Турбина принцип работы автомобильная: Где находится турбина в автомобиле. Принцип работы турбины на дизельном двигателе. Автомобильная турбина — что это такое

Содержание

Что такое автомобильный турбокомпрессор — устройство и как работает

Многие слышали слово «турбо», но толком не представляют — что это такое. Это обозначение скрывает наличие турбокомпрессора двигателя под капотом машины. Расскажем что такое автомобильный турбокомпрессор, как работает (устройство) и для чего нужен.

Как работает

Турбокомпрессор — это устройство для увеличения мощности мотора за счет большего подаваемого воздуха в цилиндры. Принцип работы турбокомпрессора в следующем: в мотор попадает топливовоздушная смесь, которая сгорая уходит в выхлопную трубу. На входе выпускного коллектора стоит крыльчатка, которая жестко соединена с другой крыльчаткой, находящейся на впускном коллекторе.

Когда, выхлопные газы выходят из мотора, они раскручивают крыльчатку, которая находится во выпускном коллекторе. Та в свою очередь раскручивает крыльчатку в впускном коллекторе.

В двигатель поступает больше воздуха, а соответственно и топлива. Чем больше сгорает топлива, тем больше мощность.

И, чтобы сжечь больше топлива, нужно больше количества воздуха. Турбокомпрессор мотора поставляет больше воздуха, в результате получаем существенную прибавку в мощности машины.

Что такое интеркулер? Он нужен для охлаждения подаваемого воздуха в авто. Нельзя бесконечно много подавать воздуха, т.к повышается его плотность при нагреве. Для охлаждения используют интеркулер — дополнительный радиатор.

Что такое турбояма

Следует отметить, что крыльчатка может развивать до 200 000 оборотов в минуту. Вследствие этого, у турбокомпрессора имеется большая инерционность, которая получила в народе название «турбояма».

Суть турбоямы в следующем. При резком нажатии на педаль газа, крыльчатка очень медленно набирает обороты и оттого приходиться ждать несколько секунд, когда начнет поступать воздух в двигатель. Благо, производители в той или иной степени избавились от данного эффекта, а именно стали устанавливать два перепускных клапана или ставить турбины с изменяемой геометрией.

Первый перепускной клапан предназначен для отработавших газов, а второй, чтобы перепускать излишний воздух из впускного коллектора в трубопровод до турбокомпрессора двигателя.

Что получается? При сбросе газа обороты крыльчатки турбо уменьшаются очень медленно. А если будет резко нажата педаль газа, то воздух в двигатель поступит в полном объеме. Эффект турбоямы равен времени открытия перепускного клапана.

Также применяется механизм изменения геометрии турбины. Дополнительное кольцо с управляемыми лопатками позволяет поддерживать поток выхлопных газов не только постоянным, но и управлять им. На низких оборотах, когда поток невелик, поперечное сечение турбины уменьшается, что увеличивает скорость газов, поступающих на колесо, повышая ее мощность. На высоких оборотах лопасти полностью открывают вход газам, увеличивая пропускную способность турбины.

Что такое перепускной клапан турбины

Его цель — пустить часть выпускного газа в обход турбины, таким образом ограничив скорость вращения крыльчатки и соответственно и давление на впускном коллекторе.
Они бывают двух видов: внутренние и внешние. На большинстве автомобильных турбокомпрессоров используются внутренние. Внешние перепускные клапана, устанавливаются отдельно от турбины и ставятся на гоночные машины. Они более надежны, но их размер часто не способствует удачному расположению под капотом гражданской машины. Одно из преимуществ внешнего клапана — возможность регулировки механизма.

Битурбо или твинтурбо

В первом случае, это означают наличие двух турбокомпрессоров двигателя авто, установленных параллельно, а втором — наличие трех турбокомпрессоров. Часто «битурбо» или «твинтурбо» используют лишь на спортивных автомобилях, а также на гражданских машинах со спортивными параметрами. Применение нескольких турбокомпрессоров выгодно, т.к. они отличаются размерами. Один будет обладать большей инерцией, а другой — меньшей. В итоге первый турбокомпрессор автомобиля будет работать при малых и средних оборотах двигателя, а второй при оборотах близких к максимальным.

Турботаймер

Для сохранения ресурса после работы на повышенных оборотах турбина должна «отдохнуть» 1-2 минуты на холостом ходу.
Это нужно, чтобы при остановке разгоряченной оборотами турбины, масло на подшипниках не вскипело, поэтому она крутится на холостых оборотах постепенно снижая температуру. Поработав несколько минут, турбина остывает, и двигатель можно заглушить.

Устройство, именуемое турботаймером, позволяет при выключении зажигания глушить двигатель через время, которое можно запрограммировать, либо оно определяется автоматически, исходя из температуры мотора. В отсутствие такого прибора водитель должен обеспечить «режим остывания» самостоятельно. Производители штатно не ставят турботаймер из-за норм экологии — чтобы не загрязнять окружающую среду при холостой работе мотора.

Зачем нужна автомобильная турбина | Блог

Зачем нужна автомобильная турбина

Двигатель внутреннего сгорания достигает максимального коэффициента полезного действия при условии оптимально скомпонованной горючей смеси. Массовая доля воздуха и топлива должна находиться в таком соотношении, чтобы оба компонента сгорели без остатка.

Чтобы достичь максимально точной компоновки, электронный блок управления автомобиля анализирует количество поступающего в камеры сгорания воздуха. Согласно этих данных, он подает в рабочие цилиндры определенное количество топлива, которое, исходя из расчетов, должно сгореть полностью. Таким образом, чем больше в камеры сгорания подается воздуха, тем больше следует впрыснуть топлива.

В бензиновых двигателях это регулируется дроссельной заслонкой. В дизельных силовых агрегатах за выполнение этой задачи отвечает турбина автомобильная, в задачи которой входит подача воздуха в камеры сгорания под давлением. Без нее воздух засасывается самопроизвольно, за счет разрежения в цилиндрах двигателя. Работа турбокомпрессора позволяет принудительно закачать в камеры сгорания больше воздуха, создавая обогащенную топливную смесь, что повышает мощность мотора. Рассмотрим конструкцию и принцип работы данного агрегата.

Благодаря ее работе в цилиндры двигателя попадает больше воздуха

Устройство турбокомпрессора и принцип работы

Конструкция турбины проста и для работы не требует дополнительных энергоносителей, так как она обеспечивается за счет движения выхлопных газов.

Рассмотрим устройство турбокомпрессора:

  • Улитка компрессора, через которую засасывается воздух для дальнейшего нагнетания в коллектор впуска.

  • Горячая улитка, через которую проходят выхлопные газы.

  • Корпус.

Корпус закрывает все элементы, имеет систему охлаждения и шарикоподшипниковый картридж на оси, соединяющей крыльчатки, расположенные в каждой улитке. С учетом того, что агрегат работает под термической нагрузкой, достигающей 900°C, корпус отливается из чугуна. Такая простая конструкция практически не требует обслуживания. Самым слабым участком считается шарикоподшипниковый картридж, так как он работает под осевыми и радиальными нагрузками.

Теперь, понимая как устроена турбина, принцип работы ее понять несложно. Горячая улитка расположена на пути следования выхлопных газов, проходя через нее, они раскручивают крыльчатку. Соответственно, она вращает ось, закрепленную посредством шарикоподшипникового картриджа, и крыльчатку компрессора.

Последняя закачивает воздух, создавая в системе давление. За счет этого и увеличивается количество подаваемого воздуха в камеры сгорания. Эффективность достигается за счет того, что при максимальном разгоне ось с крыльчатками вращается со скоростью до 200 тысяч об/мин.

Схема охлаждения турбокомпрессора

Поскольку горячая улитка находится под термическим воздействием, корпус агрегата нуждается в системе охлаждения. В зависимости от того, какой установлен турбокомпрессор, устройство системы охлаждения может быть реализовано двумя техническими решениями. Рассмотрим каждое из них индивидуально.

Охлаждение маслом

Агрегат подключается к масляной системе двигателя и за счет него охлаждается. Из преимуществ такого решения стоит отметить простоту конструкции, а также более низкую себестоимость самой турбины. Однако следует учитывать, что турбокомпрессор, принцип работы охлаждения которого основан на масляной системе двигателя, требует использования качественного смазочного материала высокой степени очистки.

Кроме того, имея в конструкции такую турбину, моторное масло придется менять чаще. Если в системе циркулирует смазочный материал, частично потерявший свойства, под воздействием температуры он коксуется, препятствуя нормальной работе шарикоподшипникового картриджа. В результате он заклинивает и выходит из строя.

Комплексное охлаждение маслом и антифризом

Следующим шагом в развитии системы охлаждения турбины стал комплексный метод, когда совместно используются возможности масляных и охлаждающих каналов двигателя. Такая турбина в машине лучше охлаждается, а потому считается более долговечной, так как негативное термическое воздействие значительно меньше. Секрет в том, что в конструкции предусмотрено два контура. По одному циркулирует смазочный материал масляной системы двигателя, по-другому — антифриз участка охлаждения мотора. Следовательно, тепло отводится не только смазкой посредством корпуса двигателя, но и антифризом через радиатор в передней части автомобиля.

Несмотря на высокую производительность такого технического решения, оно имеет и недостатки. Во-первых, повышается себестоимость данного агрегата, а во-вторых, устройство турбины становится сложнее. Как следствие, она требует частого обслуживания, а проблемы с охлаждением возникают чаще. Тем не менее высокая производительность и отсутствие вероятности закипания масла наделяют такие устройства более высокими эксплуатационными характеристиками, что считается важнее, чем их стоимость и затраты на обслуживание.

Как выбрать турбокомпрессор

Данные устройства не взаимозаменяемы, а потому нельзя заменить турбину с комплексным охлаждением на аналог с масляным. Более того, каждый, кто разобрался, как работает турбина в машине, понимает, что такие устройства необходимо подбирать исключительно по VIN-коду автомобиля. Это позволит избежать ошибки, купив агрегат имеющий отличия от заводского. Выбирая турбину в нашем интернет-магазине, вы можете оставить заявку эксперту. Он поможет подобрать турбокомпрессор к вашему автомобилю.

 

Устройство и принцип работы турбины


Устройство и принцип работы турбины


Турбина (турбокомпрессор) стала определяющим агрегатом в деле увеличения мощности моторов.
Что такое турбина и для чего она нужна?

Турбина — устройство в автомобиле, которое направлено на увеличение давления во впускном коллекторе автомобиля для того, чтобы обеспечить большее поступление воздуха, а значит и кислорода, в камеру сгорания. Главное назначение турбины – с ее помощью можно значительно увеличить мощность автомобиля. При увеличении давления во впускном коллекторе на 1 атмосферу в камеру сгорания попадет в два раза больше кислорода, а значит от небольшого турбового двигателя можно ожидать мощности как от атмосферника с объемом в два раза больше — грубая теоретическая арифметика не лишенная смысла…

Принцип работы турбокомпрессора

Принцип работы турбины несложен: горячие выхлопные газы через выпускной коллектор поступают в горячую часть турбины, проходят через крыльчатку горячей части приводя ее и вал на который она крепится в движение. На этом же вале закреплена крыльчатка самого компрессора в холодной части турбины, эта крыльчатка при вращении создает давление во впускном тракте и впускном коллекторе, что обеспечивает большее поступление воздуха в камеру сгорания.

Устройство турбины

Турбина состоит из двух улиток — улитки компрессора, через которую всасывается воздух и нагнетается во впускной коллектор, и улитки горячей части, через которую проходят выхлопные газы вращая колесо турбины и выходят в выхлопной тракт. Из крыльчатки компрессора и крыльчатки горячей части. Из шарикоподшипникового картриджа. Из корпуса, который соединяет обе улитки, держит подшипники, так же в корпусе находится охлаждающий контур.

В процессе работы турбина подвергается очень большим термодинамическим нагрузкам. В горячую часть турбины попадают выхлопные газы очень большой температуры 800-9000 °С, поэтому корпус турбины изготавливают из чугуна особого состава и особого способа отливки.

Частота вращения вала турбины достигает 200 000 об/мин и более, поэтому изготовление деталей требует большой точности, подгонки и балансировки. Помимо этого в турбине высокие требования к используемым смазочным материалам. В некоторых турбинах система смазки служит так е системой охлаждения подшипниковой части турбины.

Система охлаждения турбин

Система охлаждения турбин двигателя служит для улучшения теплоотдачи частей и механизмов турбокомпрессора. Существует два самых распространенных способа охлаждения деталей турбокомпрессора — охлаждение маслом, которое используется для смазки подшипников и комплексное охлаждение маслом и антифризом из общей системы охлаждения автомобилем.

Оба способа имеют ряд преимуществ и недостатков. Охлаждение маслом. Преимущества:

  • Более простая конструкция
  • Меньшая стоимость изготовления самой турбины

Недостатки:

  • Меньшая эффективность охлаждения по сравнению с комплексной системой
  • Более требовательна к качеству масла и к его более частой смене
  • Более требовательна к контролю за температурным режимом масла

Изначально, большинство серийных двигателей с турбонаддувом оснащались тубинами с масляным охлаждением. При прохождении через шарикоподшипниковую часть масло сильно нагревалось. Тогда, когда температура выходила за пределы нормального рабочего температурного диапазона, масло начинало закипать, коксоваться забивая каналы и ограничивая доступ смазки и охлаждения к подшипникам. Это приводило к быстрому износу, заклиниванию и дорогостоящему ремонту. Причин у неполадки могло быть несколько — некачественной масло или не рекомендованное для данного типа двигателей, превышение рекомендованы сроков замены масла, неисправности в системе смазки двигателя и пр.

Комплексное охлаждение маслом и антифризом Преимущества:

  • Большая эффективность охлаждения

Недостатки:

  • Более сложная конструкция самого турбокомпрессора, как следствие большая стоимость

При охлаждении турбины маслом и антифризом повышается эффективность и такие проблемы, как закипание и коксование масла, практически не встречаются. Но данная систем охлаждения имеет более сложную конструкцию т.к. имеет раздельные масляный контур и контур охлаждающей жидкости. Масло как и прежде служит для смазки подшипников и для охлаждения, а антифриз, который используется из общей системы охлаждения двигателя, не дает перегреться и закипеть маслу. Как следствие увеличивается стоимость самой конструкции.

