного объема подачи воздуха, вместе с мощностью повышает и «прожорливость» машины. Уменьшить аппетит до разумных пределов позволяет правильная регулировка системы.
    • Положительные стороны наддува приводят к многократному повышению температуры во время такта сжатия, что может вызвать детонацию в двигателе. Решается эта проблема установкой охладителей, регуляторов и прочих элементов.

    Как проверить работоспособность турбины на дизеле?

    Если вы отмечаете, что тяга упала или из турбокомпрессора слышен неестественный свист или скрежет, то это может послужить поводом для того, чтобы проверить, насколько правильно и точно работает турбина.
    Автовладельцы, имеющие немалый опыт, уже успели составить свой список примет, которые указывают на необходимость проверки и ремонта устройства, но желательно использовать предназначенные для этого сервисные инструменты, если не работает турбина на дизеле.

    Для того чтобы произвести испытание, вам потребуется иметь при себе манометр.

    Как проверить, работает ли турбина на дизеле

    Проанализировать работоспособность турбины на дизеле можно по следующим признакам:

    Источник: https://carsbiz.ru/buy/proverka-dizelnogo-motora-pered-pokupkoy.html

    Правила эксплуатации

    Чтобы в полной мере использовать ресурс турбины дизельного мотора и продлить ее срок службы, необходимо выполнять ряд условий:

    • Регулярно менять масло в системе, чтобы не допустить попадания абразива в маслопровод и его засорения.
    • Применять только качественное масло, имеющее сертификат, той марки, которая соответствует указанной в паспортных данных двигателя.
    • Прогревать мотор перед началом движения и не давать холодному двигателю высоких нагрузок.
    • Никогда резко не отключать движок, а после остановки автомобиля давать ему возможность поработать несколько секунд на холостых оборотах.

    Достоинства и недостатки системы турбонаддува

    Подводя итоги, можно выделить плюсы и минусы использования на моторе турбонаддува. В числе достоинств:

    • увеличение мощности двигателя;
    • повышение КПД двигателя;
    • снижение расхода топлива.

    К минусам можно отнести:

    • низкий крутящий момент на малых оборотах двигателя;
    • более высокая стоимость;
    • более сложное обслуживание и эксплуатация.

    Воплощение идеи по использованию выхлопных газов с целью разгона ротора позволила увеличить мощность дизельного мотора примерно на 30%. Мотор, на который установлен турбонаддув, называется турбодизелем.

    Устройство компрессора

    Компрессор имеет корпус и колесо (ротор). Корпус компрессора алюминиевый. Ротор крепится на оси турбины аналогично крыльчатке. Колесо компрессора имеет лопасти, материалом изготовления которых также является алюминий. Задачей компрессорного колеса становится забор воздуха, который проходит через его центр.

    Форма лопастей заставляет воздух отбрасываться к стенкам корпуса компрессора, благодаря чему происходит его сжатие. Далее поток сжатого воздуха подается во впускной коллектор двигателя.

    Немного о турбокомпрессоре

    Турбокомпрессор или его ещё называют «газотурбинный нагнетатель»

    (
    Centrifugal compressors
    или очень популярно называть
    «Turbocharger»
    ) — это осевой или центробежный компрессор, что функционирует вместе с турбиной. Это конструктивный основной элемент в автомобилях с газотурбированными двигателями.

    Давление во впускной системе можно повысить при помощи установки турбокомпрессора, использующего энергию отработавших газов. При его использовании масса воздуха, имеющегося в камерах сгорания, увеличивается. Механический нагнетатель не так эффективен, как турбированный компрессор газов, потому что мощность двигателя не используется для привода.

    Тем не менее, после установки центробежной турбины некоторые потери мощности неизбежны. Отработавшие газы из цилиндров не находят выхода, так как турбина преграждает их путь наружу. На двигатель приходится большая нагрузка по очистке цилиндров, вследствие того, что в выпускном тракте создаётся огромное давление. На эту задачу тратится некоторая часть мощности двигателя авто. Конечно, эта потеря ничтожна в сравнении с приростом мощности двигателя объёмом в 30–40%.

    После установки центробежной турбины, можно столкнуться с ещё одной проблемой, которая в обиходе называется турбояма. Выходная мощность двигателя изменяется с отставанием от смены давления отработавших газов. Главными факторами, из-за которых образуется турбояма, являются силы трения, инерционность и нагрузка турбины.

    Основные неисправности — признаки и причины

    Сразу стоит оговориться, что основная причина поломок — это несвоевременное техническое обслуживание агрегата, его рекомендуется проводить минимум один раз в год. Следующая причина — низкое качество масла, либо его несвоевременная замена. Третья — попадание в устройство посторонних предметов (например, мелких камушков). Наконец, четвёртая — банальный износ отдельных компонентов турбины, ведь у каждого оборудования есть свой срок эксплуатации. Теперь опишем признаки, которые могут говорить о неисправности.

    Чёрный дым из выхлопной трубы. Топливо сгорает в интеркулере или нагнетающей магистрали. Скорее всего — неисправность системы управления.

    Сизый дым. Возможно, из-за нарушения герметизации турбины масло просачивается в камеру сгорания.

    Белый дым. Сливной маслопровод загрязнился, потребуется его чистка.

    Повышенный расход топлива. Воздух не доходит до компрессора.

    Увеличен расход масла. Нужно проверить стыки патрубков — возможно, нарушена герметичность.

    Уменьшение динамики разгона. Скорее всего вышла из строя система управления, из-за чего возник недостаток кислорода.

    Посторонний свист, скрежет или шумы. Это может быть изменение зазора ротора, дефект в корпусе, утечка воздуха между двигателем и турбиной, либо загрязнение маслопровода.

    Всегда нужно соблюдать правила эксплуатации агрегата — это снизит вероятность появления поломки и продлит срок службы устройства. Следует придерживаться нескольких простых правил:

    • следите за качеством топлива и масла;
    • не забывайте вовремя менять масло и фильтры;
    • начинайте движение только после того, как движок прогреется;
    • после прекращения движения нужно дать мотору поработать на холостых, а не сразу его выключать.

    И, конечно же, следует регулярно проходить ТО.

    Устройство турбокомпрессора


    Устройство турбокомпрессора:1
    — корпус компрессора;
    2
    — вал ротора;
    3
    — корпус турбины;
    4
    — турбинное колесо;
    5
    — уплотнительные кольца;
    6
    — подшипники скольжения;
    7
    — корпус подшипников;
    8
    — компрессорное колесо. Турбинное колесо вращается в корпусе, имеющем специальную форму. Оно выполняет функцию передачи энергии отработавших газов компрессору. Турбинное колесо и корпус турбины изготавливают из жаропрочных материалов (керамика, сплавы). Компрессорное колесо засасывает воздух, сжимает его и затем нагнетает его в цилиндры двигателя. Оно также находится в специальном корпусе. Компрессорное и турбинное колеса установлены на валу ротора. Вращение вала происходит в подшипниках скольжения. Используются подшипники плавающего типа, то есть зазор имеют со стороны корпуса и вала. Моторное масло для смазки подшипников поступает через каналы в корпусе подшипников. Для герметизации на валу устанавливаются уплотнительные кольца. Для лучшего охлаждения турбонагнетателей в некоторых бензиновых двигателях применяется дополнительное жидкостное охлаждение. Для охлаждения сжимаемого воздуха предназначен интеркулер — радиатор жидкостного или воздушного типа. За счет охлаждения увеличивается плотность и соответственно давление воздуха. В управлении системой турбонаддува основным элементом является регулятор давления. Это перепускной клапан, который ограничивает поток отработавших газов, перенаправляя часть его мимо турбинного колеса, обеспечивая нормальное давление наддува.

    Турбина в дизельном моторе Cummins

    Турбина в дизельном моторе Cummins

    Большая мощность — одно из главных достоинств дизельных двигателей. Этот параметр складывается из множества различных факторов, одним из которых является функция турбонаддува, которая имеется во многих дизельных моторах фирмы Cummins.


    Зачем нужна турбина в дизельном двигателе?

    Турбокомпрессор или в просторечии турбина — прибор, повышающий давление во впускной камере мотора с помощью отработанных газов. Компрессор нагнетает воздух в камеру сгорания, увеличивая тем самым объем газа, получаемого при сгорании топлива. Это становится причиной повышения давления в камере, которое толкает поршень, и тем самым повышается мощность двигателя.

    Саму турбину приводят в действие ее лопасти, на которые воздействуют выхлопные газы. Так как по законам физики сжатие воздуха приводит к его сильному нагреву, который потенциально опасен для двигателя, в комплекте с турбиной идет интеркулер. Это устройство предназначено для частичного охлаждения воздуха, нагнетаемого турбиной в силовую установку.

    Использование турбонаддува, хотя и усложняет конструкцию двигателя, несет в себе существенные преимущества. Во-первых, значительно уменьшается расход топлива, поскольку вместо него сжигается воздух. Во-вторых, возрастает мощность при сохранении прежнего объема двигателя и относительно невысоких оборотов мотора.


    Конструкция турбокомпрессоров Cummins

    Турбины Cummins считаются очень надежными, что является заслугой, в том числе, и предельной простоты их внутреннего устройства. Внутри корпуса находится вал, посаженный на два подшипника. К валу прикреплены две турбины с лопастями, которые вращают рабочее или компрессорное колесо.

    В корпусе предусмотрены две основные камеры — рабочая и компрессорная. И в той, и в другой расположено по одному турбинному колесу. При помощи нескольких труб рабочая камера сообщается с выпускным коллектором мотора, а компрессорная — со впускным.

    Выхлопные газы, попадая в рабочую камеру, раскручивают рабочее колесо турбины до большой угловой скорости (некоторые турбины раскручиваются до 130 тыс. об/мин). Это колесо посредством вала вращает компрессорное колесо, а оно в свою очередь создает необходимое давление воздуха, который из нагнетающей камеры отправляется во впускной коллектор и далее в цилиндры.

    Поскольку турбину вращают горячие выхлопные газы, вся она сильно нагревается и нагревает воздух, нагнетаемый в двигатель. И то, и другое нежелательно. Для решения данной проблемы турбину комплектуют еще и системой охлаждения, также известной как интеркулер.

    Его ставят между турбиной и впускным коллектором. Принцип действия интеркулера такой же, как и у радиатора. В нем сжатый воздух перед отправкой в цилиндры охлаждается и становится более плотным.

    Разумеется, это лишь общая схема работы турбины. На практике всё несколько сложнее, особенно, если учесть, что в двигателях «Камминз» всей этой конструкцией управляет сложная электроника.


    Неисправности турбокомпрессора

    Причины, по которым чаще всего ломается система турбонаддува, сводятся к двум основным моментам — либо засорение подшипников (или других элементов турбины), либо проникновение под корпус посторонних частиц. Практика показывается, что обычно подобные инциденты происходит из-за некачественного или сильно загрязненного моторного масла.

    Таким образом, опосредованной первопричиной поломки турбины является нарушение оптимальных сроков технического обслуживания двигателя и автомобиля в целом и в частности несвоевременная замена масляных фильтров или применение некачественных фильтров и смазки.

    Хотя в принципе турбина поддается ремонту, опытные автомобилисты советуют сразу заменить ее, поскольку однажды сломанная она начнет сбоить повторно. 

    Чем примечателен каталог магазина?

    Все для ремонта двигателя

    В наличии комплектующие для всех моторов Cummins, Caterpillar, Perkins. Представлены оригинальные и аналоговые запчасти. Подобрать необходимую деталь не составит труда.

    Огромное количество фильтров

    Предлагаются воздушные, топливные и масляные фильтры брендов Cummins, Fleetguard, Donaldson, Baldwin, Sakura. Изделия обладают прекрасной адсорбцией.

    Качественные масла

    В продаже оригинальные моторные масла компании Valvoline, дочернего подразделения Cummins Inc.

    Устройство и принцип работы турбокомпрессора

    Мощность, развиваемая двигателем внутреннего сгорания, зависит от количества топлива и воздуха, поступающего в двигатель. Мощность двигателя возможно повысить за счет увеличения объема этих составляющих.

    Постоянная гонка инженеров за увеличением мощности ДВС привела к появлению турбокомпрессоров. Данное решение оказалось самым эффективным как на бензиновых, так и на дизельных моторах. Становится вполне очевидным, что итоговая мощность ДВС пропорциональна количеству топливовоздушной рабочей смеси, которая попадает в цилиндры двигателя.

    Закономерно, что двигатель с большим объемом способен пропускать больше воздуха и тем самым выдавать больше мощности сравнительно с двигателем меньшего объема. Если перед нами стоит задача добиться от малообъемного ДВС такой же мощности, которую демонстрируют моторы большего объема, тогда необходимо принудительно уместить как можно больше воздуха в цилиндрах такого двигателя.

