Принцип работы турбины на дизельном: Как работает турбина на дизельном двигателе

Содержание

Узнайте, как устроен принцип работы дизельной турбины!

Узнайте, как устроен принцип работы дизельной турбины!

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

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

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


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

Турбина

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

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

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

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

Корпус турбины и ротор отливаются из сплава с высокой термостойкостью.

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

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

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

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

    Корпус подшипников

    Смазка турбокомпрессора производится от системы смазки двигателя:

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

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

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

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

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

    Независимая экспертиза и дефектовка вышедших из строя турбокомпрессоров

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

    Принцип работы дизельной турбины, как работает турбина дизельного двигателя ⋆ блог компании Turbovector

    Деталь раскручивается силой отработанных газов. Турбокомпрессором называется воздушный насос, приводимый в движение турбиной. Дизельный двигатель разгоняет лопатки до 130 000 оборотов в минуту. Сгорание топлива происходит более полно, расход снижается, а КПД увеличивается. Дополнительно уменьшается количество вредных выбросов в атмосферу.

    Схема узла

    Турбина соединена с компрессором жёсткой осью. Компрессор втягивает и спрессовывает воздух, и под давлением выдувает в коллектор двигателя. Чем выше давление, тем большее количество газов подаётся в двигатель. Возрастает КПД, скорость разгона, манёвренность.

    Существует прямо пропорциональная зависимость между давлением, с которым подаётся воздух, и быстротой движения турбины. Бесконечно наращивать нагнетаемый объём воздуха нельзя, так как существуют предельные нагрузки на крыльчатки.

    Конструкция турбонаддува

    Деталь состоит из корпуса и ротора. Газы под давлением выдуваются из выпускного коллектора двигателя в приёмный патрубок турбокомпрессора. В узком канале происходит ускорение. Газы попадают на улитку турбины, затем раскручивают ротор. На скорость влияет размер и форма внутреннего канала.

    Модификации

    Модели для дизельных, бензиновых двигателей, а также грузовиков и тяжёлой техники отличаются по внутреннему строению корпуса. Для наращивания мощности автобусов и грузовой техники применяют 2 параллельных канала. Ротор разгоняют 2 синхронных воздушных потока.

    Турбокомпрессоры большого объёма специально комплектуют кольцом с направляющими лопатками. Это позволяет создать равномерную струю воздуха на роторе. Также появляется возможность регулировать скорость и мощность воздушной массы.

    Комплектующие изготавливают из тугоплавких металлов, выдерживающих 1000-1150 °С. Ось, на которой закреплён ротор, менее тугоплавкая.

    Способ сборки:

    • • Ротор и ось соединяют. В процессе обе детали вращаются в противоположные стороны. Трение образует большое выделение тепла. Происходит сплавление.
    • • В месте контакта ось имеет внутреннюю полость. Это необходимо для изоляции жара от ротора.
    • • Ближе к корпусу турбины в выемке на оси размещают уплотнительное кольцо.
    • • Радиальные подшипники полируют.
    • • Один конец оси отливается меньшего диаметра и заострённым. На него надевается ротор с закрепительной резьбой. Навинчивающаяся гайка плотно удерживает запчасть на месте.

    Ось подлежит обязательной балансировке, как и все части турбокомпрессора. Проводится минимум два этапа балансировки: отдельно и в сборке – перед установкой на двигатель.

    Компрессор

    Узел включает корпус и ротор. Величина зависит от объёма двигателя и общего размера транспортного средства. Чем больше ротор, тем ниже предельная скорость вращения. Ротор компрессора неразрывно связан с осью и движется с одинаковой быстротой по сравнению с ротором турбины.

    Форма алюминиевых лопаток продумана для втягивания воздуха через середину детали. Газы подталкиваются к краям ротора и лопатками передаются на стенки картриджа. Этот механизм сжимает воздух до размеров впускного коллектора. Картридж турбокомпрессора обычно отливают из алюминия.

    Корпус подшипников

    Центральная ось является связующим звеном между компрессором и турбиной. Движение оси задаётся подшипниками. Между ними, корпусом и осью течёт моторное масло. Оно смазывает всю систему, включая двигатель.

    Существуют модели со стационарным подшипником. Смазывание оси производится благодаря наличию масляной ванны. Такой механизм изолирован от системы двигателя. Конструкция хороша тем, что жидкость не только снижает трение, но и остужает механизм в процессе работы.

    Комплект из маслоотражательных прокладок и уплотнительных колец служит для предотвращения утечки масла. Расходники прикрепляются по обе стороны турбокомпрессора. Дополнительно затрудняется прохождение воздуха между турбиной, компрессором и осью. Это необходимо, так как внутреннее давление компрессора и турбины превосходит его же в корпусе оси.

    Чтобы нивелировать разницу, часть газов и воздуха спускается в картер двигателя вместе с текущим моторным маслом.

    Динамические уплотнения

    • • Уплотнительное кольцо раскручивается по ходу движения оси с аналогичной быстротой. Три отверстия позволяют создать противовес давлению масла.
    • • Внутренний дизайн картриджа в том месте, где снаружи крепится кольцо, имеет специальную конструкцию для изоляции протечек.

    Заказать ремонт или замену дизельной турбины в Минске недорого можно по телефону +375 (29) 123 59 55 или через форму на сайте turbovector.by.