При работе турбины воздух под действием компрессора сжимается и, как следствие, очень сильно греется, что приводит к нежелательным последствиям т.к. чем выше температура воздуха, тем меньшее количество кислорода в нем содержится — тем меньше эффективность наддува. С этим явлением призван бороться интеркулер — промежуточный охладитель воздуха.

Нагрев воздуха не единственная проблема, с которой пытаются справиться конструкторы при проектировании турбодвигателя. Насущной проблемой является инерционность турбины (лаг турбины, турбояма) — задержка в реакции мотора на открытие дроссельной заслонки. Турбина выходит на пик своих возможностей при определенных оборотах двигателя, отсюда и появилось мнение, что турбина включается при определенных оборотах. Турбина в большинстве случаев, работает всегда, а значение оборотов при которых ее эффективность максимальная у каждого двигателя и у каждой турбины разные. В погоне за решением этой проблемы появились системы их двух турбин (твин-турбо, twin-turbo, би-турбо, biturbo), твин-скрол (twin-scroll) турбины, турбины с изменяемой геометрией сопла и изменяемым углом наклона крыльчатки (VGT), изменяются материалы частей чтобы повысить прочность и увеличить вес (керамические лопатки крыльчатки) и пр.

Twin-turbo (твин-турбо) — система при которой используются две одинаковые турбины. Задача данной системы повысить объем или давление поступающего воздуха. Используется когда необходима максимальная мощность на высоких оборотах, например в драг-рейсинге. Такая система реализована на легендарном японском автомобиле Nissan Skyline Gt-R с двигателем rb26-dett.

Такая же система, но с маленькими одинаковыми турбинами позволяет добиться прироста мощности при небольших оборотах и держать наддув постоянным до красной зоны.

Biturbo (би-турбо) — систем а с двумя разными турбинами, которые соединены последовательно. Система устроена таким образом, что при низких оборотах работает маленькая турбина, обеспечивая хороший отклик на малых оборотах, при определенных условиях «включается» большая турбина и обеспечивает наддув при высоких оборотах. Это позволяет автомобилю уменьшить лаг двигателя и получить хороший прирост производительности во всем диапазоне работы двигателя.

Такая систем турбонаддува используется в автомобилях BMW biturbo.

Турбина с изменяемой геометрией (VGT) — система при которой лопатки крыльчатки в горячей части могут изменять угол наклона к потоку выхлопных газов.

При малых оборотах двигателя пропускное сечение прохода выхлопных газов становится более узкое и «выхлоп» проходит с большей скоростью и большей отдачей энергии. Когда обороты двигателя увеличиваются проходное сечение становится шире и и уменьшается сопротивление движению выхлопных газов, но при этом достаточно энергии для создания необходимого давления компрессором. Чаще систему VGT используют на дизельных двигателях т.к. там меньше тепловые нагрузки, меньшая скорость вращения ротора турбины.

Twin-scroll ( двойная улитка) — система состоит из двойного контура движения выхлопных газов энергия которых вращает один ротор с крыльчаткой и компрессором. При этом существует два типа реализации когда выхлопные газы идут по обоим контурам сразу, при этом система работает как twin-turbo в одном корпусе — выхлопные газы делятся на два потока каждый из которых идут в свой контур горячей части раскручивая ротор турбины. Второй тип реализации работает на подобии системы biturbo — горячая часть имеет два контура с разной геометрией, при низких оборотах выхлопные газы направляются по меньшему контуру, который увеличивает скорость и энергию прохождения за счет небольшого диаметра, при повышении оборотов двигателя выхлопные газы двигаются по контуру диаметр которого больше — тем самым сохраняется рабочее давление в системе впуска и не создается запора на пути выхлопных газов. Это все регулируется клапанами, которые переключают поток из одного контура в другой.

История создания паровой турбины

В ходе истории было предпринято большое количество попыток создания механизмов, похожих на паровую турбину именно в том виде, какой мы ее рассматриваем сейчас. Можно сказать, что все началось еще в I веке. Герон Александрийский создал интересный механизм (рисунок 2). Но его потенциал не оценили и восприняли как забавную игрушку.

Рисунок 2. Геронов шар

Это изобретение по праву можно назвать первым прототипом паровой турбины. В котле кипела вода и образовывался пар. По трубке пар подавался к шару и вылетал из сопел. Шар начинал вращаться.

Считается, что первую паровую турбину создал в 1883 году шведский изобретатель Густав Лаваль. В 1889 году Лаваль дополнил сопла турбины коническими расширителями. Такой вариант сопел стал прародителем будущих ракетных сопел. Турбина Лаваля стала прорывом в инженерии.

С этого момента турбины стали активно использовать для приведения в действие электрогенераторов. В этом же году количество используемых турбин выросло до трехсот.

В 1894 году английский инженер Чарлз Парсонс построил опытное судно “Турбиния” с приводом от паровой турбины. Скорость этого судна достигала $60 \frac{км}{ч}$. В настоящее время судно находится в музее Newcastle’s Discovery Museum (рисунок 3), а её турбина находится в Лондонском музее науки.


Рисунок 3. “Турбиния” в музее Newcastle’s Discovery Museum

Ресурс турбины дизельного двигателя

Включение турбины дизельного двигателя происходит с самыми первыми его оборотами. Заканчивается же уже немного позже его первичной остановки. При непосредственном пуске мотора выхлопные газы сразу же попадают в турбинную улитку, а это, в свою очередь, приводит вал с крыльчатками в движение.

На самих холостых оборотах у выхлопных газов наблюдается маленькое давление, вследствие чего вращение турбины и ее скорость не влияет на весь объем воздух, который попадает непосредственно в двигатель.

Увеличение количества выхлопных газов сопутствуется ростом оборотов. Вследствие этого процесса обороты турбокомпрессора увеличиваются, а турбина начинает свою эксплуатацию в штатном режиме. В автомобильном «мифовом» мире существует теория, что ресурс турбины у дизельного двигателя очень невысок.

Рекомендуем: Назначение, устройство и виды подвесок автомобиля

Миф этот нужно развеять, так как он не соответствует действительности. Сам ресурс турбины дизельного двигателя сравняется по долговечности ресурса мотора. Он немного меньше чем он, так как это вызвано его деятельностью и спецификой работы.

Зачастую ресурс турбокомпрессора, вследствие плохого эксплуатирования и несоблюдения всех правил и рекомендаций производителей, снижается. Сопутствуют этому следующие моменты:

1. Использование некачественной смазки.

2. Несвоевременная замена масла.

3. Резкий набор оборотов при холодном и непрогретом двигателе.

4. Остановка горячего двигателя, если он не выдерживается на холостом ходу.

5. Засор каналов масла. В результате этого перебои подачи смазки неизбежны.

Срок службы турбины никоим образов не является зависимым от уровня умения владения автомобилем водителя. Это миф. На практике же, эксплуатация турбины дизельного двигателя не имеет сложностей даже для новичков.

Для того, чтобы двигатель работал бесперебойно нужно соблюдать все те же правила, которые используются при использовании обычного мотора. Нужно лишь учитывать минимальные вышеуказанные нюансы.

Принцип работы автомобильного турбокомпрессора

Турбокомпрессор является сложным устройством, используемым в целях увеличения мощностных характеристик двигателя благодаря большему количеству воздуха, который подается в цилиндры. Принцип работы турбокомпрессора сводится к следующему:

  • при попадании в мотор топливовоздушной смеси происходит ее сгорание, которая затем выходит через выхлопную трубу. В начале выпускного коллектора установлена крыльчатка, крепко соединенная с другой крыльчаткой, расположенной уже во впускном коллекторе;
  • поток выходящих из двигателя выхлопных газов раскручивает крыльчатку, находящуюся в выпускном коллекторе, которая в свою очередь приводит в движение крыльчатку, установленную на впуске;
  • так, в мотор поступает большее количество воздушной массы, а значит, в него подается и больше топлива. Как известно, чем больше сгорает топливной смеси, тем мощнее становится двигатель. Задача автомобильного турбокомпрессора как раз и состоит в том, чтобы поставлять в силовой агрегат больше воздуха для сжигания большего количества топлива, за счет чего и достигается значительная прибавка мощности.

Эксплуатация дизельного двигателя с турбиной

Нужна регулярная проверка состояния воздушного фильтра при эксплуатации дизельного двигателя и его турбины. Это нужно потому, что при загрязнении фильтра возникает большое давление на всасывании воздуха.

Это, в свою очередь, приводит к тому, что работоспособность и производительность компрессора снижается. Из-за того, что масло имеет высокую степень вязкости ощущается дефицит смазки при запуске холодного двигателя. Именно поэтому мотор с турбиной требует значительного прогрева перед началом полноценной работы.

Рекомендуем: Что такое карданный вал, принцип работы и ремонт

Ниже указаны основные признаки при неисправностях турбин дизельного двигателя:

1. Двигатель не может набрать максимальные обороты, а также присутствует черный выхлоп. Это скорее всего вызвано из-за недостаточного поступления воздуха. Таким образом можно определить, что воздушный канал был загрязнен. Также, можно предположить, что выпускной коллектор разгерметизировался. Очень часто наблюдается утечка через слабые и неплотные соединения патрубков.

2. Также, о неисправности турбины может рассказывать синий цвет у выхлопного газа. Основной причиной этого может быть попадание масла в сам выхлопной коллектор. В данном случае нужно проверить целостность роторов, а также полное состояние всей сливной системы, которая идет от турбины непосредственно к двигателю. Иногда в ней могут образовываться засоры и сужения.

3. Громкая работа двигателя также свидетельствует о неисправности его турбины. Для того, чтобы определить причины этого нужно очень тщательно проверить всю герметичность трубопроводов и легкость вращения оси у компрессора. Может быть такое, что были повреждены роторы, или деформированы, или чересчур потерты. В таком случае необходим демонтаж всего узла для полного осмотра и дальнейшего ремонта.

Подписывайтесь на наши ленты в таких социальных сетях как, Facebook, Вконтакте, Instagram, Pinterest, Yandex Zen, Twitter и Telegram: все самые интересные автомобильные события собранные в одном месте.

Что такое турбо-яма?

Стоит добавить, что крыльчатка турбокомпрессора способна развивать до двухсот тысяч оборотов в минуту, благодаря чему данное устройство отличается большой инерционностью или, говоря иначе, имеет «турбо-яму», которая проявляется при резком нажатии на педаль газа. В этот момент крыльчатка медленно приводится в движение, и приходится некоторое время ждать, чтобы автомобиль начал набирать скорость.

Этот эффект имеет продолжительность всего несколько секунд, но, тем не менее, он не доставляет особого удовольствия при разгоне машины. На сегодняшний день производители, так или иначе, смогли устранить эффект «турбо-ямы» путем установки двух перепускных клапанов. Один предназначен для выработанных газов, задача второго состоит в том, чтобы перепускать избыток воздуха в трубопровод турбокомпрессора из впускного коллектора.

Благодаря этой системе обороты крыльчатки при сбросе газа уменьшаются в замедленном темпе, в то время как при резком нажатии на педаль акселератора происходит поступление воздушной массы в двигатель в полном объеме.

Усовершенствование турбонаддува

Решая проблемы устройства турбин, конструкторами была разработана схема, в которой соединились нагнетатели двух компрессоров. Эта конструкция получила название twin-turbo.

Конструкция турбины твин-турбо

В такой системе используются параллельно пара одинаковых турбин. Их задача — повысить давление и объем поступающего воздуха. Система управления включает твин-турбо в момент, когда необходимо получить на повышенных оборотах максимальную мощность.

Подобный компрессор реализован в прославленном японском авто бренда Nissan, который получил имя Skyline Gt-R.

Двигатель ниссан с системой твин-турбо

В нем установлен мотор rb26-dett. Аналогичная система, однако, оснащенная одинаковыми небольшими турбинами позволяет получить заметный прирост мощности даже при малых оборотах, при этом поддерживать турбонаддув постоянно.

Последовательное соединение разных турбин получило название Bi-turbo.

Конструкция турбины би-турбо

Конструкция устроена так, что при невысоких оборотах функционирует лишь маленькая турбина, которая обеспечивает «отзывчивость» при плавно изменяемой скорости. Если обороты резко возрастают, включается «крупная» турбина». Это позволяет машине получить значительный прирост производительности, причем в любом диапазоне функционирования двигателя. Подобная система реализована в моделях BMW biturbo, тюнинг которых вызывает восхищение.

Система би-турбо от БМВ

Автомобильные турбины — принцип работы

Главная | Энциклопедия автомобильных знаний

Несомненно, Вы слышали слово «турбина», прежде всего в разговорах энтузиастов автотюнинга, но все, что Вы знаете о турбине — это то, что с ней двигатель становится мощнее. Но что именно происходит под капотом? Давайте откроем капот и посмотрим. Турбокомпрессор увеличивает объём воздушно-топливной смеси путем подачи дополнительного сжатого воздуха в цилиндры двигателя, что, в свою очередь, дает дополнительную мощность и больший крутящий момент. Основными частями практически любого турбокомпрессора являются турбина и центробежный воздушный насос, связанные между собой при помощи общей жесткой оси. Оба этих элемента вращаются в одном направлении и с одинаковой скоростью (его обороты достигают 130. 000 об/мин!). Энергия потока отработавших газов, которая в обычных двигателях не используется, преобразовывается здесь в крутящий момент, приводящий в действие турбокомпрессор.

Происходит это так. Выходящие из цилиндров двигателя отработавшие газы подаются на крыльчатку турбины, которая преобразует их кинетическую энергию в механическую энергию вращения (крутящий момент). Компрессор представляет собой похожую крыльчатку, установленную на другом конце оси. Он засасывает свежий воздух через воздушный фильтр, сжимает его и подает в цилиндры двигателя. Количество топлива, которое можно смешать с воздухом, при этом можно увеличить, что позволяет двигателю развивать большую мощность.

