Воздушная турбина: Воздушная турбина — Справочник химика 21

Содержание

Воздушная турбина — Справочник химика 21

    Датчик сигналов ЯМР. Датчик сигналов содержит в себе устройство, включающее воздушную турбину, приемную катушку, катушку модуляции поля и предусилитель. Датчик монтируется на координатном устройстве, которое позволяет установить катушку с образцом в наиболее однородном поле. Современные спектрометры имеют систему смены датчиков, специ- [c.56]

    MIL-I,-6085-a Малолетучее Для смазки приборов, воздушных турбин и т. д. в условиях, когда важна малая испаряемость [c.140]


    На рис. 53 показана схема газопламенного проволочного напыления при металлизации (прутковое напыление проводится аналогичным образом). Напыляемый материал в виде проволоки или прутка подается через центральное отверстие горелки и расплавляется в пламени [258]. Струя сжатого воздуха распыляет расплавленный материал на мелкие частицы, которые осаждаются на обрабатываемой поверхности.
Проволока подается с постоянной скоростью роликами, приводимыми в движение встроенной в горелку воздушной турбиной, работающей на сжатом воздухе, используемом для на- [c.255]

    Для распыления проволоки требуется пистолет, проволока, сжатый воздух, кислород, горючий газ и аппаратура для сжатия воздуха. Проволока должна быть стандартного диаметра-в катушках или барабанах. Питание пистолета проволокой осуществляется нри помощи маленькой воздушно турбины. В выпускном отверстии пистолета зажигается пламя, которое поддерживается кислородом и любым горючим газом (угольный газ, водород, пропан, бутан и т. п.). Питание этими газами контролируется регулировочными клапанами и манометром, относительные количества определяются составом проволоки, ее темлературой плавления и диаметром. Расплавленный металл распыляется и переносится на деталь сжатым воздухом на расстояние от 50 до 150 см. 

[c.86]

    Вполне возможно, что даже после выполнения всех этих требований, все еще сохранится какая-то степень неоднородности поля. В этом случае разрешающую снособность прибора молвращение вокруг оси его симметрии со скоростью около 400 об/мин. Это можно сделать при помощи небольшой воздушной турбины. Применение электрического мотора в данном случае недопустимо, поскольку он может исказить картину магнитного иоля. 

[c.248]

    В некоторых компрессорах энергия выбрасываемого воздуха используется в специальных воздушных турбинах. К таким компрессорам относится, в частности, компрессор типа Изотерм (см. 10.7). [c.325]

    Конструктивно сходная распылительная машина для предварительного формования выпускается фирмой Тернер (Англия). В дополнение к вакуум-отсосу из-под формы, укладываемой на вращающийся стол, смонтированный в кожухе машины (рис. XV. 30), предусмотрен также распылитель рубленого волокна типа воздушной турбины 5, размещенной в верхней конической части кожуха. Такой распылитель обеспечивает более равномерное распределение волокон в объеме аппарата и способствует такому же равномерному их распределению на форме.

[c.714]

    При использовании воздушной турбины трудно точно отрегулировать скорость подачи проволоки, однако горелка более компактна и имеет меньшие габариты. Поэтому воздушные турбины используют в горелках, которые предназначены для ручного напыления. Горелки с электрическим двигателем позволяют более точно регулировать подачу проволоки и поддерживать ее постоянную скорость. Диаметр напыляемой проволоки обычно не превышает 3 мм. При напылении металлов с низкими температурами плавления (алюминий, цинк и т. д.) горелками с повышенной производительностью диаметр проволоки может составить 5—7 мм. 

[c.256]


    Необходимо обратить внимание на то, что электроприборы обычно не снабжены защитой от искрения, и поэтому при работе с легковоспламеняющимися веществами (например, водородом, сероуглеродом и др.) мешалку следует приводить во вращение при помощи водяной или воздушной турбины. [c. 24]

    Имеются патенты, которые предусматривают использование тепла в печах КС путем нагревания не воды, а воздуха, с последующей подачей его в воздушную турбину, где тепловая энергия преобразуется в электрическую. В этом случае исключается применение паровых котлов, что существенно упрощает и удешевляет 

[c.68]

    Цикл низкого давления с расширением воздуха в турбодетандере (цикл Капицы). Холодильный цикл, разработанный акад. П. Л. Капицей в 1939 г., основан на применении воздуха низкого давления и получении необходимого холода только за счет расширения этого воздуха в воздушной турбине (так называемом турбодетандере) с производством внешней работы. Схема холодильного цикла Капицы и диаграмма 5—Т цикла даны на рис. 2.20. Воздух (см. рис. 2.20, а) сжимается до абсолютного давления Р2 = 6—7 кгс/см (5,9—б.Э-Ю нДи ) в турбокомпрессоре /, охлаждается водой в холодильнике 2 и поступает в регенераторы (тепло- 

[c.79]

    Есть патенты, которые предусматривают использование тепла в печах КС путе. м нагревания не воды, а воздуха, с последующей подачей его в воздушную турбину, где тепловая энергия преобразуется в электрическую. В этом случае исключается применение паровых котлов, что существенно упрощает и удешевляет производство, поскольку сложная система подготовки воды и наличие вспомогательного оборудования у котлов-утилизаторов приводят к большим затратам и требуют постоянного внимания обслуживающего персонала. 

[c.80]

    Ротор ультрацентрифуги представляет собой стальной или дюралюминиевый диск (рис. 5). В двух отверстиях в роторе (см. рис. 5) помещены две маленькие ячейки. В одной из них находится центрифугируемый раствор, в другой, уравновешивающей, ячейке — чистый растворитель. Вся эта конструкция закреплена и вращается с большой скоростью. В первых моделях ультрацентрифуги диск был насажен на простую ось в обычном подшипнике и приводился во вращение маленькой масляной турбиной на конце оси. Если вращение с большой скоростью происходит на воздухе, то ротор сильно разогревается, что нарушает процесс осаждения частиц и делает невозможным точные измерения их движения.

Поэтому в некоторых современных моделях ротор ультрацентрифуги вращается в атмосфере водорода при пониженном давлении для охлаждения. В других конструкциях вращение осуществляется воздушной турбиной, [c.51]

    Прозрачные кюветы 5, содержащие 0,5 мл раствора исследуемого полимера, устанавливаются в роторе 3, приводилюм в движе ние при помощи маслйной или воздушной турбины или элeктpo ю-тора. По мере оседания макромолекул изменяется коэффициент преломления п (или светопоглощение) раствора по высоте кюветы X, находящейся на пути луча света 

[c.540]

    В воздушной ультрацентрифуге, как показывает са-мо название, двигательное устройство основано на принципе воздушных турбин. На одном валу с ротором находятся воздушные турбины, на которые подается струя воздуха от мощного компрессора. Камера ротора герметично отделена от камеры турбины, так как в камере ротора во время эксперимента поддерживается вакуум. Между камерами находится сальник, через который проходит вертикально подвешенный вал.

Свободное крепление вала обусловливает возможность самобалансировки ротора. Так же, как в ультрацентрифуге Спинко, ротор делают ИЗ легкого прочного сплава — дюралюминия. [c.138]

    Вначале для смазки миниатюрных моделей оборудования, работающего в ядерном реакторе, применяли три масла [46], выбранные на основании результатов предварительных испытаний в статических условиях и определения стойкости к окислению. Эти масла содержали в качестве базового компонента ди(2-этилгексил)себацинат, полиоксипропилен и октадецилбензол к ним были добавлены антирадиационные и антиокислительные присадки, признанные перспективными на основании предыдущих исследований. Испытания проводили на малых оборотах (80 об/лгын) в подшипниках скольжершя и в быстроходных (10 ООО об/мин) воздушных турбинах при 141° С. Влияние облучения определяли сравнением с результатами параллельных опытов, проводившихся вне реактора. После всех опытов масла и трущиеся детали подвергали осмотру.
[c.80]

    Первое сообщение о центрифуге для разделения газов и изотопов было сделано в 1935 году профессором Jesse W. Beams в Вирджинском университете в harlottesville, США. Это был цилиндрический ротор центрифуги, вращающийся в вакуумном корпусе и управляемый воздушной турбиной [4. А в 1937 году Ю.Б. Харитон изложил основы теории прямоточной бесциркуляционной центрифуги для разделения газовых смесей [5]. 

[c.130]


    В 1923 г. Сведберг создал первую ультрацентрифугу, за которую он получил в 1926 г. Нобелевскую премию. В дальнейшем конструкция ультрацентрифуг была усовершенствована в частности, вместо масляных и воздушных турбин в них стали применять электрические приводы. В настоящее время обычно применяются дюралюминиевые роторы эллипсоидальной формы, что позволяет уменьшить их вес и предотвратить локализацию напряжений на отверстиях для ячеек. Скорость вращения достигает 60 ООО об/мин. В современных ультрацентрифугах вставки в ячейках имеют рабочие полости секториальной формы, что сводит к минимуму конвекцию седиментируемого материала. [c.184]

    Современная ультрацентрифуга (рис. 12) представляет собой сложный аппарат, в котором вращение ротора происходит со скоростью до 60 ООО об1мин и выше при помощи масляной турбины имеются более новые конструкции с использованием воздушной турбины или высокочастотных электрических моторов. Ротор вращается в толстостенном металлическом корпусе в вакууме или в атмосфере водорода (для лучшей теплоотдачи) постоянство температуры при вращении ротора поддерживается до 0,02°. В роторе имеется два сквозных отверстия, в которых помещаются кюветы с коллоидным раствором емкостью всего на 0,5 мл. По мере оседания частиц изменяется пока- [c.38]

    Проведенные в НИУИФе при участии других исследовательских, проектных и учебных институтов (Гипрохима, УНИХИМа, ЛТИ им. Ленсов та, Института катализа СО АН СССР) научно-ггсследовательские и опытные работы по дальнейшему совершенствованию сернокислотного производства да 0Г воз-мо Кность разработать и осуществить уже з конце текущего пятилетия (1974— 1975 гг. ) строительство новой отечественной высокопроизводительной комплексной энерготехнологической системы производства серной кислоты НИУИФ , предусматривающей комплексное использование пиритов с переработкой огарков, утилизацию тепла реакций процесса с непосредственным получением электроэнергии за счет применения ВТУ (воздушно-турбинных установок), переработку обжиговых газов по короткой схеме и обезвреживание выхлопных газов по озонокаталитическому методу. [c.101]

    В этой системе наряду с использованием наиболее прогрессивных технологических и энерготехнологических процессов (сульфатизигующий обжиг колчедана в печах КСЦВ со скоростями газового потока выше второй критической скорости переработка огарков использование тепла реакций в ВТУ путем непосредственного получения электроэнергии применение короткой схемы переработки обжигового газа замена процесса абсорбции конденсацией паров серной кислоты озоно-каталитический метод очистки выхлопных газов и др.) должно быть применено наиболее совершенное, принципиально новое аппаратурное оформление системы. Должно быть разработано новое, эффективное по своему техническому решению оборудование конденсаторы, воздушные холодильники кислот, волокнистые фильтры, контактные аппараты, воздушные турбины, работающие на параметрах нагретого воздуха, определяемых режимом работы основных [c.101]

    Одной из первых попыток практической реализации принципа гидростатической смазки является предложенная в 1952 г. сотрудником ЦКТИ им. Ползунова инж. А. П. Кирпичевым плавающая втулка. Ее конструкция была в дальнейшем разработана (1954 г.) в Бежецком институте транспортного машиностроения и применена в экспериментальной одноступенчатой воздушной турбине [45]. [c.144]

    Цикл низкого давления с расширением воздуха в турбодетандере (цикл Капицы). Холодильный цикл, разработанный акад. П. Л. Капицей в 1939 г., также основан на расширении воздуха с отдачей внешней работы. Основа этого цикла—п рименение воздуха низкого давления и получение необходимого холода только за счет расширения этого воздуха в воздушной турбине (так называемом турбодетандере) с производством внешней работы. Схема холодильного цикла Капицы и диаграмма 8—Т цикла даны на рис. 20. Воздух сжимается до абсолютного давления Рз=6—7 кгс1см (5,9 +6,9 Ю н/м ) в турбокомпрессоре 1, охлаждается водой в холодильнике 2 и поступает в регенераторы (теплообменники) 3, где охлаждается обратным потоком холодного воздуха. Основная часть воздуха (около 95%) после регенераторов направляется в турбодетан- [c.81]

    Пневматические виброножницы устроены так же, как и электровиброножницы, с той разницей, что движение верхнему ножу передается от воздушной турбины, приводимой в движение сжатым воздухом давлением 0,5—0,6 МПа. [c.248]

    Дальнейшая разработка пригодной для эксплуатации ультрацентрифуги, основанной на принципе воздушной турбины, связана с именами Бауэра, Бимса, Пикельса и др. Пикельсу и Бимсу [9, 10] удалось получить большие скорости вращения с большими роторами, поддерживая Б камере вакуум вращающий момент передавался через стальную струну, проходящую через сальник, — система, очень близкая к применяемой в современной центрифуге. Широкое распространение получили алюми- [c.22]

    Цикл с расшир нш м во-здуха в детандере п ирои.зводетво, внешней работы. Этот цикл основан на явлепнм сильного охлаждения сжатого газа, которое происходит в с учае расширения его с одновременным производством внешней работы. Такой про-иесо имеет место при расширении сжатого воздуха в цилиндре поршневого двигателя (детандера) или на лопатках ротора воздушной турбины (турбо детандера). [c.29]

    Двигатели с вертикальной осью (карусельного типа). Воздушная турбина Саво-ниуса имеет вертикальную ось с насаженными на нее двумя полуцилиндрами (фиг. [c.499]


Парящая ветряная турбина, вырабатывающая электричество | Бурятский ЦГМС

Обычные ветряные турбины, которые установлены на суше или в море на высокой мачте, являются, пожалуй, самыми узнаваемым видом устройств сбора ветровой энергии, а ветровые электростанции – жизнеспособным методом производства чистой возобновляемой энергии.

Но у антенных ветряных турбин есть несколько ограничений, например, ветер, который находится ближе к земле иногда может быть нестабильным — медленный или порывистый – он напрямую влияет на выходную мощность ветровых турбин.

 

И пока наземные ветровые турбины остаются актуальной технологией чистой электроэнергии, будущее мало затратной ветровой энергетики для отдаленных районов может быть найдено в высотных ветряных турбинах (high altitude wind turbines (HAWTs)), которые размещены высоко над землей, где они могут использовать более сильные и стойкие ветра.

 

Altaeros Energies, ветроэнергетическая компания, созданная на базе Массачусетского технологического института, объявила, что ее демонстрационный проект, целью которого является побить мировой рекорд размещения на самой большой высоте ветровой турбины, уже установлен в Аляске.

 

После восемнадцати месяцев подготовки, проект стоимостью в 1,3 млн долларов США носящий название «Парящая ветряная турбина Altaeros» (Altaeros Buoyant Airborne Turbine (BAT)) будет работать на высоте 1000 футов (304,8 м) над землей.

Проект, частично финансируемый за счет фонда Аляски Energy Authority’s Emerging Energy Technology Fund, станет первой долгосрочной демонстрацией воздушной турбины такого типа. В настоящее время он размещается на юге города Фэрбенкс в центральной части Аляски.

 

Находящийся на высоте 1000 футов, пилотный проект промышленных масштабов будет располагаться на более чем 275 футов выше, чем нынешний рекордсмен самого высокого размещения ветровой турбины — Vestas V164-8.0-MW. Vestas недавно установил свой первый прототип в Датском национальном центре тестирования больших турбин (Danish National Test Center for Large Wind Turbines) в Остерильде (Østerild), у которого высота расположения оси ветровой турбины равна 460 футов (140 метров), а лопасти простираются в высоту более 720 футов (220 метров).

 

Мощность турбины Altaeros составляет 30 кВт, она создает достаточно энергии для обеспечения 12 домов. Но, по словам компании, это только начало. Она также может поднять на себе коммуникационное оборудование, такое как сотовые радиопередатчики, метеорологические приборы или другую чувствительную аппаратуру. Компания уверяет, что дополнительное оборудование не влияет на производительность турбины.

Altaeros разработала свою турбину для обеспечения постоянной дешевой энергией рынка в 17 миллиардов долларов США, являющего собой отдаленные локации и локальные микросети, не входящие в основную электрическую сеть, которые в настоящее время полностью зависят от дорогостоящих дизельных генераторов. Целевыми клиентами также являются находящиеся на острове и удаленные общины, фирмы по добыче нефти и газа, полезных ископаемых и сельское хозяйство, телекоммуникационные фирмы, спасательные организации, и военные базы.

 

Чтобы подняться на большую высоту к сильным и устойчивым ветрам, недостижимым для турбин наземной и морской установки, ВАТ использует наполненную гелием невоспламеняемую надувную оболочку. Высокопрочные канаты обеспечивают турбине устойчивость и являются проводниками для выработанной энергии. Подъемная технология адаптирована для конкретного применения и аналогична применяемой в аэростатах, промышленных родственниках дирижаблей, несущих тяжелое коммуникационное оборудование в течение десятилетий. Они способны противостоять ураганным ветрам и оснащены технологиями, обеспечивающими плавную посадку в большинстве непредвиденных и аварийных ситуаций.

В 2013 году Altaeros успешно протестировала прототип ВАТ при скорости ветра 72 км/ч на высоте 150 метров на своем испытательном полигоне в штате Мэн. Но поскольку технология аналогична аэростатам, турбина может противостоять более сильному ветру.

 

Технологически, парящая турбина может быть запущена в эксплуатацию в течении 24 часов, поскольку не требует кранов и заливки фундамента. Наземная силовая станция контролирует лебедки, удерживающие турбину, а так же преобразует электричество перед отправкой в локальную сеть.

 

Похоже, что новый виток развития ветровой энергетики уже совсем близко и скоро мы сможем наблюдать «стаи» парящих гигантов, обеспечивающих нам домашний уют, связь, производство и все то, что невозможно без электричества.