    То есть увеличение подачи топлива бессмысленно, если не увеличивается поступление воздуха, необходимого для его сгорания. Поэтому воздух, поступающий в цилиндры двигателя, приходится сжимать. Система принудительной подачи воздуха может работать, используя энергию отработанных газов или с применением механического привода.

    Турбокомпрессор или турбонагнетатель — устройство, предназначенное для нагнетания воздуха в двигатель с помощью энергии выхлопных газов. Основные части турбокомпрессора — турбина и центробежный насос, которые связывает между собой общая жесткая ось. Эти элементы вращаются со скоростью — около 100.000 об/мин, приводя в действие компрессор.

    Устройство турбокомпрессора

     

    Устройство турбокомпрессора: 1 — корпус компрессора; 2 — вал ротора; 3 — корпус турбины; 4 — турбинное колесо; 5 — уплотнительные кольца; 6 — подшипники скольжения; 7 — корпус подшипников; 8 — компрессорное колесо.

    Турбинное колесо вращается в корпусе, имеющем специальную форму. Оно выполняет функцию передачи энергии отработавших газов компрессору. Турбинное колесо и корпус турбины изготавливают из жаропрочных материалов (керамика, сплавы).

    Компрессорное колесо засасывает воздух, сжимает его и затем нагнетает его в цилиндры двигателя. Оно также находится в специальном корпусе.

    Компрессорное и турбинное колеса установлены на валу ротора. Вращение вала происходит в подшипниках скольжения. Используются подшипники плавающего типа, то есть зазор имеют со стороны корпуса и вала. Моторное масло для смазки подшипников поступает через каналы в корпусе подшипников. Для герметизации на валу устанавливаются уплотнительные кольца.

    Для лучшего охлаждения турбонагнетателей в некоторых бензиновых двигателях применяется дополнительное жидкостное охлаждение.

    Для охлаждения сжимаемого воздуха предназначен интеркулер — радиатор жидкостного или воздушного типа. За счет охлаждения увеличивается плотность и соответственно давление воздуха.

    В управлении системой турбонаддува основным элементом является регулятор давления. Это перепускной клапан, который ограничивает поток отработавших газов, перенаправляя часть его мимо турбинного колеса, обеспечивая нормальное давление наддува.

    Принцип работы

     

    В своей работе турбокомпрессор использует энергию отработавших газов. Эта энергия вращает турбинное колесо. Затем это вращение через вал ротора передается компрессорному колесу. Компрессорное колесо нагнетает воздух в систему, предварительно сжав его. Охлажденный в интеркулере воздух подается в цилиндры двигателя.

    Принцип работы турбокомпрессора

     

    Хотя у турбокомпрессора нет жесткой связи с валом двигателя, эффективность работы турбонаддува зависит от частоты его вращения. Чем больше число оборотов двигателя, тем сильнее поток отработавших газов. Соответственно увеличивается скорость вращения турбины и количество поступающего в цилиндры воздуха.

    При работе системы турбонаддува возникают некоторые негативные моменты.

    • Задерживается увеличение мощности при резком надавливании на педаль газа («турбояма»).

    • После выхода из «турбоямы» резко повышается давление наддува («турбоподхват»).

    Явление «турбоямы» обусловлено инерционностью системы. Это влечет за собой несоответствие между производительностью турбокомпрессора и требуемой мощностью двигателя. Для решения этой проблемы существуют следующие способы:

    • использование турбины с изменяемой геометрией;

    • применение двух параллельных или последовательных компрессоров;

    • комбинированный наддув.

    Турбина с изменяемой геометрией оптимизирует поток отработавших газов, изменяя площадь входного канала. Широко применяется в дизельных двигателях.

    Турбина с изменяемой геометрией

     

     

    Турбина с изменяемой геометрией: 1 — направляющие лопатки; 2 — кольцо; 3 — рычаг; 4 — тяга вакуумного привода; 5 — турбинное колесо.

    Параллельно работающие турбокомпрессоры применяют для мощных V-образных двигателей (по одному на ряд цилиндров). Эта схема помогает решить проблему за счет того, что у двух маленьких турбин инерция меньше, чем у одной большой.

    Установка 2-х последовательных турбин позволяет достичь максимальной производительности, используя разные компрессоры при разных оборотах двигателя.

    При комбинированном наддуве применяется и механический, и турбонаддув. При работе двигателя на низких оборотах работает механический нагнетатель. При увеличении оборотов включается турбокомпрессор, а механический нагнетатель останавливается.

    Преимущества и недостатки турбонаддува

     

    1. Турбокомпрессор широко используется ввиду простоты конструкции и хороших эксплуатационных параметров. Турбонаддув позволяет увеличить мощность двигателя на 20-35%. Двигатель, вырабатывая повышенные крутящие моменты на средних и высоких оборотах, увеличивает скорость и экономичность автомобиля.

    2. Турбокомпрессор в большинстве случаев не может быть причиной неисправностей двигателя, так как его работа зависит от работоспособности газораспределительной, воздушной и топливной систем.

    3. Двигатель с турбокомпрессором имеет меньший выброс вредных газов в атмосферу, так как вырабатываются дополнительные выхлопные газы в двигатель. У сгораемого топлива становится меньше отходов.

    4. Происходит экономия топлива на 5-20%. В небольших двигателях энергия сжигаемого топлива используется эффективней, увеличивается КПД.

    5. На высокогорных дорогах такие двигатели работают более стабильно и с меньшими потерями мощности, чем их атмосферные аналоги.

    6. Турбокомпрессор сам по себе является глушителем шума в системе выпуска.

    Недостатки турбонаддува

     

    У турбированных двигателей кроме возникновения явлений «турбояма» и «турбоподхват» есть и другие недостатки.

    Обслуживание их дороже в сравнении с «классическими». При эксплуатации приходится применять моторное масло специального назначения — его приходится регулярно менять. Двигатель с турбокомпрессором перед пуском должен несколько минут проработать на холостых оборотах. Также сразу не рекомендуется глушить мотор до остывания турбины.

    Дополнительные элементы системы турбонаддува

    Blow-Off

    Если говорить о конкретных модификациях мотора, а также о компоновке различных элементов в подкапотном пространстве, турбокомпрессор может иметь ряд дополнительных элементов. Мы уже упоминали такие детали системы, как Wastegate и Blow-Off. Давайте рассмотрим их более подробно.

    Клапан Blow-off

     

    Блоу-офф представляет собой перепускной клапан. Данное устройство устанавливается в воздушной системе. Местом расположения становится участок между выходом из компрессора и дроссельной заслонкой. Главной задачей блоу-офф клапана становится предотвращение выхода компрессора на характерный режим работы surge.

    Под таким режимом стоит понимать момент резкого закрытия дросселя. Если описать происходящее простыми словами, то скорость воздушного потока и сам расход воздуха в системе резко понижаются, но турбина еще определенное время продолжает вращение по инерции. Инерционно турбина вращается с той скоростью, которая уже больше не соответствует новым потребностям мотора и упавшему таким образом расходу воздуха.

    Последствия после циклических скачков давления воздуха за компрессором могут быть плачевны. Явным признаком скачков является характерный звук воздуха, который прорывается через компрессор. С течением времени из строя выходят опорные подшипники турбины, так как они испытывают сильные нагрузки в момент указанных скачков давления при сбросе газа и последующей работе турбины в этом переходном режиме.

    Блоуофф реагирует на разницу давлений в коллекторе и срабатывает благодаря установленной внутри пружине. Это позволяет выявить момент резкого перекрытия дросселя. Если дроссель резко закрылся, тогда блоу-офф осуществляет стравливание в атмосферу внезапно появившегося в воздушном тракте избытка давления. Это позволяет существенно обезопасить турбокомпрессор и уберечь его от избытка нагрузок и последующего разрушения.

    Клапан Wastegate

    Клапан Wastegate

     

    Данное решение представляет собой механический клапан. Вестгейт установливают на турбинной части или же на самом выпускном коллекторе. Задачей устройства является обеспечение контроля за тем давлением, которое создает турбокомпрессор.

    Стоит отметить, что некоторые дизельные силовые агрегаты используют в своей конструкции турбины без вейстгейта. Для моторов, которые работают на бензине, в большинстве случаев наличие такого клапана является обязательным условием.

    Главной задачей вейстгейта становится обеспечение возможности беспрепятственного выхода для выхлопных газов из системы в обход турбины. Запуск части отработавших газов в обход позволяет осуществлять контроль за необходимым количеством энергии этих газов. Взаимосвязь очевидна, ведь именно выхлоп вращает через вал колесо компрессора. Данный способ позволяет эффективно управлять давлением наддува, которое создается в компрессоре. Наиболее частым решением становится контроль вейстгейта за давлением наддува, который осуществляется при помощи противодавления встроенной пружины. Такая конструкция позволяет контролировать обходной поток выхлопных газов.

    • Вейстгейт может быть как встроенным, так и внешним. Встроенный вейстгейт конструктивно имеет заслонку, которая встроена в турбинный хаузинг. Хаузинг в народе попросту называют «улитка» турбины. Дополнительно wastegate имеет пневматический актуатор и тяги от данного актуатора к дроссельной заслонке.

    • Гейт внешнего типа представляет собой клапан, который установлен на выпускной коллектор перед турбиной. Необходимо заметить, что внешний гейт имеет одно неоспоримое преимущество сравнительно со встроенным. Дело в том, что сбрасываемый им обходной поток можно возвращать обратно в выхлопную систему достаточно далеко от выхода из турбины, а на спортивных авто и вовсе осуществить прямой сброс в атмосферу. Это позволяет заметно улучшить прохождение отработавших газов через турбину благодаря тому, что наблюдается отсутствие разнонаправленных потоков. Все это очень важно применительно к ограниченному компактному объему «улитки».

    Втулочные и шарикоподшипниковые турбины

     

    Турбины втулочного типа были сильно распространены достаточно долгое время. Они имели ряд конструктивных недостатков, которые не позволяли в полной мере наслаждаться преимуществами турбомотора. Появление более эффективных шарикоподшипниковых турбин нового поколения постепенно вытесняет втулочные решения. Для примера можно упомянуть шарикоподшипниковые турбины Garrett, которые являются венцом инженерной мысли и используются на многих гоночных двигателях.

    На сегодняшний день шарикоподшипниковые турбины являются оптимальным решением, так как требуют значительно меньшего количества масла сравнительно с втулочными аналогами. Учтите, что установка масляного рестриктора на входе в турбокомпрессор является очень желательной, особенно если давление масла в системе находится на отметке выше 4 атм. Осуществлять слив масла необходимо путем специального подвода в поддон, причем с учетом того, что слив должен быть выше уровня масла.

    Всегда помните, что слив масла из турбины происходит самостоятельно и под действием силы гравитации. Знание этого диктует необходимость ориентирования центрального картриджа турбины так, чтобы слив масла был направлен вниз.

     

    Тот показатель, который определяет реакцию турбины на нажатие педали газа, демонстрирует сильную зависимость от самой конструкции центрального картриджа турбины. Шарикоподшипниковые решения от Garrett способны на 15% быстрее выйти на наддув сравнительно с втулочными аналогами. Шарикоподшипниковые турбины снижают эффект турбо-ямы и делают использование турбомотора максимально похожим на езду с таким атмосферным двигателем, который имеет большой рабочий объем.

    Шарикоподшипниковые турбины имеют еще один положительный момент. Такие турбины требуют заметно меньшего потока масла, которое проходит через картридж и осуществляет смазку подшипников. Решение ощутимо снижает вероятность возникновения утечки масла через сальники. Шарикоподшипниковые турбины не являются излишне требовательными к качеству масла, а также менее подвержены закоксовке после плановой или внезапной остановки двигателя.

     

     

    Источник

    Еще никто не прокомментировал новость.

    (PDF) Принципы работы газовой турбины

    Эффективность цикла Брайтона довольно низкая, прежде всего потому, что значительное количество

    подводимой энергии выбрасывается в окружающую среду. Эта израсходованная энергия обычно находится при относительно высокой температуре, и поэтому ее можно эффективно использовать для производства энергии.

    Одним из возможных применений является комбинированный цикл Брайтона-Ренкина, в котором высокотемпературные выхлопные газы, выходящие из газовой турбины, используются для подачи энергии в котел

    цикла Ренкина, как показано на рис.3.12. Обратите внимание, что температура T

    9

    газов цикла Брайтона, выходящих из котла, меньше температуры T

    3

    пара цикла Ренкина

    , выходящего из котла; это возможно в противоточном теплообменнике

    котла.