Общеизвестен факт, что турбокомпрессор является надежным и долговечным узлом. Его ресурс сравним с ресурсом двигателя. На нормально работающем двигателе, который своевременно и качественно обслуживается, турбокомпрессор может безотказно работать в течение долгих лет.

Все выходы из строя турбокомпрессоров являются следствием трех основных причин.

  1. Работа турбокомпрессора на загрязненном масле.
  2. Попадание в турбокомпрессор посторонних предметов.
  3. Масляное голодание вследствие недостаточной прокачки масла через подшипниковый узел турбокомпрессора.

Чаще всего встречаются следующие проявления неисправностей, связанных с турбокомпрессором:

  • двигатель не развивает полную мощность;
  • повышенная дымность выхлопной системы в совокупности с повышенным расходом масла;
  • шумная работа турбокомпрессора (гул, свист).

Помните, что неисправный турбокомпрессор может серьезно повредить двигатель!

Что выбрать: отреставрированный турбокомпрессор или турбину, снятую с б/у автомобиля? Этот вопрос возникает у многих, кто сталкивается с поломкой турбокомпрессоров. Правильное восстановление означает, что после ремонта от старой турбины останутся, скорее всего, только корпусные детали. А начинка будет заменена комплектом, поставляемым в запчасти производителем турбокомпрессора. Другими словами, из ремонта вы получите агрегат, в котором изнашиваемые детали — подшипниковые втулки, вал ротора, уплотнительные кольца — будут новыми, с ресурсом, сопоставимым с начальным ресурсом узлов, по каким-то причинам вышедших из строя. Если ремонт проведен профессионально, с балансировкой сначала просто ротора, затем подшипникового картриджа в сборе, грамотной сборкой, то проблем с восстановленным компрессором обычно не возникает. К тому же на восстановленный турбокомпрессор вы получите полугодовую гарантию — достаточно, чтобы огрехи ремонта себя проявили, после чего есть время заявить претензию.

Турбина б/у — это «кот в мешке», потому что неизвестно, каков у нее остаточный ресурс, хотя две недели гарантии с момента продажи она, возможно, выдержит. Даже при условии, что на вид турбокомпрессор исправен (люфт вала мал или отсутствует) никто не застрахован от того, что в корпус турбокомпрессора не залили густой смазки, отчего он и не показывает люфтов на первый взгляд. Поэтому любая диагностика и ремонт турбокомпрессора должен осуществляться только в специализированной мастерской, поскольку для этого требуются специальные знания, умения, оборудование и опыт специалистов.

Как сохранить жизнь турбокомпрессору?

Нужно следовать рекомендациям производителя автомобиля. Согласно статистике, только около 30% владельцев «турбированных» машин выполняют эти рекомендации. Поэтому многие проблемы с турбокомпрессором возникают только в результате пренебрежения этими правилами.

  • После запуска холодного двигателя по крайней мере 5 минут не допускайте высоких оборотов, чтобы дать возможность маслу полностью заполнить систему.
  • Перед тем как выключить двигатель после длительной работы двигателя на высоких оборотах, дайте ему поработать не менее 1 минуты на холостых оборотах. Если сразу заглушить двигатель, работавший на высоких оборотах, ротор турбокомпрессора будет некоторое время вращаться без смазки, так как масляный насос прекратит работу с выключением двигателя. При этом повреждаются вал, подшипники и кольца агрегата.
  • Не забывайте регулярно заменять моторное масло, масляный и воздушный фильтр. Имейте в виду, что высокая температура, возникающая при работе турбокомпрессора, уменьшает эффективность и долговечность масла. Поэтому следует заливать только то масло, которое подходит для «турбированных» двигателей.

Соблюдая эти правила, вы обеспечите длительную и надежную работу турбокомпрессора. Помните «золотое» правило: болезнь легче предупредить, чем излечить. Своевременная диагностика турбин позволит избежать дорогостоящего ремонта в последствии.

Информация для статьи предоставлена СТО TurboHELP.

См. также Туброкомпрессор.

Что такое турбина и турбонаддув — устройство и принцип работы.

С того момента, как появилась такая профессия, как автомобильный конструктор, возникла проблема увеличения мощности моторов. По всем законам физики, мощность мотора напрямую зависит от количества горючего, что сжигается за один цикл. Чем больше горючего при этом расходуется, тем мощность выше. Но, возникает вопрос – как увеличить количество лошадиных сил под капотом своего автомобиля? Тут есть несколько нюансов.

Для того чтобы происходил процесс горения необходим кислород. Благодаря этому становится ясно, что горит нечистое топливо, а его смесь с кислородом. При этом вся смесь должна быть в определенном балансе. Например, что касается бензиновых моторов, то топливо к воздуху смешивается в пропорции 1 к 15. При этом берется во внимание состав горючего и режим его работы.

Видно, что кислорода требуется в 15 раз больше, чем самого топлива. Из этого следует, что увеличение подачи топлива ведет за собой и обязательное увеличение подачи кислорода. Зачастую двигатели самостоятельно засасывают воздух из-за разницы в давлении между атмосферой и цилиндром. Отсюда появляется и прямая зависимость между объемом цилиндра и воздуха, который попадает в него. Именно таким образом и поступала американская автомобильная промышленность, которая выпускает большие двигатели с огромнейшим расходом топлива. Но, есть ли возможность в одинаковый объем загнать, как можно больше воздуха?

Такой способ есть и его впервые изобрел Готтлиб Вильгельм Даймлер. Один из основателей компании Daimler Chrysler. Немец достаточно сильно разбирался в двигателях и уже в 1885 году понял, каким образом можно загнать туда больше кислорода. Он придумал загонять воздух в мотор при помощи специального нагнетателя, который был в виде компрессора, что получал вращение от моторного вала и благодаря этому сжатый воздух успешно загонялся в цилиндры.

Все изменилось, когда швейцарский инженер-изобретатель — Альфред Бюхи сделал сенсационное открытие. Он был главным при создании дизельного двигателя в Sulzer Brothers и он никак не мог свыкнуться с той мыслью, что двигатели были очень тяжелыми и габаритными, а мощности выдавали недостаточно. При этом он не хотел заимствовать энергию двигателя. Благодаря этому в 1905 году Альфред Бюхи получил патент на первое на планете устройство, которое было создано для нагнетания, что применяло энергию для двигателя, выдаваемую выхлопными газами. Другими словами, он создал — турбонаддув.

Данная идея была очень проста и гениальна. Выхлопные газы задают вращение колесу с лопатками точно также, как ветер вращает лопасти мельницы. Отличие только в том, что данное колесо меньшего размера, а лопастей больше. Это колесо имеет название – ротор турбины, который находится на одном и том же валу, где располагается и колесо компрессора. Поэтому турбонагнетатель можно поделить на две части, первая из которой — это ротор, а вторая – компрессор. Ротор вращается благодаря выхлопным газам, а, в свою очередь, компрессор работает, как вентилятор и благодаря этому дополнительный воздух поступает в мотор. Полностью вся конструкция имеет название турбонагнетатель или турбокомпрессор.

При этом, кислород, что попадает в мотор, необходимо дополнительно охладить, это необходимо делать для того, чтобы увеличить давление, при этом загнав в цилиндр больше воздуха. Из-за того, что сжать холодный воздух по сравнению с теплым — намного легче.

Кислород, который проходит через турбину, сам по себе нагревается из-за сжатия, а также из-за некоторых нагретых частей турбонаддува. Подаваемый в мотор воздух, охлаждается с применением промежуточного охладителя. Воздух, проходя через радиатор, отдает свое тепло в атмосферу. При этом холодный воздух плотнее загоняется в цилиндр в большем количестве.

Чем больше газа проникает в турбину, тем она чаще вращается, и соответственно больше воздуха проникает в сам цилиндр и увеличивается мощность. Стоит сказать, что эффективность именно такого метода, по сравнению с приводным турбонаддувом, в том что для того, чтобы обслужить себя, нагнетатель тратит от энергии двигателя, около 1.5%. Это обусловлено тем фактом, что энергия к турбинному ротору поступает не благодаря замедлению выхлопного газа, а за счет его охлаждения. При этом потраченная энергия повышает коэффициент полезного действия двигателя. Благодаря этому автомобиль с нагнетателем становится максимально экономичным, по сравнению с остальными похожими двигателями примерно одинаковой мощности.

Вращение ротора в турбине может быть до 200 тысяч оборотов в минуту, следующий факт относится к раскаленным газам, которые доходят до 1000 градусов по Цельсию. Из всего этого следует тот факт, что нагнетатель, который может сдержать подобные нагрузки долгое время создать достаточно сложно и дорого.

Из-за этого нагнетатель был популярен исключительно во времена Второй Мировой Войны и только в самолетах. В 50-х годах компания из Америки (Caterpillar) смогла встроить нагнетатель к тракторному двигателю, а специалисты из компании Cummins смогли создать первые турбодизельные двигатели для грузовых машин. На легковых машинах, которые получили серийное производство, такие двигатели стали появляться гораздо позже. Это произошло в 1962 году, практически сразу появилось две модели Chevrolet Corvair Monza и Oldsmobile Jetfire.

Стоит добавить, что проблематичность и высокая стоимость конструкции, не являются главными недостатками. Сама по себе эффективность работы турбонаддува, напрямую зависит от максимального числа оборотов двигателя. Из-за того, что на малых оборотах, выхлопных газов производится недостаточное количество, соответственно ротор не раскручивается на максимально возможную мощность и, как следствие, дополнительный кислород практически не задувается в цилиндры. Поэтому зачастую происходит так, что до 3 000 оборотов мотор не тянет, но уже после 4-5 тысяч оборотов, он резко «стреляет», эта проблема называется – турбоямой. При этом размер турбины напрямую зависит на ее разгон. Чем она больше, тем разгон дольше. Именно из-за этого, те двигатели, что имеют большую мощность и соответственно турбину высокого давления зачастую испытывают проблемы связанные с турбоямой. А те турбины, которые создают низкое давление, практически не имеют никаких проблем с провалом тяги, но при этом и мощность они могут поднять достаточно маленькую по отношению с первыми.

Практически полностью избавиться от такой проблемы, как турбояма может помочь схема с последовательным надувом, когда на достаточно малых оборотах мотора, работает маленький малоинерционный турбокомпрессор. Маленький – увеличивает тягу на низких оборотах, в то время, как большой включается во время, когда обороты начинают расти, вместе с давлением на выпуске. Еще сто лет назад систему последовательного наддува применяли в суперкаре Porsche 959. На данный момент же, такие системы применяются во многих марках, начиная от Land Rover и BMW, а в бензиновых моторах фирмы Volkswagen эту роль играет приводной нагнетатель.

На заводских двигателях зачастую применяют одиночный турбокомпрессор twin-scroll, в народе его называют «парой улиток». Каждая из таких улиток заполняется выхлопами, от разных цилиндров. Но, даже, несмотря на это, обе улитки подают выхлопные газы в одну турбину, в итоге максимально качественно раскручивая ее, как на больших, так и на малых оборотах.

Но зачастую все-таки можно встретить исключительно пару одинаковых турбокомпрессоров, которые параллельно друг от друга обслуживают отдельные цилиндры. Это является стандартной схемой, для стандартных V-образных турбодвигателей, где каждый блок имеет свой турбонаддув. Даже, несмотря на то, что мотор V8 компании M GmbH, который впервые был установлен на Bmw X6 M и X5 M оборудован перекрестным выпускным коллектором, позволял турбокомпрессору паре улиток получать газы выхлопа из цилиндров, которые находились в разных блоках.

Для того чтобы турбокомпрессор работал на максимуме своих возможностей, при всех диапазонах оборотов, можно поменять геометрию рабочей части. Исходя из оборотов, что производит улитка, там работают специальные лопатки и изменяется в некоторых дозволенных пределах форма сопла. Благодаря этому, мы имеем «супертурбину», которая отлично может работать во всех диапазонах оборотов. Такие схемы были продуманы и оговорены достаточно давно, но реализовать их на деле, появилась возможность лишь недавно. Стоит, при этом отметить, что изначально турбины, на которой поменяна геометрия, появилась исключительно на дизельном моторе, благодаря тому, что температура выхлопных газов, намного меньше. Что касается бензиновых двигателей, то первым был Porsche 911 Turbo.

Саму конструкцию турбодвигателя привели в максимальную комплектацию, относительно недавно и их актуальность сильно возросла. При этом сами турбокомпрессоры оказались актуальными не только, как для форсирования двигателя, но и для увеличения экономичности и экологичности выхлопа.

Принцип работы турбокомпрессора

Турбина – это понятие, которое знакомо каждому автомобилисту. Это устройство позволяет существенно повысить мощностные характеристики двигателя путем использования энергии выхлопных газов. В этой статье мы рассмотрим основные функции и принцип работы турбокомпрессора.

Функции турбокомпрессора

Чтобы оценить важность турбокомпрессора, для начала нужно рассмотреть принцип работы автомобильного двигателя. На этот агрегат подается топливо, воспламеняющееся и сгорающее при контакте с воздухом. Излишки, которые остаются после этого, выходят через выхлопную трубу в виде газов. Этот цикл происходит в течение 4-х тактов работы поршней в цилиндрах.

Функция турбины заключается в том, что она дополнительно нагнетает воздух в цилиндры, увеличивая количество сгораемого топлива. Большой объем воздуха, подаваемого в топливную систему, достигается благодаря компрессии. В результате при движении поршня во время воспламенения увеличивается мощность двигателя.

Принцип работы турбокомпрессора

Таким образом, турбокомпрессор работает по принципу воздушного насоса. При сгорании топлива горячие газы поступают на лопатки первого колеса турбокомпрессора, приводя его в движение. После этого начинает вращаться второе колесо. За счет этого происходит всасывание воздуха снаружи, его сжатие и подача на цилиндры двигателя.

Воздух при попадании в турбину подвергается интенсивному нагреву. Чтобы добиться необходимой компрессии и остудить его перед подачей в камеру сгорания, используется промежуточный охладитель, также известный как интеркулер. Это устройство выполняет такие важные функции:

  • Остужает воздух.
  • Уменьшает его объем.
  • Снижает температуру внутри камеры сгорания.