Facepla.net по материалам altaerosenergies.com

 

 

Почему турбина выходит из строя: забит воздушный фильтр

В современных автомобилях, турбокомпрессор, более известный как турбина, играет очень важную роль в работе двигателя. Благодаря внедрению в автомобили системы турбонаддува, удалось добиться увеличения мощности двигателей, не повысив при этом расход топлива. Турбокомпрессор — довольно «живучая» деталь, обычно она спокойно выдерживает без замены около десяти лет, несмотря на то, что постоянно работает в экстремальных условиях. Однако этот срок может быть значительно сокращен, вследствие неправильной эксплуатации автомобиля, либо неисправностей деталей, так или иначе находящихся в контакте с турбиной. Ниже описаны неисправности, которые наиболее часто становятся причиной выхода из строя турбины.

Загрязненный воздушный фильтр: последствия для турбированных двигателей.

Воздушный фильтр, несмотря на всю его простоту, играет важную роль в работе автомобиля, благодаря ему в коллектор подается воздух, необходимый для формирования топливно-воздушной смеси. В турбированных автомобилях, воздух попадает в двигатель посредством турбонаддува. Если фильтр грязный, то, соответственно, турбокомпрессор не получает необходимое для правильной работы двигателя количество воздуха, качество топливно-воздушной смеси падает, что приводит к снижению мощности мотора, к его нестабильной работе. Но это самые незначительные неприятности, с которыми встречаются владельцы автомобилей с грязным воздушным фильтром. Куда большую опасность загрязненный фильтр представляет для самой турбины, компрессорное колесо которой засасывает воздух, а потом нагнетает его в цилиндры, предварительно сжав. Так как колесо выполнено из алюминия и вращается с огромной скоростью, около 200 тысяч оборотов в минуту, то песчинки, и прочий мелкий твердый мусор, который пролетает через загрязненный воздушный фильтр, представляют большую опасность для него, так как могут повредить его лопатки. Даже одна сломанная лопатка приведет к тому, что будет потерян баланс вращения, это в свою очередь может стать причиной повреждения вала турбокомпрессора и подшипников. В результате этого вся работа системы турбонаддува будет нарушена, поскольку колесо с поврежденными лопатками не способно создать необходимое давление воздуха. Кроме того, загрязненный воздушный фильтр на двигателе с турбонаддувом часто становится причиной:

  • Приобретения выхлопными газами различного цвета оттенков — от синего до черного;
  • Увеличением расхода масла;
  • Затрудненного пуска двигателя.

Также следует помнить, что в сильно загрязненном фильтре очень высока нагрузка на фильтрующий элемент, это со временем может привести к его повреждению, в результате которого вся пыль устремится в двигатель, и придется не только ремонтировать турбину, но и восстанавливать работоспособность различных систем самого двигателя. Всего этого можно избежать, вовремя заменив воздушный фильтр. Так как на турбированных автомобилях фильтр испытывает большие нагрузки, чем на авто без турбины, то и менять его советуют чаще, раз в 7 тысяч километров.

Однако если вы все же по какой-либо причине не заменили воздушный фильтр, и встретились с одной из проблем описанных выше, либо с какими-то другими, не спешите отчаиваться. В компании «РемТурбо» опытнейшие мастера восстановят работоспособность турбокомпрессора вашего автомобиля и реанимируют вашего «железного коня». Наши сотрудники знают, что залог успешного ремонта — правильная диагностика, которая выявит точную причину неисправности, поэтому вся диагностика осуществляется с помощью современного оборудования и в присутствии клиента.

  • Телефон: +7 (931) 961-51-61
  • Поддержка: [email protected]
  • Адрес: г. Санкт-Петербург, Московское шоссе, д. 46Б

Сервис объявлений OLX: сайт объявлений в Украине

Montale Dark Purple

Дом и сад » Хозяйственный инвентарь / бытовая химия

1 500 грн.

Договорная

Лозовая Сегодня 04:19

DVD Wokster w309

Тв / видеотехника » Медиа проигрыватели

500 грн.

Договорная

Хмельницкий Сегодня 04:17

2 066 грн.

Договорная

Львов, Галицкий Сегодня 04:17

Киев, Деснянский Сегодня 04:17

Полтава Сегодня 04:16

Черновцы Сегодня 04:16

Корытняны Сегодня 04:15

Тисаагтелек Сегодня 04:15

Чохли iphone 7/8

Телефоны и аксессуары » Аксессуары для телефонов

Тисаагтелек Сегодня 04:15

Elf bar 1500, HEETS

Индивидуальный уход » Электронные сигареты, вапорайзеры и аксессуары

100 грн.

Договорная

Синельниково Сегодня 04:15

Турбонаддув: устройство и конструктивные особенности

Постоянная гонка инженеров за увеличением мощности ДВС привела к появлению турбокомпрессоров. Данное решение оказалось самым эффективным как на бензиновых, так и на дизельных моторах.

Становится вполне очевидным, что итоговая мощность ДВС пропорциональна количеству топливовоздушной рабочей смеси, которая попадает в цилиндры двигателя. Закономерно, что двигатель с большим объемом способен пропускать больше воздуха и тем самым выдавать больше мощности сравнительно с двигателем меньшего объема. Если перед нами стоит задача добиться от малообъемного ДВС такой же мощности, которую демонстрируют моторы большего объема, тогда необходимо принудительно уместить как можно больше воздуха в цилиндрах такого двигателя.

Содержание статьи

Небольшой прирост или солидное увеличение мощности

Существует несколько способов форсирования силовой установки без турбонаддува. Можно произвести ряд доработок конструкции головки блока цилиндров, обеспечить установку спортивных распредвалов, поставить фильтр нулевого сопротивления, улучшить продувку и тем самым обеспечить подачу большего количество воздуха в цилиндры при  езде в режиме максимально высоких оборотов.

Вполне можно и вовсе не стремится менять количество поступающего в мотор воздуха, а вместо этого увеличить степень сжатия и перейти на использование горючего с более высоким октановым числом. Доступно даже расточить цилиндры и нарастить их объем. Это также позволит увеличить КПД Вашего мотора.

Все указанные способы уместны и работают, но только тогда, когда мощность планируется увеличить всего на 15-20%.

Если речь заходит о кардинальных изменениях и значительном увеличении мощности мотора, тогда без компрессора уже не обойтись. Наиболее эффективным методом будет установка турбокомпрессора. Более того, установка турбонаддува способна увеличить мощность  любого специально подготовленного для таких возросших нагрузок мотора.

В предыдущих статьях мы поверхностно  перечислили основные элементы системы турбонаддува. Теперь давайте подробнее рассмотрим те главные этапы и процессы, когда сначала воздух проходит в системе с установленным турбокомпрессором, а затем отработавшие газы приводят в действие компрессор. Для примера возьмем турбокомпрессор дизельного ДВС.

  • В самом начале пути воздух пропускается через воздушный фильтр и оказывается на входе в турбокомпрессор;
  • Внутри турбонагнетателя попавший туда воздух проходит процесс сжатия. При этом возрастает количество необходимого для эффективного сгорания топливно-воздушной смеси кислорода на единицу объема воздуха. В этот самый момент сжатия проявляется нежелательный в данном случае эффект нагрева воздуха от сжатия и снижение его плотности;
  • Для охлаждения после сжатия в турбокомпрессоре воздух попадает в интеркулер. В интеркулере температура воздуха практически полностью возвращается на начальный уровень. Благодаря охлаждению достигается как увеличение плотности воздуха, так и снижается вероятность появления детонации от использования последующей топливовоздушной смеси;
  • За интеркулером охлажденный воздух минует дроссельную заслонку и оказывается во впускном коллекторе. Последним этапом становится такт впуска, когда рабочая смесь окажется в цилиндрах двигателя;
  • Объем цилиндра представляет собой неизменную постоянную величину, которая зависит от его диаметра и хода поршня. Благодаря турбокомпрессору этот объем активно заполняется сжатым и охлажденным воздухом. Это означает, что количество кислорода в цилиндре сильно возрастает по сравнению с атмосферными моторами. Не трудно догадаться, что чем большее количество кислорода поступило, тем больше горючего можно сжечь за рабочий такт. Сгорание большего количества горючего в результате приводит к заметному увеличению итоговой мощности мотора;
  • После эффективного сгорания топливовоздушной смеси в цилиндрах двигателя наступает такт выпуска. На этом такте отработавшие газы уходят в выпускной коллектор через выпускные клапаны. Весь этот поток разогретого (от 500С до 1100С  зависимо от типа двигателя) газа проникает в турбину и начинает воздействовать на турбинное колесо. Колесо под давлением выхлопных газов передает энергию на вал турбины, а на другом конце вала находится компрессор.

Так и происходит процесс сжатия свежей порции воздуха для следующего рабочего такта. Одновременно происходит падение давления отработавших газов, а также снижается температура выхлопа. Это получается по причине того, что часть энергии газов уходит на обеспечение работы турбокомпрессора на другой стороне вала турбины;

Дополнительные элементы системы турбонаддува

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

Клапан Blow-off

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

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

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

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

Клапан Wastegate

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

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

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

  • Вейстгейт может быть как встроенным, так и внешним. Встроенный вейстгейт конструктивно имеет заслонку, которая встроена в турбинный хаузинг. Хаузинг в народе попросту называют «улитка» турбины. Дополнительно wastegate имеет пневматический актуатор и тяги от данного актуатора к дроссельной заслонке.
  • Гейт внешнего типа представляет собой клапан, который установлен на выпускной коллектор перед турбиной. Необходимо заметить, что внешний гейт имеет одно неоспоримое преимущество сравнительно со встроенным. Дело в том, что сбрасываемый им обходной поток можно возвращать обратно в выхлопную систему достаточно далеко от выхода из турбины, а на спортивных авто и вовсе осуществить прямой сброс в атмосферу. Это позволяет заметно улучшить прохождение отработавших газов через турбину благодаря тому, что наблюдается отсутствие разнонаправленных потоков. Все это очень важно применительно к ограниченному компактному объему «улитки».

Выбираем турбину для мотора

Правильный подбор турбокомпрессора является главным моментом в процессе постройки качественного турбомотора. Подбирать турбину следует на основе многих данных.

Первым и основным фактором при выборе является та мощность, которую Вы хотите получить в итоге от мотора. Очень важно подходить к этому показателю разумно и реально взвешивать возможности ДВС применительно к той или иной степени наддува.

Мы знаем, что мощность силовой установки напрямую зависит от количества топливно-воздушной смеси, которая попадет в цилиндры за единицу времени. Нужно в самом начале определить желаемый показатель мощности. Только затем можно осуществлять выбор турбины, которая будет способна обеспечить достаточный поток воздуха для получения  итогового показателя запланированной отдачи от построенной силовой установки.

Вторым по значимости показателем при выборе турбины становится скорость ее выхода на эффективный наддув. Более того, этот выход на наддув сопоставляется с минимальными оборотами двигателя, на которых и будет происходить нагнетание. Чем меньше турбина или меньше сам горячий хаузинг (улитка), тем больше шансов на улучшение этих показателей. Учтите, что максимальная мощность при этом однозначно будет ниже по сравнению с турбиной большего размера.

На деле все может оказаться не так плохо, ведь меньшая турбина обеспечивает больший рабочий диапазон в процессе работы двигателя. Такая турбина способна быстрее выходить на наддув при открытии дроссельной заслонки, а итоговый результат в конечном итоге может оказаться даже намного более положительным. Использование же большей турбины с большой максимальной мощностью позволит обеспечить преимущество только в достаточно узком диапазоне работы мотора на высоких оборотах.

Особенности эксплуатации турбокомпрессора

Наиболее частой причиной выхода из строя современных турбокомпрессоров является то, что масло забивает центральный картридж турбины. Закоксовка маслом происходит после быстрой остановки турбомотора после серьезных и продолжительных нагрузок. Дело в том, что усиленный теплообмен между турбиной и разогретым выпускным коллектором сопровождается  отсутствием потока свежего масла и поступлений охлажденного  наружного воздуха в компрессор. Возникает общий перегрев картриджа и  происходит закоксовка оставшегося в турбине масла.

Свести такой негативный эффект к минимуму позволяет решение водяного охлаждения турбины. Магистрали с охлаждающей жидкостью создают теплопоглощающий эффект и снижают  уровень температуры в центральном картридже. Это происходит  даже после полной остановки двигателя и при отсутствии принудительной циркуляции ОЖ. С учетом этого  рекомендуется обеспечить минимум неравномерностей по вертикальной линии подачи ОЖ, а также осуществить разворот центрального картриджа вокруг оси турбины (это можно сделать под углом около 25 градусов).

Читайте также

О турбинах, авиационных и не только…

Здравствуйте, уважаемые читатели!

«Турбинная» тема настолько же сложна, насколько и обширна. Поэтому о полном ее раскрытии говорить, конечно, не приходится. Займемся, как всегда, «общим знакомством» и «отдельными интересными моментами»…

При этом история турбины авиационной совсем коротка по сравнению с историей турбины вообще. Значит не обойтись без некоего теоретически-исторического экскурса, содержание которого по большей части к авиации не относится, но является базой для рассказа об использования газовой турбины в авиационных двигателях.

Про гул и грохот…

Начнем несколько нетрадиционно и  вспомним о «гуле турбин». Это довольно распространенное словосочетание, используемое обычно неискушенными авторами в СМИ при описании работы мощной авиационной техники. Сюда же можно присоединить «грохот, свист» и прочие громкие определения  для все тех же «самолетных турбин».

Достаточно привычные слова для многих. Однако, людям понимающим хорошо известно, что на самом деле все эти «звуковые» эпитеты чаще всего характеризуют работу реактивных двигателей в целом или его частей, имеющих к турбинам, как таковым, крайне малое отношение (за исключением, конечно, взаимовлияния при их совместной работе в общем цикле ТРД).

Более того, в турбореактивном двигателе (как раз такие являются объектом восторженных отзывов), как двигателе прямой реакции, создающем тягу путем использования реакции газовой струи, турбина всего лишь его часть и к «грохочущего реву» имеет скорее косвенное отношение.

А на тех двигателях, где она, как узел, играет, в некотором роде, главенствующую роль ( это двигатели непрямой реакции, и они не зря зовутся газотурбинными), уже нет столь впечатляющего звука, или он создается совсем иными частями силовой установки летательного аппарата, например, воздушным винтом.

То есть ни гул, ни грохот, как таковые, к авиационной турбине на самом деле не относятся. Однако, несмотря на такую звуковую неэффектность, она является сложным и очень важным агрегатом современного ТРД (ГТД), зачастую определяющим его главные эксплуатационные характеристики. Ни один ГТД без турбины просто по определению обойтись не может.

Поэтому и разговор, конечно, не о впечатляющих звуках и некорректном использовании определений русского языка, а об интересном агрегате и его отношении к авиации, хотя это и далеко не единственная область его применения. Как техническое устройство турбина появилась задолго до возникновения самого понятия «летательный аппарат» (или аэроплан) и уж тем более газотурбинного двигателя для него.

История + немного теории…

И даже очень задолго. С тех самых пор, когда были изобретены механизмы, преобразующие энергию сил природы в полезное действие. Наиболее простыми в этом плане и поэтому одними из первых появившихся стали так называемые ротационные двигатели.

Само это определение, конечно, появилось только в наши дни. Однако, смысл его как раз и определяет простоту двигателя. Природная энергия непосредственно, без каких-либо промежуточных устройств превращается в механическую мощность вращательного движения основного силового элемента такого двигателя – вала.

Турбина – типичный представитель ротационного двигателя. Забегая вперед, можно сказать, что, например, в поршневом двигателе внутреннего сгорания (ДВС) основной элемент – это поршень. Он совершает возвратно-поступательное движение, и для получения вращения выходного вала нужно иметь дополнительный кривошипно-шатунный механизм, что, естественно, усложняет и утяжеляет конструкцию. Турбина в этом плане значительно выгодней.

Для ДВС ротационного типа, как теплового двигателя, коим, кстати, является и двигатель турбореактивный, употребляется обычно название «роторный».

Турбинное колесо водяной мельницы

Одними из самых известных и самых древних применений турбины являются большие механические мельницы, используемые человеком с незапамятных времен для различных хозяйственных нужд (не только для помола зерна). К ним относятся как водяные, так и ветряные механизмы.

На протяжении длительного периода древней истории (первые упоминания примерно со 2-го века до н.э.) и истории средних веков это были фактически единственные механизмы, используемые человеком для практических целей. Возможность их применения при всей примитивности технических обстоятельств заключалась в простоте трансформации энергии используемого рабочего тела (воды, воздуха).

Ветряная мельница — пример турбинного колеса.

В этих, по сути дела, настоящих ротационных двигателях энергия водяного или воздушного потока превращается в мощность на валу и, в конечном итоге, полезную работу. Происходит это при взаимодействии потока с рабочими же поверхностями, коими являются лопатки водяного колеса или крылья ветряной мельницы. И то и другое, по сути дела – прообраз лопаток современных лопаточных машин, которыми и являются используемые ныне турбины (и компрессоры, кстати, тоже).

Известен еще один тип турбины, впервые документально упомянутый (по-видимому и изобретенный) древнегреческим ученым, механиком, математиком и естествоиспытателем Героном Александрийским (Heron ho Alexandreus, 1-ый век н.э.) в его трактате «Пневматика». Описанное им изобретение получило название эолипил, что в переводе с греческого означает «шар Эола» (бог ветра, Αἴολος – Эол (греч.), pila – шар (лат.)).

Эолипил Герона.

В нем шар был снабжен двумя противоположно направленными трубками-соплами. Из сопел выходил пар, поступавший в шар по трубам из расположенного ниже котла и заставлявший тем самым шар вращаться. Действие понятно из приведенного рисунка. Это была так называемая обращенная турбина, вращающаяся в сторону, обратную стороне выхода пара. Турбины такого типа имеют специальное название – реактивные (подробнее – ниже).

Интересно, что сам Герон вряд ли представлял себе, что является рабочим телом в его машине. В ту эпоху пар отождествляли с воздухом, об этом свидетельствует даже название, ведь Эол повелевает ветром, то есть воздухом.