    Принцип работы турбины на дизеле

    Принцип работы турбины на дизельном двигателе

    Мотор, на который установлен турбонаддув, называется турбодизелем.

    Устройство турбины дизельного двигателя

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

    Турбонаддув имеет особую конструкцию из двух элементов:

    • турбина;
    • компрессор.

    Компрессор усиливает поступление воздуха в топливную систему. Составные части компрессора находятся в алюминиевом корпусе. Внутри находится ротор, закрепленный на оси турбины. Вращаясь, ротор вбирает воздух: большая скорость вращения приводит к большему количеству попавшего внутрь воздуха. Для набора скорости существует турбина.

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

    Как работает турбина на дизельном двигателе

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

    Принцип работы турбины на дизельном двигателе следующий:

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

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

    Как работает турбонаддув

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

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

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

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

    Работа турбины дизельного двигателя также требует контроля давления:

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

    Минусы использования турбокомпрессора

    У устройства есть определенные недостатки:

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

    Турбированный мотор: правила эксплуатации

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

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

    Как работает турбина: видео

    Что такое турбо-яма?

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

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

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

    Функция турбины, настройка

    Функция турбокомпрессора заключается в том, чтобы увеличивать выходную мощность и крутящий момент двигателя. Благодаря турбине производители могут уменьшать количество рабочих цилиндров в двигателе без снижения мощности и крутящего момента.

    Также все чаще стали выпускаться дизельные двигатели с двумя турбинами (Bi-Turbo), что позволяет производителям не только добиваться потрясающий мощности от дизельных автомобилей, но снижать уровень вредных веществ в выхлопе до рекордных значений.

    Недавно также стали появляться турбины, которые могут работать, как от электричества, так и традиционно от газа, поступающего из выхлопной системы. Благодаря этому инженеры добились максимальной мощности и крутящего момента при небольших оборотах двигателя. 

    Использование двух турбокомпрессоров и других турбо деталей

    На некоторые двигатели устанавливается два турбокомпрессора разного размера. Малый турбокомпрессор быстрее набирает обороты, снижая тем самым задержку ускорения, а большой обеспечивает больший наддув при высокой скорости вращения двигателя.

    Когда воздух сжимается, он нагревается, а при нагревании воздух расширяется. Поэтому повышение давления от турбокомпрессора происходит в результате нагревания воздуха до его впуска в двигатель. Для того, чтобы увеличить мощность двигателя, необходимо впустить в цилиндр как можно больше молекул воздуха, при этом не обязательно сжимать воздух сильнее.

    Охладитель воздуха или охладитель наддувочного воздуха является дополнительным устройством, которое выглядит как радиатор, только воздух проходит как внутри, так и снаружи охладителя. При впуске воздух проходит через герметичный канал в охладитель, при этом более холодный воздух подается снаружи по ребрам при помощи вентиляторов охлаждения двигателя.

    Охладитель увеличивает мощность двигателя, охлаждая сжатый воздух от компрессора перед его подачей в двигатель. Это значит, что если турбокомпрессор сжимает воздух под давлением 7 фунт/дюйм2 (0,5 бар), охладитель осуществит подачу охлажденного воздуха под давлением 7 фунт/дюйм2 (0,5 бар), который является более плотным и содержит больше молекул, чем теплый воздух.   Турбокомпрессоры также обладают преимуществом на большой высоте, где плотность воздуха ниже. Обычные двигатели будут работать слабее на большой высоте над уровнем моря, т.к. на каждый ход поршня подаваемая масса воздуха будет меньше. Мощность двигателя с турбокомпрессором также снизится, но менее заметно, т.к. разреженный воздух легче сжимать.

    При установке мощного турбокомпрессора на двигатель с впрыском топлива, система может не обеспечить необходимое количество топлива — либо программное обеспечение контроллера не допустит, либо инжекторы и насос не смогут осуществить необходимую подачу. В этом случае необходимо осуществлять уже другие модификации для максимального использования преимуществ турбокомпрессора.

    Схема турбины с изменяемой геометрией (VNT)

    Она также известна под названием – трубина с переменным соплом. Данный тип турбины используется в дизельных двигателях. Девять подвижных лопастей, установленных в турбокомпрессоре, регулируют прохождение потока газов к турбине. Увеличение и блокировка потока газов достигается при помощи привода, регулирующего угол наклона девяти лопастей. Скорость потока газов и давление нагнетаемого воздуха согласуются с количеством оборотов двигателя во время изменения угла наклона лопастей. 

    Некоторые двигатели используют несколько турбокомпрессоров. Возможно использование двух (Твин Турбо), трех или же четырёх. В таких конструкциях они устанавливаются последовательно. Первый используется при низких оборотах, а второй — при высоких. Также существует схема установки компрессоров, при которой они располагаются параллельно друг другу. Она используется на V-образных двигателях. На каждый ряд цилиндров приходится по компрессору. Бытует мнение, что один большой турбокомпрессор менее производителен, чем два маленьких.

    Система смазки

    Это неотъемлемая составляющая любой турбины. Принцип работы системы смазки простой. Масло подается между подшипником и корпусом компрессора через множество каналов под давлением. Также она охлаждает нагретые детали компрессора. На некоторых двигателях турбина сопряжена с общей системой охлаждения. Благодаря этому достигается лучшее охлаждение.