Порою интеркулера оказывается недостаточно для достижения требующейся компрессии. В таких случаях дополнительно используется вентилятор, обеспечивающий снижение температуры до необходимого уровня.

Несмотря на кажущуюся простоту принципа работы турбокомпрессора, с точки зрения конструкции это устройство является очень сложным. Чтобы добиться необходимого уровня сгорания топлива, все составные части турбин должны работать слаженно. При возникновении малейших сбоев эффективность работы двигателя существенно снизится. А в крайних случаях он и вовсе может выйти из строя.

Турбина: история и современность

Содержание
  1. Начало истории
  2. Немного теории
  3. Хронология событий
  4. Турбированные двигатели в современном автомобилестроении

Существует мнение, что изобретение турбомотора входит в 10-ку самых важных событий всей автомобильной промышленности. Автомобильные инженеры, занимающиеся проблемой увеличения мощности автомобильных двигателей, уже в 30-е годы прошлого века „уперлись в стену”, и простое увеличение литража двигателей не приводило к нужному эффекту. Одним из вариантов решения проблемы было увеличение воздуха в цилиндрах двигателя. Рост насыщения воздушно-топливной смеси кислородом приводит к выработке большего количества энергии при сжигании, тем самым увеличивая крутящий момент и мощность двигателя..

Начало истории

Первоначально для подачи добавочного объема воздуха автомобилестроители стали использовать технологию приводных нагнетателей. Данные агрегаты работают непосредственно от вращения мотора, которое передаётся на нагнетатель через привод/ремень или более сложные системы. Основными минусами приводных нагнетателей является то, что для обеспечения его работы расходуется часть индикаторной мощности двигателя и увеличение расхода топлива. Поэтому сегодня данная технология подачи воздуха в двигатели используется в основном к тюнинге американских автомобилей, обладающих большими объемами двигателей, где потеря мощности не так ощутима, а отсутствие «турбо ямы», то есть линейный прирост мощности в соотношении к оборотам двигателя, цениться больше экономичности.

Но автопроизводители не переставали искать лучшего решения, которым впоследствии оказался турбонагнетатель, он же турбокомпрессор или в простонародии турбина. (PS: термины «нагнетатель» и «компрессор» имеют разные технические значения, где «нагнетатель» следует относить к всему агрегату, а «компрессор» к его узлу).

Немного теории

Турбокомпрессор/турбонагнетатель/турбина в контексте автомобилестроения – один из видов нагнетателей воздуха в камеру сгорания двигателя.

Поскольку турбина при работе использует энергию выхлопных газов, то не забирает ощутимую часть мощности от двигателя, как это имеет место при использовании приводных нагнетателях. Установка турбокомпрессора/турбины значительно увеличивает КПД двигателя, увеличивая мощность, а также уменьшая расход топлива при существенно меньших массе и габаритах, чем в обычном, «атмосферном» двигателе.
Основной принцип турбокомпрессора заключается в использовании кинетической энергии выхлопных газов для раскручивания вала турбины, который уже передаёт вращение на колесо компрессора, тем самым подавая воздух в цилиндры двигателя через систему интеркулеров под большим давлением.

Хронология событий

Идея о разработке мотора, который мог бы сам себя снабжать сжатым воздухом без лишних затрат энергии, несмотря на простоту, ждала реализации около 100 лет, если считать от времени изобретения двигателя внутреннего сгорания.

В итоге в 1905 году швейцарский инженер Альфред Бюши (Alfred Büchi) провел первые успешные испытания и запатентовал систему турбонаддува.  

Первые турбокомпрессора/турбины были испытаны на авиационных моторах в годы Первой мировой войны. Инженер из Франции Огюст Рато устанавливал турбины на авиационные двигатели Renault. Турбины также стали устанавливать на судовые дизельные двигатели. В 1923 году на германских пассажирских лайнерах Danzig и Preussen стали применять турбодизели.

В конце 50-х годов первые серийные автомобили с турбинами стали производить североамериканские автопроизводители. В 1962-1963-х годах начали выпускаться турбированные Chevrolet Corvair Monza и хардтоп-купе Oldsmobile F-85 Jetfire, но по причине низкой надёжности были быстро сняты с производства Техническая ненадежность этих турбомоторов надолго дискредитировала идею их развития в США, где на долгие годы стали популярными именно механические компрессоры.

Но в  Европе продолжались работы над совершенствованием турбокомпрессоров и в конце 60-х, начале 70-х годов фирма Porsche совместно с фирмой ККК (3K-Warner, в 2003 году переименованную в BorgWarner Turbo Systems GmbH) и компания BMW выпустили легковые автомобили с моторами оснащенными в турбины:

Турбированная модель BMW 2002 Turbo, выпущенная в 1973 году была на 40 л.с. мощнее безнаддувного варианта;

3-х литровый Porsche 911 1974 года в 930-м кузове выдавал рекордные 260 л.с.


Во второй половине 70-х годов компании Mercedes, Saab и Volkswagen также выпустили серийные автомобили с турбонаддувом:

 

  • в 1977 году был произведен Saab 99 Turbo;
  • турбодизель Mercedes-Benz 300 SD был выпущен в 1978 г.;
  • Volkswagen Golf Turbodiesel появился в 1981 г.

 

Также двигатели оснащенные турбиной начали использоваться в автогонках. Так в 1977 году Renault представил первый в мире болид Формулы 1 Renault RS01 с турбокомпрессором. Автомобиль хорошо себя зарекомендовал в гонке 24-часа Ле-Мана, заняв 2 место в 1977 году и 1 в 1978. Данный факт продемонстрировал всему миру, что турбодвигатели могут быть не только мощными, но и надежными.

 

Турбины, также начали активно использоваться производителями спорт и суперкаров. Так вслед за Porsche 930 в 1986 году знаменитая компания из Штутгарда показала миру 959 модель. Автомобиль был оснащён 2,85 литровым мотором плоской компоновки на 444 лошадиных сил с двумя турбинами (twin-turbo). Porsche 959 на тот момент стал квинтэссенцией того, как должен был выглядеть современный суперкар и стал самым быстрым легальным для городского использования серийным автомобилем с максимальной скоростью в 317 км/ч.

Ответ из Маранелло не оставил себя долго ждать и в 1987 году Ferrari представил F40 с мотором V8 на 471 л.с. Также как и Porsche, болид был укомплектован двумя турбинами в системе twin-turbo. Автомобиль мог развить 321 км/ч, тем самым забрав пальму первенства у Porsche.

Первые, мощные модели двигателей автомобилей, оборудованные турбиной, к сожалению были не свободны от проблем. Так, например, турбокомпрессоры бензиновых двигателей раскалялись, что называется, «до красна» и легко выходили из строя. Но все эти проблемы, относящиеся к детским проблемам роста, были впоследствии успешно решены.

 

Турбированные двигатели в современном автомобилестроении

В настоящее время доля автомобилей с турбированными двигателями превышает долю с атмосферными моторами. По некоторым прогнозам ожидалось, что в 2020 во всём мире доля автомобилей с турбиной достигнет 70%. Около 80% всех турбомоторов относятся к дизельным и это не случайно, поскольку именно дизели существенно лучше приспособлены к установке турбины.

 

Высокая степень сжатия и отсутствие необходимости в дроссельной заслонке на впуске дизельного мотора, гарантирует более высокое давление, мощность и экономичность.

Компания Polbel (г. Минск) специализируется на обслуживании и ремонте турбин, а также на их продаже и картриджей к ним. Наша компания:

  • имеет 20-и летний опыт работы с турбинами автомобилей;
  • производится бесплатная дефектовка турбины с выявлением причин поломки;
  • работы проводятся с соблюдением всех заводских требований производителя;
  • после проведения ремонтных работ все турбины испытываются на высокоскоростных стендах компаний VISCOM и SCHENCK.

 

Наш девиз: «Мы умеем ремонтировать турбины, и у нас есть для этого все. Мы ценим Ваше время и поэтому свою работу стараемся делать качественно!».

Как работает турбина Теслы

Тесла, как и многие современные ученые и промышленники, считали его новую турбину революционной по ряду признаков. Он был небольшим и простым в изготовлении. У него была только одна движущаяся часть. И это было обратимо.

Чтобы продемонстрировать эти преимущества, Tesla построила несколько машин. Джуилус К. Чито, сын давнего механика Теслы, построил несколько версий. Первый, построенный в 1906 году, имел восемь дисков по шесть дюймов (15.2 см) в диаметре. Машина весила менее 10 фунтов (4,5 кг) и развивала мощность 30 лошадиных сил. Он также выявил недостаток, который затруднил дальнейшее развитие машины. Ротор достиг таких высоких скоростей — 35 000 оборотов в минуту (об/мин), — что металлические диски значительно растягивались, снижая эффективность.

В 1910 году Чито и Тесла построили более крупную модель с дисками диаметром 12 дюймов (30,5 см). Он вращался со скоростью 10 000 об/мин и развивал мощность 100 лошадиных сил.Затем, в 1911 году, пара построила модель с дисками диаметром 9,75 дюйма (24,8 сантиметра). Это снизило скорость до 9000 об/мин, но увеличило выходную мощность до 110 лошадиных сил.

Воодушевленный этими небольшими успехами, Тесла построил более крупную двойную установку, которую он планировал испытать с помощью пара в главном электроцентре нью-йоркской компании Эдисона. Каждая турбина имела несущие диски ротора диаметром 18 дюймов (45,7 сантиметра). Две турбины были размещены в линию на едином основании.Во время испытаний Тесла смог достичь 9000 оборотов в минуту и ​​выдать 200 лошадиных сил. Однако некоторые инженеры, присутствовавшие на испытаниях, верные Эдисону, утверждали, что турбина вышла из строя из-за непонимания того, как измерять крутящий момент в новой машине. Эта плохая пресса в сочетании с тем фактом, что крупные электрические компании уже вложили значительные средства в лопастные турбины, затруднила для Tesla привлечение инвесторов.

В последней попытке Теслы коммерциализировать свое изобретение он убедил производственную компанию Allis-Chalmers в Милуоки построить три турбины.Два имели по 20 дисков диаметром 18 дюймов и развивали скорость 12 000 и 10 000 об/мин соответственно. Третий имел 15 дисков диаметром 60 дюймов (1,5 метра) и был рассчитан на работу со скоростью 3600 об/мин, производя 675 лошадиных сил. Во время испытаний инженеры Allis-Chalmers стали беспокоиться как о механическом КПД турбин, так и об их способности выдерживать длительное использование. Они обнаружили, что диски сильно деформировались, и пришли к выводу, что турбина в конечном итоге вышла из строя.

Даже в 1970-х годах исследователи с трудом воспроизводили результаты, о которых сообщил Тесла. Уоррен Райс, профессор инженерии в Университете штата Аризона, создал версию турбины Теслы, которая работала с КПД 41%. Некоторые утверждали, что модель Райс отклонялась от точных спецификаций Теслы. Но Райс, эксперт в области гидродинамики и турбины Теслы, провел литературный обзор исследований еще в 1990-х годах и обнаружил, что ни одна современная версия изобретения Теслы не превышала 30-40-процентного КПД.

Это больше всего помешало турбине Теслы получить более широкое распространение.

Как прямо заявило Управление военно-морских исследований в Вашингтоне, округ Колумбия: «Турбина Парсонса существует уже долгое время, и целые отрасли промышленности построены вокруг нее и поддерживают ее. Если турбина Теслы не превосходит ее на порядок, то это было бы выливанием денег в крысиную нору, потому что индустрию так просто не разрушить…» [источник: Чейни].

Итак, что же остается турбине Теслы сегодня? Как мы увидим в следующем разделе, инженеры и автомобильные дизайнеры снова обращают свое внимание на эту 100-летнюю технологию.

Газовая турбина (автомобильная)

5.2.

Газовая турбина

5.2.1.

Основные характеристики

Чем больше степень сжатия и расширения и чем больше диапазон эффективно используемых температур
, тем выше тепловой КПД и ниже удельный расход топлива
. Эти условия относятся как к поршневым, так и к газотурбинным двигателям. Три основных процесса
в любом двигателе внутреннего сгорания — это сжатие заряда, сгорание топлива и максимально полное расширение
продуктов для выполнения механической работы.Поршневой двигатель может выполнять первые два процесса с высокой эффективностью и надежностью. Но он менее успешен с третьим процессом
из-за его неспособности обрабатывать большие объемы на конце низкого давления
его расширения. С другой стороны, турбина может работать с большими объемами при низком давлении.
Турбина представляет собой высокоскоростной однонаправленный первичный двигатель, способный обрабатывать
очень большие объемы потока жидкости. Он имеет высокий механический КПД (порядка 85–90 %), если правильно спроектирован и изготовлен.Его крутящий момент увеличивается с уменьшением скорости для данной входной мощности, но
это сопровождается потерей эффективности, так как углы лопастей фиксированы. Высокая скорость вращения
турбины по сравнению со скоростями опорных колес требует использования большого редуктора.
Для снижения этих скоростей используется многоступенчатая передача, а импульсное колесо газовой турбины может
быть снабжено двумя рядами лопаток с неподвижными лопатками-дефлекторами между ними. При таком расположении
окружная скорость лопасти может составлять примерно одну треть начальной скорости газа.Даже при этом
для автомобильных применений требуется скорость вращения 40 000 или 50 000 об/мин, чтобы
была предусмотрена в конструкции. Высокая инерция вращения, вытекающая из таких скоростей, приводит к неприятной задержке во времени в ответ на управление дроссельной заслонкой. Однако преимущества газовой турбины
заключаются в легкости, простоте и компактности, отсутствии системы охлаждения и незначительном расходе масла
.
5.2.2.