    7.7 Одновальная и многовальная конструкция

    Газовая турбина может иметь одновальную или многовальную конфигурацию. В одновальном случае

    газовая турбина спроектирована с примерно одинаковыми перепадами давления

    на всех ступенях расширения, которые механически соединены с газовым компрессором

    и генератором и работают на частоте вращения генератора (обычно 3600 или 1800 об/мин для

    электрические системы 60 Гц и 3000 или 1500 об/мин для электрических систем 50 Гц).В конфигурации с несколькими валами

    компрессор приводится в действие механически набором ступеней расширения, размеры которых позволяют производить механическую работу, необходимую для компрессора

    , так что этот вал не соединен с электрическим генератором. и может

    вращаться с разной скоростью. Воздух, производимый этим газогенератором, нагревается и

    направляется в турбогенератор: последнюю ступень расширения на отдельном

    валу, который вращается

    с оптимальной скоростью генератора.Газотурбинные электростанции с комбинированным циклом (ПГУ)

    Поставщики

    конфигурируют турбогенераторы в различных конфигурациях.

    Конфигурации с несколькими и одним валом позволяют оптимизировать

    производительность предприятия, капитальные вложения, доступ для строительства и обслуживания, удобство эксплуатации и минимальные требования к пространству.

    Разработка больших газовых турбин F-класса в течение последнего десятилетия

    шла рука об руку с усилиями производителей по стандартизации конфигураций парогазовых электростанций

    (CCPP), стремясь наилучшим образом использовать новую технологию.Одновальная силовая передача

    (SSPT) была впервые задумана для приложений, использующих газовые турбины

    мощностью более 250 мегаватт. Только позже концепция была расширена до меньших

    блоков в диапазоне 60 мегаватт. Новая компоновка ССПТ позволила построить одиночные

    блока

    мощностью до 450 МВт. SSPT внесли наибольший вклад в электростанции

    , стремясь к экономии затрат и сокращению времени проекта и, следовательно, к снижению риска. В схемах

    ССПТ газовая турбина и паровая турбина соединены с общим генератором

    на одном валу, тогда как в многовальных блоках силовой передачи (МШПТ) до

    три газовые турбины и выделенные им котлы и генераторы совместно обычная паровая турбина

    (см.7.11). SSPT и MSPT созданы для рынков с частотой 50 и 60 Гц.

    Основными преимуществами новой концепции, отмеченными производителями, являются более

    повышенная эксплуатационная гибкость, меньшая занимаемая площадь, упрощенное управление, более короткое время запуска, более

    стандартизированных периферийных систем, а также более высокая эффективность и доступность. Эта разработка требует, чтобы, в дополнение к новым техническим вопросам, связанным с газовой турбиной

    160 7 Принципы работы газовой турбины

    ТУРБОКОМПЕНСАТОР: КОМПОНЕНТЫ, ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ И ТИПЫ

    Турбокомпрессор — это устройство, которое используется для увеличения мощности двигателя или, можно сказать, эффективности двигателя за счет увеличения количества воздуха, поступающего в камеру сгорания.Чем больше воздуха в камеру сгорания, тем больше топлива попадет в цилиндр и, как следствие, будет больше мощности от того же двигателя, если в нем установлен турбокомпрессор.

    Проще говоря, турбокомпрессор — это своего рода воздушный насос, который забирает воздух при атмосферном давлении, сжимает его до более высокого давления и подает сжатый воздух в двигатель через впускные клапаны.

    В настоящее время турбонаддувы используются в основном на дизельных двигателях, но сейчас наблюдается тенденция к турбонаддуву серийных бензиновых двигателей.

    Количество двигателя, которое фактически входит в цилиндр двигателя, по сравнению с теоретическим количеством, если бы двигатель мог поддерживать атмосферное давление, называется объемным КПД, и целью турбонагнетателя является улучшение объемного КПД двигателя за счет увеличения плотности впуска. газ.

    Турбокомпрессор забирает воздух из атмосферы и сжимает его с помощью центробежного компрессора перед подачей во впускной коллектор под повышенным давлением.Это приводит к тому, что большее количество воздуха поступает в цилиндры при каждом такте впуска. Центробежный компрессор получает энергию от кинетической энергии выхлопных газов двигателя.

    КОМПОНЕНТЫ ТУРБОНАГНЕТАТЕЛЯ

    Турбокомпрессор состоит из трех основных компонентов.
    1. Турбина, представляющая собой почти турбину с радиальным впуском.
    2. Компрессор почти центробежный.
    3. Узел вращения центральной ступицы.

    Турбокомпрессор состоит из двух основных частей: турбины и компрессора.

    Турбина состоит из турбинного колеса и корпуса турбины. Задача корпуса турбины — направлять выхлопные газы в турбинное колесо. Энергия выхлопных газов вращает колесо турбины, после чего газ выходит из корпуса турбины через выпускное отверстие выхлопных газов.

    Компрессор также состоит из двух частей: компрессорного колеса и корпуса компрессора. Принцип работы компрессора противоположен турбине. Колесо компрессора прикреплено к турбине валом из кованой стали, и когда турбина вращает колесо компрессора, высокоскоростное вращение втягивает воздух и сжимает его.Затем корпус компрессора преобразует высокоскоростной воздушный поток низкого давления в низкоскоростной воздушный поток высокого давления посредством процесса, называемого диффузией. Сжатый воздух нагнетается в двигатель, позволяя двигателю сжигать больше топлива для производства большей мощности.

    ПРИНЦИП РАБОТЫ

    Турбокомпрессор в основном состоит из двух основных частей: турбины и компрессора. Турбина состоит из турбинного колеса и корпуса турбины, назначение которого состоит в том, чтобы направлять выхлопные газы в турбинное колесо.Кинетическая энергия выхлопных газов преобразуется в механическую после удара о лопатки турбины. Выходное отверстие помогает выхлопным газам выйти из турбины. Колесо компрессора в турбокомпрессоре прикреплено к турбине с помощью стального вала, и когда турбина вращает колесо компрессора, оно втягивает высокоскоростной поток воздуха низкого давления и преобразует его в воздух высокого давления и низкой скорости. поток. Этот сжатый воздух подается в двигатель с большим количеством топлива и, следовательно, производит большую мощность.

    Отработанные выхлопные газы двигателя используются для привода турбинного колеса, которое валом соединено с компрессорным колесом. Компрессор или воздушное колесо всасывает воздух через воздушные фильтры и подает его в двигатель.
    Когда выхлопные газы выбрасываются из двигателя, они направляются на турбину или горячее колесо турбонагнетателя и таким образом завершают цикл.

    1. Захватить

    Вместо того, чтобы выходить через выхлопную трубу, горячие газы, образующиеся при сгорании, поступают в турбонагнетатель.Цилиндры внутри двигателя внутреннего сгорания срабатывают последовательно (не все сразу), поэтому выхлоп выходит из камеры сгорания нерегулярными импульсами.
    Обычные турбокомпрессоры с одной спиралью направляют эти нерегулярные импульсы выхлопных газов в турбину таким образом, что они сталкиваются и мешают друг другу, уменьшая силу потока. Напротив, турбокомпрессор с двойной спиралью собирает выхлопные газы от пар цилиндров в чередующейся последовательности.

    2. Отжим

    Выхлоп ударяется о лопатки турбины, раскручивая их до 150 000 об/мин.Чередующиеся импульсы выхлопа помогают устранить турбояму.

    3. Вентиляционное отверстие

    Выполнив свою задачу, выхлопные газы проходят через выпускное отверстие в каталитический нейтрализатор, где они очищаются от угарного газа, оксидов азота и других загрязняющих веществ перед выходом через выхлопную трубу.

    4. Компресс

    Между тем, турбина приводит в действие воздушный компрессор, который собирает холодный чистый воздух из вентиляционного отверстия и сжимает его до давления на 30 процентов выше атмосферного, или почти 19 фунтов на квадратный дюйм.Плотный, насыщенный кислородом воздух поступает в камеру сгорания.

    Дополнительный кислород позволяет двигателю более полно сжигать бензин, повышая производительность двигателя меньшего размера. В результате двигатель Twin Power вырабатывает на 30% больше мощности, чем двигатель того же размера без турбонаддува.

    Далее следует следующий процесс

    1. Воздухозаборник двигателя всасывает холодный воздух и направляет его в компрессор.
    2. Компрессор сжимает поступающий воздух и нагревает его.Затем выдувает горячий воздух.
    3. Горячий воздух охлаждается при прохождении теплообменника и поступает в воздухозаборник цилиндра.
    4. Холодный воздух сгорает внутри камеры сгорания быстрее из-за переноса большего количества кислорода.
    5. Из-за сжигания большего количества топлива выработка энергии будет увеличиваться быстрее, и двигатель сможет передавать больше мощности на колеса.
    6. Горячие отработанные газы выходят из камеры и проходят мимо турбины на выпускном отверстии.
    7.Турбина вращается с высокой скоростью и раскручивает компрессор, так как они оба установлены на одном валу.
    8. Выхлопные газы покидают автомобиль через выхлопную трубу. Они тратят меньше энергии, чем двигатель без турбонагнетателя.

    ТИПЫ ТУРБОКОМПЕНСАТОРОВ

    1. Однотурбинный

    Только одиночные турбонагнетатели обладают безграничной изменчивостью. Различия в размерах крыльчатки компрессора и турбины приведут к совершенно разным характеристикам крутящего момента. Большие турбины обеспечат высокую максимальную мощность, но меньшие турбины обеспечат лучшее рычание на низких оборотах, поскольку они вращаются быстрее.Существуют также одинарные турбины на шарикоподшипниках и опорных подшипниках. Шариковые подшипники обеспечивают меньшее трение для вращения компрессора и турбины, поэтому они быстрее раскручиваются (при увеличении стоимости).

    Преимущества
    • Экономичный способ увеличения мощности и эффективности двигателя.
    • Простой, как правило, самый простой вариант установки турбонаддува.
    • Позволяет использовать меньшие двигатели для производства той же мощности, что и более крупные безнаддувные двигатели, которые часто могут уменьшить вес.

    Недостатки
    • Одиночные турбины, как правило, имеют довольно узкий эффективный диапазон оборотов. Это делает выбор размера проблемой, так как вам придется выбирать между хорошим крутящим моментом на низких оборотах или лучшей мощностью на высоких.
    • Турбо-реакция может быть не такой быстрой, как альтернативные турбонастройки.

    2. Твин-турбо

    Как и в случае с одинарными турбонагнетателями, при использовании двух турбонагнетателей существует множество вариантов. У вас может быть один турбокомпрессор для каждого ряда цилиндров (V6, V8 и т. д.). В качестве альтернативы можно использовать один турбонагнетатель для низких оборотов и использовать байпас для более крупного турбонагнетателя для высоких оборотов (I4, I6 и т. д.).У вас может быть даже две турбины одинакового размера, одна из которых работает на низких оборотах, а обе — на более высоких. На BMW X5 M и X6 M используются турбины с двойной спиралью, по одной с каждой стороны V8.

    Преимущества
    • Параллельные двойные турбины на V-образных двигателях имеют преимущества (и недостатки) очень похожи на одинарные турбины.
    • Для последовательных турбонаддувов или использования одного турбонагнетателя при низких оборотах и ​​обоих при высоких оборотах это позволяет получить гораздо более широкую и пологую кривую крутящего момента. Лучший крутящий момент на низких оборотах, но мощность не будет уменьшаться на высоких оборотах, как с небольшим одинарным турбонаддувом.

    Недостатки
    • Стоимость и сложность, так как количество компонентов турбонаддува почти удвоилось.
    • Существуют более легкие и эффективные способы достижения аналогичных результатов (см. ниже).

    3. Двойная спиральная турбина

    Турбина приводится в действие выхлопными газами, которые перенаправляются на вращение лопастей турбины и нагнетают воздух в двигатель. Теперь цилиндры двигателя срабатывают по очереди, а это означает, что выхлопные газы поступают в турбину импульсами. Как вы, вероятно, можете себе представить, эти импульсы могут легко перекрываться и мешать друг другу при включении турбонаддува, и турбокомпрессор с двойной спиралью решает эту проблему за счет использования корпуса турбины с разделенным входом и специального выпускного коллектора, который соединяет правильные цилиндры с каждым. прокрутить.В четырехцилиндровом автомобиле у вас может быть первый и четвертый цилиндры, приводящие в действие одну спираль, а два и три — другую. Это означает меньшее перекрытие импульсов и меньшее запаздывание.

    Преимущества
    • На выхлопную турбину поступает больше энергии, что означает увеличение мощности.
    • Возможен более широкий диапазон оборотов эффективного наддува за счет различных конструкций спиральных валов.
    • Возможно большее перекрытие клапанов без ущерба для продувки выхлопных газов, что означает большую гибкость настройки.

    Недостатки
    • Требуется особая компоновка двигателя и конструкция выхлопа (например, I4 и V8, где 2 цилиндра могут подаваться на каждую спираль турбонаддува через равные промежутки времени).
    • Стоимость и сложность по сравнению с традиционными одинарными турбинами.