    Типы турбин

    • Раздельный. Он имеет два сопла для каждой пары цилиндров и два входа для отработавших газов. Первое сопло предназначено для быстрого реагирования, второе служит для максимальной производительности. В конструкции есть разделенные выпускные каналы. Сделано это для предотвращения перекрытия каналов при выпуске выхлопных газов.
    • Компрессор с переменным соплом. Также он известен, как турбина с изменяемой геометрией. Применяется на моторах с маркировкой TDI от «Фольксваген». Здесь в конструкции имеется 9 подвижных лопастей. Они могут регулировать поток выхлопных газов, что идут к турбине. Угол наклона лопастей – регулируемый, что позволяет согласовать давление нагнетаемого воздуха и скорость движения газов с оборотами ДВС.

    Для большей производительности на автомобиль может быть установлено два компрессора. Такие системы получили маркировку «Твин-турбо».

    Устанавливаются данные механизмы последовательно. При этом первая турбина работает на низких оборотах, а вторая на высоких. На V-образных моторах нагнетатели устанавливаются параллельно (на каждый ряд по одной турбине). Как показывает практика, установка двух небольших компрессоров значительно эффективнее, чем применение одного, но большого.

    Паровая турбина

    Принцип работы ее немного иной. Пар, который образуется в котле, под давлением попадает на крыльчатку турбины. Последняя совершает обороты, тем самым, вырабатывая механическую энергию. Обычно такая турбина соединена с генератором и применяется на электростанциях. Благодаря механической энергии, генератор производит электричество. Мощность таких агрегатов может достигать 1000 МВт.

    Однако данный показатель существенно зависит от перепада давления пара на входе и выходе. Также подобные турбины применяются для привода питательного насоса, на кораблях и судах с ядерной установкой. Что касается военных кораблей, здесь применяется газовая турбина. Принцип работы ее заключается в следующем. Газ поступает через сопловой аппарат компрессора в область низкого давления. При этом он расширяется и ускоряется. Затем поток газа двигает лопатки турбины. Последние передают усилия на вал через диски. Таким образом создается полезный крутящий момент.

    Источники:

    Понравилась статья? Расскажите друзьям: Оцените статью, для нас это очень важно:

    Проголосовавших: 3 чел.
    Средний рейтинг: 5 из 5.

    Основные принципы работы турбины дизельного двигателя

    Надежность дизельных TDI

    Установка турбонаддува позволила дизельному двигателю развивать большую мощность, а также увеличился КПД дизеля. Что касается моторов TDI, то данные двигатели являются достаточно надежными при условии правильной эксплуатации. Наиболее сильно на исправность этих ДВС влияет качество топлива и своевременное обслуживание. При должном уходе сам мотор может оказаться даже «миллионником».
    Слабым местом TDI считаются форсунки и турбокомпрессор. Ресурс форсунок напрямую зависит от качества дизтоплива и общего состояния системы питания дизельного TDI. Срок службы турбины может варьироваться, средний показатель ресурса составляет 120-160 тыс. км.

    Рис. 3. Принцип действия, устройство и схема наддува двигателя Компрекс

    1 — выпускной трубопровод; 2 — впускной трубопровод; 5 — выход из ротора в выпускной трубопровод; 4 — подвод воздуха от фильтра.

    Основной частью устройства является ротор с продольными и открытыми с обоих концов каналами, соединяющими впускные и выпускные трубопроводы. Когда при вращении ротора открывается канал, соединяющийся с выпускным трубопроводом А двигателя, отработавшие газы поступают в канал ротора и вытесняют из них воздух во впускной трубопровод Б и далее в цилиндры двигателя. При дальнейшем повороте ротора сначала перекрывается доступ отработавших газов в канал, а сжатый воздух может еще в течение некоторого времени выходить в открытый впускной трубопровод. Вскоре после закрытия канала, ведущего во впускной трубопровод, открывается канал, соединяющийся с выпускным трубопроводом 1, в котором давление газов ниже. Поэтому отработавшие газы, сжатые в продольных каналах, расширяются и по выпускному трубопроводу 1 выходят в атмосферу. Когда давление в продольном канале снизится, откроется другой конец канала, ведущий во впускной трубопровод 2, и под действием возникающей волны разрежения в канал из атмосферы засасывается новая порция свежего воздуха. В результате продольный канал очистится от отработавших газов и наполнится чистым воздухом. Продолжительность открытия каналов должна быть такой, чтобы отработавшие газы не проникли во впускной трубопровод.

    Частота вращения ротора устройства Компрекс и длина продольных каналов в роторе подбираются с таким расчетом, чтобы волна давления успела пройти в течение времени открытия канала с одного его конца до другого. Для того чтобы частота вращения ротора не получилась слишком большой, на каждой стороне ротора имеется два входа и два выхода. За один оборот ротора волна давления в обоих направления проходит дважды. Ранее привод ротора нагнетателя Компрекс осуществлялся от коленчатого вала с помощью клиноременного вариатора; в настоящее время привод ротора осуществляется с помощью клиноременной передачи с постоянным передаточным отношением, при этом максимальная частота вращения ротора составляет 14000 об/мин.