Принципы газовой турбины

Простая газовая турбина открытого цикла состоит из компрессора, камеры сгорания и турбины
(рис.5.14). Компрессор всасывает окружающий воздух и повышает его давление. В камере сгорания
топливо впрыскивается в сжатый воздух. Топливо сгорает в камере сгорания
с повышением температуры и давления рабочего тела, которое расширяется за счет
лопаток турбины, вырабатывающих механическую энергию. Поскольку в компрессор
поступает атмосферный воздух, а газы сгорания выбрасываются в атмосферу после расширения в турбине, рабочее тело
необходимо постоянно заменять.Часть мощности, развиваемой турбиной
, используется для привода агрегатов двигателя, а также компрессора, при этом только оставшаяся часть
(приблизительно одна треть) используется в качестве полезной работы.
Газовая турбина также может работать по замкнутому циклу, в котором рабочее тело
непрерывно рециркулирует через машину и не вступает в физический контакт с продуктами сгорания
. Тепло от внешнего источника тепла к рабочему телу цикла передается по
поверхности теплообмена.Газовая турбина замкнутого цикла в этой главе не рассматривается, поскольку автомобильные газотурбинные двигатели
работают по открытому циклу.

Рис. 5.14. Простая газовая турбина открытого цикла.

Компрессор

Компрессор является первым механическим элементом в цикле турбины. В газовых турбинах используются два типа компрессоров: центробежные компрессоры и осевые компрессоры.
наиболее успешных произведенных ротационных компрессоров достигают в лучшем случае лишь около 80% эффективности своих поршневых аналогов
из-за присущей
аэродинамической трудности управления потоком легких жидкостей с помощью высокоскоростных ротационных средств.Коэффициенты давления, которые можно использовать, также
ограничены ограничениями компрессора. Отношение давлений определяется как отношение давления
сжатого воздуха, выходящего из компрессора, к давлению воздуха, поступающего в компрессор
.

Горение.

Камера сгорания должна эффективно работать в широком диапазоне условий окружающей среды с широкими
различными скоростями потока топлива от двигателя без нагрузки до номинальной полной нагрузки. Камера сгорания
должна получать сжатый воздух, жидкое топливо должно быть впрыснуто, и сгорание
должно быть завершено до того, как продукты будут переданы в турбину.Это сжигание должно осуществляться в легкой и компактной конструкции, способной выдерживать высокую температуру непрерывного горения в течение допустимого срока службы. Полнота сгорания определяется как отношение
действительной теплоты, выделяемой при сгорании от данного количества топлива, к общему количеству
эквивалентной теплоты того же заданного количества топлива, протекающего через камеру сгорания.
Эффективность сгорания порядка 95-98 процентов является обычным явлением в газотурбинных двигателях.Любая потеря эффективности сгорания
способствует прямой потере общей тепловой эффективности двигателя.
Наиболее распространенный метод впрыска жидкого топлива — через распылитель или узел форсунки в виде
мелкодисперсного тумана, и в этой форме он сжигается. В качестве топлива турбина использует бензин, керосин или масло. Газовые турбины
могут использовать одну, две или несколько камер сгорания для выполнения функции сгорания
.
Для достижения полного сгорания требуется стехиометрическая смесь примерно 15 частей
воздуха (по весу) на одну часть топлива в первичной зоне, где происходит сгорание.
Поскольку обычное углеводородное топливо сгорает при температуре от 1925 до 2200 К, основная
часть воздуха, называемая вторичным воздухом, используется для охлаждения продуктов сгорания до
допустимой температуры на входе в турбину. Это обеспечивает общее соотношение воздух-топливо в диапазоне
от 50:1 до 250:1.

Турбина.

Третий элемент – это турбодетандер, производящий энергию элемент двигателя. Горячие газы под давлением
из камеры сгорания обеспечивают энергию для турбины.Температура газов, поступающих в турбину,
колеблется от 970 до 1025 К при длительном режиме полной нагрузки
. Первая часть каждой ступени турбины представляет собой сопловой узел. Сопла ограничивают,
ускоряют (процесс расширения) и направляют поток в турбинное колесо. Пройдя
через сопло и войдя в ротор, горячий газ продолжает процесс расширения через
облысение колеса турбины и сообщает вращательное усилие валу турбины.
Детандерная турбина может быть осевого типа
или радиального типа.Наиболее широко используемый тип
с низким коэффициентом давления представляет собой одноступенчатую турбину
с радиальным впуском, в которой газы проходят от обода колеса
радиально через колесо, а выхлопные газы
проходят через центр колеса. Для более высоких перепадов давления используется либо комбинация радиальной и осевой турбины
, либо двух- или трехступенчатая осевая турбина
в сборе. Отношения
давлений, которые могут быть использованы, также ограничены
косвенно из-за неспособности облысения турбины и
ротора выдерживать в течение достаточно продолжительных периодов
сочетание высокой температуры и высоких
центробежных напряжений, которые участвуют в последующем
расширении. обработать.
Если все ступени турбины находятся на одном валу с компрессором
, то газовая турбина называется одновальной или турбиной с неподвижным валом (рис. 5.14). Турбина
может быть разделена на две секции. Часть
ступеней турбины, необходимая для привода компрессора, называемая
турбиной компрессора или турбиной газогенератора
, устанавливается на тот же вал, что и компрессор.
Ступени турбины, подающие мощность на ведомую турбину
, вынесены на отдельный вал и называются силовой турбиной
(рис.5.15). Этот тип турбины
называется двигателем
с двумя валами, раздельным валом или свободной турбиной.

Рис. 5.15. Двухвальная газовая турбина открытого цикла
А. С одной камерой сгорания.
B. С двумя камерами сгорания.
Основные требования к турбинам: малый вес, высокий КПД, возможность работы
при высоких температурах в течение длительного времени, надежность и удобство обслуживания. Выбор материала лопасти
зависит от характеристик сопротивления разрыву и ползучести различных материалов лопасти,
в сочетании с механическими и термическими нагрузками, устойчивости к механическим и термическим ударам, а также устойчивости к коррозии и вибрации.
5.2.3.

Газотурбинный цикл (идеальный и фактический теоретический)

Газовая турбина работает по циклу Джоуля или Брайтона, показанному на рис. 5.16 на диаграмме температура-
энтропия. Атмосферный воздух в состоянии 1 поступает в компрессор и сжимается до
повышенного давления/>2 (с отношением давлений rp – p поступает в камеру сгорания в состоянии 2 и сгорает с впрыскиваемым в нее углеводородным топливом
.Смесь продуктов сгорания с вторичным воздухом покидает камеру сгорания
и поступает в состояние 3. В турбине смесь расширяется до состояния
4 и выбрасывается. Для простой газовой турбины открытого цикла имеют место следующие идеализированные процессы.
(i) Процесс 1-2. Изэнтропическое или обратимое адиабатическое сжатие через компрессор.
{Идентификационный процесс 2-3. Подвод тепла с постоянным давлением (в камере сгорания).
(Привет) Процесс 3-4. Изэнтропическое или обратимое адиабатическое расширение через турбину.
(iv) Процесс 4-1. Отвод тепла в атмосферу с постоянным давлением.
Этот цикл является идеальным циклом, в котором в качестве рабочей жидкости
используется сухой воздух с переменной удельной теплоемкостью после описанных выше процессов. Тепловой КПД идеального цикла Джоуля в пересчете на

Рис. 5.16. Температурно-энтропийная диаграмма простого открытого цикла в виде турбины.
В идеальном цикле предполагается, что процессы являются обратимыми, т.е. изоэнтропическими или обратимыми
адиабатическими сжатием (в компрессоре) и расширением (в турбине).Это означает, что КПД компрессора и турбины
составляет 100 процентов, что практически меньше. Необратимость обусловлена ​​потерями на жидкостное трение в компрессоре и турбине. Поэтому в
действительном теоретическом цикле (рис. 5.16) реальные процессы сжатия и расширения отходят
от вертикали и показаны в состояниях 2′ и 4′. Цикл 1 – 2′ – 3 – 4′ – 1 является фактическим
теоретическим, поскольку в нем по-прежнему используется сухой воздух в качестве рабочей жидкости. Эффективность компрессора и турбины для фактического теоретического открытого цикла газовой турбины становится равной

Тепловой КПД реальной простой газовой турбины открытого цикла сильно зависит от следующих переменных.
(a) Коэффициент сжатия, rp = poJpi
(b) КПД турбины
(c) Температура на входе в турбину
id) Эффективность компрессора, nc
(e) Температура на входе в компрессор (т.е. температура воздуха)
Следовательно, возможные методы улучшения тепловой КПД газовой турбины включают;
(i) повышение температуры на входе в турбину
(ii) повышение степени повышения давления в компрессоре
(Hi) повышение эффективности компонентов (т. е. компрессора и турбины)
(iv) использование промежуточных охладителей компрессора и теплообменников выхлопных газов.
5.2.4.

Устройства рекуперации тепла отработавших газов

Чтобы повысить общий КПД двигателя, может быть добавлен теплообменник
от выхлопных газов турбины к нагнетанию компрессора для рекуперации части тепла выхлопных газов и, таким образом, уменьшения количества
топлива, необходимого для производства заданной выходной мощности. Теплообменник может быть любого из двух типов;
рекуператор или регенератор. В рекуперативном типе горячий выхлопной газ турбины течет по одной стороне
поверхности теплопередачи, а более холодный нагнетаемый воздух компрессора течет по другой стороне.Тепло
передается за счет теплопроводности от одного потока жидкости к другому через пластинчатые и трубчатые поверхности.
В регенеративном или переключающем типе выхлоп турбины нагревает промежуточный материал, например,
гнездо из огнеупорных кирпичей, которое, в свою очередь, передает тепло нагнетаемому воздуху компрессора.
Таким образом, в этой конструкции два потока по очереди направляются на сначала нагрев промежуточного материала
, а затем на извлечение тепла из материала. Промежуточный материал может быть
различных типов, таких как слои экрана, стопки мелкого гофрированного металла или пористой керамики.
На рис. 5.17 схематично показан цикл рекуперации тепла.

Для применений с малой мощностью внимание в настоящее время сосредоточено на разработке компактного вращающегося устройства
, в котором матрицы из подходящего материала в сетке из передаются в барабане
, вращающемся со скоростью от 20 до 30 об/мин, при этом два потока непрерывно проходят, каждый через соответствующую
часть профиля ротора. Каждая часть матрицы забирает и передает тепло при переходе от
одного потока к другому.Тепло, рекуперируемое в теплообменнике, позволяет снизить расход топлива
примерно на 25-50% в зависимости от эффективности теплообменника.
Вес и размер теплообменника напрямую зависят от эффективности теплообменника.
5.2.5.

Стартовая система

Функция системы запуска состоит в том, чтобы разогнать турбину до скорости, достаточной
для того, чтобы она могла запуститься на собственной мощности. В отличие от двигателя с воспламенением от сжатия,
которому может потребоваться всего несколько оборотов коленчатого вала, газотурбинный двигатель должен быть прокручен до 10-20
процентов скорости, прежде чем он сможет вообще поддерживать себя, и до 30-40 процентов скорости для завершения
. запуск в разумных пределах времени и температуры.Это связано с тем, что компрессор и
компоненты турбины двигателя предназначены для эффективной работы на высоких скоростях, где
уровень их мощности высок. Возможны несколько различных типов систем запуска, таких как электрический, двигатель
, импинджмент высокого давления, гидравлический, ручная рукоятка и сжатый воздух или газ. Однако здесь
обсуждается только электрическая система.

Рис. 5.17. Цикл рекуперации выхлопных газов газовой турбины.
Электрический. Система электрического пуска состоит из двигателя, системы замены аккумуляторов и средств
для подключения и отключения двигателя и аккумуляторов.Высокий пусковой момент двигателя постоянного тока
делает его хорошим средством запуска газовой турбины. Для привода двигателя постоянного тока требуется источник питания постоянного тока
, обычно батарея. Обычно двигатель используется в качестве генератора, после запуска двигателя
, для зарядки аккумулятора и для других целей. Для такого использования обычно требуется двигатель на
больше, чем если бы он использовался только для пуска, поскольку двигатель-генератор должен быть рассчитан на непрерывный режим
, а стартер работает только в прерывистом режиме.Мотор-генератор также
требует системы регулирования напряжения. Обычно свинцово-кислотный аккумулятор используется для газовых турбин
.
5.2.6.

Топливная система

Топливная система состоит из трубопровода, коллектора и одного или нескольких насосов, необходимых для подачи
топлива в камеру сгорания под давлением, достаточным для удовлетворительного выполнения впрыска. Элементы системы управления
, такие как запорные клапаны и регуляторы, находятся в топливных системах между впускным отверстием
и камерой сгорания.

Газотопливная система.

Давление, необходимое для впрыска газообразного топлива, по существу равно давлению нагнетания компрессора
плюс потери давления в системе управления и коллекторах. Форсунка для газового топлива
обычно состоит из трубки с отверстиями в ней. Падение давления на этой форсунке
очень мало.

Система жидкого топлива.

Основным требованием к жидкостной топливной системе является наличие достаточного
давления, чтобы обеспечить перепад давления на
форсунке, достаточно большой для распыления топлива.Инжектор обычно представляет собой форсунку непрерывного распыления. Требования к давлению
для распыления варьируются в зависимости от вязкости топлива и поверхностного натяжения. Несмотря на то, что
для некоторых систем жидкого топлива требуется от 3445 до 6900 кПа, требования к мощности насоса невелики. Топливный насос
часто является составной частью системы управления.
5.2.7.

Системы управления и регулятор

Элементы управления запуском.

Последовательность событий, необходимых для запуска, работы и остановки газовой турбины
, может управляться вручную, но обычно выполняется автоматически.После запуска
запуска и достижения достаточной скорости в систему зажигания подается питание, и топливо
подается в камеру сгорания для начала сгорания. Стартер продолжает помогать двигателю,
обычно до тех пор, пока он не достигнет 30-40 процентов от полной скорости, за пределами которой двигатель способен продолжать пуск своим ходом.

Органы управления ускорением и остановом.

Ускорение после выключения светового сигнала контролируется
ограничителем ускорения, который распределяет подачу топлива таким образом, чтобы обеспечить ускорение в пределах проектных пределов турбины
.Регулятор скорости берет на себя управление в условиях, близких к полной скорости, и обеспечивает корректировку топлива
по мере необходимости для поддержания скорости турбины при изменяющейся нагрузке. Сигнал отключения, подаваемый
либо вручную, либо одним из нескольких защитных устройств, вызывает закрытие топливного клапана,
таким образом останавливая двигатель.