    4. Турбокомпрессор с изменяемой геометрией (VGT)

    Турбина с изменяемой геометрией (VGT) — это дорогое и сложное решение для повышения мощности, которое особенно распространено в дизельных двигателях. VGT имеет кольцо лопаток аэродинамической формы в корпусе турбины, которое может изменять отношение площади к радиусу в соответствии с оборотами двигателя. На низких оборотах отношение площади к радиусу создает большее давление и скорость для более эффективного раскручивания турбонаддува.При более высоких оборотах передаточное отношение увеличивается, чтобы пропустить больше воздуха. Результатом является более широкий диапазон наддува и меньшее отставание.

    Преимущества
    • Широкая, плоская кривая крутящего момента. Эффективный турбонаддув в очень широком диапазоне оборотов.
    • Требуется всего один турбонаддув, что упрощает установку последовательного турбонаддува в нечто более компактное.

    Недостатки
    • Обычно используется только в дизельных двигателях, где количество выхлопных газов меньше, поэтому лопасти не повреждаются под воздействием тепла.
    • Для бензиновых двигателей стоимость обычно не позволяет использовать их, поскольку для обеспечения надежности необходимо использовать экзотические металлы.Эта технология использовалась на Porsche 997, хотя существует очень мало бензиновых двигателей VGT из-за связанных с этим затрат.

    5. Регулируемый турбокомпрессор TwinScroll

    Регулируемая турбина с двойной спиралью сочетает в себе VGT с настройкой с двойной спиралью, поэтому при низких оборотах одна из улиток полностью закрывается, нагнетая весь воздух в другую. Это приводит к хорошему отклику турбо и низкой мощности. Когда вы ускоряетесь, клапан открывается, пропуская воздух в другую спираль (это полностью переменный процесс, то есть клапан открывается с небольшим шагом), вы получаете хорошую производительность высокого класса.Вы получаете производительность с одним турбонаддувом, которую обычно можно получить только с установкой с двойным турбонаддувом.

    Преимущества
    • Значительно дешевле (теоретически), чем VGT, что делает возможным использование бензинового турбонаддува.
    • Позволяет использовать широкую и плоскую кривую крутящего момента.
    • Более прочная конструкция по сравнению с VGT, в зависимости от выбора материала.

    Недостатки
    • Стоимость и сложность по сравнению с использованием одинарной турбины или традиционной двойной прокрутки.
    • С этой технологией уже экспериментировали (например, быстродействующий золотниковый клапан), но, похоже, она не прижилась в мире производства.Вероятно, есть дополнительные проблемы с технологиями.

    6. Электрические турбонагнетатели

    Совсем недавней разработкой стали турбины с электрическими компрессорами. Примером может служить бустер BorgWarner, представляющий собой компрессор с электрическим приводом. Компрессор обеспечивает мгновенный наддув двигателя до тех пор, пока турбокомпрессор не раскрутится достаточно. Похожую версию можно найти в Audi SQ7. С мгновенным ускорением лаги уходят в прошлое, но опять же, система дорогая и сложная.Компрессору нужен двигатель, который, в свою очередь, нуждается в питании, поэтому реализовать эту систему непросто.

    Преимущества
    • Благодаря прямому подключению электродвигателя к колесу компрессора, турбо-задержка и недостаточное количество выхлопных газов могут быть практически устранены за счет вращения компрессора с помощью электроэнергии, когда это необходимо.
    • Подключив электродвигатель к выхлопной турбине, можно рекуперировать потерянную энергию (как это делается в Формуле 1).
    • Очень широкий эффективный диапазон оборотов с равномерным крутящим моментом.

    Недостатки
    • Стоимость и сложность, так как теперь вы должны учитывать электродвигатель и следить за тем, чтобы он оставался холодным, чтобы предотвратить проблемы с надежностью. Это касается и добавленных контроллеров.
    • Упаковка и вес становятся проблемой, особенно с добавлением встроенной батареи, которая будет необходима для обеспечения достаточной мощности турбокомпрессора, когда это необходимо.
    • VGT или Twin-Scrolls могут предложить очень похожие преимущества (хотя и не совсем на том же уровне) при значительно более низкой цене.

    Газовая турбина открытого цикла – обзор

    Газовые турбины (гл. 12.2)

    Для малых и средних промышленных предприятий обычно используются простые газовые турбины открытого цикла, работающие на природном газе или дизельном топливе. Двухтопливные схемы легко приспосабливаются, и в некоторых случаях может быть обеспечено автоматическое переключение между двумя видами топлива под нагрузкой.

    Машина может быть простой одновальной, в которой силовая турбина, компрессор и выходной привод находятся на общем валу; или двухвальный тип, в котором компрессор и его приводная турбина находятся на одном валу, а силовая турбина — на выходном приводном валу.Оба типа подходят для приводов генератора переменного тока, но имеют несколько разные характеристики регулирования мощности; также они могут быть разработаны на основе двигателей, изначально предназначенных для применения в самолетах, или агрегатов, специально разработанных для наземного применения. Первые считаются более легкими, компактными и более эффективными при частичной нагрузке, в то время как вторые считаются более прочными, но есть много точек соприкосновения. В этой стране обычные размеры блоков составляют от 0,5 до 3,5 МВт, но могут быть получены блоки до 60 МВт.

    В малых промышленных размерах эффективность выработки электроэнергии может составлять от 14 до 20 % при полной нагрузке, но более крупные установки могут достигать более 30 %. Удельный расход топлива типичной установки мощностью 1,25 МВт может варьироваться от 0,51 кг дизельного топлива/кВт·ч при полной нагрузке до 0,63 кг при половинной нагрузке при температуре окружающего воздуха 15°C, однако увеличивается при более высоких температурах окружающего воздуха, особенно при частичной нагрузке.

    Если вычесть тепловой эквивалент электрической мощности из общего количества подведенного тепла, то практически весь остаток можно использовать для рекуперации тепла.Потери на излучение и маслоохладители составляют всего 1–2 %. Отработанный газ чистый – почти весь воздух имеет температуру более 500°C при полной нагрузке. Если бы отработанные газы пропускались через котел-утилизатор для выработки пара, установка мощностью 1,25 МВт могла бы генерировать около 4500 кг/ч при манометрическом давлении 1,75 МПа, повышая комбинированный КПД выработки электроэнергии и пара примерно до 50%. Если требуется дополнительный пар, выхлопной газ может быть использован в качестве предварительно подогретого воздуха для горения для сжигания дополнительного топлива в котле-утилизаторе; таким образом, дополнительно 13 000 кг/ч пара на 1.75 МПа можно легко поднять, повысив общий тепловой КПД до более чем 70%, а дополнительным топливом может быть мазут.

    Газовая турбина как генератор электроэнергии сама по себе менее эффективна, чем дизельный двигатель. Однако его потенциал рекуперации отходящего тепла больше, и он более гибкий.

    Таким образом, дизельный двигатель обычно используется там, где потребность в электричестве высока по сравнению с потребностью в паре или тепле, например, менее 3 кг пара на кВт·ч.Газовая турбина не может полностью реализовать свой тепловой КПД, если не требуется более 4 кг пара на кВт·ч. Эти цифры выгодно отличаются от прямоточной паровой турбины с противодавлением, где при типичных средних промышленных диапазонах входного и рабочего давления пара паровая нагрузка должна превышать 10 кг/кВт·ч.

    В качестве альтернативы выработке пара отработанный газ можно использовать напрямую или через теплообменник для многих промышленных осушителей.

    Газовые турбины имеют много преимуществ перед дизельными двигателями для комбинированных электроэнергетических и тепловых установок.Они имеют малый вес и работают с небольшой вибрацией, требуя недорогих фундаментов. Затраты на техническое обслуживание низкие, а надежность высокая. Также обычно не требуется система водяного охлаждения, поскольку для охлаждения масла обычно достаточно простого воздушного охладителя с вентилятором.

    Первоначальная стоимость, как правило, выше, чем у дизельных двигателей, хотя это обычно компенсируется более низкими эксплуатационными расходами для непрерывно работающей установки. Проблемой с газовыми турбинами может быть шум. Даже небольшие установки мощностью 1–3 МВт могут излучать звуковое давление около 100 дБА на расстоянии 1 м (гл.19.7), хотя в основном в высокочастотном диапазоне (4000 с −1 ), который легко ослабить. Наиболее распространенный подход заключается в установке акустических кожухов вокруг самой машины или размещении каждой машины в акустической ячейке прочной конструкции. В любом случае требуются глушители на входе воздуха и выпуске охлаждающего воздуха. Оборудование для рекуперации тепла и дымоход часто обеспечивают достаточное ослабление звука выхлопных газов.

    Оценка влияния модернизации выхлопной турбины для узкого рабочего диапазона VGT на характеристики дизельных двигателей с вспомогательным турбонагнетателем 2019-01-0326

    Образец цитирования: Сонг, К., Упадхьяй Д., Ху Л. и Се Х., «Оценка влияния модернизации выхлопной турбины для узкого рабочего диапазона VGT на производительность дизельных двигателей с вспомогательным турбонагнетателем», Технический документ SAE 2019- 01-0326, 2019 г., https://doi.org/10.4271/2019-01-0326.
    Скачать ссылку

    Автор(ы): Кан Сон, Девеш Упадхьяй, Лянцзюнь Ху, Хуэй Се

    Филиал: Тяньцзиньский университет, Исследовательская лаборатория Форда, Ford Motor Company

    Страницы: 11

    Событие: Опыт Всемирного конгресса WCX SAE

    ISSN: 0148-7191

    Электронный ISSN: 2688-3627

    Двигатели

    Что такое воздухоплавание? | Динамика полета | Самолеты | Двигатели | История полета | какой это УЭТ?
    Словарь | Весело и игры | Образовательные ссылки | Урок Ланс | Индекс сайта | Дом

    Двигатели

    Как работает реактивный двигатель?


    НОВИНКА!
    Видео «Как работает реактивный двигатель».

    Мы считаем само собой разумеющимся, насколько легко самолет весом более половины миллион фунтов отрывается от земли с такой легкостью. Как это происходит? Ответ прост. Это двигатели.

    Позвольте Терезе Беньо из Исследовательского центра Гленна НАСА объяснить подробнее…

    Как указано в НАСА Пункт назначения Завтра.


    Реактивные двигатели двигают самолет вперед с большой силой, создаваемой огромная тяга и заставляет самолет лететь очень быстро.

    Все реактивные двигатели, которые также называются газовые турбины, работают по тому же принципу. Двигатель всасывает воздух спереди с помощью вентилятора. Компрессор повышает давление воздуха. Компрессор изготовлен с множеством лопастей, прикрепленных к валу. Лопасти вращаются с большой скоростью и сжимают или сжимают воздух. Сжатый затем воздух распыляется топливом, и электрическая искра зажигает смесь. То горящие газы расширяются и выбрасываются через сопло в задней части двигателя.Когда струи газа выбрасываются назад, двигатель и самолет устремляются вперед. Когда горячий воздух направляется к соплу, он проходит через другую группу лопастей. называется турбиной. Турбина крепится к тому же валу, что и компрессор. Вращение турбины приводит к вращению компрессора.

    На изображении ниже показано, как воздух проходит через двигатель. Воздух проходит через ядра двигателя, а также вокруг ядра.Это приводит к тому, что часть воздуха быть очень жарко, а некоторые быть прохладнее. Затем холодный воздух смешивается с горячим воздуха в районе выходного отверстия двигателя.

     

    Это изображение того, как воздух проходит через двигатель

    Что такое тяга?

    Тяга поступательная сила, которая толкает двигатель и, следовательно, самолет вперед. Сэр Исаак Ньютон обнаружил, что «для каждого действия существует равное и противоположная реакция». Этот принцип используется в двигателе. в большом объеме воздуха. Воздух нагревается, сжимается и замедляется. Воздух прогоняется через множество вращающихся лопастей. Смешивая этот воздух со струей топлива, температура воздуха может достигать трех тысяч градусов. То энергия воздуха используется для вращения турбины. Наконец, когда воздух уходит, он выталкивается из двигателя назад.Это заставляет самолет двигаться вперед.

    Детали реактивного двигателя

    Вентилятор — Вентилятор является первым компонентом в турбовентиляторный. Большой вращающийся вентилятор всасывает большое количество воздуха. Большинство лезвий вентилятора изготовлены из титана. Затем он ускоряет этот воздух и разделяет его на две части. Одна часть продолжается через «сердцевину» или центр двигателя, где на него воздействуют другие компоненты двигателя.

    Вторая часть «обходит» ядро ​​двигателя. Он проходит через канал который окружает ядро ​​​​к задней части двигателя, где он производит большую часть сила, толкающая самолет вперед. Этот более прохладный воздух помогает успокоиться двигатель, а также добавление тяги к двигателю.