    Нагнетатель Компрекс сочетает достоинства турбонагнетателя — низкий удельный расход топлива и малые габариты — и нагнетателя с механическим приводом — плоскую кривую крутящего момента с максимумом при низких частотах вращения, а также быструю реакцию на изменение частоты вращения двигателя. Расчет системы наддува Компрекс весьма трудоемок, и разработка ее основана больше на экспериментальных доводках.

    Поделитесь этой страницей в соц. сетях или добавьте в закладки:
    Другие материалы о двигателях на сайте:
    Способы повышения мощности двигателя своими руками
    Как измерить компрессию?
    Уход за двигателем автомобиля: главные моменты
    Ремонт и диагностика дизельного двигателя
    Причины перегрева двигателя автомобиля

    Как работает турбина на двигателе Рено K9K 1.5 DCI

    В начале 2000 годов совместно с компанией Nissan, французский автоконцерн начал выпуск с конвейера автотранспортных средств, в котором стоит дизельный двигатель 1.5DCI с индексацией K9K. Производится он по сегодняшний день и его выпуск считается самым массовым среди дизельных двигателей, разработанных компаниями Ниссан и Рено. Устанавливается на такие автомобили, как: Renault, Nissan, Dacia, Suzuki.

    В состав конструкции его входят следующие элемента: двигатель, с четырьмя цилиндрами работающий по принципу впрыска топливно-воздушной смеси – Common Rail, система турбонаддува, а также общая топливная рампа.

    Этот двигатель способен развить параметры мощности, равные 110 лошадиных сил. В целом, двигатель, при надлежащем обслуживании и своевременно выполнении всех регламентированных ТО, может проехать около 300 тысяч километров, не прибегая к капитальному ремонту.

    Стоимость ее ремонта или замены сильно ударит по кошельку владельца, так что лучше предотвратить возможность возникновения проблем с турбиной.

    Турбонаддув TDI турбина с изменяемой геометрией

    От эффективности работы турбоанддува TDI в значительной мере зависит не только динамика, но и экономичность наряду с экологичностью. Правильное наддува воздуха должно быть реализовано в максимально широком диапазоне. По этой причине на моторы TDI ставится турбокомпрессор с изменяемой геометрией турбины.

    Ведущие производители турбин в мире используют следующие названия:

    • Турбина VGT (от англ. Variable Geometry Turbocharger, что означает турбокомпрессор с изменяемой геометрией). Производится BorgWarner.
    • Турбокомпрессор для дизеля VNT (от англ. Variable Nozzle Turbine, что означает турбина с переменным соплом). Это название использует фирма Garrett.

    Турбонагнетатель с изменяемой геометрией отличается от обычной турбины тем, что имеет возможность регулировки как направления, так и величины потока отработавших газов. Данная особенность позволяет добиться наиболее подходящей частоты вращения турбины применительно к конкретному режиму работы ДВС. Производительность компрессора в этом случае сильно повышается.

    Например, турбина VNT имеет в основе конструкции специальные направляющие лопатки. Дополнительно имеется механизм управления, а также отмечено наличие вакуумного привода. Указанные лопатки турбины производят поворот на необходимый угол вокруг свой оси, тем самым способны менять скорость и направление потока выхлопа. Это происходит благодаря изменению величины сечения канала.

    Механизм управления отвечает за поворот лопаток. Конструктивно механизм имеет кольцо и рычаг. На рычаг оказывает воздействие вакуумный привод, который управляет работой механизма посредством специальной тяги. Вакуумный привод управляется отдельным клапаном, который ограничивает давление наддува. Клапан является составным элементом электронной системы управления ДВС и срабатывает зависимо от показателей величины давления наддува. Эта величина измеряется отдельными датчиками:

    • температурный датчик, который измеряет температуру воздуха на впуске;
    • датчик давления наддува;

     
    Другими словами, турбонаддув на TDI работает так, чтобы давление наддувочного воздуха всегда было оптимальным на разных оборотах двигателя. Фактически, турбина дозирует энергию потока отработавших газов.

    1. Как известно, на низких оборотах двигателя скорость потока (энергия) выхлопа является достаточно низкой. В таком режиме направляющие лопатки обычно закрыты, чем достигается минимальное сечение в канале. В результате прохождения через такой канал даже небольшое количество газов более эффективно крутит турбину, заставляя компрессорное колесо вращаться заметно быстрее. Получается, турбокомпрессор обеспечивает большую производительность на низких оборотах.
    2. Если водитель резко нажимает на газ, тогда у обычной турбины возникает эффект так называемой «турбоямы». Под турбоямой следует понимать задержку отклика на нажатие педали газа, то есть не моментальный прирост мощности, а подхват после небольшой паузы. Такая особенность обусловлена инерционностью системы турбонаддува, в результате чего потока газов оказывается недостаточно в  момент резкого увеличения оборотов коленвала. В турбинах с изменяемой геометрией направляющие лопатки осуществляют свой поворот с определенной задержкой, что позволяет поддерживать нужное давление наддува и практически избавиться от турбоямы.
    3. При езде на высоких и приближенных к максимальным оборотах двигателя отработавшие газы имеют максимум энергии. Чтобы предотвратить создание избыточного давления наддува лопатки в турбинах с изменяемой геометрией поворачиваются так, чтобы мощный поток газов двигался по широкому каналу с наибольшим поперечным сечением.