Эолипил представлял из себя, в общем-то, полноценную тепловую машину, превращавшую энергию сжигаемого топлива в механическую энергию вращения на валу. Возможно это была одна из первых в истории тепловых машин. Правда полноценность ее была все же «не полной», так как полезной работы изобретение не совершало.

Эолипил в числе других известных в то время механизмов входил в комплект так называемого «театра автоматов», имевшего большую популярность в последующие века, и был фактически просто интересной игрушкой с непонятным будущим.

От момента его создания и вообще от той эпохи, когда люди в своих первых механизмах использовали только «явно проявляющие себя» силы природы (сила ветра или сила тяжести падающей воды) до начала уверенного использования тепловой энергии топлива во вновь созданных тепловых машинах прошла не одна сотня лет.

Первыми такими агрегатами стали паровые машины. Настоящие действующие экземпляры были изобретены и построены в Англии только к концу 17-го века и использовались для откачки воды из угольных копей. Позже появились паровые машины с поршневым механизмом.

В дальнейшем, по мере развития технических знаний, «на сцену вышли» поршневые двигатели внутреннего сгорания различных конструкций, более совершенные и обладающие более высоким КПД механизмы. Они уже использовали в качестве рабочего тела газ (продукты сгорания) и не требовали для его подогрева громоздких паровых котлов.

Турбины в качестве главных узлов тепловых машин, также прошли в своем развитии похожий путь. И хотя отдельные упоминания о некоторых экземплярах имеются в истории, но заслуживающие внимания и к тому же документально отмеченные, в том числе и запатентованные, агрегаты появились только во второй половине 19-го века.

Началось все с пара…

Именно с использованием этого рабочего тела были отработаны практически все базовые принципы устройства турбины (в дальнейшем и газовой), как важной части тепловой машины.

Реактивная турбина, запатентованная Лавалем.

Достаточно характерными в этом плане стали разработки талантливого шведского инженера и изобретателя Густава де Лаваля (Karl Gustaf Patrik de Laval). Его тогдашние исследования были связаны с идеей разработки нового молочного сепаратора с повышенными оборотами привода, что позволяло значительно повысить производительность.

Получить большую частоту вращения (обороты) путем использования уже традиционного тогда (впрочем и единственно существовавшего) поршневого парового двигателя не представлялось возможным из-за большой инерционности самого главного элемента – поршня. Понимая это, Лаваль решил попробовать отказаться от использования поршня.

Рассказывают, что сама идея возникла у него при наблюдении за работой пескоструйных аппаратов. В 1883 году он получил свой первый патент (английский патент №1622) в этой области. Запатентованное устройство носило название «Турбина, работающая паром и водой».

Оно представляло из себя S-образную трубку, на концах которой были выполнены сужающиеся сопла. Трубка была насажена на полый вал, через который к соплам подавался пар. Принципиально все это ничем не отличалось от эолипила Герона Александрийского.

Изготовленное устройство работало достаточно надежно с большими для техники того времени оборотами – 42000 об/мин. Скорость вращения достигала 200 м/с. Но при столь хороших параметрах турбина обладала чрезвычайно низким КПД. И попытки его увеличения при существовавшем уровне техники ни к чему не привели. Почему же так получилось?

——————-

Немного теории… Чуть подробней об особенностях….

Упомянутый КПД (для современных авиационных турбин это так называемый мощностной или эффективный КПД) характеризует эффективность использования затраченной энергии (располагаемой) для приведения в движение вала турбины. То есть какая часть этой энергии была потрачена полезно на вращение вала, а какая «вылетела в трубу».

Именно вылетела. Для описанного типа турбины, называемого реактивным, это выражение как раз подходит. Такое устройство получает вращательное движение на валу под действием силы реакции выходящей струи газа (или в данном случае пара).

Турбина, как динамическая расширительная машина, в отличие от объемных машин (поршневых) требует для своей работы не только сжатия и нагрева рабочего тела (газа, пара), но и его разгона. Здесь расширение (увеличение удельного объема) и падение давления происходит вследствие разгона, в частности в сопле. В поршневом двигателе это имеет место из-за увеличения объема камеры цилиндра.

В итоге, та большая потенциальная энергия рабочего тела, которая образовалась в результате подвода к нему тепловой энергии сгоревшего топлива, превращается в кинетическую (минус различные потери, конечно). А кинетическая (в реактивной турбине) посредством сил реакции – в механическую работу на валу.

И вот о том, насколько полно кинетическая энергия переходит в механическую в данной ситуации и говорит нам КПД. Чем он выше, тем меньшей кинетической энергией обладает поток, выходящий из сопла в окружающую среду. Эта оставшаяся энергия называется «потерями с выходной скоростью», и она прямо пропорциональна квадрату скорости выходящего потока (все наверняка помнят mС2/2).

Принцип работы реактивной турбины.

Здесь речь идет о так называемой абсолютной скорости С. Ведь выходящий поток, точнее говоря каждая его частица, участвует в сложном движении: прямолинейное плюс вращательное. Таким образом, абсолютная скорость С (относительно неподвижной системы координат) равна сумме скорости вращения турбины U и относительной скорости потока W (скорость относительно сопла). Сумма конечно векторная, показана на рисунке.

Сегнерово колесо.

Минимальные потери (и максимальный КПД) соответствуют минимальной скорости С, в идеале, она должна быть равна нулю. А это возможно только в случае равенства W и U (видно из рисунка). Окружная скорость (U) в этом случае называется оптимальной.

Такое равенство несложно было бы обеспечить на гидравлических турбинах (типа сегнерова колеса), так как скорость истечения жидкости из сопел для них ( аналогичная скорости W) относительно невелика.

Но эта же самая скорость W для газа или пара из-за большой разницы плотностей жидкости и газа значительно больше. Так, при относительно небольшом давлении всего 5 атм. гидравлическая турбина может дать скорость истечения всего 31 м/с, а паровая  — 455 м/с. То есть получается, что уже при достаточно низких давлениях (всего-то 5 атм.) реактивная турбина Лаваля должна была из соображений обеспечения высокого КПД иметь окружную скорость выше 450 м/с.

Для тогдашнего уровня развития техники это было просто невозможно. Нельзя было сделать надежную конструкцию с такими параметрами. Уменьшать же оптимальную окружную скорость путем уменьшения относительной (W) тоже смысла не имело, так как это можно сделать лишь уменьшая температуру и давление, а значит и общую эффективность.

Активная турбина Лаваля…

Дальнейшему совершенствованию реактивная турбина Лаваля не поддавалась. Несмотря на предпринятые попытки, дела зашли в тупик. Тогда инженер пошел по другому пути. В 1889 году им была запатентована турбина другого типа, получившая впоследствии название активной. За рубежом (в английском) она сейчас носит название impulse turbine, то есть импульсная.

Заявленное в патенте устройство состояло из одного или нескольких неподвижных сопел, подводящих пар к ковшеобразным лопаткам, укрепленным на ободе подвижного рабочего турбинного колеса (или диска).

Активная одноступенчатая паровая турбина, запатентованная Лавалем.

Рабочий процесс в такой турбине имеет следующий вид. Пар разгоняется в соплах с ростом кинетической энергии и падением давления и попадает на рабочие лопатки, на их вогнутую часть. В результате воздействия на лопатки рабочего колеса оно начинает вращаться. Или еще можно сказать, что вращение возникает из-за импульсного воздействия струи. Отсюда и английское название impulse turbine.

При этом в межлопаточных каналах, имеющих практически постоянное поперечное сечение, поток свою скорость (W) и давление не меняет, но меняет направление, то есть разворачивается на большие углы (вплоть до 180°). То есть имеем при выходе из сопла и на входе в межлопаточный канал: абсолютная скорость С1, относительная W1, окружная скорость U.

На выходе соответственно С2, W2, и такая же U. При этом W1= W2, С2< С1 – из-за того, что часть кинетической энергии входящего потока превращается в механическую на валу турбины (импульсное воздействие) и абсолютная скорость падает.

Принципиально этот процесс показан на упрощенном рисунке. Также для упрощения объяснения процесса здесь принято, что вектора абсолютных и окружных скоростей практически параллельны, поток меняет направление в рабочем колесе на 180°.

Течение пара (газа) в ступени активной турбины.

Если рассматривать  скорости в абсолютных величинах, то видно, что W1= С1 – U, а    C2 = W2 — U. Таким образом, исходя из сказанного, для оптимального режима, когда КПД принимает максимальные значения, и потери с выходной скорости стремятся к минимуму (то есть С2=0) имеем С1=2U или U=C1/2.

Получаем, что для активной турбины оптимальная окружная скорость вдвое меньше скорости истечения из сопла, то есть такая турбина по сравнению с реактивной вдвое менее нагружена и задача получения более высокого КПД облегчается.

Поэтому в дальнейшем Лаваль продолжал развивать именно такой тип турбины. Однако, несмотря на снижение требуемой окружной скорости, она все же оставалась достаточно большой, что повлекло за собой столь же большие центробежные и вибрационные нагрузки.

Принцип работы активной турбины.

Следствием этого стали конструктивные и прочностные проблемы, а также проблемы устранения дисбаланса, решаемые часто с большим трудом. Кроме того оставались и другие нерешенные и нерешаемые в тогдашних условиях факторы, в итоге снизившие КПД этой турбины.

К ним относились, например, несовершенство аэродинамики лопаток, вызывающее увеличенные гидравлические потери, а так же пульсационное воздействие отдельных струй пара. Фактически активными лопатками, воспринимающими действие этих струй (или струи) одномоментно могли быть только несколько или даже одна лопатка. Остальные при этом двигались вхолостую, создавая дополнительное сопротивление (в паровой атмосфере).

У такой турбины не было возможностей к увеличению мощности за счет роста температуры и давления пара, так как это привело бы к росту окружной скорости, что было абсолютно неприемлемо из-за все тех же конструктивных проблем.

Кроме того, рост мощности (с ростом окружной скорости) был нецелесообразен еще и по другой причине. Потребителями энергии турбины были малооборотистые по сравнению с ней устройства (планировались к этому электрогенераторы). Поэтому Лавалю пришлось разрабатывать специальные редукторы для кинематического соединения вала турбины с валом потребителя.

Соотношение масс и размеров активной турбины Лаваля и редуктора к ней.

Из-за большой разницы в оборотах этих валов редукторы были крайне громоздки и по размерам и массе зачастую значительно превосходили саму турбину. Увеличение же ее мощности повлекло бы за собой еще больший рост размеров таких устройств.

В итоге активная турбина Лаваля представляла из себя относительно маломощный агрегат (работающие экземпляры до 350 л.с.), к тому же дорогой (из-за большого комплекса усовершенствований), а в комплекте с редуктором еще и достаточно громоздкий. Все это делало его неконкурентноспособным и исключало массовое применение.

Любопытен факт того, что конструктивный принцип активной турбины Лаваля на самом деле был изобретен не им. Еще за 250 лет до появления его исследований в Риме в 1629 году была опубликована книга итальянского инженера и архитектора Джованни Бранка (Giovanni Branca) под названием «Le Machine» («Машины»).

В ней среди прочих механизмов было помещено описание «парового колеса», содержавшее все основные узлы, построенные Лавалем: паровой котел, трубка для подачи пара (сопло), рабочее колесо активной турбины и даже редуктор. Таким образом задолго до Лаваля все эти элементы уже были известны, и его заслуга заключалась в том, что он заставил их всех вместе реально работать и занимался крайне сложными вопросами совершенствования механизма в целом.

Паровая активная турбина Джованни Бранка.

Интересно, что одной из наиболее известных особенностей его турбины стала конструкция сопла (она отдельно упоминалась в том же патенте), подающего пар на рабочие лопатки. Здесь сопло из обычного сужающегося, как было в реактивной турбине, стало сужающе-расширяющимся. Впоследствии такого типа сопла стали называться соплами Лаваля. Они позволяют разогнать поток газа (пара) до сверхзвука с достаточно малыми потерями. О них рассказано здесь.

Таким образом, главной проблемой, с которой боролся Лаваль, разрабатывая свои турбины, и с которой так и не смог справиться, была большая окружная скорость. Однако, достаточно действенное решение этой проблемы было уже предложено и даже, как это ни странно, самим Лавалем.

Многоступенчатость….

В том же году (1889 г.), когда была запатентована вышеописанная активная турбина, инженером была разработана активная турбина с двумя параллельными рядами рабочих лопаток, укрепленных на одном рабочем колесе (диске). Это была так называемая двухступенчатая турбина.

На рабочие лопатки так же, как и в одноступенчатой, через сопло подавался пар. Между двумя рядами рабочих лопаток был установлен ряд лопаток неподвижных, которые перенаправляли поток, выходящий из лопаток первой ступени на рабочие лопатки второй.

Если использовать предложенный выше упрощенный принцип определения окружной скорости для одноступенчатой реактивной турбины (Лаваля), то выяснится, что для двухступенчатой турбины скорость вращения меньше скорости истечения из сопла уже не в два, а в четыре раза.

Принцип колеса Кертиса и изменение параметров в нем.

Это и есть то самое действенное решение проблемы низкой оптимальной окружной скорости, которое предложил, но не использовал Лаваль и которое активно применяется в современных турбинах, как паровых, так и газовых. Многоступенчатость…

Она означает, что большая располагаемая энергия, приходящаяся на всю турбину может быть некоторым образом поделена на части по числу ступеней, и каждая такая часть срабатывается в отдельной ступени. Чем меньше эта энергия, тем меньше скорость рабочего тела (пара, газа) поступающего на рабочие лопатки и, следовательно, меньше оптимальная окружная скорость.

То есть, изменяя количество ступеней турбины, можно изменять частоту вращения ее вала и, соответственно, менять нагрузку на него. Кроме того многоступенчатость позволяет срабатывать на турбине большие перепады энергии, то есть увеличивать ее мощность, и при этом сохранять высокие показатели КПД.

Лаваль свою двухступенчатую турбину не запатентовал, хотя опытный экземпляр и был изготовлен, поэтому она носит имя американского инженера Ч.Кертиса (колесо (или диск) Кертиса), который в 1896 году получил патент на аналогичное устройство.

Однако, уже гораздо раньше, в 1884 году, английский инженер Чарлз Парсонс (Charles Algernon Parsons) разработал и запатентовал первую настоящую многоступенчатую паровую турбину. Высказываний различных ученых и инженеров по поводу полезности разделения располагаемой энергии по ступеням было много и до него, но он первый воплотил идею в «железо».

Многоступенчатая активно-реактивная турбина Парсонса (разобрана).

При этом его турбина имела особенность, приближавшую ее к современным устройствам. В ней пар расширялся и разгонялся не только в соплах, образованных неподвижными лопатками, но и частично в каналах, образованных специально спрофилированными рабочими лопатками.

Такого типа турбину принято называть реактивной, хотя название это достаточно условно. На самом деле она занимает промежуточное положение между чисто реактивной турбиной Герона-Лаваля и чисто активной Лаваля-Бранка. Рабочие лопатки благодаря своей конструкции совмещают активный и реактивный принципы в общем процессе. Поэтому такую турбину правильней было бы называть активно-реактивной, что часто и делается.

Схема многоступенчатой турбины Парсонса.

Парсонс работал над различными типами многоступенчатых турбин. Среди его конструкций были не только вышеописанные осевые (рабочее тело перемещается вдоль оси вращения), но и радиальные (пар перемещается в радиальном направлении). Достаточно хорошо известна его трехступенчатая чисто активная турбина «Герон», в которой применены так называемые колеса Герона (суть та же, что и у эолипила).

Реактивная турбина «Герон».

В дальнейшем, с начала 1900-х годов паровое турбостроение быстро набирало темпы и Парсонс был в его авангарде. Его многоступенчатыми  турбинами оснащались морские суда, сначала опытные (судно «Турбиния», 1896 год, водоизмещение 44 т, скорость 60км/ч – невиданная для того времени), потом военные (пример – броненосец  «Дредноут», 18000 т, скорость 40 км/ч, мощность турбоустановки 24700 л.с.) и пассажирские ( пример – однотипные «Мавритания» и «Лузитания», 40000 т, скорость 48 км/ч, мощность турбоустановки 70000 л.с.). Одновременно с этим началось и стационарное турбостроение, например путем установки турбин в качестве приводов на электростанциях ( «Компания Эдисона» в Чикаго).

О газовых турбинах…

Однако, вернемся к нашей основной теме – авиационной и отметим одну достаточно очевидную вещь: столь явно обозначившийся успех в эксплуатации паровых турбин мог иметь для авиации, быстро прогрессирующей своем развитии как раз в то же время, только конструктивно-принципиальное  значение.

Применение паровой турбины в качестве силовой установки на летательных аппаратах по понятным причинам было крайне сомнительным. Авиационной турбиной могла стать только принципиально аналогичная, но гораздо более выгодная турбина газовая. Однако, не все было так просто…

По словам Льва Гумилевского, автора популярной в 60-х книги «Создатели двигателей», однажды, в 1902 году , в период начала бурного развития парового турбостроения, Чарлзу Парсонсу, фактически одному из главных тогдашних идеологов этого дела, был задан, в общем-то, шутливый вопрос: «Можно ли «парсонизировать» газовую машину?» (подразумевалась турбина).

Ответ был высказан в абсолютно решительной форме: «Я думаю, что газовую турбину никогда создать не удастся. Об этом не может быть двух мнений.» Пророком инженеру стать не удалось, но основания так говорить у него несомненно были.

Использование газовой турбины, особенно если иметь в виду применение ее в авиации вместо паровой, конечно было соблазнительным, потому что положительные стороны ее очевидны. При всех своих мощностных возможностях она для работы не нуждается в огромных, громоздких устройствах создания пара – котлах и также не менее больших устройствах и системах его охлаждения –конденсаторах, градирнях, прудах охлаждения и т.п.