    Компрессор — Компрессор первый. компонент ядра двигателя. Компрессор состоит из вентиляторов с множеством лопастей. и крепится к валу.Компрессор сжимает поступающий в него воздух. площади постепенно уменьшаются, что приводит к увеличению атмосферного давления. Этот приводит к увеличению энергетического потенциала воздуха. Сжатый воздух нагнетается в камеру сгорания.

    Камера сгорания — В камере сгорания воздух смешивается топливом, а затем загорелся. Есть целых 20 форсунок для распыления топлива в воздушный поток. Смесь воздуха и топлива воспламеняется.Это обеспечивает высокий температура, мощный воздушный поток. Топливо сгорает с кислородом в сжатом воздуха, образуя горячие расширяющиеся газы. Внутренняя часть камеры сгорания часто изготавливается керамических материалов для обеспечения термостойкой камеры. Тепло может достигать 2700°.

    Турбина — Поток воздуха с высокой энергией приближается из камеры сгорания поступает в турбину, заставляя лопатки турбины вращаться. Турбины соединены валом для вращения лопаток компрессора и для вращения впускного вентилятора спереди.Это вращение забирает энергию у поток высокой энергии, который используется для привода вентилятора и компрессора. Газы вырабатываемые в камере сгорания, движутся через турбину и раскручивают ее лопасти. Турбины реактивного самолета вращаются тысячи раз. Они закреплены на валах которые имеют несколько комплектов шарикоподшипников между ними.

    Сопло — Форсунка – это выпускной канал двигатель. Это часть двигателя, которая фактически создает тягу для самолет.Энергетически обедненный воздушный поток, прошедший через турбину, в дополнение к более холодный воздух, миновавший сердцевину двигателя, создает силу при выходе из сопло, которое толкает двигатель и, следовательно, самолет вперед. Сочетание горячего воздуха и холодного воздуха выбрасывается и производит выхлоп, что вызывает тягу вперед. Перед соплом может стоять смеситель , который сочетает в себе высокотемпературный воздух, поступающий из ядра двигателя, с более низкая температура воздуха, пропущенного через вентилятор.Миксер помогает сделать двигатель тише.

    Первый реактивный двигатель — А Краткая история ранних двигателей

    Сэр Исаак Ньютон в 18 веке был первым предположил, что взрыв, направленный назад, может привести в движение машину вперед с огромной скоростью. Эта теория была основана на его третьем законе движение. Когда горячий воздух устремляется назад через сопло, самолет движется вперед.

    Анри Жиффар построил дирижабль с двигателем первым авиационным двигателем, паровой машиной мощностью в три лошадиные силы. Это было очень тяжелый, слишком тяжелый, чтобы летать.

    В 1874 году Felix de Temple построил моноплан. который пролетел всего лишь короткий прыжок вниз с холма с помощью паровой машины, работающей на угле.

    Отто Даймлер , изобретен в конце 1800-х годов первый бензиновый двигатель.

    В 1894 году, американец Хирам Максим пытался оснастить свой тройной биплан двумя паровыми двигателями, работающими на угле.Это только пролетел несколько секунд.

    Первые паровые машины приводились в действие нагретым углем и, как правило, слишком тяжел для полета.

    Американский Сэмюэл Лэнгли сделал модель самолета которые приводились в движение паровыми двигателями. В 1896 году он успешно летал на беспилотный самолет с паровым двигателем, именуемый Аэродром . Он пролетел около 1 мили, прежде чем выдохся. Затем он попытался построить полный размерный самолет Aerodrome A, с газовым двигателем.В 1903 году он разбился сразу после спуска с плавучего дома.

    В 1903 году братьев Райт летал, Летчик , с бензиновым двигателем мощностью 12 лошадиных сил двигатель.

    С 1903 года, года первого полета братьев Райт, до конца 1930-х гг. газовый поршневой двигатель внутреннего сгорания с воздушным винтом. единственное средство, используемое для приведения в движение самолетов.

    Это был Фрэнк Уиттл , британский пилот, который разработал и запатентовал первый турбореактивный двигатель в 1930 году.Первый успешный полет двигателя Уиттла в мае 1941 года. Этот двигатель отличался многоступенчатым компрессором и камеру, одноступенчатую турбину и сопло.

    В то же время, когда Уиттл работал в Англии, Ханс фон Охайн работал над подобным проектом в Германии. Первый самолет, успешно использование газотурбинного двигателя было немецким Heinkel He 178, август 1939 года. Это был первый в мире турбореактивный двигатель. полет.

    General Electric построила первый американский реактивный двигатель для ВВС США. Реактивный самолет . Именно экспериментальный самолет ХР-59А совершил первый полет в октябре 1942 года.

    Типы реактивных двигателей

    Турбореактивные двигатели

    Основная идея турбореактивный двигатель просто.Воздух, поступающий из отверстия в передней части двигателя сжимается в 3-12 раз по сравнению с исходным давлением в компрессоре. Топливо добавляется в воздух и сжигается в камере сгорания. повысить температуру жидкой смеси примерно до 1100–1300 °F F. Полученный горячий воздух проходит через турбину, которая приводит в действие компрессор. Если турбина и компрессор исправны, давление на выходе из турбины будет почти в два раза выше атмосферного давления, и это избыточное давление направляется к соплу для создания высокоскоростного потока газа, создающего тягу.Значительное увеличение тяги может быть получено за счет использования форсаж. Это вторая камера сгорания, расположенная после турбины и перед сопло. Форсажная камера повышает температуру газа перед соплом. Результатом этого повышения температуры является увеличение примерно на 40 процентов по тяге на взлете и гораздо больший процент на высоких скоростях, как только самолет находится в воздухе.

    Турбореактивный двигатель является реактивным двигателем.В реактивной машине расширяющиеся газы сильно надавите на переднюю часть двигателя. Турбореактивный двигатель всасывает воздух и сжимает или сжимает его. Газы проходят через турбину и заставляют ее вращаться. Эти газы отскакивать назад и стрелять из задней части выхлопа, толкая самолет вперед.

    Изображение турбореактивного двигателя

    Турбовинтовой

    А турбовинтовой двигатель представляет собой реактивный двигатель, прикрепленный к воздушному винту.Турбина на задняя часть вращается горячими газами, и это приводит в движение вал, приводящий в движение пропеллер. Некоторые небольшие авиалайнеры и транспортные самолеты оснащены турбовинтовыми двигателями.

    Как и турбореактивный, турбовинтовой двигатель состоит из компрессора, камера и турбина, давление воздуха и газа используется для запуска турбины, которая затем создает мощность для привода компрессора. По сравнению с турбореактивным двигателем, турбовинтовой двигатель имеет лучшую двигательную эффективность при скоростях полета ниже примерно 500 миль в час.Современные турбовинтовые двигатели оснащены воздушными винтами, имеют меньший диаметр, но большее количество лопастей для эффективной работы при гораздо более высоких скоростях полета. Чтобы приспособиться к более высоким скоростям полета, лопасти имеют форму ятагана с загнутыми назад передними кромками на концах лопастей. Двигатели с такими гребными винтами называются винтовентиляторы .

    Изображение турбовинтового двигателя

    ТРДД

    А турбовентиляторный двигатель имеет большой вентилятор спереди, который всасывает воздух.Большая часть воздуха обтекает двигатель снаружи, что делает его работу тише. и давая больше тяги на малых скоростях. Большинство современных авиалайнеров оснащены турбовентиляторами. В ТРД весь воздух, поступающий во впуск, проходит через газогенератор, состоящий из компрессора, камеры сгорания и турбина. В турбовентиляторном двигателе только часть поступающего воздуха попадает в камера сгорания. Остаток проходит через вентилятор или компрессор низкого давления. и выбрасывается непосредственно в виде «холодной» струи или смешивается с выхлопом газогенератора. для создания «горячей» струи.Целью такой обходной системы является увеличение тяги без увеличения расхода топлива. Это достигается за счет увеличения суммарный расход воздушной массы и снижение скорости при том же суммарном запасе энергии.

    Изображение турбовентиляторного двигателя

    Турбовальные

    Это еще одна форма газотурбинного двигателя, которая работает так же, как турбовинтовой двигатель. система.Он не приводит в движение пропеллер. Вместо этого он обеспечивает питание вертолета. ротор. Турбовальный двигатель устроен так, что скорость вертолета ротор не зависит от скорости вращения газогенератора. Это позволяет скорость ротора должна оставаться постоянной, даже если скорость генератора менялись, чтобы модулировать количество производимой мощности.

     

    Изображение турбовального двигателя

    ПВРД

    ПВРД — это самый простой реактивный двигатель и не имеет движущихся частей.Скорость реактивного «тарана» или нагнетает воздух в двигатель. По сути, это турбореактивный двигатель, в котором вращается техника исключена. Его применение ограничено тем, что его степень сжатия полностью зависит от скорости движения вперед. ПВРД не развивает статических тяга и очень небольшая тяга вообще ниже скорости звука. Как следствие, ПВРД требует некоторой формы вспомогательного взлета, например, другого самолета. Он использовался в основном в системах управляемых ракет.Космические аппараты используют это тип струи.

    Изображение прямоточного воздушно-реактивного двигателя

     

    Наверх

    Что такое воздухоплавание? | Динамика полета | Самолеты | Двигатели | История полета | Что такое УЭТ?
    Словарь | Весело и игры | Образовательные ссылки | Урок Планы | Индекс сайта | Дом

    Применение газовых турбин в военной технике | Военная вики

    «Микротурбина» перенаправляется сюда.Чтобы узнать о турбинах в электричестве, см. Ветряная турбина . Чтобы узнать о турбинах в целом, см. Турбина .

    Примеры конфигураций газовых турбин: (1) турбореактивный, (2) турбовинтовой, (3) турбовальный (электрогенератор), (4) ТРДД большой двухконтурности, (5) ТРДД малой двухконтурности с дожиганием.

    Газовая турбина , также называемая турбиной внутреннего сгорания , представляет собой тип двигателя внутреннего сгорания. Он имеет расположенный выше по потоку вращающийся компрессор, соединенный с расположенной ниже по потоку турбиной, и камеру сгорания между ними.

    Основная работа газовой турбины аналогична работе паровой электростанции, за исключением того, что вместо воды используется воздух. Свежий атмосферный воздух проходит через компрессор, который доводит его до более высокого давления. Затем энергия добавляется путем распыления топлива в воздух и его воспламенения, так что при сгорании образуется высокотемпературный поток. Этот высокотемпературный газ высокого давления поступает в турбину, где он расширяется до давления выхлопа , создавая в процессе валовую работу .Работа вала турбины используется для привода компрессора и других устройств, таких как электрический генератор, который может быть соединен с валом. Энергия, которая не используется для работы вала, выходит в выхлопных газах, поэтому они имеют либо высокую температуру, либо высокую скорость. Назначение газовой турбины определяет конструкцию, чтобы максимально использовать наиболее желательную форму энергии. Газовые турбины используются для питания самолетов, поездов, кораблей, электрических генераторов и даже танков. [1]

    История

    • 50: Паровозик Героя ( aeolipile ) — Судя по всему, паровой двигатель Героя считался не более чем игрушкой, и поэтому его полный потенциал не реализовывался веками.
    • 1500: «Каминный домкрат» был нарисован Леонардо да Винчи: горячий воздух от огня поднимается вверх через одноступенчатый осевой ротор турбины, установленный в вытяжном канале камина и вращающий вертел с помощью зубчато-цепного соединения.
    • 1629: Струи пара вращали импульсную турбину, которая затем приводила в действие работающую штамповочную мельницу с помощью конического зубчатого колеса, разработанного Джованни Бранка.
    • 1678: Фердинанд Вербист построил модель экипажа, работающую на паровой струе.