    Относительно малый ресурс турбокомпрессора связан с тем, что на TDI ставятся исключительно турбины с изменяемой геометрией. Турбокомпрессор во время работы двигателя раскручивается до 200 тыс. об/мин и постоянно взаимодействует с потоком разогретых до 1000 градусов по Цельсию выхлопных газов. Такие температурные и механические нагрузки, а также индивидуальные особенности конструкции указанных турбин сравнительно быстро приводят к необходимости ремонта или замены турбокомпрессора.

    Турбина что это такое

    Если не углубляться в подробности, а объяснить простыми словами, то турбина – это механический элемент автотранспортного средства, предназначенное для подачи воздушных масс в полости цилиндров двигателя под определенным давлением нагнетания. Конечная цель установки этого агрегата – это достижение максимально возможных мощностных параметров не изменяя рабочий объем камер сгорания.

    На это повлиял тот момент, что благодаря подаче воздушной смеси, состоящей из атмосферных и выхлопных газов, под давлением наддува в рабочие камеры цилиндров, горение топливно-воздушной смеси осуществляется намного лучше и результатом этого является повышенная мощностная отдача.

    В настоящее время данный агрегат является эффективным не только в плане повышения динамических качеств автомобиля, но позволяет достичь хороших показателей экономичности расхода топлива, а также понижение выбросов в атмосферу токсичных выхлопных газов.

    Как проверить турбину дизельного двигателя признаки надвигающихся проблем

    Понять, что схема работы турбины дизельного двигателя нарушена, можно по следующим признакам:

    • значительно падает мощность двигателя;
    • из выхлопной трубы валит сизый дым;
    • повышенный расход масла;
    • появляется запах горелого масла;
    • двигатель работает неравномерно на холостых оборотах.

    Конечно же, лучше придерживаться правил эксплуатации и предотвратить возникновение поломок данной детали, так как восстановление и установка турбины на дизельный двигатель – довольно дорогостоящие процедуры. Кроме того, ее поломка может вызвать и нарушение работы всего двигателя. Самостоятельно такие операции сделать почти невозможно, если вы не автослесарь высшего разряда с собственной мастерской.

    Таким образом, следует следить за уровнем и качеством масла в системе смазки и, конечно же, своевременно его заменять, использовать только высококачественные составы. Также нельзя резко набирать обороты, особенно на недостаточно прогретом движке, недопустим засор масляных каналов, так как это способствует возникновению перебоев в подаче смазки, и, безусловно, нужно своевременное охлаждение турбины дизельного двигателя.

    Если топливная смесь будет переобогащенной, т. е. больше топлива, чем воздуха, то в таком случае цвет выхлопа будет черным. К тому же характерная особенность этой проблемы в потери мощности. Происходит это из-за нарушения в работе системы газораспределения. Сизый или белый дым выхлопа свидетельствует о попадании моторного масла в камеры сгорания цилиндров. В это же время расход масла значительно увеличивается.

    Далее следует проверить ротор и фильтр турбины. Люфт ротора должен быть незначительным, при этом он не должен задевать стенки корпуса. В противном случае требуется оперативный ремонт.

    Если фильтр забит грязью и пылью он не сможет пропускать через себя достаточное количество воздуха. В результате в картридже подшипников и в корпусе турбрнагнетателя создаётся разница в давлении, которая выдавливает масло в компрессор.

    Если и фильтр не причина неисправности, дальнейший этап это проверка системы подачи масла, а точнее всех патрубков на наличие трещин и заломов. Для подобной проверки потребуется завести двигатель. Если слышен скрип и свист, значит, есть трещина в патрубке и нужно её устранить. Если есть помощник, то можно передавить патрубок между турбрнагнетателем и впускным коллектором, после чего сильно погазовать. Если трещин нет, патрубок увеличивается в размерах. Для устранения неисправностей, связанных с турбокомпрессором при отсутствии знаний и навыков лучше обратиться к специалистам. В противном случае из-за незначительной неисправности может выйти из строя турбина в целом, что грозит дополнительными финансовыми расходами.

    Статья написана по материалам сайтов: techautoport.ru, eronturbo.ru, carnovato.ru.

    В чём суть

    История турбокомпрессора почти так же стара, как и история двигателя внутреннего сгорания. Ещё в конце XIX века Готтлиб Даймлер и Рудольф Дизель исследовали увеличение выходной мощности и снижение расхода топлива своих двигателей при предварительно сжатом воздухе для горения. Для стандартных автомобилей турбокомпрессоры были собраны только в 70-е годы.

    Турбокомпрессор является составной частью двигателя, который стал результатом многих лет работы по поиску компромисса между увеличением мощности двигателя, уменьшением его веса и уменьшением расхода топлива. Его конструкция увеличивает давление поступающего воздуха к двигателю, используя энергию выхлопных газов, что позволяет расширить характеристики турбокомпрессоров.

    Видео о работе турбокомпрессора:

    При повышении сжатия воздуха, то есть при количестве газа, расположенного в том же качестве, его температура повышается. Чем выше температура, тем ниже плотность, что означает меньшее количество кислорода, который подаётся в цилиндр. Чтобы сделать процесс сгорания ещё более эффективным, используется интеркулер.