Нагревателем для газотурбинного двигателя служит небольшая, компактная камера сгорания, расположенная внутри двигателя и сжигающая топливо прямо в потоке воздуха. А холодильника у него просто нет. Или вернее сказать, что он есть, но существует как бы виртуально, потому что отработанный газ отводится в атмосферу, которая и является холодильником. То есть имеется все необходимое для тепловой машины, но при этом все компактно и просто.

Правда, паротурбинная установка тоже может обойтись без «реального холодильника» (без конденсатора) и выпускать пар прямо в атмосферу, но тогда об экономичности можно забыть. Пример тому паровоз – реальный КПД около 6%, 90% энергии у него вылетает в трубу.

Но при таких ощутимых плюсах есть и существенные недостатки, которые, в целом, и стали почвой для категорического ответа Парсонса.

Сжатие рабочего тела для последующего осуществления рабочего цикла в т.ч. и в турбине…

В рабочем цикле паротурбинной установки (цикл Ренкина) работа сжатия воды невелика и требования к осуществляющему эту функцию насосу и его экономичности поэтому также небольшие. В цикле же ГТД, где сжимается воздух, эта работа наоборот очень внушительна, и на нее расходуется больша́я часть располагаемой энергии турбины.

Это уменьшает долю полезной работы, для которой может быть предназначена турбина. Поэтому требования к агрегату сжатия воздуха в плане его эффективности и экономичности очень высоки. Компрессоры в современных авиационных ГТД (в основном осевые) также, как и в стационарных агрегатах наряду с турбинами представляют из себя сложные и дорогие устройства. О них рассказано здесь.

Температура…

Это главная беда для газовой турбины, в том числе авиационной. Дело в том, что если в паротурбинной установке температура рабочего тела после процесса расширения близка к температуре охлаждающей воды, то в газовой  турбине она достигает величины нескольких сотен градусов.

Это значит, что в атмосферу (как в холодильник) выбрасывается большое количество энергии, что, конечно, отрицательно сказывается на эффективности всего рабочего цикла, который характеризуется термическим КПД:   ηт = Q1 – Q2 / Q1. Здесь  Q2 – та самая отводимая в атмосферу энергия. Q1 – энергия подводимая в процесс от нагревателя (в камере сгорания).

Для того, чтобы этот КПД повысить, нужно увеличить Q1 , что равносильно увеличению температуры перед турбиной (то есть в камере сгорания). Но в том-то и дело, что поднять эту температуру можно далеко не всегда. Максимальная величина ее лимитируется самой турбиной и главным условием здесь становится прочность. Турбина работает в очень тяжелых условиях, когда высокая температура сочетается с большими центробежными нагрузками.

Именно этот фактор всегда ограничивал мощностные и тяговые возможности газотурбинных двигателей (во многом зависящие от температуры) и часто становился причиной усложнения и удорожания турбин. Такая ситуация сохранилась и в наше время.

А во времена Парсонса ни металлургическая промышленность, ни аэродинамическая наука пока еще не могли обеспечить решение проблем создания эффективного и экономичного компрессора и высокотемпературной турбины. Не было как соответствующей теории, так и необходимых жаропрочных и жаростойких материалов.

И все-таки попытки были…

Тем не менее, как обычно это бывает, нашлись люди, не боящиеся (или может быть не понимающие :-)) возможных трудностей. Попытки создания газовой турбины не прекращались.

Причем интересно, что и сам Парсонс на заре своей «турбинной» деятельности  в своем первом патенте на многоступенчатую турбину отметил возможность ее работы кроме пара также и на продуктах сгорания топлива. Там же рассматривался возможный вариант газотурбинного двигателя, работающего на жидком топливе с компрессором, камерой сгорания и турбиной.

Дымовой вертел.

Примеры использования газовых турбин без подведения под это какой-либо теории известны давно. По-видимому, еще Герон в «театре автоматов» использовал принцип воздушной реактивной турбины. Достаточно широко известны так называемые «дымовые вертелы».

А в уже упомянутой книге итальянца (инженер, архитектор, Giovanni Branca, Le Machine) Джованни Бранка есть рисунок «Oгненного колеса». В нем турбинное колесо вращается продуктами сгорания от костра (или очага). Интересно, что сам Бранка бо́льшую часть своих машин не строил, а только высказывал идеи их создания.

«Огненное колесо» Джованни Бранка.

Во всех этих «дымовых и огненных колесах» не было стадии сжатия воздуха (газа), и компрессор, как таковой, отсутствовал. Превращение потенциальной энергии, то есть подведенной тепловой энергии сгорания топлива, в кинетическую (разгон) для вращения газовой турбины происходил только за счет действия силы тяжести, когда теплые массы поднимались вверх. То есть использовалось явление конвекции.

Конечно, такие «агрегаты» для реальных машин, например, для привода транспортных средств использованы быть не могли. Однако в 1791 году англичанин Джон Барбер (John Barber) запатентовал «машину для безлошадных перевозок», одним их важнейших узлов которой стала газовая турбина. Это был первый в истории официально зарегистрированный патент на газовую турбину.

Двигатель Джона Барбера с газовой турбиной.

Машина использовала газ, получаемый из древесины, угля или нефти, нагреваемых в специальных газогенераторах (ретортах), который после охлаждения поступал в поршневой компрессор, где сжимался вместе с воздухом. Далее смесь подавалась в камеру сгорания, и после уже продукты сгорания вращали турбину. Для охлаждения камер сгорания использовалась вода, и пар, получавшийся в результате, также направлялся на турбину.

Уровень развития тогдашних технологий не позволил воплотить идею в жизнь. Действующая модель машины Барбера с газовой турбиной была построена только в 1972 году фирмой «Kraftwerk-Union AG» для Ганноверской промышленной выставки.

В течение всего 19-го века развитие концепции газовой турбины по вышеописанным причинам продвигалось крайне медленно. Образцов, заслуживающих внимания было мало. Компрессор и высокая температура оставались непреодолимым камнем преткновения. Были попытки использования вентилятора для сжатия воздуха, а также применения воды и воздуха для охлаждения элементов конструкции.

Двигатель Ф.Штольце. 1 — осевой компрессор, 2 — осевая турбина, 3 — теплообменник.

Известен пример газотурбинного двигателя немецкого инженера Франца Штольце, запатентованный в 1872 году и очень похожего по схеме на современные ГТД. В нем многоступенчатый осевой компрессор и многоступенчатая осевая турбина располагались на одном валу.

Воздух после прохождения регенеративного теплообменника делился на две части. Одна поступала в камеру сгорания, вторая подмешивалась к продуктам сгорания перед поступлением их в турбину, снижая их температуру. Это так называемый вторичный воздух, и его использование – прием, широко применяемый в современный ГТД.

Двигатель Штольце испытывался в 1900-1904 годах, однако оказался крайне неэффективен из-за низкого качества компрессора и невысокой температуры перед турбиной.

Бо́льшую часть первой половины 20-го века газовая турбина так и не смогла активно конкурировать с паровой или стать частью ГТД, который бы смог достойно заменить поршневой ДВС. Применение ее на двигателях было в основном вспомогательным. Например, в качестве агрегатов наддува в поршневых двигателях, в том числе и авиационных.

Но с начала 40-х положение стало быстро меняться. Наконец-то были созданы новые жаропрочные сплавы, позволившие радикально поднять температуру газа перед турбиной (до 800˚С и выше), появились достаточно экономичные осевые компрессоры с высоким КПД.

Это не только позволило строить эффективные газотурбинные двигатели, но и, благодаря сочетанию их мощности с относительной легкостью и компактностью, применять их на летательных аппаратах. Началась эпоха реактивной авиации и авиационных газотурбинных двигателей.

Турбины в авиационных ГТД…

Итак… Основная область применения турбин в авиации – это ГТД. Турбина здесь совершает тяжелую работу — вращает компрессор. При этом в ГТД, как и во всяком тепловом двигателе, работа расширения больше работы сжатия.

А турбина как раз и есть расширительная машина, и на компрессор она расходует только часть располагаемой энергии газового потока.  Оставшаяся часть (иногда ее называют свободной энергией) может быть использована в полезных целях в зависимости от типа и конструкции двигателя.

Схема ТвАД Мakila 1a1 со свободной турбиной.

Турбовальный двигатель AMAKILA 1A1.

Для двигателей непрямой реакции, таких, как турбовальный двигатель (вертолетный ГТД) она расходуется на вращение воздушного винта. В этом случае турбина чаще всего разделена на две части. Первая – это турбина компрессора. Вторая, приводящая винт,- это так называемая свободная турбина. Она вращается самостоятельно и с турбиной компрессора связана только газодинамически.

В двигателях прямой реакции (реактивные двигатели или ВРД) турбина используется только для привода компрессора. Оставшаяся свободная энергия, которая в ТвАД вращает свободную турбину, срабатывается в сопле, превращаясь в кинетическую энергию для получения реактивной тяги.

Посередине между этими крайностями располагаются турбовинтовые двигатели. У них часть свободной энергии расходуется для привода воздушного винта, и некоторая часть формирует реактивную тягу в выходном устройстве (сопле). Правда доля ее в общей тяге двигателя невелика.

Схема одновального ТВД DART RDa6. Турбина на общем валу двигателя.

Турбовинтовой одновальный двигатель Rolls-Royce DART RDa6.

По конструкции ТВД могут быть одновальными, в которых свободная турбина не выделена конструктивно и, являясь одним агрегатом, приводит сразу и компрессор и воздушный винт. Пример ТВД Rolls-Royce DART RDa6, а также наш известный ТВД АИ-20.

Могут быть также ТВД с отдельной свободной турбиной, приводящей винт и механически не связанной с остальными узлами двигателя (газодинамическая связь). Пример – двигатель PW127 различных модификаций (самолеты семейства ATR), или ТВД Pratt & Whitney Canada PT6A.

Схема ТВД Pratt & Whitney Canada PT6A сосвободной турбиной.

Двигатель Pratt & Whitney Canada PT6A .

Схема ТВД PW127 со свободной турбиной.

ТВД PW127.

Конечно же, во всех типах ГТД к полезной нагрузке относятся и агрегаты, обеспечивающие работу двигателя и самолетных систем. Это обычно насосы, топливные и гидро-, электрогенераторы и т.п. Все эти устройства приводятся чаще всего от вала турбокомпрессора.

О типах турбин.

Типов на самом деле немало. Только для примера некоторые названия: осевые, радиальные, диагональные, радиально-осевые, поворотно-лопастные и др. В авиации используются только первые две, причем радиальная – достаточно редко. Обе эти турбины получили названия  в соответствии с характером движения газового потока в них.

Радиальная.

В радиальной он течет по радиусу. Причем в радиальной авиационной турбине используется центростремительное направление потока, обеспечивающее более высокий КПД (в неавиационной практике есть и центробежное).

Ступень радиальной турбины состоит из рабочего колеса и неподвижных лопаток, формирующих поток на входе в него. Лопатки спрофилированы так, чтобы межлопаточные каналы имели сужающуюся конфигурацию, то есть представляли из себя сопла. Все эти лопатки вместе с элементами корпуса, на которых они смонтированы называются сопловым аппаратом.

Схема радиальной центростремительной турбины (с пояснениями).

Рабочее колесо представляет из себя крыльчатку со специально спрофилированными лопатками. Раскрутка рабочего колеса происходит при прохождении газа в сужающихся каналах между лопатками и воздействии на лопатки.

Рабочее колесо радиальной центростремительной турбины.

Радиальные турбины достаточно просты, их рабочие колеса имеют малое количество лопаток. Возможные окружные скорости радиальной турбины при одинаковых напряжениях в рабочем колесе, больше, чем у осевой, поэтому на ней могут срабатываться бо́льшие количества энергии (теплоперепады).

Однако, эти турбины имеют малое проходное сечение и не обеспечивают достаточный расход газа при одинаковых размерах по сравнению с осевыми турбинами. Другими словами, они обладают слишком большими относительными диаметральными размерами, что усложняет их компоновку в едином двигателе.

Кроме того затруднено создание многоступенчатых радиальных турбин из-за больших гидравлических потерь, что ограничивает степень расширения газа в них. Также затруднено осуществление охлаждения таких турбин, что снижает величину возможных максимальных температур газа.

Поэтому применение радиальных турбин в авиации ограничено. Они, в основном, используются в маломощных агрегатах с небольшим расходом газа, чаще всего во вспомогательных механизмах и системах или в двигателях авиамоделей и небольших беспилотных самолетов.

Первый реактивный самолет Heinkel He 178.

ТРД Heinkel HeS3 с радиальной турбиной.

Один из немногих примеров использования радиальной турбины в качестве узла маршевого авиационного ВРД  — это двигатель первого настоящего реактивного самолета Heinkel He 178 турбореактивный Heinkel HeS 3. На фото хорошо просматриваются элементы ступени такой турбины. Параметры этого двигателя вполне соответствовали возможности ее использования.

Осевая авиационная турбина.

Это единственный тип турбины, применяемый сейчас в маршевых авиационных ГТД. Главным источником механической работы на валу, получаемой от такой турбины в двигателе являются рабочие колеса или точнее рабочие лопатки (РЛ), установленные на этих колесах и взаимодействующие с энергетически заряженным газовым потоком (сжатым и нагретым).

Венцы неподвижных лопаток, установленных перед рабочими, организуют правильное направление потока и участвуют в превращении потенциальной энергии газа в кинетическую, то есть разгоняют его в процессе расширения с падением давления.

Эти лопатки в комплекте с элементами корпуса, на которых они смонтированы, называются сопловым аппаратом (СА). Сопловой аппарат в комплекте с рабочими лопатками составляет ступень турбины.

Суть процесса… Обобщение сказанного…

В процессе вышеупомянутого взаимодействия с рабочими лопатками происходит превращение кинетической энергии потока в механическую, вращающую вал двигателя.Такое превращение в осевой турбине может происходить двумя способами:

Пример одноступенчатой активной турбины. Показано изменение параметров по тракту.

1. Без изменения давления, а значит и величины относительной скорости потока (ощутимо меняется только ее направление – поворот потока) в ступени турбины; 2. С падением давления, ростом относительной скорости потока и некоторым изменением ее направления в ступени.

Турбины, работающие по первому способу называются активными. Газовый поток активно (импульсно) воздействует на лопатки из-за изменения своего направления при их обтекании. При втором способе – реактивные турбины. Здесь помимо импульсного воздействия поток воздействует на рабочие лопатки еще и опосредованно (упрощенно говоря), при помощи реактивной силы, что увеличивает мощность турбины. Дополнительное реактивное воздействие достигается за счет специальной профилировки рабочих лопаток.

О понятиях активности и реактивности в общем, для всех турбин (не только авиационных) упоминалось выше. Однако, в современных авиационных ГТД используются только осевые реактивные турбины.

Изменение параметров в ступени осевой газовой турбины.

Так как силовое воздействие на РЛ двойное, то такие осевые турбины еще называют активно-реактивными, что пожалуй более правильно. Такого типа турбина более выгодны в аэродинамическом плане.

Входящие в состав ступени такой турбины неподвижные лопатки соплового аппарата имеют большую кривизну, благодаря чему поперечное сечение межлопаточного канала уменьшается от входа к выходу, то есть сечение f1 меньше сечения f0 . Получается профиль сужающегося реактивного сопла.

Следующие за ними рабочие лопатки также имеют большую кривизну. Кроме того по отношению к набегающему потоку (вектор W1 ) они расположены так, чтобы избежать его срыва и обеспечить правильное обтекание лопатки. На определенных радиусах РЛ также образуют сужающиеся межлопаточные каналы.

Работа ступени авиационной турбины.

Газ подходит к сопловому аппарату с направлением движения, близким к осевому и скоростью С0 (дозвуковая). Давление в потоке Р0 , температура Т0 .  Проходя межлопаточный канал поток разгоняется до скорости С1 с поворотом до угла α1 = 20°- 30°. При этом давление и температура падают до величин Р1 и Т1 соответственно. Часть потенциальной энергии потока превращается в кинетическую.

Картина движения газового потока в ступени осевой турбины.

Так как рабочие лопатки перемещаются с окружной скоростью U, то в межлопаточный канал РЛ поток входит уже с относительной скоростью W1 , которая определяется разностью С1 и U (векторно). Проходя по каналу, поток взаимодействует с лопатками, создавая на них аэродинамические силы Р, окружная составляющая которой Рu и заставляет турбину вращаться.

Из-за сужения канала между лопатками поток разгоняется до скорости W2 (реактивный принцип), при этом также происходит ее поворот (активный принцип). Абсолютная скорость потока С1 уменьшается до С2 — кинетическая энергия потока превращается в механическую на валу турбины. Давление и температура падают до величин Р2 и Т2 соответственно.

Абсолютная скорость потока при прохождении ступени несколько увеличивается от С0 до осевой проекции скорости С2 . В современных турбинах эта проекция имеет величину 200 — 360 м/с для ступени.

Ступень профилируется так, чтобы угол α2 был близок к 90°. Отличие обычно составляет 5-10°. Это делается для того, чтобы величина С2 была минимальной. Особенно это важно для последней ступени турбины (на первой или средних ступенях допускается отклонение от прямого угла до 25°). Причина тому – потери с выходной скоростью, которые как раз и зависят от величины скорости С2 .

Это те самые потери, которые в свое время так и не дали Лавалю возможности поднять КПД своей первой турбины. Если двигатель реактивный, то оставшаяся энергия может быть сработана в сопле. А вот, например, для вертолетного двигателя, который не использует реактивную тягу, важно, чтобы скорость потока за последней ступенью турбины была как можно меньше.

Таким образом в ступени активно-реактивной турбины расширение газа (снижение давления и температуры), превращение и срабатывание энергии (теплоперепада) происходит не только в СА, но и в рабочем колесе. Распределение этих функций между РК и СА характеризует параметр теории двигателей, называемый степенью реактивности ρ.

Он равен отношению теплоперепада в рабочем колесе к теплоперепаду во всей ступени. Если ρ = 0, то ступень (или вся турбина) – активная. Если же ρ > 0, то ступень реактивная или точнее для нашего случая активно-реактивная. Так как профилировка рабочих лопаток меняется по радиусу, то параметр этот (как впрочем и некоторые другие) вычисляется по среднему радиусу (сечение В-В на рисунке изменения параметров в ступени).