      Эскиз газовой турбины Джона Барбера из его патента

    • 1791: Джон Барбер, англичанин, получил патент на первую настоящую газовую турбину.В его изобретении использовалось большинство элементов, присутствующих в современных газовых турбинах. Турбина была предназначена для привода безлошадной повозки. [2]
    • 1872: Газотурбинный двигатель был разработан Францем Штольце, но двигатель никогда не работал на собственной мощности.
    • 1894: Сэр Чарльз Парсонс запатентовал идею приведения корабля в движение с помощью паровой турбины и построил демонстрационное судно Turbinia , которое в то время было самым быстрым судном на плаву. Этот принцип движения все еще используется.
    • 1895: Три 4-тонных генератора радиального потока Parsons мощностью 100 кВт были установлены на Кембриджской электростанции и использовались для питания первой схемы электрического уличного освещения в городе.
    • 1899: Чарльз Гордон Кертис запатентовал первый газотурбинный двигатель в США («Устройство для производства механической энергии», патент № US635,919). [3] [4]
    • 19:00: Сэнфорд Александр Мосс защитил диссертацию по газовым турбинам. В 1903 году Мосс стал инженером отдела паровых турбин General Electric в Линне, штат Массачусетс. [5] Находясь там, он применил некоторые из своих концепций при разработке турбокомпрессора. В его конструкции использовалось небольшое турбинное колесо, приводимое в движение выхлопными газами, для вращения нагнетателя. [5]
    • 1903: Норвежец Эгидиус Эллинг смог построить первую газовую турбину, которая могла производить больше энергии, чем необходимо для работы ее собственных компонентов, что считалось достижением в то время, когда знания об аэродинамике были ограничены. Используя роторные компрессоры и турбины, он производил 11 л.с. (по тем временам много). [ ссылка необходима ]
    • 1906: Газотурбинный двигатель Арменго-Лемаля во Франции с камерой сгорания с водяным охлаждением.
    • 1910: Импульсная турбина Хольцварта (импульсное сгорание) достигла мощности 150 киловатт.
    • 1913: Никола Тесла патентует турбину Теслы, основанную на эффекте пограничного слоя.
    • 1920-е годы Практическая теория течения газа через каналы была развита в более формальную (и применимую к турбинам) теорию течения газа через аэродинамические поверхности А.А. Гриффит, в результате чего в 1926 г. была опубликована книга «Аэродинамическая теория проектирования турбин» . В 1929 году Королевским авиационным институтом были разработаны рабочие стендовые конструкции осевых турбин, подходящих для привода воздушного винта, доказавших эффективность аэродинамической формы лопастей.
    • 1930: Не обнаружив интереса со стороны Королевских ВВС к своей идее, Фрэнк Уиттл запатентовал конструкцию центробежной газовой турбины для реактивного движения.Первое успешное использование его двигателя произошло в апреле 1937 года.
    • 1932: BBC Brown, Boveri & Cie из Швейцарии начинает продажу осевых компрессоров и турбинных турбоагрегатов в составе парогенераторного котла Velox с турбонаддувом. По принципу газовой турбины трубы испарения пара расположены внутри камеры сгорания газовой турбины; Первый завод Velox был построен в Мондевиле, Франция. [6]
    • 1934: Рауль Патерас де Пескара запатентовал свободнопоршневой двигатель в качестве газогенератора для газовых турбин. [ ссылка необходима ]
    • 1936: Ганс фон Охайн и Макс Хан в Германии разрабатывали собственную запатентованную конструкцию двигателя. [ ссылка необходима ]
    • 1936 Whittle с другими, поддерживаемыми инвестиционными формами Power Jets Ltd [ ссылка необходима ]
    • 1937 год, работает первый двигатель Power Jets, и он впечатляет Генри Тизарда, так что он обеспечивает государственное финансирование для его дальнейшего развития. [ ссылка необходима ]
    • 1939: Первая газовая турбина мощностью 4 МВт от BBC Brown, Boveri & Cie.для аварийной электростанции в Невшателе, Швейцария. [7]
    • 1946 г. Национальное предприятие по производству газовых турбин, сформированное из Power Jets и турбинного подразделения RAE, объединяет работу Уиттла и Хейна Константа

      Газы, проходящие через идеальную газовую турбину, подвергаются трем термодинамическим процессам. Это изоэнтропическое сжатие, изобарическое (постоянное давление) горение и изоэнтропическое расширение.Вместе они составляют цикл Брайтона.

      В практической газовой турбине газы сначала ускоряются либо в центробежном, либо в осевом компрессоре. Затем эти газы замедляются с помощью расширяющегося сопла, известного как диффузор; эти процессы повышают давление и температуру потока. В идеальной системе это изоэнтропия. Однако на практике энергия теряется в виде тепла из-за трения и турбулентности. Затем газы проходят из диффузора в камеру сгорания или аналогичное устройство, где добавляется тепло.В идеальной системе это происходит при постоянном давлении (изобарический подвод тепла). Поскольку давление не меняется, удельный объем газов увеличивается. В практических ситуациях этот процесс обычно сопровождается небольшой потерей давления из-за трения. Наконец, этот больший объем газов расширяется и ускоряется направляющими лопатками сопла, прежде чем энергия будет извлечена турбиной. В идеальной системе эти газы изоэнтропически расширяются и выходят из турбины под своим первоначальным давлением.На практике этот процесс не является изоэнтропическим, так как энергия снова теряется на трение и турбулентность.

      Если устройство предназначено для приведения в действие вала промышленного генератора или турбовинтового двигателя, выходное давление будет максимально приближено к входному давлению. На практике необходимо, чтобы на выходе оставалось некоторое давление, чтобы полностью удалить выхлопные газы. В случае реактивного двигателя из потока извлекается только достаточное давление и энергия для привода компрессора и других компонентов.Остальные газы под высоким давлением ускоряются, образуя струю, которую можно использовать, например, для приведения в движение самолета.

      Цикл Брайтона

      Как и во всех циклических тепловых двигателях, более высокие температуры сгорания могут обеспечить более высокий КПД. Однако температуры ограничены способностью стали, никеля, керамики или других материалов, из которых состоит двигатель, выдерживать высокие температуры и нагрузки. Для борьбы с этим многие турбины оснащены сложными системами охлаждения лопаток.

      Как правило, чем меньше двигатель, тем выше должна быть скорость вращения вала (валов) для поддержания максимальной скорости. Скорость конца лопатки определяет максимальное соотношение давлений, которое может быть достигнуто турбиной и компрессором. Это, в свою очередь, ограничивает максимальную мощность и КПД, которые может получить двигатель. Чтобы скорость острия оставалась постоянной, если диаметр ротора уменьшить наполовину, скорость вращения должна удвоиться. Например, большие реактивные двигатели работают со скоростью около 10 000 об/мин, а микротурбины вращаются со скоростью 500 000 об/мин. [8]

      Механически газовые турбины могут быть значительно проще, чем поршневые двигатели внутреннего сгорания. Простые турбины могут иметь одну движущуюся часть: узел вала/компрессора/турбины/альтернативного ротора (см. изображение выше), не считая топливной системы. Однако требуемая точность изготовления компонентов и термостойких сплавов, необходимых для высокой эффективности, часто делают конструкцию простой турбины более сложной, чем поршневые двигатели.

      Более сложные турбины (такие, как в современных реактивных двигателях) могут иметь несколько валов (золотников), сотни лопаток турбины, подвижные лопатки статора и обширную систему сложных трубопроводов, камер сгорания и теплообменников.

      Типы газовых турбин

      Реактивные двигатели

      Типовой осевой турбореактивный двигатель J85 в разрезе для демонстрации. Поток слева направо, многоступенчатый компрессор слева, камеры сгорания в центре, двухступенчатая турбина справа.

      Воздушно-реактивные двигатели представляют собой газовые турбины, оптимизированные для создания тяги за счет выхлопных газов или канальных вентиляторов, соединенных с газовыми турбинами. Реактивные двигатели, которые создают тягу за счет прямого импульса выхлопных газов, часто называют турбореактивными, тогда как те, которые создают тягу с добавлением канального вентилятора, часто называют турбовентиляторными или (реже) вентиляторными реактивными двигателями.

      Газовые турбины также используются во многих жидкостных ракетах. Газовые турбины используются для питания турбонасоса, что позволяет использовать легкие баки низкого давления, что значительно экономит сухую массу.

      Турбовинтовые двигатели

      Турбовинтовой двигатель — это тип газотурбинного двигателя, который приводит в движение внешний воздушный винт с помощью редуктора. Турбовинтовые двигатели обычно используются на небольших дозвуковых самолетах, но некоторые крупные военные и гражданские самолеты, такие как Airbus A400M, Lockheed L-188 Electra и Туполев Ту-95, также используют турбовинтовые двигатели.

      Авиационные газовые турбины

      Схема лопатки турбины высокого давления

      Производные авиационные двигатели также используются в производстве электроэнергии благодаря их способности отключаться и быстрее справляться с изменениями нагрузки, чем промышленные машины. Они также используются в морской промышленности для снижения веса. General Electric LM2500, General Electric LM6000, Rolls-Royce RB211 и Rolls-Royce Avon являются распространенными моделями машин этого типа. [ ссылка необходима ]

      Газовые турбины наземных транспортных средств

      Rover JET1 1950 года выпуска

      Модель STP Oil Treatment Special 1967 года выпуска на выставке в Зале славы автодрома Индианаполиса, где показана газовая турбина Pratt & Whitney.

      Howmet TX 1968 года выпуска, единственный гоночный автомобиль с турбинным двигателем, выигравший гонку.

      Газовые турбины часто используются на кораблях, локомотивах, вертолетах, танках и, в меньшей степени, на автомобилях, автобусах и мотоциклах.

      Ключевое преимущество реактивных и турбовинтовых двигателей для движения самолетов — их превосходные характеристики на большой высоте по сравнению с поршневыми двигателями, особенно без наддува, — не имеет значения для большинства автомобильных применений. Их преимущество в мощности к весу, хотя и менее критично, чем для самолетов, все же важно.

      Газовые турбины представляют собой мощный двигатель в очень маленьком и легком корпусе. Однако они не так отзывчивы и эффективны, как небольшие поршневые двигатели, в широком диапазоне оборотов и мощностей, необходимых для транспортных средств. В серийных гибридных транспортных средствах, поскольку приводные электродвигатели механически отделены от двигателя, вырабатывающего электроэнергию, проблемы с реагированием, низкой производительностью на низкой скорости и низкой эффективностью при низкой мощности имеют гораздо меньшее значение. Турбина может работать на скорости, оптимальной для ее выходной мощности, а батареи и суперконденсаторы могут подавать энергию по мере необходимости, при этом двигатель включается и выключается, чтобы он работал только с высокой эффективностью.Появление бесступенчатой ​​трансмиссии также может решить проблему отзывчивости.

      Цистерны

      Морские пехотинцы из 1-го танкового батальона загружают многотопливную турбину Honeywell AGT1500 обратно в танк в лагере Койот, Кувейт, февраль 2003 г. для использования в танках с середины 1944 г. Первые газотурбинные двигатели, использовавшиеся для боевой бронированной машины GT 101, были установлены на танке «Пантера». [9] Второе использование газовой турбины в боевой бронированной машине произошло в 1954 году, когда агрегат PU2979, специально разработанный для танков компанией CA Parsons & Co., был установлен и испытан на британском танке Conqueror. [10] Stridsvagn 103 был разработан в 1950-х годах и стал первым серийным основным боевым танком с газотурбинным двигателем. С тех пор газотурбинные двигатели использовались в качестве ВСУ на некоторых танках и в качестве основных силовых установок, в частности, на советских/российских Т-80 и американских танках M1 Abrams.Они легче и меньше дизелей при той же устойчивой выходной мощности, но модели, установленные на сегодняшний день, менее экономичны, чем эквивалентные дизели, особенно на холостом ходу, поскольку для достижения той же боевой дальности требуется больше топлива. В последующих моделях M1 эта проблема была решена с помощью аккумуляторных батарей или вторичных генераторов для питания систем танка в неподвижном состоянии, что позволило сэкономить топливо за счет уменьшения необходимости холостого хода главной турбины. На Т-80 можно установить три больших внешних топливных бака для увеличения радиуса действия.Россия прекратила производство Т-80 в пользу дизельного Т-90 (на базе Т-72), а Украина разработала дизельный Т-80УД и Т-84 с мощностью, близкой к газовой. -турбинный бак. Дизельная силовая установка французского танка Leclerc оснащена гибридной системой наддува Hyperbar. где турбонагнетатель двигателя полностью заменен небольшой газовой турбиной, которая также работает как вспомогательный турбонагнетатель выхлопных газов дизельного двигателя, позволяя регулировать уровень наддува независимо от оборотов двигателя и достигать более высокого пикового давления наддува (чем с обычными турбонагнетателями).Эта система позволяет использовать меньший рабочий объем и более легкий двигатель в качестве силовой установки танка и эффективно устраняет турбояму. Эта специальная газовая турбина/турбокомпрессор также может работать независимо от основного двигателя как обычная ВСУ.

      Турбина теоретически надежнее и проще в обслуживании, чем поршневой двигатель, поскольку имеет более простую конструкцию с меньшим количеством движущихся частей, но на практике детали турбины изнашиваются быстрее из-за их более высоких рабочих скоростей. Лопасти турбины очень чувствительны к пыли и мелкому песку, поэтому при работе в пустыне воздушные фильтры необходимо устанавливать и менять несколько раз в день.Неправильно установленный фильтр, а также пуля или осколок снаряда, пробившие фильтр, могут повредить двигатель. Поршневые двигатели (особенно с турбонаддувом) также нуждаются в хорошо обслуживаемых фильтрах, но они более устойчивы, если фильтр выходит из строя.

      Как и большинство современных дизельных двигателей, используемых в танках, газовые турбины обычно являются многотопливными двигателями.