Средства защиты.

Следующие защитные устройства обычно поставляются с газовой турбиной
.
(a) Превышение скорости двигателя. Этот элемент управления обеспечивает средство обнаружения скоростей, приближающихся к
безопасным пределам двигателя.
ib) Температура. Предусмотрена защита температуры на входе в турбину. Температуры выхлопа
легче измерить, и они напрямую связаны с температурами впуска.
(c) Низкое давление смазочного масла.
(d) Высокая температура смазочного масла.
(e) Обнаружение пламени. Существуют два условия, при которых важно знать, что сгорание
происходит нормально, чтобы предотвратить повреждение двигателя.
При запуске топливные краны открыты и зажигание включено.Если топливо не воспламеняется, взрывоопасное
количество топлива может вскоре скопиться и создать опасность. Обычно используется метод обнаружения отключения света, который отключает подачу топлива, если сгорание не происходит в течение очень короткого времени после подачи топлива.
Если потеря сгорания происходит во время работы турбины, может возникнуть
такое же опасное состояние, и подача топлива должна быть быстро отключена. В то время как двигатель немедленно теряет мощность, энергия вращения
продолжает обеспечивать давление топлива в течение короткого периода времени.
(/) Вибрация. Вибрация может быть вызвана дисбалансом вращающихся частей турбины
или нестабильным сгоранием.
ig) Разрежение топлива. Низкое давление топлива, кратковременное или спорадическое, может привести к неустойчивой работе
и опасным условиям.

Губернатор.

Эксплуатация газотурбинного двигателя обычно требует автоматического регулирования подачи топлива
как для запуска, так и для нормальной работы.Регулятор может выполнять обе функции или для запуска может использоваться отдельный ограничитель ускорения
. Системы управления подачей топлива в значительной степени зависят от ряда факторов, таких как желаемая степень автоматизации, точность регулирования скорости, рабочие характеристики конкретного двигателя, экологические соображения и стоимость.
5.2.8.

Система смазки

Функция системы смазки состоит в том, чтобы смазывать и охлаждать подшипники и шестерни, независимо от того, используются ли в
двигателе опорные подшипники, антифрикционные подшипники или их смесь.В двигателях меньшего размера, особенно с подшипниками качения, используется один смазочный насос с приводом от двигателя
, тогда как в больших двигателях используются смазочные насосы с приводом от двигателя
отдельно. В холодных условиях используется предпусковой подогреватель масла.
5.2.9.

Разработка турбин

Компания Rover добилась успеха в 1963 году, и в гонках Ле-Мана появился первый спортивный автомобиль с турбинным двигателем
в 1965 году. Модель 1963 года не имела системы рекуперации выхлопных газов, а расход топлива
составлял 2.445 км/1, при средней скорости 173 км/ч. В 1964 году был установлен теплообменник регенераторного типа
, и был достигнут значительный шаг в экономии топлива. При средней скорости 158,3 км/ч расход топлива составил 1,77 км/л.
General Motors разработала вихревую пожарную установку GT-304, использующую одноступенчатый центробежный воздушный компрессор
, подающий сжатый воздух к симметричной паре регенераторов типа
с вращающимся барабаном, где он забирает тепло от горячего выхлопного потока, прежде чем попасть в четыре
симметрично расположенные камеры сгорания баночного типа.Из камер сгорания высокотемпературные газы
проходят через сопловое кольцо, установленное в разделительной перегородке, в камеру турбины. Скорость
, полученная в сопловом кольце, отбирается в двух отдельных одноступенчатых импульсных турбинах
, расположенных последовательно. Нормальные скорости компрессора и силовых турбин составляют 35000 и 28000 и
об/мин соответственно, а регенераторы вращаются со скоростью от 20 до 30 об/мин.

Рис. 5.18. Газотурбинный агрегат Крайслер.
Ford Motor Company of America разработала газотурбинный двигатель, известный как модели 704,
, который включает в себя новую компоновку для решения проблемы высокого расхода топлива.Агрегат
потребляет топлива от 0,294 до 0,353 кг/кВтч в зависимости от нагрузки. Используется двухступенчатый компрессор с промежуточным охлаждением
и степенью сжатия 4:1 для каждой ступени. Две ступени компрессора
работают со скоростью 46 500 об/мин и 91 000 об/мин. Имеются две камеры сгорания, первая
расположена между теплообменником и высокоскоростной радиальной турбиной с входящим потоком, из которой
газы проходят во вторичную камеру сгорания, где
вводится дополнительная подача топлива.
Газотурбинный двигатель Chryster (рис. 5.18) был разработан в течение 1963 г. и успешно
устанавливался на автомобили ограниченного производства. Силовая установка имеет два механически независимых турбинных колеса
одноступенчатого импульсного типа, через которые последовательно проходит газовый поток.
Это колеса с осевым потоком, переднее колесо приводит в движение одноступенчатый радиальный компрессор с удлинительным валом
, обслуживающим вспомогательные агрегаты. Из этих двух самой задней является силовая турбина, которая на
больше, чем колесо компрессора, и снабжена направляющими лопатками с переменным углом наклона.Этот тип направляющих лопаток
изменяет направление газового потока в зависимости от нагрузки на турбину.
Регенератор представляет собой симметричную пару роторного многоячеистого типа и приводится в движение цилиндрическим редуктором
от вала компрессора с частотой от 9 до 22 об/мин. Используется одинарная камера сгорания
, которая монтируется под основным кожухом. Продукты сгорания проходят сначала
через неподвижные направляющие лопатки в турбину компрессора, а затем через направляющие лопатки с переменным углом наклона
для вторых ступеней расширения в силовой турбине.Горячий выхлоп направляется
к задним половинкам теплообменников, где колеса
поглощают тепло и передают его
встречному воздушному потоку от компрессора. Изменение крутящего момента и мощности в зависимости от частоты вращения вала на выходе
показано на рис. 5.19. Силовая турбина может быть остановлена ​​до нулевой скорости, но
продолжает развивать полный крутящий момент, поскольку компрессор работает независимо.

Рис. 5.19. Изменение крутящего момента и мощности в зависимости от скорости.
В 1967 году Leyland Gas Turbine Ltd.разработала новый крупный агрегат мощностью 260-300 кВт
для коммерческих автомобилей. Достигнут минимальный расход топлива 0,2373 кг/кВтч при 293 К.
Частота вращения холостого хода компрессора составляет 19000 об/мин, номинальная частота вращения силовой турбины составляет 32500 об/мин. Степень сжатия
составляет 4:1. Максимальная температура турбины компрессора составляет более
1273 К. Двигатель имеет радиальное рабочее колесо и состоит из двух частей. Теплообменник
состоит из двух керамических дисков, расположенных вертикально, по одному с каждой стороны двигателя, и
, вращающихся со скоростью 1/1800 скорости вала рабочего колеса, от которого они приводятся в действие.Теплообменник
относится к роторному регенераторному типу, и имеет место повышение температуры на 520 градусов по сравнению с воздухом на входе
.

Как работают турбокомпрессоры? | Кто изобрел турбокомпрессоры?

Как работают турбокомпрессоры? | Кто изобрел турбокомпрессоры? Реклама

Идеального изобретения не бывает: всегда можно сделать что-то лучше, дешевле, более эффективным или более экологичным.Возьмите внутреннюю двигатель внутреннего сгорания. Вы можете подумать, что это замечательно, что машина приводимый в действие жидкостью, может швырнуть вас по шоссе или ускорить небо во много раз быстрее, чем вы могли бы путешествовать в противном случае. Но это всегда можно построить двигатель, который будет двигаться быстрее, дальше или потреблять меньше топливо. Одним из способов улучшения двигателя является использование турбокомпрессора —a пара вентиляторов, которые используют мощность выхлопных газов в задней части двигателя, чтобы втиснуть больше воздух в переднюю часть, доставляя больше «крутости», чем в противном случае получать.Мы все слышали о турбинах, но как именно они работают? Давайте посмотри внимательнее!

Фото: Типичный автомобильный турбокомпрессор использует пару вентиляторов в форме улитки, как этот. Здесь вы видите Garrett GT2871R, который вот-вот будет установлен на двигатель Pontiac G8. Фото Райана С. Делкора предоставлено ВМС США.

Что такое турбокомпрессор?

Фото: Два вида безмасляного турбокомпрессора, разработанного НАСА. Фото предоставлено Исследовательский центр Гленна НАСА (НАСА-GRC).

Вы когда-нибудь наблюдали, как мимо вас проносятся машины, из выхлопных труб которых вырываются сажевые выхлопы? Очевидно, что выхлопные газы вызывают загрязнение воздуха, но это гораздо меньше. очевидно, что они тратят энергию впустую в то же время. Выхлоп смесь горячих газов, выбрасываемых со скоростью и всей энергией, содержит — тепло и движение (кинетическая энергия) — исчезает бесполезно в атмосферу. Было бы неплохо, если бы двигатель можно ли как-то использовать эту ненужную мощность, чтобы машина ехала быстрее? Это именно то, что делает турбокомпрессор.

Автомобильные двигатели вырабатывают энергию, сжигая топливо в прочных металлических банках, называемых цилиндрами. Воздух входит каждый цилиндр, смешивается с топливом и сгорает с небольшим взрывом который выталкивает поршень, вращая валы и шестерни, которые вращают колеса автомобиля. Когда поршень вдавливается обратно, он нагнетает отработанный воздух. и топливная смесь выходит из цилиндра в виде выхлопа. Количество энергии автомобиль может производить напрямую зависит от того, как быстро он сжигает топливо. То у вас больше цилиндров и чем они больше, тем больше топлива машина может гореть каждую секунду и (по крайней мере теоретически) тем быстрее она можешь идти.

Один из способов увеличить скорость автомобиля — добавить больше цилиндров. Вот почему сверхбыстрые спортивные автомобили обычно имеют восемь и двенадцать цилиндров вместо четырех или шести цилиндров в обычном семейном автомобиле. Другим вариантом является использование турбокомпрессор, который каждую секунду нагнетает в цилиндры больше воздуха, поэтому они могут сжигать топливо быстрее. Турбокомпрессор — это простая, относительно дешевая дополнительная немного комплекта, который может получить больше мощности от того же двигателя!

Рекламные ссылки

Как работает турбонагнетатель?

Если вы знаете, как работает реактивный двигатель, вы на полпути к пониманию работы турбокомпрессора автомобиля.А реактивный двигатель всасывает холодный воздух спереди, выдавливает его в камеру где он горит топливом, а затем выдувает горячий воздух сзади. Так как горячий воздух уходит, он ревет мимо турбины (немного похожей на очень компактный металлический ветряк), который приводит в действие компрессор (воздушный насос) спереди двигателя. Это часть, которая нагнетает воздух в двигатель, чтобы заставить топливо гореть правильно. Турбокомпрессор на автомобиле применяется очень аналогичный принцип работы поршневого двигателя. Он использует выхлопные газы для водить турбину.Это вращает воздушный компрессор, который выталкивает дополнительный воздух. (и кислород) в цилиндры, что позволяет им сжигать больше топлива каждый раз. второй. Вот почему автомобиль с турбонаддувом может производить больше энергии (что это еще один способ сказать «больше энергии в секунду»). Нагнетатель (или «механический нагнетатель», чтобы дать ему полное название) очень похож на турбонагнетатель, но вместо того, чтобы приводиться в действие выхлопными газами с помощью турбины, он приводится в действие вращающимся коленчатым валом автомобиля. Обычно это недостаток: там, где турбонагнетатель питается от отработанной энергии выхлопных газов, нагнетатель фактически крадет энергию из собственного источника энергии автомобиля (коленчатый вал), что обычно бесполезно.

Фото: Суть турбокомпрессора: два газовых вентилятора (турбина и компрессор) установлены на одном валу. Когда один поворачивается, другой тоже поворачивается. Фото предоставлено Исследовательским центром Гленна НАСА (NASA-GRC).

Как работает турбонаддув на практике? Турбокомпрессор фактически представляет собой два небольших вентилятора (также называемых крыльчатками). или бензонасосы) сидят на одном металлическом валу так, что оба крутятся вокруг вместе. Один из этих вентиляторов, называемый турбиной , находится в поток выхлопных газов из цилиндров.Когда цилиндры продувают горячий газ лопасти вентилятора, они вращаются и вал, к которому они подключены (технически называемый вращающимся узлом центральной ступицы или CHRA) так же вращается. Второй вентилятор называется компрессор и, так как он сидит на том же валу, что и турбина, он тоже крутится. Он установлен внутри воздухозаборника автомобиля, поэтому при вращении втягивает воздух в машину и нагнетает его в цилиндры.

Здесь небольшая проблема. Если вы сжимаете газ, вы делаете его горячее (вот почему велосипедный насос прогревается, когда вы начинаете накачивать шины).горячее воздух менее плотный (поэтому теплый воздух поднимается над радиаторами) и менее эффективно помогает топливу гореть, поэтому было бы намного лучше, если бы воздух, выходящий из компрессора, охлаждался перед поступлением цилиндры. Для его охлаждения выход компрессора проходит над теплообменником, удаляющим дополнительное тепло и направляет его в другое место.

Как работает турбокомпрессор — более подробно

Основная идея заключается в том, что выхлоп приводит в движение турбину (красный вентилятор), которая напрямую подключен к компрессору (и питает его) (синий вентилятор), который нагнетает воздух в двигатель.Для простоты мы показываем только один цилиндр. Итак, вкратце, как все это работает:

  1. Холодный воздух поступает в воздухозаборник двигателя и направляется к компрессору.
  2. Вентилятор компрессора помогает всасывать воздух.
  3. Компрессор сжимает и нагревает поступающий воздух и снова выдувает его.
  4. Горячий сжатый воздух от компрессора проходит через теплообменник, который охлаждает его.
  5. Охлажденный сжатый воздух поступает в воздухозаборник цилиндра.Дополнительный кислород помогает сжигать топливо в цилиндре быстрее.
  6. Поскольку цилиндр сжигает больше топлива, он производит энергию быстрее и может передавать больше мощности на колеса через поршень, валы и шестерни.
  7. Отработанный газ из цилиндра выходит через выпускной патрубок.
  8. Горячие выхлопные газы, обдувая вентилятор турбины, заставляют его вращаться с высокой скоростью.
  9. Вращающаяся турбина установлена ​​на том же валу, что и компрессор (здесь показана бледно-оранжевой линией).Таким образом, когда вращается турбина, вращается и компрессор.
  10. Выхлопные газы покидают автомобиль, затрачивая меньше энергии, чем в противном случае.