Конфигурация пера рабочей лопатки активно-реактивной турбины.

Изменение давления по длине пера РЛ активно-реактивной турбины.

Для современных ГТД степень реактивности турбин находится в пределах 0,3-0,4. Это значит, что только 30-40% общего теплоперепада ступени (или турбины) срабатывается в рабочем колесе. 60-70% срабатывается в сопловом аппарате.

Кое-что о потерях.

Как уже было сказано, любая турбина (или ее ступень) превращает подведенную к ней энергию потока в механическую работу. Однако, в реальном агрегате этот процесс может обладать различной эффективностью. Часть располагаемой энергии обязательно расходуется «впустую», то есть превращается в потери, которые надо учитывать и принимать меры к их минимизации для повышения эффективности работы турбины, то есть увеличения ее КПД.

Потери складываются из гидравлических и потерь с выходной скоростью. Гидравлические потери включают в себя профильные и концевые. Профильные  — это, по сути дела, потери на трение, так как газ, обладая определенной вязкостью, взаимодействует с поверхностями турбины.

Обычно такие потери в рабочем колесе составляют около 2-3%, а в сопловом аппарате  — 3-4%. Меры по уменьшению потерь заключаются в «облагораживании» проточной части расчетным и экспериментальным путем, а также корректного расчета треугольников скоростей для потока в ступени турбины, точнее говоря выбора наивыгоднейшей окружной скорости U при заданной скорости С1 . Эти действия обычно характеризуются параметром U/C1 . Окружная скорость на среднем радиусе в ТРД равна 270 – 370 м/с.

Гидравлическое совершенство проточной части ступени турбины учитывает такой параметр, как адиабатический КПД. Иногда его еще называют лопаточным, потому что он учитывает потери на трение в лопатках ступени (СА и РЛ). Есть еще один КПД для турбины, характеризующий ее именно как агрегат для получения мощности, то есть степень использования располагаемой энергии для создания работы на валу.

Это так называемый мощностной (или эффективный) КПД. Он равен отношению работы на валу к располагаемому теплоперепаду. Этот КПД учитывает потери с выходной скоростью. Они обычно составляют для ТРД около 10-12% (в современных ТРД С0 = 100 -180 м/с, С1 = 500-600 м/с, С2 = 200-360 м/с).

Для турбин современных ГТД величина адиабатического КПД составляет около 0,9 — 0,92 для неохлаждаемых турбин. В случае, если турбина охлаждаемая, то этот КПД может быть ниже на 3-4%. Мощностной КПД равен обычно 0,78 — 0,83. Он меньше адиабатического на величину потерь с выходной скоростью.

Что касается концевых потерь, то это так называемые «потери на перетекание». Проточную часть невозможно абсолютно изолировать от остальных частей двигателя из-за присутствия вращающихся узлов в комплексе с неподвижными (корпуса + ротор). Поэтому газ из областей с повышенным давлением стремится перетечь в области с пониженным давлением. В частности, например, из области перед рабочей лопаткой в область за ней через радиальный зазор между пером лопатки и корпусом турбины.

Такой газ не участвует в процессе преобразования энергии потока в механическую, потому что не взаимодействует с лопатками в этом плане, то есть возникают концевые потери (или потери в радиальном зазоре). Они составляют около 2-3% и отрицательно влияют как на адиабатический, так и на мощностной КПД, уменьшают экономичность ГТД, причем довольно ощутимо.

Известно, например, что увеличение радиального зазора  с 1 мм до 5 мм в турбине диаметром 1 м, может привести к увеличению удельного расхода топлива в двигателе более, чем на 10%.

Понятно, что совсем избавиться от радиального зазора невозможно, но его стараются минимизировать. Это достаточно трудно, потому что авиационная турбина – агрегат сильно нагруженный. Точный учет всех факторов, влияющих на величину зазора достаточно труден.

Режимы работы двигателя часто меняются, а значит меняется величина деформаций рабочих лопаток, дисков, на которых они закреплены, корпусов турбины в результате изменения величин температуры, давления и центробежных сил.

Лабиринтное уплотнение.

Здесь же необходимо учитывать величину остаточной деформации при длительной эксплуатации двигателя. Плюс к этому эволюции, выполняемые самолетом, влияют на деформацию ротора, что тоже меняет величину зазоров.

Обычно зазор оценивается после останова прогретого двигателя. В этом случае тонкий внешний корпус остывает быстрее массивных дисков и вала и, уменьшаясь в диаметре, задевает за лопатки. Иногда величина радиального зазора просто выбирается в пределах 1,5-3% от от длины пера лопатки.

Принцип сотового уплотнения.

Для того, чтобы избежать повреждения лопаток, в случае касания их о корпус турбины, в нем часто размещают специальные вставки из материала более мягкого, нежели материал лопаток (например, металлокерамика). Кроме того используются бесконтактные уплотнения. Обычно это лабиринтные или сотовые лабиринтные уплотнения.

В этом случае рабочие лопатки бандажируются на концах пера и на бандажных полках уже размещаются уплотнения или клинья (для сот). В сотовых уплотнениях из-за тонких стенок сот площадь контакта очень мала (в 10 раз меньше обычного лабиринта), поэтому сборка узла ведется без зазора. После приработки величина зазора обеспечивается  около 0,2 мм.

Применение сотового уплотнения. Сравнение потерь при использовании сот (1) и гладкого кольца (2).

Аналогичные способы уплотнений зазоров используются для уменьшения утечки газа из проточной части (например, в междисковое пространство).

САУРЗ…

Это так называемые пассивные методы управления радиальным зазором. Кроме этого на многих ГТД, разработанных (и разрабатываемых) с конца 80-х годов, устанавливаются так называемые «системы активного регулирования  радиальных зазоров» (САУРЗ — активный метод). Это автоматические системы, и суть их работы заключается в управлении тепловой инерционностью корпуса (статора) авиационной турбины.

Ротор и статор (внешний корпус) турбины отличаются друг от друга по материалу и по «массивности». Поэтому на переходных режимах они расширяются по разному. Например, при переходе двигателя с пониженного режима работы на повышенный, высокотемпературный, тонкостенный корпус быстрее (чем массивный ротор с дисками)) прогревается и расширяется, увеличивая радиальный зазор между собой и лопатками. Плюс к этому перемены давления в тракте и эволюции самолета.

Чтобы этого избежать, автоматическая система (обычно главный регулятор типа FADEC) организует подачу охлаждающего воздуха на корпус турбины в необходимых количествах. Нагрев корпуса, таким образом, стабилизируется в необходимых пределах, а значит меняется величина его линейного расширения и, соответственно, величина радиальных зазоров.

Все это позволяет экономить топливо, что очень важно для современной гражданской авиации. Наиболее эффективно системы САУРЗ применяются в турбинах низкого давления на ТВРД типа GE90, CFM56, Trent 900, ПС-90А и некоторых других.

Значительно реже, однако достаточно эффективно для синхронизации темпов прогрева ротора и статора применяется принудительный обдув дисков турбины (а не корпуса). Такие системы применяются на двигателях CF6-80  и PW4000.

———————-

В турбине регламентируются также и осевые зазоры. Например между выходными кромками СА и входными РЛ обычно зазор в пределах 0,1-0,4 от хорды РЛ на среднем радиусе лопаток. Чем меньше этот зазор, тем меньше потери энергии потока за СА (на трение и выравнивание поля скоростей за СА). Но при этом растет вибрация РЛ из-за попеременного попадания из областей за корпусами лопаток СА в межлопаточные области.

Немного общего о конструкции…

Осевые авиационные турбины современных ГТД в конструктивном плане могут иметь различную форму проточной части.

Dср = (Dвн+Dн) /2

1. Форма с постоянным диаметром корпуса (Dн). Здесь внутренний и средний диаметры по тракту уменьшаются.

Постоянный наружный диаметр.

Такая схема хорошо вписывается в габариты двигателя (и фюзеляжа самолета). Обладает хорошим распределением работы по ступеням, особенно для двухвальных ТРД.

Однако, в этой схеме велик так называемый угол раструба, что чревато отрывом потока от внутренних стенок корпуса и, следовательно, гидравлическими потерями.

Постоянный внутренний диаметр.

При проектировании стараются не допускать величину угла раструба более 20°.

2. Форма с постоянным внутренним диаметром(Dв).

Средний диаметр и диаметр корпуса увеличиваются по тракту. Такая схема плохо вписывается в габариты двигателя. В ТРД из-за «разбежки» потока от внутреннего корпуса, необходимо его доворачивать на СА, что влечет за собой гидравлические потери.

Постоянный средний диаметр.

Схема более целесообразна к применению в ТРДД.

3. Форма с постоянным средним диаметром(Dср). Диаметр корпуса увеличивается, внутренний – уменьшается.

Схема обладает недостатками двух предыдущих. Но при этом расчет такой турбины достаточно прост.

Современные авиационные турбины чаще всего многоступенчаты. Главная причина тому (как уже говорилось выше) – большая располагаемая энергия турбины в целом. Для обеспечения оптимальной сочетания окружной скорости U и скорости С1 (U/C1 – оптимальное), а значит высокого общего КПД и хорошей экономичности необходимо распределение всей имеющейся энергии по ступеням.

Пример трехступенчатой турбины ТРД.

При этом, правда, сама турбина конструктивно усложняется и утяжеляется. Из-за небольшого температурного перепада на каждой ступени (он распределен на все ступени) бо́льшее количество первых ступеней подвергается действию высоких температур и часто требует дополнительного охлаждения.

Четырехступенчатая осевая турбина ТВД.

В зависимости от типа двигателя количество ступеней может быть разным. Для ТРД обычно до трех, для двухконтурных двигателей до 5-8 ступеней. Обычно, если двигатель многовальный, турбовентиляторный, то турбина имеет несколько (по числу валов) каскадов, каждый из которых приводит свой агрегат и сам может быть многоступенчатым (в зависимости от степени двухконтурности).

Двухвальная осевая авиационная турбина.

Например в трехвальном двигателе Rolls-Royce Trent 900 турбина имеет три каскада: одноступенчатый для привода компрессора высокого давления, одноступенчатый для привода промежуточного компрессора и пятиступенчатый для привода вентилятора. Совместная работа каскадов и определение необходимого числа ступеней в каскадах описывается в «теории двигателей» отдельно.

Сама авиационная турбина, упрощенно говоря, представляет собой конструкцию, состоящую из ротора, статора и различных вспомогательных элементов конструкции. Статор состоит из внешнего корпуса, корпусов сопловых аппаратов и корпусов подшипников ротора. Ротор обычно представляет из себя дисковую конструкцию в котором диски соединены с ротором и между собой с использованием различных дополнительных элементов и способов крепления.

Пример одноступенчатой турбины ТРД. 1 — вал, 2 — лопатки СА, 3 — диск рабочего колеса, 4 — рабочие лопатки.

На каждом диске, как основе рабочего колеса расположены рабочие лопатки. При конструировании лопатки стараются выполнять с меньшей хордой из соображения меньшей ширины обода диска, на котором они установлены, что уменьшает его массу. Но при этом для сохранения параметров турбины приходится увеличивать длину пера, что может повлечь за собой бандажирование лопаток для увеличения прочности.

Возможные типы замков крепления рабочих лопаток в диске турбины.

Лопатка крепится в диске с помощью замкового соединения. Такое соединение – это одно из самых нагруженных элементов конструкции в ГТД. Все нагрузки, воспринимаемые лопаткой, передаются на диск через замок и достигают очень больших значений, тем более, что из-за разности материалов, диск и лопатки обладают различными коэффициентами линейного расширения, да к тому же из-за неравномерности поля температур нагреваются по разному.

С целью оценки возможности уменьшения нагрузки в замковом соединении и увеличения, тем самым, надежности и срока службы турбины, проводятся исследовательские работы, среди которых достаточно перспективными считаются эксперименты по биметаллическим лопаткам или применению в турбинах рабочих колес-блисков.

При использовании биметаллических лопаток уменьшаются нагрузки в замках их крепления на диске за счет изготовления замковой части лопатки из материала, аналогичного материалу диска (или близкого по параметрам). Перо лопатки изготавливается из другого металла, после чего они соединяются с применением спецтехнологий (получается биметалл).

Блиски, то есть рабочие колеса,  в которых лопатки выполнены за одно целое с диском, вообще исключают наличие замкового соединения, а значит и лишних напряжений в материале рабочего колеса. Такого типа узлы уже применяются в компрессорах современных ТРДД. Однако, для них значительно усложняется вопрос ремонта и уменьшаются возможности высокотемпературного использования и охлаждения в авиационной турбине.

Пример крепления рабочих лопаток в диске с помощью замков «елочка».

Наиболее распространенный способ крепления лопаток в тяжело нагруженных дисках турбин – это так называемая «елочка». Если же нагрузки умеренные, то могут быть применены и другие типы замков, которые более просты в конструктивном отношении, например цилиндрические или Т-образные.

Контроль…

Так как условия работы авиационной турбины крайне тяжелые, а вопрос надежности, как важнейшего узла летательного аппарата имеет первостепенный приоритет, то проблема контроля состояния элементов конструкции стоит в наземной эксплуатации на первом месте. В особенности это касается контроля внутренних полостей турбины, где как раз и располагаются наиболее нагруженные элементы.

Осмотр этих полостей конечно невозможен без использования современной аппаратуры дистанционного визуального контроля. Для авиационных газотурбинных двигателей в этом качестве выступают различного вида эндоскопы (бороскопы). Современные устройства такого типа достаточно совершенны и обладают большими возможностями.

Осмотр газовоздушного тракта ТВРД с помощью эндоскопа Vucam XO.

Ярким примером может служить портативный измерительный видеоэндоскоп Vucam XO немецкой компании ViZaar AG. Обладая небольшими размерами и массой (менее 1,5 кг), этот аппарат тем не менее очень функционален и располагает внушительными возможностями как осмотра, так и обработки получаемой информации.

Vucam XO абсолютно мобилен. Весь его комплект располагается в небольшом пластмассовом кейсе. Видеозонд с большим количеством легкосменяемых оптических адаптеров обладает полноценной артикуляцией в 360°, диаметром 6,0 мми может иметь различную длину (2,2м; 3,3м; 6,6м).

Бороскопический осмотр двигателя вертолета с помощью эндоскопа Vucam XO.

Бороскопические проверки с использованием подобных эндоскопов предусмотрены в регламентных правилах для всех современных авиадвигателей. В турбинах обычно осматривается проточная часть. Зонд эндоскопа проникает во внутренние полости авиационной турбины через специальные контрольные порты.

Порты бороскопического контроля на корпусе турбины ТВРД CFM56.

Они представляют из себя отверстия в корпусе турбины, закрытые герметичными пробками (обычно резьбовыми, иногда подпружиненными). В зависимости от возможностей эндоскопа (длина зонда) может понадобиться проворачивание вала двигателя. Лопатки (СА и РЛ) первой ступени турбины могут осматриваться через окна на корпусе камеры сгорания, а последней ступени — через сопло двигателя.

Что позволит поднять температуру…

Одно из генеральных направлений развития ГТД всех схем –  увеличение температуры газа перед турбиной. Это позволяет ощутимо увеличивать тягу без увеличения расхода воздуха, что может привести к уменьшению лобовой площади двигателя и росту удельной лобовой тяги.

В современных двигателях температура газа (после факела) на выходе из камеры сгорания может достигать 1650°С (с тенденцией к росту), поэтому для нормальной работы турбины при столь больших термических нагрузках необходимо принятие специальных, часто предохранительных мер.

Первое (и самое простоев этой ситуации) – использование жаропрочных и жаростойких материалов, как металлических сплавов, так и (в перспективе) специальных композитных  и керамических материалов, которые используются для изготовления самых нагруженных деталей турбины – сопловых и рабочих лопаток, а также дисков. Самые нагруженные из них – это, пожалуй, рабочие лопатки.

Металлические сплавы – это в основном сплавы на основе никеля (температура плавления — 1455°С) с различными легирующими добавками. В современные жаропрочные  и жаростойкие сплавы для получения максимальных высокотемпературных характеристик добавляют до 16-ти наименований различных легирующих элементов.

Химическая экзотика…

В их числе, например, хром, марганец, кобальт, вольфрам, алюминий , титан, тантал, висмут и даже рений или вместо него рутений и другие. Особенно перспективен в этом плане рений (Re – рений, применяется в России), используемый сейчас вместо карбидов, но он чрезвычайно дорог и запасы его невелики. Также перспективным считается использование силицида ниобия.

Кроме того поверхность лопатки часто покрывается нанесенным по особой технологии специальным теплозащитным слоем (антитермальное покрытие — thermal-barrier coating или ТВС), значительно уменьшающим величину теплопотока в тело лопатки (термобарьерные функции) и предохраняющим ее от газовой коррозии (жаростойкие функции).

Пример термозащитного покрытия. Показан характер изменения температуры по сечению лопатки.

На рисунке (микрофото) показан теплозащитный слой на лопатке турбины высокого давления современного ТРДД. Здесь TGO (Thermally Grown Oxide) – термически растущий оксид; Substrate – основной материал лопатки; Bond coat – переходный слой. В состав ТВС сейчас входят никель, хром, алюминий, иттрий и др. Также проводятся опытные работы по использованию керамических покрытий на основе оксида циркония, стабилизированного оксидом циркония (разработки ВИАМ).

Для примера…

Достаточно широкой известностью в двигателестроении, начиная с послевоенного периода и в настоящее время пользуются жаропрочные никелевые сплавы компании Special Metals Corporation – США, содержащие не менее 50% никеля и 20% хрома, а также титан, алюминий и немало других составляющих, добавляемых в небольших количествах.

В зависимости от профильного предназначения (РЛ, СА, диски турбин, элементы проточной части, сопла, компрессора и др., а также неавиационные области применения), своего состава и свойств они объединены в группы, каждая из которых включает различные варианты сплавов.

Лопатки турбины двигателя Rolls-Royce Nene, изготовленные из сплава Nimonic 80A.