      Морское применение

      Морской

      Газовая турбина от MGB 2009

      Газовые турбины используются на многих военно-морских кораблях, где они ценятся за их высокую удельную мощность и результирующее ускорение их кораблей и способность быстро трогаться с места.

      Первым военным кораблем с газотурбинным двигателем был моторный артиллерийский катер Королевского флота MGB 2009 (ранее MGB 509 ), переоборудованный в 1947 году. Metropolitan-Vickers оснастил свой реактивный двигатель F2/3 силовой турбиной. Паровой артиллерийский катер Grey Goose был переоборудован под газовые турбины Rolls-Royce в 1952 году и эксплуатировался в этом качестве с 1953 года. первые корабли, созданные специально для газотурбинных двигателей. [12]

      Первыми крупными кораблями с частично газотурбинными двигателями были фрегаты Королевского флота Type 81 (Tribal class) с комбинированными парогазовыми силовыми установками. Первый, HMS Ashanti , был сдан в эксплуатацию в 1961 году.

      В 1961 году ВМС Германии спустили на воду первый фрегат типа Köln с двумя газовыми турбинами Brown, Boveri & Cie и первой в мире комбинированной дизель-газовой силовой установкой.

      Военно-морской флот Дании имел 6 торпедных катеров Søløven класса (экспортная версия британского быстроходного патрульного катера класса Brave) на вооружении с 1965 по 1990 год, на которых было 3 морских газовых турбины Bristol Proteus (позже RR Proteus) мощностью 9 510 кВт. (12 750 л.с.) вместе, а также два дизельных двигателя General Motors мощностью 340 кВт (460 л.с.) для лучшей экономии топлива на более низких скоростях. [13] Они также произвели 10 торпедных катеров / ракетных катеров класса Willemoes (на вооружении с 1974 по 2000 г.), на которых было установлено 3 газовых турбины Rolls Royce Marine Proteus мощностью 9510 кВт (12750 л.с.), такие же, как на катерах класса Søløven. и 2 дизельных двигателя General Motors мощностью 600 кВт (800 л. с.), а также для улучшения экономии топлива на малых скоростях. [14]

      В период с 1966 по 1967 год ВМС Швеции произвели 6 торпедных катеров класса Spica с 3 турбинами Bristol Siddeley Proteus 1282, каждая мощностью 3210 кВт (4300 л.с.).Позже к ним присоединились 12 модернизированных кораблей класса Norrköping с теми же двигателями. С заменой кормовых торпедных аппаратов на противокорабельные ракеты они служили ракетными катерами, пока последний не был списан в 2005 году. Газовая турбина Rolls-Royce Olympus TMB3 мощностью 16 410 кВт (22 000 л.с.) и три судовых дизеля Wärtsilä для более низких скоростей. Это были самые быстрые корабли финского флота; они регулярно развивали скорость 35 узлов, а 37.3 узла на ходовых испытаниях. Турунмаас был оплачен в 2002 году. Karjala сегодня является кораблем-музеем в Турку, а Turunmaa служит плавучим механическим цехом и учебным судном для Политехнического колледжа Сатакунта.

      Следующей серией крупных военно-морских кораблей были четыре канадских вертолетоносца класса Iroquois, впервые введенных в строй в 1972 году. Они использовали 2 главных маршевых двигателя ft-4, 2 маршевых двигателя ft-12 и 3 генератора Solar Saturn мощностью 750 кВт.

      Первый У.Корабль S. с газотурбинным двигателем представлял собой катер Point Thatcher Береговой охраны США, введенный в эксплуатацию в 1961 году и приводившийся в движение двумя турбинами мощностью 750 кВт (1000 л.с.) с гребными винтами с регулируемым шагом. [16] Более крупные Hamilton класса High Endurance Cutters были первым классом более крупных резаков, в которых использовались газовые турбины, первая из которых (USCGC Hamilton ) была введена в эксплуатацию в 1967 году. С тех пор они приводили в действие Фрегаты ВМС США Perry класса , Spruance класса и Arleigh Burke класса , а также Ticonderoga класса ракетных крейсеров.USS Makin Island , модифицированный десантный корабль класса Wasp , должен стать первым десантным кораблем ВМФ с газовыми турбинами. Судовая газовая турбина работает в более агрессивной атмосфере из-за присутствия морской соли в воздухе и топливе и использования более дешевого топлива.

      Достижения в области технологий

      Технология газовых турбин неуклонно развивалась с момента ее создания и продолжает развиваться. В разработке активно производятся как газовые турбины меньшего размера, так и более мощные и экономичные двигатели.Этим достижениям способствуют компьютерное проектирование (в частности, CFD и анализ методом конечных элементов) и разработка передовых материалов: основные материалы с превосходной жаропрочностью (например, монокристаллические жаропрочные сплавы, которые демонстрируют аномалию предела текучести) или термобарьерные покрытия, которые защищают структурный материал от все более высоких температур. Эти усовершенствования обеспечивают более высокие степени сжатия и температуры на входе в турбину, более эффективное сгорание и лучшее охлаждение деталей двигателя.

      Эффективность простого цикла ранних газовых турбин была практически удвоена за счет промежуточного охлаждения, регенерации (или рекуперации) и повторного нагрева. Эти улучшения, конечно же, достигаются за счет увеличения первоначальных и эксплуатационных затрат, и они не могут быть оправданы, если снижение затрат на топливо не компенсирует увеличение других затрат. Относительно низкие цены на топливо, общее желание отрасли минимизировать затраты на установку и огромное увеличение эффективности простого цикла примерно до 40 процентов не оставляли желания выбирать эти модификации. [17]

      Что касается выбросов, задача состоит в том, чтобы повысить температуру на входе в турбину и в то же время снизить пиковую температуру пламени, чтобы добиться более низких выбросов NOx и соответствовать последним нормам выбросов. В мае 2011 года компания Mitsubishi Heavy Industries достигла температуры на входе в турбину 1600 °C на газовой турбине мощностью 320 МВт и 460 МВт на установках для выработки электроэнергии с комбинированным циклом, в которых общий тепловой КПД превышает 60 %. [18]

      Подшипники из фольги, соответствующие требованиям, были коммерчески представлены в газовых турбинах в 1990-х годах.Они могут выдерживать более ста тысяч циклов пуска/останова и устраняют необходимость в масляной системе. Применение микроэлектроники и технологии переключения мощности позволило разработать коммерчески жизнеспособное производство электроэнергии с помощью микротурбин для распределения и движения транспортных средств.

      Преимущества и недостатки газотурбинных двигателей

      Артикул этого раздела: [19]

      Преимущества газотурбинных двигателей

      • Очень высокая удельная мощность по сравнению с поршневыми двигателями;
      • Меньше, чем у большинства поршневых двигателей той же номинальной мощности.
      • Движется только в одном направлении с гораздо меньшей вибрацией, чем поршневой двигатель.
      • Меньше движущихся частей, чем в поршневых двигателях.
      • Повышенная надежность, особенно в приложениях, где требуется устойчивая высокая выходная мощность
      • Отработанное тепло почти полностью рассеивается в выхлопе. Это приводит к высокотемпературному выхлопному потоку, который очень удобен для кипячения воды в комбинированном цикле или для когенерации.
      • Низкое рабочее давление.
      • Высокие рабочие скорости.
      • Низкая стоимость и расход смазочного масла.
      • Может работать на самых разных видах топлива.
      • Очень низкие токсичные выбросы CO и HC за счет избытка воздуха, полного сгорания и отсутствия «гашения» пламени на холодных поверхностях

      Недостатки газотурбинных двигателей

      • Цена очень высока
      • Менее эффективен, чем поршневые двигатели на холостом ходу
      • Более длительный запуск, чем у поршневых двигателей
      • Менее чувствительны к изменениям потребляемой мощности по сравнению с поршневыми двигателями
      • Характерный вой трудно подавить

      Каталожные номера

      1. Введение в инженерную термодинамику , Ричард Э.Зоннтаг, Клаус Борргнакке, 2007 г. Проверено 13 марта 2013 г.
      2. ↑ «Лаборатория газовых турбин Массачусетского технологического института» . Web.mit.edu. 1939-08-27. http://web.mit.edu/aeroastro/labs/gtl/early_GT_history.html. Проверено 13 августа 2012 г. .
      3. ↑ «Патент US0635919». Freepatentsonline.com. http://www.freepatentsonline.com/0635919.pdf. Проверено 13 августа 2012 г. .
      4. ↑ «История — биографии, достопримечательности, патенты». КАК Я. 10 марта 1905 г. http://www.asme.org/Communities/History/Resources/Curtis_Charles_Gordon.см Проверено 13 августа 2012 г. .
      5. 5.0 5.1 Лейес, стр. 231-232.
      6. ↑ «Университет Бохума», журнал In Touch, 2005 г., стр. 5 (PDF) . http://www.ruhr-uni-bochum.de/fem/pdf/in-touch-magazin2005.pdf. Проверено 13 августа 2012 г. .
      7. ↑ Эккардт, Д. и Руфли, П. «Передовые технологии газовых турбин — ABB / BBC History First», ASME J. Eng. Газовая турбина. Власть, 2002, с. 124, 542-549
      8. ↑ Воманс, Т.; Влёгельс, П.; Пирс, Дж.; Аль-Бендер, Ф.; Рейнартс, Д.(2006). «Ротородинамическое поведение ротора микротурбины на воздушных подшипниках: методы моделирования и экспериментальная проверка, стр. 182» (PDF) . Международная конференция по шумовой и вибрационной инженерии. http://www.isma-isaac.be/publications/PMA_MOD_publications/ISMA2006/181-198.pdf. Проверено 7 января 2013 г. .
      9. ↑ Кей, Энтони, Разработка немецких реактивных двигателей и газовых турбин, 1930–1945 , Airlife Publishing, 2002 г.
      10. ↑ Ричард М. Огоркевич, Jane’s — The Technology of Tanks , Jane’s Information Group, p.259
      11. ↑ Уолш, Филип П.; Пол Флетчер (2004). Производительность газовой турбины (2-е изд.). Джон Уайли и сыновья. п. 25. ISBN 978-0-632-06434-2.
      12. ↑ «Первая морская газовая турбина, 1947 год» . Scienceandsociety.co.uk. 23 апреля 2008 г. http://www.scienceandsociety.co.uk/results.asp?image=10421693. Проверено 13 августа 2012 г. .
      13. Торпедный катер класса Søløven, 1965 г.
      14. Торпедный/ракетный катер класса Willemoes, 1974 г.
      15. ↑ Быстрый ракетный катер
      16. ↑ «Веб-сайт историка береговой охраны США, USCGC »Point Thatcher» (WPB-82314)» (PDF) .http://www.uscg.mil/history/webcutters/Point_Thatcher.pdf. Проверено 13 августа 2012 г. .
      17. ↑ Ченгель, Юнус А. и Майкл А. Боулс. «9-8». Термодинамика: инженерный подход. 7-е изд. Нью-Йорк: McGraw-Hill, 2011. 510. Печать.
      18. ↑ «MHI достигла температуры на входе в турбину 1600 ° C при испытательной эксплуатации газовой турбины серии J с самым высоким в мире тепловым КПД» . Мицубиси Хэви Индастриз. 26 мая 2011 г. http://www.mhi.co.jp/en/news/story/1105261435.html.
      19. ↑ Брейн, Маршалл (01.04.2000).»Как это работает». Science.howstuffworks.com. http://science.howstuffworks.com/turbine2.htm. Проверено 13 августа 2012 г. .

      Дальнейшее чтение

      • Стационарные газовые турбины внутреннего сгорания, включая масло и систему контроля превышения скорости, описание
      • «Технология авиационных газовых турбин» Ирвина Э. Тригера, почетного профессора Университета Пердью, Макгроу-Хилл, отделение Гленко, 1979, ISBN 0-07-065158-2 .
      • «Теория газовых турбин» Е.И.В. Сараванамуттоо, GFCРоджерс и Х. Коэн, Pearson Education, 2001, 5-е изд., ISBN 0-13-015847-X.
      • Лейес II, Ричард А.; Уильям А. Флеминг (1999). История малых газотурбинных авиационных двигателей Северной Америки . Вашингтон, округ Колумбия: Смитсоновский институт. ISBN 1-56347-332-1.
      • RM «Фред» Клаасс и Кристофер ДеллаКорте, «В поисках безмасляных газотурбинных двигателей», Технические документы SAE, № 2006-01-3055, доступно по адресу: http://www.sae.org/technical/papers /2006-01-3055.
      • «Модели реактивных двигателей» Томаса Кампса ISBN 0-9510589-9-1 Публикации Traplet
      • Авиационные двигатели и газовые турбины , второе издание Джека Л.Керреброк, MIT Press, 1992, ISBN 0-262-11162-4.
      • «Судебно-медицинское расследование происшествия с газовой турбиной [1]» Джона Моллоя, M&M Engineering
      • «Производительность газовой турбины, 2-е издание» Филипа Уолша и Пола Флетчера, Wiley-Blackwell, 2004, ISBN 978-0-632-06434-2 http://eu.wiley.com/WileyCDA/WileyTitle/productCd-063206434X. HTML

      Внешние ссылки

      Воздушное охлаждение на входе в турбину

      Руководство для начинающих по дизельным двигателям


      Руководство для начинающих по дизельным двигателям

      Майк МакГлотлин

      Не секрет, что большинство американцев больше привыкли к бензиновым двигателям, чем к дизелям.Статистика, собранная RL Polk, подтверждает это, поскольку в 2013 году всего 2,8 процента всех зарегистрированных пассажирских транспортных средств (легковые автомобили, внедорожники, пикапы и фургоны) работали на дизельном топливе номер 2. Безусловно, большинство людей в США ожидают найти искру. заглушки или пакеты катушек, когда они открываются капотом, а не турбокомпрессоры и ТНВД (два очень важных элемента почти на каждом дизельном двигателе, с которым вы столкнетесь, отсюда и термин «турбодизель»).