На практике компоненты можно соединить примерно так. Турбина (красная, справа) всасывает выхлопной воздух через впускное отверстие, приводя в действие компрессор (синий, слева), который всасывает чистый наружный воздух и нагнетает его в двигатель. Эта конкретная конструкция имеет электрическую систему охлаждения (зеленого цвета) между турбиной и компрессором.

Работа: Как турбина и компрессор соединены в турбонагнетателе с электрическим охлаждением. Из патента США №7,946,118: Охлаждение турбокомпрессора с электрическим управлением, выданного Уиллом Хиппеном и др., Ecomotors International, 24 мая 2011 г. Изображение предоставлено Управлением по патентам и товарным знакам США.

Откуда берется дополнительная мощность?

Турбокомпрессоры дают автомобилю больше мощности, но эта дополнительная мощность не поступает непосредственно из отработанных выхлопных газов, и это иногда сбивает людей с толку.С турбонагнетателем мы используем часть энергии выхлопных газов для привода компрессора. что позволяет двигателю сжигать больше топлива каждую секунду. Это дополнительное топливо — это дополнительная мощность автомобиля. происходит от. Все, что делает выхлопной газ, это приводит в действие турбокомпрессор и, поскольку турбонагнетатель не соединен с коленчатым валом или колесами автомобиля, он не прямое добавление к движущей силе автомобиля в любом случае. Это просто позволяет тот же двигатель, чтобы сжигать топливо с большей скоростью, что делает его более мощным.

Сколько дополнительной энергии вы можете получить?

Если турбокомпрессор придает двигателю большую мощность, более крупный и лучший турбокомпрессор даст это еще больше силы. Теоретически вы могли бы продолжать улучшать свой турбокомпрессор. чтобы сделать ваш двигатель все более и более мощным, но в конечном итоге вы достигнете предела. Цилиндры настолько велики, что столько топлива они могут сжечь. Через отверстие определенного размера вы можете нагнетать в них столько воздуха, сколько вы можете выпустить выхлопных газов, что ограничивает энергию, которую вы можете использовать для привода турбонагнетателя.Другими словами, в игру вступают другие ограничивающие факторы, которые необходимо учитывать. аккаунт тоже; вы не можете просто турбонаддувом свой путь к бесконечности!

Преимущества и недостатки турбокомпрессоров

Фото: Типовой автомобильный турбокомпрессор. Вы можете ясно видеть два вентилятора/воздуходувки (один над другим) и их впускные/выпускные отверстия. Фото предоставлено армией США.

Вы можете использовать турбокомпрессоры как с бензиновыми, так и с дизельными двигателями и на более или менее любых тип транспортного средства (автомобиль, грузовик, корабль или автобус).Основное преимущество использования турбокомпрессора заключается в том, что вы получаете большую выходную мощность. для двигателя того же размера (каждый ход поршня в каждом отдельном цилиндре генерирует больше мощности, чем в противном случае). Тем не менее, большая мощность означает больше энергии выхода в секунду, и закон сохранения энергии говорит нам, что вы также должны вкладывать больше энергии, поэтому вы должны сжигать соответственно больше топлива. Теоретически это означает, что двигатель с турбокомпрессором не более экономичен, чем двигатель без него.Однако на практике двигатель, оснащенный турбокомпрессором, намного меньше и легче, чем двигатель той же мощности без турбокомпрессора, поэтому автомобиль с турбокомпрессором может обеспечить лучшую экономию топлива в этом отношении. Теперь производителям часто удается установить на тот же автомобиль двигатель гораздо меньшего размера (например, V6 с турбонаддувом вместо V8 или четырехцилиндровый двигатель с турбонаддувом вместо V6). И именно здесь автомобили с турбонаддувом получают свое преимущество: работая хорошо, они могут сэкономить до 10 процентов вашего топлива.Поскольку они сжигают топливо с большим содержанием кислорода, они, как правило, сжигают его более тщательно и чисто, загрязняя воздух меньше.

Большинство отраслевых экспертов ожидают, что к 2027 году более половины автомобилей, продаваемых в США, будут оснащены им. »

Нью-Йорк Таймс, 2018 г.

Больше мощности при том же размере двигателя звучит замечательно, так почему же не все двигатели оснащены турбонаддувом? Одна из причин заключается в том, что преимущества экономии топлива, обещанные ранними турбонагнетателями, не всегда оказывались такими впечатляющими, как хотели заявлять производители (стремящиеся воспользоваться любым маркетинговым преимуществом перед своими конкурентами).Одно исследование, проведенное Consumer Reports в 2013 году, показало, что небольшие двигатели с турбонаддувом обеспечивают значительно меньшую экономию топлива, чем их «безнаддувные» (обычные) аналоги, и пришел к выводу: «Не принимайте экологические достоинства двигателей с турбонаддувом за чистую монету. экономить топливо, включая гибриды, дизели и другие передовые технологии». Надежность также часто была проблемой: турбокомпрессоры добавляют еще один уровень механической сложности к обычному двигателю — короче говоря, есть еще несколько вещей, которые могут пойти не так.Это может значительно удорожить обслуживание турбин. По определению, турбонаддув — это получение большего от той же базовой конструкции двигателя, и многие компоненты двигателя должны работать при более высоких давлениях и температурах, что может привести к более раннему выходу деталей из строя; вот почему, вообще говоря, двигатели с турбонаддувом не служат так долго. С турбонаддувом даже вождение может быть другим: поскольку турбонагнетатель приводится в действие выхлопными газами, часто возникает значительная задержка («турбо-лаг») между нажатием педали газа и включением турбонаддува, что может автомобили очень разные (а иногда и очень хитрые) в управлении.В последние несколько лет ведущие производители, такие как Garrett и BorgWarner, усердно разрабатывали частично или полностью электрические турбокомпрессоры для решения этой проблемы; Предложение Garrett называется E-Turbo, а предложение Borg — eBooster®.

Кто изобрел турбокомпрессор?

Кого мы благодарим за турбокомпрессоры? Альфред Дж. Бюхи (1879–1959), автомобильный инженер, работавший в компании Gebrüder Sulzer Engine Company в Винтертуре, Швейцария. Подобно турбонагнетателю, который я проиллюстрировал выше, его первоначальная конструкция использовала вал турбины с приводом от выхлопных газов для питания компрессора, который нагнетал больше воздуха в цилиндры двигателя.Первоначально он разработал турбокомпрессор за годы до Первой мировой войны и запатентовал его в Германии в 1905 году, но продолжал работать над улучшенными конструкциями до своей смерти четыре десятилетия спустя.

Однако

Бюхи был не единственной важной фигурой в этой истории. Несколькими годами ранее сэр Дугалд Кларк (1854–1932), шотландский изобретатель двухтактного двигателя, экспериментировал с разделением стадий сжатия и расширения внутреннего сгорания с помощью двух отдельных цилиндров. Это работало как наддув, увеличивая как поток воздуха в цилиндр, так и количество топлива, которое можно было сжечь.Другие инженеры, в том числе Луи Рено, Готлиб Даймлер и Ли Чедвик также успешно экспериментировал с системами наддува.

Произведение искусства: одна из конструкций турбокомпрессора Альфреда Бюхи конца 1920-х годов (патент был подан в 1927 году и выдан в апреле 1934 года). Я раскрасил его, чтобы вы могли быстро разобраться. Вы можете видеть один цилиндр (желтый) и поршень, кривошип и шатун (красный) слева. Выхлопной газ из цилиндра проходит по трубе (зеленая), которая приводит в движение турбину.Он подключен к оранжевому «зарядному вентилятору» (компрессор) и охладителю (синяя коробка), который нагнетает воздух в цилиндр через синюю трубку. Есть и другие запутанные детали, но я не буду вдаваться во все детали; если вам интересно, взгляните на патент США № 1 955 620: Двигатель внутреннего сгорания (обслуживается через патенты Google). Работа предоставлена ​​Управлением по патентам и товарным знакам США.

Рекламные ссылки

Узнать больше

На этом сайте

Книги для читателей постарше

Книги для юных читателей

  • Автомобильная наука Ричарда Хаммонда.Дорлинг Киндерсли, 2007 г. Объясняет науку, которая заставляет вашу машину работать (9–12 лет).

Артикул

  • Garrett E-Turbo обещает большую мощность, лучшую эффективность и меньшую задержку Аарон Терпен, New Atlas, 20 октября 2019. История новых электрических турбин Garrett.
  • Прыжки с турбонаддувом с ипподрома в тупик Стивена Уильямса. The New York Times, 25 октября 2018 г. Как турбокомпрессоры стали важным компонентом двигателя современного автомобиля.
  • Маленький вентилятор, решающий самую большую проблему турбокомпрессора, Алекс Дэвис.Wired, 24 августа 2017 г. Краткий обзор eBooster от BorgWarner.
  • Как повысить эффективность двигателей с турбонаддувом? Просто добавь воды, Ник Чап. The New York Times, 29 сентября 2016 г. Bosch возрождает идею распыления воды в цилиндры с турбонаддувом, чтобы сделать их более холодными и менее хаотичными.
  • Автопроизводители считают, что турбины — это мощный путь к топливной экономичности, Лоуренс Ульрих. The New York Times, 26 февраля 2015 г. Почему такие производители, как Ford и BMW, активно продвигают двигатели с турбонаддувом.
  • 50 лет назад турбокомпрессор был прорывной технологией Джима Коска. The New York Times, 19 декабря 2014 г. Как ранние турбокомпрессоры в конечном итоге преодолели свои первые проблемы.
  • Если вы не водите турбо, скоро будете, Чак Скуатриглиа. Wired, 24 сентября 2010 г. Ожидается, что к 2015 г. количество автомобилей с установленными турбонагнетателями удвоится, поскольку производители ищут новые способы повышения производительности двигателей меньшего размера.
  • Turbo приветствует свои экологические сертификаты от Йорна Мэдслиена.BBC News, 11 октября 2009 г. Турбины заставляют автомобили двигаться быстрее; они также могут сделать их «более экологичными» за счет снижения расхода топлива.

Патенты

Если вы ищете подробное техническое описание того, как что-то работает, патенты — хорошее место для начала. Здесь Вот несколько недавних патентов на турбокомпрессоры, на которые стоит обратить внимание:

  • Патент США № 1 955 620: Двигатель внутреннего сгорания Альфреда Дж. Бючи, выданный 17 апреля 1934 г. Ранний турбодвигатель, разработанный самим изобретателем турбокомпрессоров.
  • Патент США № 2,309,968: Управление турбокомпрессором и метод Ричарда Дж. Ллойда, The Garrett Corporation, выданный 1 февраля 1977 года. Основное внимание уделяется системе управления турбокомпрессором, которая эффективно работает при различных скоростях двигателя.
  • Патент США № 4,083,188: Система турбонагнетателя двигателя Эмерсона Кумма, The Garrett Corporation, выдан 11 апреля 1978 г. Современный турбокомпрессор для дизельного двигателя с низкой степенью сжатия.
  • Патент США № 7,946,118: Охлаждение турбокомпрессора с электрическим управлением, выданный Уиллом Хиппеном и др., Ecomotors International, 24 мая 2011 г.Новый метод охлаждения турбокомпрессора.

Пожалуйста, НЕ копируйте наши статьи в блоги и другие веб-сайты

Статьи с этого веб-сайта зарегистрированы в Бюро регистрации авторских прав США. Копирование или иное использование зарегистрированных произведений без разрешения, удаление этого или других уведомлений об авторских правах и/или нарушение смежных прав может повлечь за собой серьезные гражданские или уголовные санкции.

Авторские права на текст © Chris Woodford 2010, 2020. Все права защищены. Полное уведомление об авторских правах и условия использования.

eBooster является зарегистрированным товарным знаком корпорации BorgWarner Inc.

Подписывайтесь на нас

Сохранить или поделиться этой страницей

Нажмите CTRL + D, чтобы добавить эту страницу в закладки на будущее или рассказать о ней своим друзьям:

Цитировать эту страницу

Вудфорд, Крис. (2010/2020) Турбокомпрессоры. Получено с https://www.explainthatstuff.com/how-turbochargers-work.html. [Доступ (вставьте дату здесь)]

Больше информации на нашем веб-сайте…

Газотурбинный двигатель Chrysler Automotive, 1950-80 гг. на JSTOR

Абстрактный

В конце 1940-х годов компания Chrysler в ответ на правительственные контракты начала научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы по автомобильному газотурбинному двигателю. Джордж Ф. Хюбнер-младший, позже возглавлявший отдел исследований и разработок в Chrysler, был самым оптимистичным сторонником этой новой технологии. У газотурбинного двигателя были очевидные преимущества, особенно отсутствие вибраций, низкие потребности в обслуживании, многотопливность и низкий уровень выбросов за счет непрерывного сгорания.С другой стороны, плохая экономия топлива при частичной нагрузке, медленная реакция на ускорение, высокие производственные затраты и отсутствие подходящих материалов для экстремально высоких температур были проблемами, которые были решены лишь частично. Поэтому крупносерийное производство этого двигателя пока невозможно. Используя конструкционные керамические материалы, Chrysler и другие производители автомобилей надеются преодолеть последнюю проблему и в полной мере использовать преимущества газотурбинного двигателя. С конца Второй мировой войны правительство выступало как в качестве поддержки (проекты оборонных исследований и разработок), так и в качестве препятствия (законы о борьбе с загрязнением воздуха, колебания расходов на оборону) развитию автомобильной газовой турбины.

Информация о журнале

Social Studies of Science — ведущий международный журнал, посвященный важнейшим вопросам взаимоотношений между наукой и обществом.