    Порядок проверки

    Если нет возможности проверить турбинное устройство в автосервисе, то это можно сделать самостоятельно, не покидая гаража. Для начала проводится визуальный осмотр устройства. Изучается цвет дыма. Беловатые выхлопы говорят о том, что воздуховоды забиты, либо сливной масляный провод засорен. Если дым напоминает копоть, то подтверждает утечку масла. Сизость дымка говорит о том, что течет масло. После попадания в камеру, оно придает дыму сизоватость. Чтобы убедиться в своей правоте, необходимо снять фильтр очистки воздуха. Если он чист – причину искать следует в другом.

    Теперь двигатель следует прогреть и приступить к очередному проверочному этапу, и пригласить на помощь напарника. Ищем патрубок, идущий от турбины к впускному коллектору. Пережав патрубок, даем команду давить на газ несколько секунд. По второй команде педаль резко отпускается. Рука, лежащая на патрубке, будет ощущать, как он расширяется. Это свидетельствует о том, что воздушное давление велико. Если такого не происходит – турбина вышла из строя. Проще всего, если есть датчик давления турбины. По его работе быстро определяется пригодность турбинного устройства. Необходимо помнить, что турбина считается довольно чувствительной частью мотора, и способна утратить работоспособность по малейшим причинам. Но продлить ее срок эксплуатации возможно, организовав за двигателем минимальный уход.

    Недостатки

    Как это ни странно, но у этого устройства есть свои недостатки. Основной недостаток – это, конечно же, то, что турбина приводит к большой потере топлива. Происходит это потому, что в камеру сгорания попадает больше воздуха, соответственно и топлива тоже больше.

    Вторым недостатком считается то, что при работе двигателя и турбины в таком режиме увеличивается температура, которую требуется немедленно понизить. Чтобы мотор не сломался, потребуется дополнительное охлаждение. Усовершенствование системы охлаждения тоже подразумевает финансовые потери. Скорее всего, придется модернизировать принцип работы системы охлаждения.

    Условия работы турбины

    Температура выхлопных газов дизельного двигателя на выходе перед турбиной составляет в среднем 750-850 градусов по Цельсию. Бензиновые агрегаты имеют еще более разогретый выхлоп. Такие раскаленные газы движутся с большой скоростью и встречаются с турбинным колесом.

    Турбокомпрессор отличается высокой производительностью и потребляет достаточно много энергии отработавших газов (в среднем около 25-30 кВт и более). Турбодизель с рабочим объемом 2.0 литра в режиме холостого хода потребляет около 800 литров воздуха за 60 секунд. В режиме максимальной мощности данный показатель доходит до 4 м3. Если учесть, что турбокомпрессор также нагнетает избыток давления до 1 атмосферы, тогда общий объем нагнетаемого устройством воздуха намного больше.

    Во время работы ДВС на пиковых нагрузках турбинное колесо раскручивается до 150 тыс. об/мин и более, нагрев колеса достигает 800-900 градусов по Цельсию. После взаимодействия с турбинным колесом температура выхлопа заметно падает до средней отметки 400-500 градусов.  

    В режиме холостого хода отработавшие газы дизеля имеют температуру около 100 градусов по Цельсию и движутся с небольшой скоростью. Для эффективного вращения колеса турбины и параллельного вращения компрессорного колеса этой энергии достаточно только для того, чтобы турбокомпрессор не препятствовал проходу через него воздуха в объеме, который необходим для поддержания стабильной работы ДВС на холостых оборотах.

    Как проверить турбину на дизельном двигателе в домашних условиях

    Если у вас нет времени или желания ехать в сервисный центр для диагностики турбокомпрессора, можно попробовать произвести самостоятельную проверку турбины.

    Первым делом необходимо произвести визуальный осмотр

    Обратите внимание на цвет дыма, он не должен быть голубым, черным или сизым. Если из выхлопной идет белый дым, можно предположить, что забились воздушные каналы или сливной маслопровод

    В таком случае двигатель начнет “есть” масло. Черный дым или копоть могут свидетельствовать об утечке в системе подачи воздуха. Дым сизого цвета может свидетельствовать об утечке масла в турбине, скорее всего оно проникает в камеру(ы) сгорания двигателя. Чтобы проверить так ли это снимите воздушный фильтр и проверьте, нет ли на его поверхности масла.

    1. Вторым пунктом проводится проверка турбированного двигателя после предварительного прогрева. Для этой проверки потребуется помощник. Найдите патрубок, ведущий от турбины к впускному коллектору двигателя, затем рукой попытайтесь пережать его. Помощник в это время должен резко нажать на “газ” и подержать педаль в таком положении около 3-х сек. После этого он также резко должен отпустить педаль. Вы тем временем, держась за патрубок, должны ощутить, как он начинает раздуваться от большого воздушного давления. Сделайте несколько таких циклов, резко то нажимая, то отпуская педаль газа. В случае если патрубок не раздувается — с турбиной проблемы, если наоборот — турбина, скорее всего, полностью исправна.
    1. Внимательно осмотрите сам турбокомпрессор, на нем не должно быть следов масла, копоти или подтеканий. Отключите патрубок, который соединяет впускной коллектор и турбину, проверьте, нет ли в нем следов масла, он должен быть полностью сухим. Если вы обнаружили масляные следы, скорее всего турбина “умерла”.