      Чтобы лучше понять различия между дизельными и бензиновыми двигателями, мы начнем со всего общего между ними.Тип топлива, сжигаемого любой силовой установкой, ничего не меняет в отношении общего устройства двигателя (например, вращение коленчатого вала, движение шатунов и поршней вверх и вниз, всасывание воздуха и выпуск выхлопных газов). На самом деле, та же базовая архитектура очень похожа. Но то, что происходит в цилиндре дизеля, сильно отличается от того, что вы найдете в его бензиновых аналогах.

      Проще всего объяснить разницу между бензиновыми и дизельными двигателями с помощью «воздуха» и «топлива».В бензиновом двигателе поток воздуха решает все. Вы дросселируете воздух. Дизельная мельница — полная противоположность. Он работает на предпосылке дросселирования количества впрыскиваемого топлива — воздух просто следует его примеру. Поэтому нет необходимости дросселировать поступающий воздух. С этой целью в дизельном двигателе также не создается вакуум.

      Воздухозаборник

      Для наших целей мы будем использовать четырехтактный дизельный двигатель с турбонаддувом и промежуточным охлаждением, чтобы проиллюстрировать поток воздуха и топлива в современной дизельной электростанции.Свежий воздух поступает в корпус компрессора (со стороны впуска) турбонагнетателя и сжимается в крыльчатке компрессора, где создается наддув. Это делает воздух более плотным, но и намного теплее.

      Чтобы охладить сжатый воздух перед тем, как он попадет в головку(и) цилиндра, он направляется через охладитель наддувочного воздуха (также известный как промежуточный охладитель). Наиболее часто используемый тип промежуточного охладителя относится к типу воздух-воздух и представляет собой, по сути, простой теплообменник. Интеркулер значительно снижает температуру всасываемого воздуха на пути к двигателю и делает это с минимальной потерей наддува.

      Воспламенение от сжатия

      Все становится интереснее, когда сжатый воздух нагнетается в цилиндр. Во время такта впуска, когда поршень опускается до нижнего предела своего диапазона, впускной клапан (клапаны) открывается, позволяя «недросселированному» воздуху заполнить цилиндр. Он отличается от бензинового двигателя двумя способами: 1) газовые двигатели вводят смесь топлива и воздуха во время такта впуска и 2) в дизеле воздух всасывается только во время такта впуска. Затем впускной клапан (клапаны) закрывается, и начинается такт сжатия.Когда поршень движется вверх, воздух, который когда-то заполнял цилиндр, теперь занимает всего 6% площади, которую он занимал раньше. Этот воздух под огромным давлением мгновенно нагревается до более чем 400 градусов — этого тепла более чем достаточно, чтобы дизельное топливо воспламенилось само по себе. И именно это и происходит в верхней части хода поршня. Ранее упомянутый перегретый воздух встречается с порцией дизельного топлива (выпускаемой в цилиндр соответствующей топливной форсункой) в течение идеального промежутка времени до того, как поршень достигнет верхней мертвой точки, и произойдет сгорание.Поскольку дизельный двигатель использует теплоту сжатия для воспламенения топлива, для запуска процесса сгорания не требуется вспомогательных средств (например, свечи зажигания, например, в бензиновом двигателе).

      Турбокомпрессоры делают дизели такими, какие они есть: великолепными

      Последним этапом работы является такт выпуска, при котором отработавшие газы сгорания вытесняются из выпускных клапанов через выпускной коллектор в турбинную (выпускную) сторону турбонагнетателя. В вашем обычном бензиновом двигателе нет турбонагнетателя, а это означает, что выхлопные газы сразу же направляются в выхлопную трубу.Это не так в дизеле, так как турбонагнетатель, который отвечает за нагнетание свежего воздуха в двигатель, фактически использует выхлопные газы, оставляя его для собственного движения. Поскольку турбонагнетатель состоит из турбинного (выпускного) колеса, имеющего общий вал с компрессорным (впускным) колесом, выхлопные газы всегда требуются для подачи воздуха в двигатель. Одно зависит от другого. Мы разберем важность турбонагнетателя следующим образом: вы дросселируете топливо (направляя дизельное топливо в двигатель), происходит сгорание, выхлопные газы покидают двигатель, вращая колесо турбины на выходе, которое вращает колесо компрессора, вводя воздух. в двигатель.Бесконечный цикл, если хотите. Термический КПД дизельного двигателя улучшается за счет турбонагнетателя, так как он увеличивает объем поступающего в него воздуха, что закладывает основу для сжигания большего количества топлива.

      Различия в сгорании

      Одно из основных различий между дизельными и газовыми двигателями заключается в типе сгорания, который используется в каждом из них. Как обсуждалось выше, в дизеле, когда топливо наконец встречается со сжатым воздухом в цилиндре, происходит сгорание. В бензиновом двигателе топливо и воздух смешиваются еще до того, как произойдет сгорание.Но вдобавок ко всему, камера сгорания каждого двигателя имеет различное расположение. В типичном бензиновом двигателе камера сгорания утоплена в головку(и) блока цилиндров. В дизельном двигателе с непосредственным впрыском камера сгорания фактически находится внутри поршня. Эта камера сгорания чаще всего имеет конструкцию «мексиканской шляпы», которая состоит из углубленного отверстия в центре поршня. На дне этого углубления имеется конусообразный выступ. Когда топливная форсунка расположена прямо над ним, именно этот выступ обеспечивает оптимальное распыление топлива и совершенный процесс сгорания.Более 99 процентов всех дизельных двигателей используют конструкцию мексиканской шляпы из-за того, что центр поршня принимает на себя основную тяжесть взрыва при сгорании, а не головка поршня. Это придает поршню исключительную надежность.

      Прямой впрыск

      Проще говоря, прямой впрыск означает, что форсунки системы выступают и распыляют непосредственно на верхнюю часть поршня. Здесь нет форкамеры или вихревой камеры, и топливу не нужно проходить через впускной коллектор, прежде чем попасть в цилиндр.При непосредственном впрыске весь процесс сгорания происходит быстрее, проще и намного эффективнее, чем в типичном бензиновом двигателе с многоточечным впрыском топлива. Дизели с непосредственным впрыском топлива также работают при очень бедном соотношении воздух/топливо по сравнению с бензиновыми двигателями. Типичное соотношение воздух/топливо от 25:1 до 40:1 (дизель) по сравнению с 12:1 до 15:1 (бензин) дает некоторое представление о том, почему дизели настолько консервативны в расходе топлива. Эффективность дополнительно подтверждается тем фактом, что современные дизельные двигатели с непосредственным впрыском впрыскивают топливо при давлении, приближающемся (или, в некоторых случаях, превышающем) 30 000 фунтов на квадратный дюйм.Это обеспечивает наилучшее возможное распыление не только для эффективного сжигания, но и для сжигания с низким уровнем отходящего тепла.

      Зависимость начала впрыска от времени

      Хотя термин «синхронизация» часто можно услышать как в бензиновом, так и в дизельном мире, это одно слово означает две совершенно разные вещи в зависимости от того, с каким типом двигателя вы имеете дело. Излишне говорить, что важно различать их. В бензиновом двигателе синхронизация относится к началу сгорания. В дизеле синхронизация — это начало впрыска или SOI (когда форсунка начинает впрыскивать топливо в цилиндр).Опять же, все сводится к тому, что топливо (и система впрыска) является ключевым аспектом дизельного двигателя.

      Крутящий момент. Много этого.

      Кто-то, кто не знаком с дизельными двигателями, часто задается вопросом, почему и как они создают такой впечатляющий крутящий момент. Отношение крутящего момента к мощности в дизельных двигателях редко бывает ниже 2:1, а в двигателях тяжелой промышленности обычно наблюдается соотношение 3:1 и даже 4:1. Бензиновые двигатели гораздо ближе к соотношению 1:1. Причина, по которой дизельные двигатели производят такой большой крутящий момент, связана с тремя ключевыми моментами: 1) наддув, создаваемый турбокомпрессором, 2) ход поршня и 3) давление в цилиндре.

      В настоящее время серийные дизельные двигатели имеют наддув от 25 до 35 фунтов на квадратный дюйм прямо с завода. Для сравнения, наддув в 10 фунтов на квадратный дюйм часто считается чрезмерным для бензиновых двигателей. Самое лучшее в сжатом впускном воздухе (т. е. наддуве) в дизельном двигателе заключается в том, что он снижает насосные потери двигателя на такте впуска и увеличивает давление в цилиндре на рабочем такте (сгорание).

      Коленчатые валы с длинным ходом всегда способствовали созданию крутящего момента, будь то бензиновый или дизельный двигатель.Но почему? Посмотрите на это так, как будто вы используете длинный гаечный ключ, чтобы ослабить чрезвычайно тугой болт, а не более короткий гаечный ключ, который не мог выполнить эту работу с самого начала. Вы можете применить больший крутящий момент с большим рычагом, верно? Конечно вы можете. В длинноходном двигателе шатун может прикладывать большее усилие при вращении коленчатого вала (в то время как поршень опускается во время рабочего такта): следовательно, больше крутящий момент.

      Как вы, возможно, уже поняли, тип давления в цилиндре, создающий крутящий момент, создается во время рабочего такта.Увеличение времени впрыска, которое происходит в цилиндре с более ранним началом впрыска (SOI), эффективно создает большее давление на верхнюю часть поршня. При большем давлении, создаваемом в верхней части поршня, создается больший крутящий момент.

      Перестроенный

      Экстремальное давление в цилиндре, длинный ход поршня и высокий уровень наддува не только объясняют, почему дизели создают крутящий момент, но также и то, почему дизельные электростанции строятся с такими сверхмощными компонентами. Чтобы противостоять огромным нагрузкам, производители используют чугунные блоки с глубокой юбкой (и даже чугун с уплотненным графитом), коленчатые валы и шатуны из кованой стали, а также обычно используют головки цилиндров с не менее чем 6 головками болтов на цилиндр.Цельностальные поршни даже получили признание во многих двигателях тяжелой промышленности и класса 8. В целях долговечности дизельные двигатели перестраиваются. В дизелях малого объема нередко можно обнаружить заводскую штриховку, все еще присутствующую в цилиндрах после 300 000 миль использования. И вполне естественно, что внедорожный двигатель класса 8 проходит от 750 000 до 1 000 000 миль между капитальными ремонтами.

      Дизель здесь, чтобы остаться

      Метод сгорания, впрыска топлива и зажигания, используемый в дизельном двигателе, определенно отличает его от бензинового аналога.Преимущество дизеля в экономии топлива по сравнению с бензиновыми электростанциями — это то, что выдвинуло его на передний план сегодняшнего разговора об экономии топлива. Поскольку стандарты CAFE (средняя корпоративная экономия топлива) быстро приближаются, шумиха вокруг гибридных автомобилей кажется плоской, а электромобили не могут предложить достаточный запас хода, в ближайшие годы все больше производителей обратятся к дизельным электростанциям, чем когда-либо прежде. Будьте уверены, дизельные двигатели не просто никуда не денутся — они вполне могут стать двигателем будущего.

      Источники:

      Журнал Diesel Power
      Выпуск за апрель 2009 г., стр. 50

      The Diesel Forum (данные Р.Л. Полка)
      http://www.dieselforum.org/resources/top-10-states-of-diesel-drivers

      TTS Power Systems (Начало впрыска)

      Книга: « Современные дизельные технологии: дизельные двигатели »
      Шон Беннетт

      Как это работает: дизельные двигатели
      http://www.dieselpowermag.com/tech/1208dp_how_it_works_diesel_engines/


      .

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован.

    *