Информация об издателе

Сара Миллер МакКьюн основала издательство SAGE Publishing в 1965 году для поддержки распространения полезных знаний и просвещения мирового сообщества. SAGE является ведущим международным поставщиком инновационного высококачественного контента, который ежегодно публикует более 900 журналов и более 800 новых книг, охватывающих широкий спектр предметных областей.Растущий выбор библиотечных продуктов включает архивы, данные, тематические исследования и видео. Контрольный пакет SAGE по-прежнему принадлежит нашему основателю, а после ее жизни перейдет в собственность благотворительного фонда, который обеспечивает постоянную независимость компании. Основные офисы расположены в Лос-Анджелесе, Лондоне, Нью-Дели, Сингапуре, Вашингтоне и Мельбурне. www.sagepublishing.com

Микротурбина – обзор

17.3.8 Выработка электроэнергии в газовой микротурбине

Микротурбины (газовые) представляют собой небольшие высокоскоростные газовые турбины с номинальной мощностью 25–500 кВт (Chambers and Potter, 2002).Микротурбины считаются простыми в обращении и имеют относительно низкий уровень шума и вибрации. Они могут использовать различные виды топлива, в том числе природный газ, биогаз, попутный газ, биодизель и керосин. Микротурбины все чаще используются для получения биогаза, особенно в когенерации на очистных сооружениях, установках совместного сбраживания, на фермах и на свалках.

Микротурбины обычно состоят из воздушного компрессора, камеры сгорания, турбины, генератора переменного тока, рекуператора и генератора (рис. 17.5). Микротурбины имеют один вал, на котором закреплены компрессор, турбина и генератор.Газовые турбины представляют собой одноступенчатые устройства с радиальным потоком со скоростью вращения от 90 000 до 120 000 об/мин (Chambers and Potter, 2002). Турбина приводит в движение компрессор, который сжимает воздух и одновременно генератор (Deublein and Steinhause, 2008). В микротурбинах компрессор нагнетает воздух в рекуператор, который действует как теплообменник «воздух-воздух», рекуперируя тепло выхлопных газов. Нагрев воздуха для горения увеличивает электрический КПД микротурбины. Нагретый воздух подается в камеру сгорания, в которую также впрыскивается топливо.Для биогаза минимальное содержание метана в биогазе должно составлять 30%. В камере сгорания сгорающая смесь расширяется, что, в свою очередь, приводит к вращению турбины и вала и, таким образом, к выработке электроэнергии.

17.5. Микрогазотурбинный процесс с рекуперацией тепла.

(адаптировано из Deublein and Steinhause, 2008, с разрешения Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Германия)

Микротурбины обычно регулируются путем изменения подачи топлива. Электрический КПД микротурбин обычно составляет 15–30%; более высокий КПД достигается при использовании предварительно нагретого воздуха для горения (Chambers and Potter, 2002; Deublein and Steinhause, 2008).Температура выхлопа микротурбин относительно низкая (около 200–300 °C), а отработанное тепло можно использовать только для производства пара низкого давления и/или горячей воды (Chambers and Potter, 2002). Электрическая эффективность до 50% достигается, когда микротурбина соединена с микропаровой турбиной.

Микротурбины дороже, чем традиционные газовые двигатели, но требования к их техническому обслуживанию намного меньше, и, следовательно, затраты на техническое обслуживание снижаются. Время их жизни также относительно велико. Интервал технического обслуживания составляет от 2000 до 8000 часов, но может быть больше, если турбина работает при температуре выше нормальной рабочей температуры, составляющей примерно 10 °C (Deublein and Steinhause, 2008).Как и большие газовые турбины, микротурбины устойчивы к влаге и агрессивным газам в топливном газе, если в системе подачи топлива не образуется конденсат. Они также имеют лучшую устойчивость к соединениям серы и более низкий уровень выбросов выхлопных газов.

Двигатель внутреннего сгорания — Energy Education

Двигатели внутреннего сгорания (ДВС) являются наиболее распространенной формой тепловых двигателей, поскольку они используются в транспортных средствах, лодках, кораблях, самолетах и ​​поездах. Они названы так потому, что топливо воспламеняется, чтобы совершать работу внутри двигателя. [1] Та же топливно-воздушная смесь затем выбрасывается в виде выхлопных газов. Это можно сделать с помощью поршня (так называемый поршневой двигатель) или с помощью турбины.

Закон идеального газа

Тепловые двигатели внутреннего сгорания работают по принципу идеального газа: [math]pV=nRT[/math]. Повышение температуры газа увеличивает давление, которое заставляет газ расширяться. [1] Двигатель внутреннего сгорания имеет камеру, в которую добавлено топливо, воспламеняющееся для повышения температуры газа.

Когда в систему добавляется тепло, газ внутри расширяется. В поршневом двигателе это заставляет поршень подниматься (см. рис. 2), а в газовой турбине горячий воздух нагнетается в камеру турбины, вращая турбину (рис. 1). Прикрепив поршень или турбину к распределительному валу, двигатель может преобразовать часть подводимой к системе энергии в полезную работу. [2] Для сжатия поршня в двигателе прерывистого внутреннего сгорания двигатель выпускает газ.Затем используется радиатор, чтобы система работала при постоянной температуре. Газовая турбина, в которой используется непрерывное сгорание, просто выбрасывает свой газ непрерывно, а не в цикле.

Поршни и турбины

Рис. 1. Схема газотурбинного двигателя. [3]

Двигатель, в котором используется поршень , называется двигателем внутреннего сгорания периодического действия , тогда как двигатель, использующий турбину , называется двигателем внутреннего сгорания непрерывного действия .Разница в механике очевидна из-за названий, но разница в использовании менее очевидна.

Поршневой двигатель чрезвычайно отзывчив по сравнению с турбиной, а также более экономичен при низкой мощности. Это делает их идеальными для использования в транспортных средствах, поскольку они также быстрее запускаются. И наоборот, турбина имеет более высокое отношение мощности к массе по сравнению с поршневым двигателем, а ее конструкция более надежна для обеспечения постоянной высокой производительности. Турбина также работает лучше, чем безнаддувный поршневой двигатель на больших высотах и ​​при низких температурах.Легкая конструкция, надежность и способность работать на большой высоте делают турбины предпочтительным двигателем для самолетов. Турбины также широко используются на электростанциях для производства электроэнергии.

Четырехтактный двигатель

на главную
Рисунок 2. Четырехтактный двигатель внутреннего сгорания. 1: впрыск топлива, 2: зажигание, 3: расширение (работа выполнена), 4: выпуск. [4]

Несмотря на то, что существует много типов двигателей внутреннего сгорания, четырехтактный поршневой двигатель (рис. 2) является одним из наиболее распространенных.Он используется в различных автомобилях (которые специально используют бензин в качестве топлива), таких как легковые автомобили, грузовики и некоторые мотоциклы. Четырехтактный двигатель обеспечивает один рабочий ход за каждые два цикла поршня. Справа есть анимация четырехтактного двигателя и дальнейшее объяснение процесса ниже.

  1. Топливо впрыскивается в камеру.
  2. Топливо воспламеняется (в дизельном двигателе это происходит иначе, чем в бензиновом двигателе).
  3. Этот огонь толкает поршень, что является полезным движением.
  4. Химические отходы, по объему (или массе) это в основном водяной пар и двуокись углерода. Там могут быть загрязняющие вещества, а также угарный газ от неполного сгорания.

Двухтактный двигатель

на главную
Рисунок 3. Двухтактный двигатель внутреннего сгорания [5]

Как следует из названия, системе требуется всего два движения поршня для выработки энергии. Основным отличительным фактором, который позволяет двухтактному двигателю работать только с двумя движениями поршня, является то, что выпуск и впуск газа происходят одновременно, [6] , как показано на рисунке 3.Сам поршень используется в качестве клапана системы вместе с коленчатым валом для направления потока газов. Кроме того, из-за частого контакта с движущимися компонентами топливо смешивается с маслом для добавления смазки, что обеспечивает более плавный ход. В целом двухтактный двигатель содержит два процесса:

  1. Топливно-воздушная смесь добавляется и поршень движется вверх (сжатие). Впускное отверстие открывается из-за положения поршня, и топливно-воздушная смесь поступает в приемную камеру.Свеча зажигания воспламеняет сжатое топливо и начинает рабочий ход.
  2. Нагретый газ оказывает высокое давление на поршень, поршень движется вниз (расширение), отработанное тепло отводится.

Роторный двигатель Ванкеля

на главную
Рисунок 4. Цикл роторного двигателя. Он всасывает воздух/топливо, сжимает его, воспламеняется, выполняя полезную работу, а затем выпускает газ. [7]

В двигателе этого типа имеется ротор (внутренний круг обозначен буквой «В» на рис. 4), который находится в корпусе овальной формы.Он выполняет обычные этапы четырехтактного цикла (впуск, сжатие, воспламенение, выпуск), однако эти этапы происходят 3 раза за один оборот ротора — создавая три рабочих такта за оборот .

Для дальнейшего чтения

Каталожные номера

  1. 1.0 1.1 Р. Д. Найт, «Тепловые двигатели и холодильники» в Физика для ученых и инженеров: стратегический подход, 3-е изд. Сан-Франциско, США: Пирсон Аддисон-Уэсли, 2008 г., гл.19, с.2, с.530
  2. ↑ Р. А. Хинрихс и М. Клейнбах, «Тепло и работа», в Energy: its Use and the Environment , 5-е изд. Торонто, Онтарио. Канада: Брукс/Коул, 2013 г., ч. 4, стр. 93–122.
  3. ↑ Wikimedia Commons [в сети], доступно: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/4/4c/Jet_engine.svg
  4. ↑ Wikimedia Commons [в сети], доступно: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/d/dc/4StrokeEngine_Ortho_3D_Small.gif
  5. ↑ «Файл: Двухтактный двигатель.gif — Wikimedia Commons», Commons.wikimedia.org, 2018. [Онлайн]. Доступно: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Two-Stroke_Engine.gif. [Доступ: 17 мая 2018].
  6. ↑ К. Ву, Термодинамика и тепловые циклы. Нью-Йорк: Издательство Nova Science, 2007 г.
  7. ↑ Wikimedia Commons [в сети], доступно: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/f/fc/Wankel_Cycle_anim_en.gif

ПРИНЦИП РАБОТЫ ГАЗОВОЙ ТУРБИНЫ ОТКРЫТОГО ЦИКЛА

Мы были обсуждая цикл Отто, идеальный цикл для внутреннего поршневые двигатели с искровым зажиганием или просто бензиновые двигатели и также Дизель цикл, идеальный цикл для работы внутреннего сгорания сжатия поршневые двигатели с зажиганием в наших предыдущих постах.Мы также обсудили вывод эффективности цикла Отто и эффективности цикла Дизеля.

Мы будем см. здесь очень важную тему, т.е. газотурбинную электростанцию ​​открытого цикла или ГТД открытого цикла с помощью этого поста.

Газотурбинный двигатель открытого цикла

Газотурбинные двигатели открытого цикла обычно используются в авиационных двигателях, судовых двигателях и также в автомобильных двигателях. Компрессор, турбина и камера сгорания являются основными компоненты газотурбинного двигателя открытого цикла.

Покажи нам расположение различных компонентов газотурбинного двигателя открытого цикла.

Свежий воздух поступит в компрессор при атмосферном давлении и температуре, где давление и температура воздуха повысятся. Теперь воздух под высоким давлением и высокая температура войдет в камеру сгорания, как показано на рисунке выше.

Топливо будет впрыскивается извне в камеру сгорания и, следовательно, сжигание топливо будет проходить в камере сгорания в присутствии высокого давления и воздух высокой температуры.Следовательно, продукт сгорания, т. е. газ, будет иметь высокую давление и высокая температура на выходе из камеры сгорания.

Высокое давление и высокотемпературный газ войдет в турбину, где высокое давление и высокотемпературный газ будет расширяться через турбину. Давление и температура газа, оба будут падать здесь.

Там будет будет падение температуры газа, но все же температура газа будет высокой, в то время как давление газа уменьшится до атмосферного и, следовательно, мы можем сказать что высокотемпературный газ будет выбрасываться в атмосферу при атмосферном давление.

Как мы можем Обратите внимание, что свежий воздух поступает в компрессор при атмосферном давлении. давления и температуры, а высокотемпературный газ отбрасывается здесь в атмосфера при атмосферном давлении и выхлопные газы, выходящие из турбины, не рециркулирует, но также попадает в атмосферу, поэтому этот цикл будет называют газотурбинным двигателем открытого цикла.

Рабочая энергия будет вырабатываться турбиной при расширении высокого давления. и высокотемпературный газ, и некоторая часть этой произведенной работы будет использована для привод компрессора и, следовательно, компрессор и турбина собраны с общим вал, как показано на рисунке выше.

Давайте посмотрим на процессы, связанные с газотурбинный двигатель открытого цикла

Обработать 1-2: Процесс изоэнтропического сжатия, свежий воздух поступает в компрессор при атмосферное давление и температура будут сжиматься здесь при высоком давлении и высокая температура.

Обработать 2-3: Подача тепла при постоянном давлении в камеру сгорания

Процесс 3-4: Изэнтропический процесс расширения, газ высокого давления и высокой температуры будет расширяться через турбину.

Давайте посмотрим здесь тепловой КПД газотурбинного двигателя открытого цикла

Мы будем см. здесь различные расчеты энергии для единицы массы

Входная работа энергии на компрессор, Вт C = C P (T 2 -T 1 )

Выходная работа энергия от турбины, Вт T = C P (T 3 -T 4 )

Добавлено тепло в камере сгорания при постоянном давлении, Q A = C P (T 3 -T 2 )

Сеть мощность, Вт= Вт T — Вт C = C P (T 3 -T 4 ) — С Р 2 1 )

η термический = Чистая выходная мощность / Подведенное тепло

η тепловой = [C P (T 3 -T 4 ) — C P (T 2 -T 1 )]/ C P 3 2 )

Ты есть предложения? Пожалуйста, напишите в поле для комментариев.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.

*