Некоторые из этих групп: Nimonic, Inconel, Incoloy, Udimet/Udimar, Monel и другие. Например, сплав Nimonic 90, разработанный еще в 1945 году и применявшийся для изготовления элементов авиационных турбин ( в основном лопатки), сопел и частей летательных аппаратов, имеет состав: никель – 54%минимум, хром – 18-21%, кобальт – 15-21%, титан – 2-3%, алюминий – 1-2%, марганец – 1%, цирконий -0,15% и другие легирующие элементы (в малых количества). Этот сплав производится и по сей день.

В России (СССР) разработкой такого типа сплавов и других важных материалов для ГТД занимался и успешно занимается ВИАМ (Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов). В послевоенное время институт разрабатывал деформируемые сплавы (типа ЭИ437Б), с начала 60-х создал целую серию высококачественных литьевых сплавов (об этом ниже).

————-

Однако, практически все жаропрочные металлические материалы выдерживают без охлаждения температуры примерно до ≈ 1050°С .

Поэтому:

Вторая, широко используемая мера, это применение различных систем охлаждения лопаток и других конструктивных элементов авиационных турбин. Без охлаждения в современных ГТД обойтись пока нельзя, несмотря на применение новых высокотемпературных жаропрочных сплавов и специальных способов изготовления элементов.

Среди систем охлаждения выделяют два направления: системы открытые и замкнутые. Замкнутые системы могут использовать принудительную циркуляцию жидкого теплоносителя в системе лопатки — радиатор или же использовать принцип «термосифонного эффекта».

В последнем способе движение теплоносителя происходит под действием гравитационных сил, когда более теплые слои вытесняют более холодные. В качестве теплоносителя здесь может быть использован, например, натрий или сплав натрия и калия.

Однако, замкнутые системы из-за большого количества трудно решаемых проблем в авиационной практике не применяются и находятся в стадии экспериментальных исследований.

Примерная схема охлаждения многоступенчатой турбины ТРД. Показаны уплотнения между СА и ротором. А — решетка профилей для закрутки воздуха с целью его предварительного охлаждения.

Зато в широком практическом применении находятся открытые системы охлаждения. Хладагентом здесь служит воздух, подаваемый обычно под различным давлением из-за различных же ступеней компрессора внутрь лопаток турбины. В зависимости от максимальной величины температуры газа, при которой целесообразно применение этих систем, их можно разделить на три вида: конвективный, конвективно-пленочный (или заградительный) и пористый.

При конвективном охлаждении воздух подается внутрь лопатки по специальным каналам и, омывая внутри нее наиболее нагретые участки, выходит наружу в поток в области с более низким давлением. При этом могут быть использованы различные схемы организации течения воздуха в лопатках зависимости от формы каналов для него: продольная, поперечная или петлеобразная (смешанная или усложненная).

Типы охлаждения: 1 — конвективный с дефлектором, 2 — конвективно-пленочный, 3 — пористый. Лопатка 4 — теплозащитное покрытие.

Наиболее простая схема с продольными каналами вдоль пера. Здесь выход воздуха организуется обычно в верхней части лопатки через бандажную полку. В такой схеме имеет место довольно большая неравномерность температуры вдоль пера лопатки – до 150-250˚, что неблагоприятно влияет на прочностные свойства лопатки. Схема используется на двигателях с температурой газа до ≈ 1130ºС.

Еще один способ конвективного охлаждения (1) подразумевает наличие внутри пера специального дефлектора (тонкостенная оболочка – вставляется внутрь пера), который способствует подводу охлаждающего воздуха сначала на наиболее нагретые участки. Дефлектор образует своего рода сопло, выдувающее воздух в переднюю часть лопатки. Получается струйное охлаждение наиболее нагретой части. Далее воздух, омывая остальные поверхности выходит через продольные узкие отверстия в пере.

Рабочая лопатка турбины двигателя CFM56.

В такой схеме температурная неравномерность значительно ниже, кроме того сам дефлектор, который вставляется в лопатку под натягом по нескольким центрирующим поперечным пояскам, благодаря своей упругости, служит в роли демпфера и гасит колебания лопаток. Такая схема используется при максимальной температуре газа ≈ 1230°С.

Так называемая полупетлевая схема позволяет добиться относительно равномерного поля температур в лопатке. Это достигается экспериментальным подбором расположения различных ребер и штырьков, направляющих потоки воздуха, внутри тела лопатки. Эта схема допускает максимальную температуру газа до 1330°С.

Сопловые лопатки конвективно охлаждаются аналогично рабочим. Они обычно выполняются двухполостными с дополнительными ребрами и штырьками для интенсификации процесса охлаждения. В переднюю полость у передней кромки подается воздух более высокого давления, чем в заднюю (из-за разных ступеней компрессора) и выпускается в различные зоны тракта с целью поддержания минимально необходимой разности давлений для обеспечения требуемой скорости движения воздуха в каналах охлаждения.

Примеры возможных способов охлаждения рабочих лопаток. 1 — конвективное, 2 — конвективно-пленочное, 3 конвективно-пленочное с усложненными петлевыми каналами в лопатке.

Конвективно-пленочное охлаждение (2) применяется при еще более высокой температуре газа – до 1380°С. При этом способе часть охлаждающего воздуха через специальные отверстия в лопатке выпускается на ее наружную поверхность, создавая тем самым своего рода заградительную пленку, которая защищает лопатку от соприкосновения с горячим потоком газа. Этот способ используется как для рабочих, так и для сопловых лопаток.

Третий способ – пористое охлаждение (3). В этом случае силовой стержень лопатки с продольными каналами покрывается специальным пористым материалом, который позволяет осуществить равномерный и дозированный выпуск охладителя на всю поверхность лопатки, омываемую газовым потоком.

Это пока перспективный способ, в массовой практике использования ГТД не применяющийся из-за сложностей с подбором пористого материала и большой вероятностью достаточно быстрого засорения пор. Однако, в случае решения этих проблем предположительно возможная температура газа при таком типе охлаждения может достигать 1650°С.

Диски турбины и корпуса СА также охлаждаются воздухом из-за различных ступеней компрессора при его прохождении по внутренним полостям двигателя с омыванием охлаждаемых деталей и последующим выпуском в проточную часть.

Из-за достаточно большой степени повышения давления в компрессорах современных двигателей сам охлаждающий воздух может иметь довольно высокую температуру. Поэтому для повышения эффективности охлаждения применяют мероприятия по предварительному снижению этой температуры.

Для этого воздух перед подачей в турбину на лопатки и диски может пропускаться через специальные решетки профилей, аналогичные СА турбины, где воздух подкручивается в направлении вращения рабочего колеса, расширяясь и охлаждаясь при этом. Величина охлаждения может составить 90-160°.

Для такого же охлаждения могут быть использованы воздухо-воздушные радиаторы, охлаждаемые воздухом второго контура. На двигателе АЛ-31Ф такой радиатор дает понижение температуры до 220° в полете и 150° на земле.

На нужды охлаждения авиационной турбины от компрессора забирается достаточно большое количество воздуха. На различных двигателях – до 15-20%. Это существенно увеличивает потери, которые учитываются при термогазодинамическом расчете двигателя. На некоторых двигателях установлены системы, снижающие подачу воздуха на охлаждение (или вообще ее закрывающие) при пониженных режимах работы двигателя, что положительно влияет на экономичность.

Схема охлаждения 1-й ступени турбины ТРДД НК-56. Показаны также сотовые уплотнения и лента отключения охлаждения на пониженных режимах работы двигателя.

При оценке эффективности системы охлаждения обычно учитывается и дополнительные гидравлические потери на лопатках вследствие изменения их формы при выпуске охлаждающего воздуха. КПД реальной охлаждаемой турбины примерно на 3-4% ниже, чем неохлаждаемой.

Кое-что об изготовлении лопаток…

На реактивных двигателях первого поколения турбинные лопатки в основном изготавливались методом штамповки с последующей длительной обработкой. Однако, в 50-х годах специалисты ВИАМ убедительно доказали, что перспективу повышения уровня жаропрочности лопаток открывают именно литейные а не деформируемые сплавы. Постепенно был осуществлен переход на это новое направление (в том числе и на Западе).

В настоящее время в производстве используется технология точного безотходного литья, что позволяет выполнять лопатки со специально профилированными внутренними полостями, которые используются для работы системы охлаждения (так называемая технология литья по выплавляемым моделям).

Это, по сути дела единственный сейчас способ получения охлаждаемых лопаток. Он тоже совершенствовался с течением времени. На первых этапах при литьевой технологии изготавливали лопатки с разноразмерными зернами кристаллизации, которые ненадежно сцеплялись между собой, что значительно уменьшало прочность и ресурс изделия.

В дальнейшем, с применением специальных модификаторов, начали изготавливать литые охлаждаемые лопатки с однородными, равноосными, мелкими структурными зернами. Для этого ВИАМ в 60-х годах разработал первые серийные отечественные жаропрочные сплавы для литья ЖС6, ЖС6К, ЖС6У, ВЖЛ12У.

Их рабочая температура была на 200° выше, чем у рапространенного тогда деформируемого (штамповка) сплава ЭИ437А/Б (ХН77ТЮ/ЮР). Лопатки, изготавливаемые из этих материалов работали минимум по 500 часов без визуально видимых признаком разрушения. Такого типа технология изготовления используется и сейчас. Тем не менее межзеренные границы остаются слабым местом структуры лопатки, и именно по ним начинается ее разрушение.

Поэтому с ростом нагрузочных характеристик работы современных авиационных турбин (давление, температура, центробежные нагрузки) появилась необходимость разработки новых технологий изготовления лопаток, потому что многозеренная структура уже во многом не удовлетворяла утяжеленным условиям эксплуатации.

Примеры структуры жаропрочного материала рабочих лопаток. 1 — равноосная зернистость, 2 — направленная кристаллизация, 3 — монокристалл.

Так появился «метод направленной кристаллизации». При таком методе в застывающей отливке лопатки образуются не отдельные равноосные зерна металла, а длинные столбчатые кристаллы, вытянутые строго вдоль оси лопатки. Подобного рода структура значительно увеличивает сопротивление лопатки излому. Это похоже на веник, который сломать очень трудно, хотя каждый из составляющих его прутиков ломается без проблем.

Такая технология была впоследствии доработана до еще более прогрессивного «метода монокристаллического литья», когда одна лопатка представляет из себя практически один целый кристалл. Этого типа лопатки сейчас также устанавливаются в современных авиационных турбинах. Для их изготовления используются специальные, в том числе так называемые ренийсодержащие сплавы.

В 70-х и 80-х годах в ВИАМе были разработаны сплавы для литья турбинных лопаток с направленной кристаллизацией: ЖС26, ЖС30, ЖС32, ЖС36, ЖС40, ВКЛС-20, ВКЛС-20Р; а в 90-х – коррозионно-стойкие сплавы длительного ресурса: ЖСКС1 и ЖСКС2.

Далее, работая в этом направлении, ВИАМ с начала 2000 года по настоящее время создал высокорениевые жаропрочные сплавы третьего поколения: ВЖМ1 (9,3%Re), ВЖМ2 (12%Re), ЖС55 (9%Re) и ВЖМ5 (4%Re). Для еще большего совершенствования характеристик за последние 10 лет были проведены экспериментальные исследования, результатом которых стали рений-рутенийсодержащие сплавы четвертого – ВЖМ4 и пятого поколений ВЖМ6.

В качестве помощников…

Как уже говорилось ранее, в ГТД применяются только реактивные (или активно-реактивные) турбины. Однако, в заключении стоит вспомнить, что среди используемых авиационных турбин есть и активные. Они, в основном, выполняют второстепенные задачи и в работе маршевых двигателей участия не принимают.

И тем не менее роль их часто бывает очень важна. В этом случае речь о воздушных стартерах, используемых для запуска ТРДД. Существуют различные виды стартерных устройств, применяемых для раскрутки роторов газотурбинных двигателей. Воздушный стартер занимает среди них, пожалуй, самое видное место.

Воздушный стартер ТРДД.

Агрегат этот, на самом деле, несмотря на важность функций, принципиально достаточно прост. Основным узлом здесь является одно- или двухступенчатая активная турбина, которая вращает через редуктор и коробку приводов ротор двигателя (в ТРДД обычно ротор низкого давления).

Расположение воздушного стартера и его рабочей магистрали на ТРДД,

Сама турбина раскручивается потоком воздуха, поступающего от наземного источника, либо бортовой ВСУ, либо от другого, уже запущенного двигателя самолета. На определенном этапе цикла запуска, стартер автоматически отключается.

В подобного рода агрегатах в зависимости от требуемых выходных параметров могут также использоваться и радиальные турбины. Они же могут применяться в системах кондиционирования воздуха в салонах самолетов в качестве элемента турбохолодильника, в котором эффект расширения и снижения температуры воздуха на турбине используется для охлаждения воздуха, поступающего в салоны.

Кроме того, как активные осевые, так и радиальные турбины применяются в системах турбонаддува поршневых авиационных двигателей. Такая практика началась еще до превращения турбины в важнейший узел ГТД и продолжается по сей день.

Пример использования радиальной и осевой турбин во вспомогательных устройствах.

Аналогичные системы с использованием турбокомпрессоров находят применение в автомобилях и вообще в различных системах подачи сжатого воздуха.

Таким образом авиационная турбина и во вспомогательном смысле отлично служит людям.

———————————

Ну вот, пожалуй, и все на сегодня. На самом деле здесь еще много о чем можно написать и в плане дополнительных сведений, и в плане более полного описания уже сказанного. Тема ведь очень обширная. Однако, нельзя объять необъятное :-). Для общего ознакомления, пожалуй, достаточно. Спасибо, что дочитали до конца.

До новых встреч…

В завершение картинки, » невместившиеся» в текст.

Пример одноступенчатой турбины ТРД.

Модель эолипила Герона в Калужском музее космонавтики.

Артикуляция видеозонда эндоскопа Vucam XO.

Экран многофункционального эндоскопа Vucam XO.

Эндоскоп Vucam XO.

Пример термозащитного покрытия на лопатках СА двигателя GP7200.

Сотовые пластины, используемые для уплотнений.

Возможные варианты элементов лабиринтного уплотнения.

Лабиринтное сотовое уплотнение.

10 фактов о ветроэнергетике, которых вы не знали

Освежите свои знания о ветре! Эта статья является частью серии Energy.gov, посвященной серии «Главные факты, которых вы не знали об энергетике».

10. Человеческие цивилизации использовали энергию ветра на протяжении тысячелетий. Ранние формы ветряных мельниц использовали ветер для измельчения зерна или перекачки воды. Теперь современные ветряные турбины используют ветер для выработки электроэнергии. Узнайте, как работает ветряная турбина.

9. Современные ветряные турбины представляют собой гораздо более сложные машины, чем традиционные ветряные мельницы прерий.Ветряная турбина состоит из 8000 различных компонентов.

8. Ветрогенераторы большие. В среднем лопасти ветряных турбин имеют длину почти 200 футов, а высота башен турбин составляет в среднем 295 футов, что примерно равно высоте Статуи Свободы. Увеличивается и средняя паспортная мощность турбин, а значит, они имеют более мощные генераторы. Средняя мощность ветряных турбин коммунального масштаба, установленных в 2020 году, составила 2,75 мегаватт (МВт), что на 8% больше, чем в предыдущем году.

7. Чем выше скорость ветра, тем больше электроэнергии, и ветряные турбины становятся все выше, чтобы достигать больших высот над уровнем земли, где еще более ветрено.Ознакомьтесь с картами ветряных ресурсов Министерства энергетики, чтобы узнать среднюю скорость ветра в вашем штате или родном городе, и узнайте больше о возможностях для более высоких ветряных турбин в отчете Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии Министерства энергетики.

6. Здесь производится большинство компонентов ветряных турбин, установленных в США. Более 530 производственных предприятий, связанных с ветром, расположены в 43 штатах, а в ветроэнергетике США в настоящее время занято более 116 000 человек.

5. Оффшорный ветроэнергетика открывает большие возможности для обеспечения электроэнергией густонаселенных прибрежных городов. Есть небольшие проекты, установленные у берегов Род-Айленда и Вирджинии, и первый проект коммерческого масштаба был одобрен для установки у побережья Массачусетса. Посмотрите, что делает Министерство энергетики для развития оффшорной ветроэнергетики в США.

4. Ветроэнергетика коммунального масштаба (от турбин мощностью более 100 киловатт) установлена ​​в 41 штате. Распределенный ветер установлен во всех 50 штатах, а также в Пуэрто-Рико, Гуаме и США.С. Виргинские острова.

3. В конце 2020 года мощность ветровой энергии в Соединенных Штатах составляла около 122 000 мегаватт, что делало ее крупнейшим источником возобновляемой энергии в Соединенных Штатах. В 2020 году прирост ветроэнергетических мощностей в США составил 17 МВт. Этот рост составил 24,6 млрд долларов инвестиций в новые ветроэнергетические установки в 2020 году.

2. Энергия ветра доступна по цене. Цены на ветровую энергию по контрактам на электроэнергию, подписанным за последние несколько лет, и выравниваемые цены на ветровую энергию (цена, которую коммунальное предприятие платит за покупку электроэнергии у ветряной электростанции) составляют 2–4 цента за киловатт-час.

1. Энергия ветра обеспечивает более 10% общего производства электроэнергии в 16 штатах и ​​более 30% в Канзасе, Айове, Северной Дакоте, Южной Дакоте и Оклахоме. В целом, энергия ветра обеспечила более 8% от общего объема производства электроэнергии в США в 2020 году.

Узнать больше

Оценка и описание ветровых ресурсов

На карте, показанной выше, обозначены районы по всей стране, в которых средний коэффициент использования ветровой энергии составляет 35 % или выше при высоте ступицы турбины 140 метров (459 футов), что соответствует планируемому усовершенствованию турбины.На дополнительной карте обозначены области с такой же потенциальной мощностью на высоте ступицы турбины 110 метров (361 фут), что отражает последние достижения в технологии турбин. В отчете Министерства энергетики США «Включение ветровой энергии по всей стране» подтверждается, что ключом к раскрытию потенциала энергии ветра во всех 50 штатах является доступ к более сильным и устойчивым ветрам, которые дуют на больших высотах над землей. Узнайте больше об исследованиях и разработках, чтобы получить доступ к этому ресурсу на нашей веб-странице Wind Manufacturing.