    Текст: http://ford-master.ru/

    Популярное:

    Для начала несколько слов о том, что такое турбина и как она работает

    Практически у всех турбированных двигателей одинаковый принцип. Первые турбокомпрессоры устанавливали исключительно на большегрузные авто, а также на гоночные авто еще в начале прошлого века. Как вы понимаете, тогда вес и конструкция турбин оставляли желать лучшего, чего не скажешь о современных экземплярах. Турбокомпрессоры нового поколения компактны и просты в установке, а их эффективность в разы выше их предшественников. Но, как и все в этом мире, в один прекрасный день турбокомпрессор начинает “барахлить”, двигатель теряет былую мощность и производительность, в итоге у вас появляется новая “головная боль”.

    Практические все турбины имеют улиткообразную форму корпуса. Воздушные каналы корпуса сужаются на выходе, что способствует увеличению давления и скорости вращения. По воздушным каналам движутся отработанные газы, которые поступают из выпускного коллектора. Двигаясь по каналам они набирают большую скорость и воздействуют на лепестки, которые вращаясь под давлением выхлопных газов, раскручивают ротор. Ротор, вращаясь раскручивает крыльчатку турбонаддува, которая закачивает воздух и подает его в камеру сгорания под высоким давлением. А как вы знаете из школьного курса физики, чем больше воздуха, тем крепче будет горение.

    Из-за высокого давления, которое создается при нагнетании воздуха, турбина нуждается в охлаждении, роль радиатора для турбины выполняет интеркулер. Турбина использует систему смазки двигателя, которая подается по специальному контуру. Масло, кроме смазки осуществляет охлаждение турбины.

    Теперь когда мы разобрались с тем, что такое турбина и как она устроена, предлагаю рассмотреть основные признаки неисправности турбокомпрессора.

    Устройство и принцип работы дизельного двигателя с турбонаддувом

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

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

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

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

    Почему нельзя делать ремонт своими руками

    Данная операция недопустима для выполнения своими руками. Автомобильная турбина работает на очень высоких частотах вращения, а также температурах, поэтому, требования к ней предъявляются очень высокие.

    Система должна быть герметична и попадание любых мелких посторонних предметов в нее во время когда производится ремонт или обслуживание недопустимо. Необходимо специальное оборудование и навыки для разбора и сборки турбины.

    Помещение, в котором проводятся данные операции, должно быть максимально чистым, попадание пыли и других веществ на детали турбоустановки может повлечь за собой крупные денежные затраты. Специалисты специализированных сервисных центров имеют точное понятие, как проверить работу турбины.

    Топливный впрыск в моторах TDI

    На ранних этапах развития дизельных ДВС давление в системе, которая предполагает наличие ТНВД в связке с простыми механическими форсунками, составляло всего 20-40 Бар. Современный дизель имеет давление на минимальной отметке в 1600 Бар и выше. Тенденция к увеличению давления впрыска топлива связана с тем, что дизельные двигатели отличаются очень коротким временем, которое отводится на процесс смесеобразования.

    Если коленвал вращается на 2000 об/мин, тогда на смешивание порции дизтоплива с воздухом выделяется всего 3-4 миллисекунды. Увеличение частоты вращения коленчатого вала еще более сокращает этот временной отрезок. Также приготовление однородной топливно-воздушной смеси становится возможным только благодаря увеличению давления впрыска. В случае с низким давлением топливная смесь будет некачественной, процесс сгорания отличается низкой эффективностью. Результатом становится повышение токсичности выхлопа дизеля и низкий КПД.

     
    Ранее за топливный впрыск на дизеле отвечал ТНВД, который работает в паре с механическими форсунками, сегодня на дизельные моторы ставятся системы Common Rail. Так как процесс горения в дизеле является взрывом от контакта порции солярки с разогретым на такте сжатия воздухом, то время впрыска очень ограничено.

    ТНВД в современном дизеле попросту создает давление в общей магистрали, а пьезоинжекторы (пьезоэлектрические форсунки) TDI способны впрыскивать четко определенное количество дизтоплива в цилиндры дизельного двигателя за очень короткий промежуток времени (менее чем за 0,2 миллисекунды) по команде ЭБУ.

    Также в отдельных конструкциях систем питания дизельных ДВС можно встретить так называемые насос-форсунки. Это означает, что каждая инжекторная форсунка оборудована собственным насосом высокого давления. Получается, развитие дизельных технологий сегодня сводится к увеличению давления впрыска и максимальной эффективности работы системы турбонаддува. Так удается решить главные задачи: увеличить мощность и снизить уровень токсичности отработавших газов.

    Как проверить, работает ли турбина на дизеле

    Проанализировать работоспособность турбины на дизеле можно по следующим признакам:

    • Для того чтобы определить работоспособность элемента в условиях автосервиса, обычно используется сканер, который подключается к необходимому и соответствующему разъему автотранспорта. Зачастую турбонаддув отключается в случаях, когда сама турбина уже выработала собственный ресурс или датчик, предоставляющий информацию ο давлении воздуха, который нагнетается, отключил турбокомпрессор. Так как узнать, работает ли турбина на дизеле, требуется в сжатые сроки, то используется манометр, показания которого дадут четко понять, необходим ли частичный ремонт или полная замена детали.
    • Кроме того, признаком того, что турбина на дизеле работает плохо, является выброс дыма, имеющего синий цвет, в тот момент, когда при разгоне силовой агрегат автомобиля производит выхлоп. Кроме того, дым с непривычным цветом может пропадать на постоянных оборотах. В такой ситуации проблема заключается в масле, попадающем на цилиндры мотора и впоследствии сгорающем. Попасть туда жидкость может лишь в тех случаях, когда в турбокомпрессоре происходит утечка.