Избранные проекты

Проект по улучшению прогнозов ветра

В сотрудничестве с NOAA Управление ветроэнергетических технологий Министерства энергетики возглавило проект по улучшению прогнозов ветра (WFIP), используя целевые наблюдения за ветром и передовые модели и алгоритмы прогнозов, чтобы помочь управлять вкладом энергии ветра к электрическим сетям.На первом этапе проекта, WFIP 1, изучалось влияние улучшенных начальных условий на усовершенствованные прогностические модели, что привело к повышению точности на 8%. Второй этап проекта, WFIP 2, был посвящен атмосферным процессам, влияющим на прогнозы ветра в регионах со сложным рельефом, при этом полевые работы начались в 2015 году. для оценки энергетического потенциала, экономической целесообразности и технических требований к объектам морских энергетических проектов.Управление технологий ветроэнергетики работает над удовлетворением этих потребностей путем распространения данных, усовершенствования приборов и наблюдений, а также разработки инструментов следующего поколения. Открытое совещание Министерства энергетики по оценке ресурсов и условиям проектирования стало первым шагом в устранении этих пробелов в информации и помогло наметить путь для будущих приоритетов.

В качестве следующего шага программа профинансировала AWS Truepower для разработки веб-ресурса с возможностью поиска национальных ресурсов метеорологической и океанической энергии ветра и данных о проектных условиях, U.S. Центр метеорологических и океанических данных по морской возобновляемой энергии (USMODCORE). Перечень данных включает ресурсы федеральных агентств, правительств штатов, региональных альянсов, исследовательских институтов, коммерческих проектов и международных организаций.

Кроме того, буи Министерства энергетики WindSentinel для характеристики ветровых ресурсов будут предоставлять долгосрочные данные о профилях морских ветров, которые будут поддерживать исследования, необходимые для ускорения использования энергии морских ветров в Соединенных Штатах.Тихоокеанская северо-западная национальная лаборатория Министерства энергетики США развернула плавучие лидарные буи у берегов Вирджиния-Бич, штат Вирджиния, и Атлантик-Сити, штат Нью-Джерси, для сбора данных о погоде и волнении, которые будут играть важную роль как в проектировании ветряных электростанций, так и в обеспечении финансирования проекта. Получите доступ к данным в архиве данных Atmosphere to Electrons (A2e) и портале.

Инициатива «От атмосферы к электронам»

Недостаточная производительность ветряных электростанций, которая в настоящее время в некоторых случаях достигает 20%, представляет большую возможность для Управления ветроэнергетических технологий повысить производительность ветряных электростанций и снизить стоимость энергии ветра.Исследовательская инициатива Министерства энергетики США «От атмосферы к электронам» (A2e) направлена ​​на повышение производительности и надежности ветряных электростанций за счет беспрецедентного понимания того, как атмосфера Земли взаимодействует с ветряными электростанциями, и разработки инновационных технологий для максимального извлечения энергии из ветра.

Инициатива A2e реализует интегрированный портфель исследований для координации и оптимизации достижений в четырех основных областях исследований:

  1. Оценка производительности электростанций и финансовых рисков
  2. Наука об атмосфере
  3. Аэродинамика ветряных электростанций
  4. Технология ветряных электростанций следующего поколения.

Целью A2e является обеспечение того, чтобы будущие электростанции располагались, строились и эксплуатировались таким образом, чтобы производить наиболее рентабельные электроны — в виде полезной электроэнергии — из ветров, проходящих через электростанцию. Узнайте больше об инициативе A2e.

Federal Partnerships

Управление ветроэнергетических технологий Министерства энергетики работает с другими государственными учреждениями, университетами и представителями отрасли для оценки и описания ветровых ресурсов США. Затем результаты оценки становятся общедоступными, что позволяет ветроэнергетике определить области, наиболее подходящие для развития будущих наземных и морских ветряных электростанций.

Характеристика погодозависимых и океанических возобновляемых источников энергии

С 2011 года Управление по энергоэффективности и возобновляемым источникам энергии Министерства энергетики работает в соответствии с Меморандумом о взаимопонимании (MOU) с Национальным управлением океанических и атмосферных исследований (NOAA) Министерства торговли по погоде. — Зависимая и океаническая характеристика возобновляемых источников энергии для повышения точности, достоверности и полноты информации о ресурсах для технологий использования энергии ветра и воды.Сочетая технический опыт Министерства энергетики с передовыми возможностями NOAA в прогнозировании, картировании и прогнозировании состояния океана и атмосферы, два агентства работают над безопасным и эффективным использованием технологий погодозависимых и океанических возобновляемых источников энергии.

Скоординированное развертывание оффшорной ветровой, морской и гидрокинетической энергии на внешнем континентальном шельфе США

В 2010 г. Управление по энергоэффективности и возобновляемым источникам энергии Министерства энергетики подписало Меморандум о взаимопонимании с Бюро управления океанической энергией Министерства внутренних дел для скоординированного развертывания Оффшорная ветровая, морская и гидрокинетическая энергия на U.S. Внешний континентальный шельф. Меморандум о взаимопонимании учредил рабочие группы сотрудников агентства для совместной работы над конкретными темами, необходимыми для развертывания морских энергетических систем. Рабочая группа по оценке ресурсов и проектным условиям координирует исследовательскую деятельность, чтобы улучшить наше понимание основных атмосферных и океанических условий, имеющих отношение к возобновляемым источникам энергии на шельфе.

Вовлеченные федеральные партнеры: Министерство энергетики США, Министерство торговли США, Министерство внутренних дел США, U.S.S. Министерство обороны, Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства, Национальный научный фонд и Администрация президента

Ветряная турбина – энергетическое образование

Рисунок 1. Ветряная турбина. [1]

Ветряные турбины работают путем преобразования кинетической энергии ветра в механическую энергию, которая используется для выработки электроэнергии путем вращения генератора. Эти турбины могут быть наземными или морскими ветряными турбинами. [2]

Компоненты турбины

Фигура 2.Иллюстрация компонентов ветряной турбины (нажмите, чтобы увеличить). [3]

Современные ветряные турбины бывают разных размеров, но все типы обычно состоят из нескольких основных компонентов: [4]

  • Лопасти ротора — Лопасти ротора ветряной турбины работают по тому же принципу, что и крылья самолета. Одна сторона лезвия изогнута, а другая плоская. Ветер движется быстрее вдоль изогнутой кромки, создавая разницу в давлении с обеих сторон лопасти.Лопасти «толкаются» воздухом, чтобы выровнять разницу давлений, заставляя лопасти вращаться. [5]
  • Гондола – Гондола содержит набор шестерен и генератор. Вращающиеся лопасти связаны с генератором шестернями. Шестерни преобразуют относительно медленное вращение лопастей в скорость вращения генератора примерно 1500 об/мин. [5] Затем генератор преобразует энергию вращения лопастей в электрическую энергию.
  • Башня — Лопасти и гондола установлены на вершине башни.Башня сконструирована таким образом, чтобы удерживать лопасти несущего винта над землей при идеальной скорости ветра. Башни обычно находятся на высоте 50-100 м над поверхностью земли или воды. Оффшорные мачты обычно крепятся ко дну водоема, хотя ведутся исследования по разработке мачты, которая плавает на поверхности. [2]

Визуализация турбины

У компании MidAmerican Energy есть отличное видео о конструкции ветряной турбины , для просмотра нажмите здесь.

Видео ниже, созданное UVSAR, подробно показывает детали турбины.

Для дальнейшего чтения

Каталожные номера

Пневматические двигатели – обзор

5.5 Испарительные циклы

Первоначальная концепция цикла HAT была предложена доктором Рао в 1989 г. [18] и имеет некоторые общие черты с циклом RWI, рассмотренным в предыдущем разделе. Из рис. 5.4, где сравниваются две установки, видно, что обе установки имеют промежуточное охлаждение, регенеративные циклы, а воздушный поток, выходящий из компрессора высокого давления, доохлаждается и смешивается с водой для повышения рекуперации тепла на выхлопных газах турбины с целью повышения КПД и удельной мощности.Основное отличие, обозначенное заштрихованными участками, заключается во введении поверхностного доохладителя и сатуратора вместо водяного смесителя.

5.4. Упрощенная схема цикла HAT, показывающая его концептуальное происхождение от схемы RWI.

Сатуратор, ключевой компонент цикла HAT, представляет собой вертикальную колонну, в которой горячая вода, текущая сверху вниз, вступает в непосредственный контакт с воздухом, движущимся вверх. В процессе одновременного переноса массы и тепла жидкость испаряется в воздушный поток, увеличивая его влажность и температуру, так что теплый, насыщенный, влажный воздух выходит вверху колонны, а холодная вода выделяется внизу.Это аналогично процессу, происходящему в мокрой градирне, но в другом диапазоне температур и давлений. Для увеличения площади контакта воздух-вода и времени пребывания потоков внутри башни размещают такие устройства, как тарелки или насадочные элементы. Большинство исследований конструкции сатуратора (см. ссылку 19) указывают на второй вариант как на более эффективный, то есть он обеспечивает такой же тепло- и массоперенос в меньшем объеме и с более низким перепадом давления на стороне воздуха, чем тарельчатая колонна.

С точки зрения термодинамической эффективности преимущество HAT над циклом RWI можно объяснить следующим образом. В установке RWI доохлаждение воздуха и смешивание воздуха с водой осуществляются за счет подачи горячей воды с более высокой скоростью, чем это необходимо для насыщения, в поток воздуха с относительно высокой температурой. Во время этого смешения начальная разница между давлением насыщения жидкой воды и парциальным давлением водяного пара в газообразной фазе (которое является мерой движущей силы испарения воды) чрезвычайно велика, что приводит к совершенно необратимому процессу.

Основная идея цикла HAT заключается в уменьшении необратимости смешивания путем отделения доохлаждения от добавления воды. Во-первых, воздух, выходящий из компрессора высокого давления, охлаждается с помощью поверхностного теплообменника; затем большое количество горячей воды, произведенной в различных устройствах рекуперации тепла, вводится в воздушный поток в неизотермическом процессе.

В сатураторе воздух постепенно нагревается на своем восходящем пути из-за разницы температур между ним и нисходящим потоком воды и увеличивает свою абсолютную влажность из-за существующей на каждом участке колонны разницы между давлением насыщения жидкая вода и парциальное давление водяного пара в газовой фазе.Хитрость заключается в том, что схема противотока удерживает эти различия на очень ограниченном уровне с минимальным созданием энтропии внутри сатуратора.

Устройство HAT требует более сложного водяного контура, чем RWI. Вода нагревается за счет рекуперации тепла от компрессионного промежуточного охладителя, доохладителя и дополнительного экономайзера, расположенного после регенератора влажного воздуха/выхлопных газов. По сравнению со случаем RWI теперь есть возможность для дальнейшей рекуперации тепла от выхлопных газов на выходе из регенератора, так как их температура значительно выше, так как теплоемкость на горячей стороне существенно выше, чем на холодной, при отсутствии испарения воды. происходит внутри компонента.В технической литературе для циклов HAT было предложено несколько компоновок установок, и различия между различными предложениями в основном касаются количества и расположения воздухо-водяных теплообменников, а также распределения воды между различными теплообменниками.

На рис. 5.5 показана полная технологическая схема базового цикла HAT на основе той же степени повышения давления (21) и TIT (1260°C), что и в предыдущих случаях. Давление промежуточного охлаждения было установлено таким образом, чтобы отношение общего давления было точно равно между секциями НД и ВД.Обширная рекуперация тепла, необходимая для максимизации производительности, достигается за счет настройки расхода потоков воды таким образом, чтобы точно сбалансировать теплоемкости потоков, протекающих в промежуточном охладителе, доохладителе и низкотемпературном экономайзере, что приводит к массовому отношению воды к газу на вход сатуратора 0,92. Поток воды поступает в сатуратор с температурой 214°С и охлаждается до 96°С, при условии, что необходима разность температур приближения к температуре влажного термометра входящего воздуха (равная 84°С в рассматриваемом примере), чтобы масса переход от жидкого к воздушному потоку по всей высоте колонны.Около 20% поступающей воды испаряется в сатураторе, присоединяясь к газовому потоку, который одновременно нагревается от 111 до 150°С. Наконец, цикл HAT может вводить в воздушный поток больше воды, чем RWI (0,15 кг воды на единицу массы на входе в компрессор против примерно 0,09 для RWI), что обеспечивает выдающуюся удельную работу. Эффективность цикла HAT почти на 2% выше, чем RWI, благодаря менее необратимому процессу смешивания воды и более полной рекуперации тепла отработавших газов.

5.5. Технологические схемы установки и свойства значимых потоков для цикла HAT с β = 21 и TIT = 1260°C.

5.5.1 Внедрение цикла влажновоздушной турбины (ВВТ)

Несмотря на преимущества, которые они предлагают, разработка ВАТ-установок сдерживается ограниченным наличием первичных установок ВВР (упомянутая выше модель Rolls Royce WR 21 специально разработана для военных применений единственный) или даже регенеративный цикл. Отклонение согласования потоков компрессора/турбины от конструкции промышленной газовой турбины из-за массового перемешивания воды является вторым препятствием на пути фактического внедрения циклов ГАТ.Чтобы избежать этой проблемы, был предложен каскадный подход [20], состоящий из интеграции существующих газовых турбин большой мощности с дополнительным валом, включающим готовые промышленные компрессоры и детандер высокого давления. Это предложение еще не достигло своих целей, и две небольшие пилотные установки являются единственными циклами испарительных турбин, которые когда-либо работали. Первый расположен в Лундском технологическом институте (Швеция) [21] и был построен в конце 1990-х годов в рамках национальной программы совместных исследований между университетами и промышленностью.В промышленный рекуперативный газотурбинный модуль мощностью 600 кВт были внесены изменения для установки доохладителя [22], колонны насыщения и отводящего канала для удаления части потока воздуха на выходе из компрессора с целью восстановления согласования потоков компрессора и детандера. Проект позволил провести успешные испытания системы сжигания влажного воздуха, сатурационной колонны и связанного с ней водяного контура, которые оказались самодостаточными: не требовалось подпиточной воды за счет рекуперации воды, сконденсировавшейся после охлаждения отходящих газов на выходе из рекуператора до 35°С. С.Вторая установка была построена компанией Hitachi [23] и введена в эксплуатацию в конце 2006 г. Это установка мощностью 3,7 МВт на базе одновальной машины с двухступенчатым радиальным компрессором с коэффициентом повышения давления 8,1 и двухосевой турбиной. с температурой на входе в турбину 1180°C (охлаждение первых трех рядов). Система распыления, которая впрыскивает жидкую воду на вход компрессора со скоростью, превышающей необходимую для насыщения, заменяет обычное промежуточное охлаждение цикла HAT. Первый этап испытаний продемонстрировал работоспособность системы и подтвердил возможность достижения целевых характеристик с КПД ТС выше 42%.

Увлажнительная башня, совершенно нетрадиционный компонент для электроэнергетики, стала предметом дальнейшей экспериментальной деятельности в области проектирования насадочных колонн [24], трубчатых увлажнителей [25] и распылительных башен [26].

Как долго служат ветряные турбины? Можно ли продлить их срок службы?

Современная ветряная турбина хорошего качества обычно служит 20 лет , хотя этот может быть продлен до 25 лет или дольше в зависимости от факторов окружающей среды и соблюдения правильных процедур обслуживания .Однако затраты на техническое обслуживание будут увеличиваться по мере старения конструкции.

Ветряные турбины вряд ли прослужат намного дольше из-за экстремальных нагрузок, которым они подвергаются в течение всего срока службы. Отчасти это связано с конструкцией самих турбин, поскольку лопасти турбины и башня закреплены только на одном конце конструкции и, следовательно, сталкиваются с полной силой ветра. Конечно, по мере увеличения скорости ветра увеличиваются и нагрузки, которым подвергаются турбины. Это может достигать уровней, почти в 100 раз превышающих расчетные нагрузки при номинальной скорости ветра, поэтому многие турбины спроектированы так, чтобы отключаться для самозащиты при более высоких скоростях ветра.

 

Одним из основных факторов, определяющих срок службы ветряной турбины, являются условия окружающей среды, с которыми сталкивается ветроэнергетика. Эти условия зависят от конкретной площадки и включают в себя среднюю скорость ветра, интенсивность турбулентности и (для операторов морских ветряных электростанций) циклическую нагрузку на фундаменты, каркасные конструкции и монолиты, вызванные волнами.

В дополнение к этим факторам окружающей среды существуют обычные проблемы для любой конструкции, связанные с усталостным разрушением в результате использования в течение срока службы актива.К ним относятся различные детали и компоненты, от лопастей ветряных турбин до электропроводки и гидравлических систем.

Особого внимания заслуживают лопасти ветряных турбин

, так как они особенно подвержены повреждениям. В качестве движущегося компонента лопасти ротора подвержены более высоким уровням нагрузки и усталости, а также могут быть повреждены от ударов птиц или других объектов, а также от воздействия сильного ветра или ударов молнии.

Жизненный цикл турбины можно продлить за счет тщательного контроля и технического обслуживания.Для этого необходимо оценить состояние актива и сравнить его с истекшим сроком службы турбины, исходя из ожидаемых нагрузок и усталости, а также факторов окружающей среды для объекта ветроэнергетики.

Эти оценки определят, возможна ли дальнейшая работа и когда может потребоваться замена каких-либо компонентов для продления срока службы всей конструкции. Это называется оценкой продления срока службы и включает в себя как теоретический, так и практический анализ, например инспекции на месте и оценку данных расчетной нагрузки.

В отчете о состоянии будут подробно описаны требования к техническому обслуживанию, на основе которых может быть получена точная оценка стоимости продления срока службы ветряной турбины. Это позволяет операторам определить постоянные эксплуатационные расходы и риск отказа по сравнению со стоимостью замены или даже вывода из эксплуатации. Отчет также может использоваться для подачи заявки на продление страхового полиса, а также часто требуется поставщиками услуг в конце расчетного срока службы турбины.

Как упоминалось выше, фактический объем технического обслуживания, необходимого для поддержания в рабочем состоянии ветроэнергетического актива, будет варьироваться в зависимости от факторов, включая конкретные условия эксплуатации и используемые материалы.Тем не менее, ветряные турбины обычно требуют профилактических осмотров два или три раза в год. Потребность в этих проверках может увеличиваться по мере старения турбины, а также требует большего обслуживания для поддержания ее в рабочем состоянии.

Оффшорные электростанции сталкиваются с собственным набором особых проблем, связанных с обслуживанием. Проблемы, с которыми сталкиваются наземные активы, часто усугубляются оффшорными условиями эксплуатации, а также добавляют свои собственные специфические проблемы. Эти проблемы включают коррозию, эрозию и биообрастание наряду с обычными материалами, усталостью и ветровыми факторами.

По мере роста зависимости от морских возобновляемых источников энергии становится все более важным решать эти проблемы для поддержания эксплуатационной готовности.

Аналитическая оценка

Для обеспечения безопасной эксплуатации важно установить структурную устойчивость ветряных турбин. Устройства безопасности, тормозные системы и системы управления турбиной требуют испытаний для проверки устойчивости конструкции, но также необходимо сравнить расчетные нагрузки с фактическими нагрузками, которым подвергалась турбина.Эта информация о нагрузке может быть получена с помощью компьютерного моделирования, представляющего проектные условия после типовых испытаний наряду с условиями окружающей среды.

Эксплуатационные условия окружающей среды включают специфические ветровые условия, такие как средняя скорость ветра, турбулентность и любые экстремальные погодные явления. Они контролируются в течение предыдущих 20 лет, чтобы рассчитать предполагаемые нагрузки во время эксплуатации. Ветряным электростанциям может потребоваться, чтобы каждая турбина имела свой собственный набор данных. Затем эти данные оцениваются вместе с технической документацией на турбину.Эта техническая документация включает в себя информацию, касающуюся конструкции турбины, ввода в эксплуатацию, разрешений на эксплуатацию, данных по эксплуатации и производительности, а также электрических и гидравлических схем. Кроме того, также оцениваются отчеты о ремонте, осмотре и техническом обслуживании. Технический отчет также требуется для ежегодного документирования состояния лопастей несущего винта.

Операторы ветряных электростанций обязаны своевременно предоставлять соответствующие документы и проводить оценку. В некоторых случаях можно получить документацию по замене от производителя, однако, если производитель больше не доступен, можно использовать опыт для сравнения турбины с другими.

Эти аналитические расчеты используются для создания заявления, в котором указываются любые немедленные действия, необходимые для продолжения работы, а также те, которые необходимо будет запланировать на более позднюю дату, такие как замена деталей или полная проверка.

Все эти симуляции должны быть подкреплены проверками на местах. Традиционно это выполнялось инспектором лично, но все чаще это делается удаленно с использованием роботов и технологий, таких как система BladeSave.

Узнайте больше о проекте BladeSave

Физический мониторинг

Состояние ветряной турбины оценивается посредством инспекции на месте, основанной на аналитической оценке. Это позволяет проверить конкретные слабые места, дефекты или потенциальные проблемы. Физический мониторинг также ищет необычный износ или повреждение компонентов и оборудования. Несущие и важные для безопасности компоненты требуют особого внимания, поскольку некоторые типы ветряных турбин имеют собственные конструктивные недостатки или производственные проблемы, которые могут привести к преждевременному выходу из строя.

Физические проверки проводятся на лопатках турбины, несущей конструкции и фундаменте для поиска признаков коррозии и растрескивания или прослушивания подозрительных или необычных шумов от зубчатых колес и подшипниковых узлов.

Значительное повреждение может привести к немедленной остановке актива, что часто приводит к дорогостоящим простоям перед техническим обслуживанием или ремонтом. Тем не менее, эти проверки, как правило, обнаруживают незначительные повреждения, вызванные коррозией, усталостью или атмосферными воздействиями, что позволяет устранить дефект до того, как он станет еще хуже.

Различные детали требуют разного уровня контроля и обслуживания, а лопасти турбины и тросы требуют более тщательного осмотра и ухода.

Физический мониторинг также относится к мониторингу окружающей среды и тому, как это может повлиять на турбулентность и скорость ветра, используемые в аналитической оценке.

Затраты на эксплуатацию и техническое обслуживание (также известные как затраты на эксплуатацию и техническое обслуживание) составляют значительную часть общих годовых затрат на ветровую турбину.Эти затраты варьируются в зависимости от возраста актива, но в среднем составляют около 20-25% от общей приведенной стоимости за кВтч, произведенный в течение срока службы турбины. Для новой турбины эти затраты могут составлять всего 10-15%, но могут увеличиться до 20-35% к концу жизненного цикла турбины. Производители работают над новыми конструкциями, чтобы помочь сократить эти затраты, создавая турбины, которые требуют меньшего количества визитов в сервис и, следовательно, меньшего времени простоя.

Затраты на эксплуатацию и техническое обслуживание покрывают следующие расходы:

  • Страхование
  • Регулярное техническое обслуживание
  • Ремонт
  • Запасные части
  • Администрация

Некоторые из фактических затрат, связанных с этими расходами, например, страхование и техническое обслуживание, можно оценить, поскольку можно получить стандартные контракты, охватывающие большую часть жизненного цикла турбины.Однако затраты на ремонт и замену деталей определить труднее, так как на них может влиять возраст и состояние турбины, которые часто увеличиваются по мере старения актива. Кроме того, поскольку ожидаемый срок службы очень небольшого числа турбин подошёл к концу, данных об этих затратах на более позднем этапе жизненного цикла мало, в то время как многие старые турбины имеют меньшие размеры, чем те, что представлены на рынке в настоящее время.

Заключение

Операторы ветряных электростанций сталкиваются с необходимостью принимать бизнес-решения по мере старения своих активов — продолжать работу, перенастраивать или выводить из эксплуатации.На эти решения влияет физическое состояние по сравнению с теоретическим сроком службы турбин. Инспекции на месте и инструменты мониторинга помогают оценить эти факторы, чтобы обеспечить безопасную работу ветряных электростанций в течение расчетного срока службы. Этот срок службы может быть увеличен или сокращен в зависимости от повреждений, вызванных факторами окружающей среды и усталостью.

Некоторые компоненты, такие как лопасти, требуют дополнительного контроля и обслуживания, а такие технологии, как BladeSave, могут упростить этот процесс для оператора, обеспечивая постоянный удаленный мониторинг срока службы лопастей ветряной турбины.

Если ветряная электростанция эксплуатируется в пределах параметров проектного срока службы и условий и регулярно проводится техническое обслуживание, она может работать сверх расчетного срока службы. Во многих случаях ветровые условия на площадке создают меньшие нагрузки, чем предполагалось, а это означает, что конструкции турбин не имеют значительных повреждений. В этих случаях ремонт является незначительным и относительно недорогим, в то время как оценка продления срока службы может определить, что турбина может продолжать работать по истечении первоначального расчетного срока службы.

Мониторинг и управление ветряными турбинами в TWI

TWI имеет богатый опыт работы с ветряными турбинами, в том числе в решении конкретных задач, связанных с морскими активами, таких как неразрушающий контроль фундаментов морских оболочек. Мы также были частью консорциума BladeSave по разработке системы мониторинга состояния лопастей ветряных турбин и работали над ультразвуковым контролем хвостовиков лопастей с помощью фазированной решетки.

Мы предоставляем независимую экспертизу и консультации, связанные с материалами, изготовлением и контролем, чтобы предложить решения для ветроэнергетики, и вы можете узнать больше о наших услугах в этой области здесь.

Хорошие вибрации: безлопастные турбины могут принести энергию ветра в ваш дом | Возобновляемая энергия

Гигантские ветряные электростанции, расположенные вдоль холмов и береговых линий, — не единственный способ использовать силу ветра, говорят пионеры «зеленой» энергетики, которые планируют заново изобрести энергию ветра, отказавшись от турбинных башен, лопастей и даже ветра.

«Мы не против традиционных ветряных электростанций, — говорит Дэвид Яньес, изобретатель Vortex Bladeless. Его стартап из шести человек, базирующийся недалеко от Мадрида, впервые разработал конструкцию турбины, которая может использовать энергию ветра без широких белых лопастей, которые считаются синонимом энергии ветра.

Проект недавно получил одобрение норвежской государственной энергетической компании Equinor, которая включила Vortex в список 10 самых интересных стартапов в энергетическом секторе. Equinor также предложит поддержку в разработке стартапов в рамках своей программы акселерации технологий.

Безлопастные турбины высотой 3 метра представляют собой цилиндр с изогнутой вершиной, закрепленный вертикально эластичным стержнем. Неискушенному глазу кажется, что он покачивается взад-вперед, мало чем отличаясь от игрушки на приборной панели автомобиля. На самом деле он предназначен для колебаний в диапазоне ветра и выработки электроэнергии за счет вибрации.

Это уже вызвало удивление на форуме сайта Reddit, где турбину сравнили с гигантской вибрирующей секс-игрушкой или «скайбратором». Безошибочно узнаваемый фаллический дизайн привлек более 94 000 оценок и 3 500 комментариев на сайте. Комментарий с самым высоким рейтингом предполагает, что подобное устройство можно найти в ящике комода вашей матери. Он получил 20 000 положительных оценок от пользователей Reddit.

«Наша технология имеет различные характеристики, которые могут помочь заполнить пробелы, в которых традиционные ветряные электростанции могут быть неуместны», — говорит Яньес.

Эти промежутки могут включать городские и жилые районы, где влияние ветряной электростанции будет слишком велико, а место для ее строительства будет слишком маленьким. Это связано с той же тенденцией к установке небольших электростанций на месте, что помогло домам и компаниям по всей стране сэкономить на счетах за электроэнергию.

Это может быть ответом энергии ветра на домашнюю солнечную панель, говорит Яньес.

«Они хорошо дополняют друг друга, потому что солнечные панели производят электричество днем, а ночью скорость ветра выше», — говорит он.«Но главное преимущество технологии заключается в снижении ее воздействия на окружающую среду, визуальное воздействие и стоимость эксплуатации и обслуживания турбины».

Турбина не представляет опасности для миграции птиц или диких животных, особенно при использовании в городских условиях. Для людей, живущих или работающих поблизости, турбина будет создавать шум на частоте, практически незаметной для человека.

«Сегодня турбина маленькая и вырабатывает небольшое количество электроэнергии. Но мы ищем промышленного партнера, чтобы расширить наши планы до 140-метровой турбины мощностью 1 мегаватт», — говорит Яньес.

Vortex — не единственный стартап, надеющийся заново изобрести энергию ветра. Alpha 311, которая началась в садовом сарае в Уитстабле, Кент, начала производство небольшой вертикальной ветряной турбины, которая, как утверждается, может генерировать электричество без ветра.

Двухметровая турбина, изготовленная из переработанного пластика, предназначена для установки на существующих уличных фонарях и вырабатывает электроэнергию, поскольку проезжающие автомобили вытесняют воздух. Независимое исследование, проведенное по заказу компании, показало, что каждая турбина, установленная вдоль автомагистрали, может генерировать столько же электроэнергии, сколько 20 кв.

Уменьшенная версия турбины высотой менее 1 метра будет установлена ​​на O2 Arena в Лондоне, где она поможет вырабатывать чистую электроэнергию для 9 миллионов человек, посещающих развлекательное заведение в обычный год.

«Хотя наши турбины можно разместить где угодно, оптимальное расположение — рядом с шоссе, где их можно установить на существующей инфраструктуре. Нет необходимости что-либо выкапывать, поскольку их можно прикрепить к уже имеющимся осветительным колоннам и использовать существующие кабели для подачи непосредственно в сеть», — говорит Майк Шоу, представитель компании.«Территория небольшая, а автомагистрали не совсем красивые места».

Возможно, самое амбициозное отклонение от стандартной ветровой турбины появилось у немецкого стартапа SkySails, который надеется использовать воздушную конструкцию для использования энергии ветра прямо с неба.

SkySails производит большие полностью автоматизированные воздушные змеи, предназначенные для полетов на высоте 400 метров, чтобы поймать силу высотного ветра. Во время всплытия кайт тянет за веревку, привязанную к лебедке и генератору на земле.Воздушный змей вырабатывает электричество, когда поднимается в небо, и, когда он полностью раскручен, использует лишь часть выработанного электричества, чтобы лебедкой вернуться к земле.

Стефан Рэйдж, исполнительный директор SkySails, говорит, что бортовые ветроэнергетические системы означают, что «воздействие на людей и окружающую среду минимально… Системы работают очень тихо, практически не влияют на ландшафт и едва отбрасывают тень». он добавляет.

Сегодня проект может генерировать максимальную мощность от 100 до 200 киловатт, но новое партнерство с немецкой энергетической компанией RWE может увеличить потенциальную мощность с киловатт до мегаватт.Представитель RWE сказал, что в настоящее время пара ищет идеальное место для запуска воздушных змеев в сельской местности Германии.

Ветряная турбина Air X — морские системы


Продукты 1-6 из 6

Сортировать по…БрендНазвание продуктаНовейшие товарыЦена от низкой к высокойЦена от высокой к низкойРейтинг от низкой к высокойРейтинг от высокой к низкойВсе отзывыБестселлерыСтатус продукта

Показать 48 на странице96 на странице144 на странице192 на странице240 на странице

Быстрый просмотр

Рекомендуем!

WGA50012

Цена: 1249 долларов.00-$1799,00

Вид

Наличие: Есть в наличии

Примус Сила Ветра Артикул №: WGA50012-

Air-X — это ветряная турбина мощностью 400 Вт, способная заряжать батареи любого размера даже в суровых или порывистых условиях. e Marine предлагает турбину отдельно или в комплекте с некоторыми из наших самых продаваемых опций, включая нашу панель управления ветряной турбиной e10 и монтажные комплекты.Варианты покупки Только турбина Вариант включает: Ветрогенератор Air-X Marine 12 В Турбина с e10 В комплект входит: Ветрогенератор Air-X Marine 12 В e10 Панель управления Турбина с кормовым комплектом (с покрытием) В комплект входит: Ветрогенератор Air-X Marine 12 В.

Быстрый просмотр

WGA50024

Цена: 1249 долларов.00

Вид

Наличие: Есть в наличии

Примус Сила Ветра Артикул №: WGA50024-

AIR X Wind Generator 24V — это ветряная турбина мощностью 400 Вт, способная заряжать батареи любого размера даже в суровых или порывистых условиях. HP-BB (высокопроизводительные синие лезвия) (со скидкой) К сожалению, синие лезвия окончательно вышли из строя.У нас также больше нет запасных частей в нашем инвентаре, но они были заменены высокотехнологичными лопастями для ветрогенераторов из углеродного волокна. AIR-X основан на том, что сделало AIR самой продаваемой малогабаритной ветряной турбиной в мире с новой технологией, найденной ранее…

Быстрый просмотр

Рекомендуем!

ЭЛЕ51250А

Цена: 345 долларов.00-$435.00

Вид

Доступность: Задержанный заказ

е Морской Артикул №: ELE51250A-

Панель управления e10 Панель управления ветровой турбиной Если вам нужно контролировать и ветер, и солнечную энергию, обратите внимание на наши модели e20 PANEL. Панель управления ветряной турбиной e10. Она разработана таким образом, чтобы упростить подключение ветряной турбины — просто подключите два провода от аккумулятора и два провода от турбины к большим клеммам с четкой маркировкой.Это не может быть проще. Панель для скрытого монтажа включает в себя предварительно смонтированный переключатель «Стоп/Работа» с шумоподавителями, цифровой измеритель мощности и энергии (отображает напряжение, ток…

Быстрый просмотр

Рекомендуем!

ЭЛЕ51150

Цена: $184.00-$219.00

Вид

Доступность: Задержанный заказ

е Морской Номер товара: ELE51150 —

Мы рады предложить серию недорогих аналоговых панелей управления для бортовых ветряных турбин. Его легко установить, и он превратится в профессиональную станцию ​​оператора, которая подчеркнет красоту и ценность вашего судна, дома на колесах или удаленного дома.Это помогает снизить затраты на установку и позволяет легко подключить всего 4 провода. Панель e10 доступна в четырех размерах (5A, 10A, 25A и 40A), которые поддерживают систему постоянного тока 12-48 В. ПАНЕЛЬ УПРАВЛЕНИЯ e10 управляет и контролирует ветряную турбину. Это…

Быстрый просмотр

WGA50048

Цена: 1249 долларов.00-$1455,00

Вид

Наличие: Есть в наличии

Примус Сила Ветра Артикул №: WGA50048-

AIR X Wind Generator 48V — это ветряная турбина мощностью 400 Вт, способная заряжать батареи любого размера даже в суровых или порывистых условиях.HP-BB (высокопроизводительные синие лезвия) Высокопроизводительные лезвия из углеродного волокна (синие лезвия Silent Wind) можно приобрести отдельно или во многих наших наборах «все включено» по умеренной цене. Доказано, что эти лопасти повышают выработку энергии (особенно при низких скоростях ветра) и снижают шум, создаваемый при более высоких скоростях ветра. Эти лезвия изготовлены…

Быстрый просмотр

Рекомендуем!

WGP20172

Цена: 415 долларов.00

Вид

Доступность: Задержанный заказ

Примус Сила Ветра Товар №: WGP20172 —

Этот высокотехнологичный комплект лопастей ветрогенератора позволяет модернизировать все существующие ветрогенераторы Air Breeze, Air-X, Silent Air-X, Air-30, Air-40, Silentwind (12-24-48 В) до новейших высокопроизводительных лезвия.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.

*