    Также, ο поломке в системе контроля за турбиной может свидетельствовать дым черного цвета

    Он появляется, когда обогащенная смесь сгорает после утечки воздуха в магистрали нагнетания.
    Стоит обращать внимание и на выхлоп, имеющий белый цвет. К этому приводит засор в сливе маслопровода

    Когда масло расходуется в увеличенных объемах, а на турбине и прилегающих деталях заметны подтеки рабочей жидкости, это может свидетельствовать ο том, что воздушный канал или слив системы проведения масла загрязнился.
    Если почему-то не работает турбина на дизеле, то причина может быть также и в том, что корпус, содержащий в себе ось турбонаддува, загрязнился коксом. Из неисправного турбокомпрессора поступает минимальный объем воздуха, и поэтому, как следствие, динамика разгона транспортного средства понижается.
    Если водитель отмечает характерные звуки или свисты, когда силовой агрегат запущен, то фактор неисправности потребуется искать в месте, где соединяются компрессор и двигатель. Там может происходить утечка воздуха.

    Смотрите видео о том, что не рекомендуется делать на турбо-моторах.

    История создания мотора TDI

    Дизельный двигатель всегда привлекал различные компании своим нераскрытым до конца потенциалом. Основной задачей, которая ставилась перед инженерами, являлось превращение шумного, тихоходного и малооборотистого агрегата в такой мотор, который можно было бы с легкостью устанавливать в легковые авто. Результатом стало создание мощного, экономичного и экологичного дизеля, который по своим эксплуатационным характеристикам был максимально приближен к бензиновому силовому агрегату.

    Первопроходцем в этом направлении стала компания Audi, которая в далеком 1980-м установила 1.6-литровый дизельный 54-сильный атмосферник под капот своей популярной модели Audi 80. Дальнейшее совершенствование и развитие технологий привело к тому, что уже в 1989 Audi первыми в мире наладили и запустили в массовое производство компактный, тяговитый и мощный турбодизельный двигатель, который получил широко известное сегодня обозначение TDI.

    Первый TDI представлял собой дизельный двигатель с 5 цилиндрами, имел рабочий объем 2.5
    литра, оснащался турбонаддувом с интеркулером (система промежуточного охлаждения
    нагнетаемого воздуха). Максимальная мощность этого мотора составляла 120 л.с. Показатель
    крутящего момента находился на отметке 256 Нм и достигался при выходе на 2250 об/ мин.

    С момента появления на рынке данный силовой агрегат стал достаточно востребованным, так как представлял собой достойную альтернативу не только дизелям других производителей, но и вполне был способен составить конкуренцию моторам на бензине. TDI от Ауди обеспечивал прекрасную динамику, при этом расход топлива был существенно ниже по сравнению с другими аналогами.

    Принцип работы турбокомпрессора для дизельного двигателя

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

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

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


    Турбокомпрессор Garrett в разобранном виде

    Турбина

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

    Компрессор

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

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

    Корпус оси

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

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

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

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


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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

    Вот некоторые из них:

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

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

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

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

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

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

    Регулировка давления наддува

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

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

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

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

    На рисунке представлен в разрезе регулировочный клапан фирмы Garrett.


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

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

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

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

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

    Корпус оси

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

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

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

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

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

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

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

     

    Двигатель

    устройство, принцип работы системы (видео), схема дизельного двигателя с турбиной

    Идея дополнительного нагнетания воздуха зародилась едва не сразу же после постройки первых полноценных двигателей внутреннего сгорания. Изначально использование энергии выхлопных газов для повышения мощности ограничивалась корабельными ДВС, позже двигатель с турбонаддувом пришел в авиастроение. И только в 1931 году первый турбокомпрессор был установлен на грузовой автомобиль. Что такое турбонаддув и как использование нагнетателей сказывается на КПД двигателя – тема сегодняшней статьи.

    Теория газообмена в ДВС

    Основной принцип работы 4-х тактного ДВС мы уже рассматривали, поэтому для автолюбителей, только начинающих свое изучение технической составляющей автомобиля, было бы крайне полезно ознакомиться со статьей для лучшего понимания предназначения турбонаддува.

    Знание того, что двигатель внутреннего сгорания работает на воздухе, является основополагающим для понимания предназначения турбонаддува. Формулировка именно такова, поскольку подача в цилиндры топлива на современном этапе развития техники не является проблемой. Технически реализовать крайне производительный бензонасос, ТНВД и топливные форсунки очень просто. Одна из главных проблем в работе двигателя – подача в цилиндры воздуха. Чем больше окислителя мы можем подать в цилиндры, тем больший объем топливовоздушной смеси можно приготовить, а чем больший объем ТПВС мы имеем, тем большую отдачу мы получим при ее сгорании. В свою очередь, мощность, выдаваемая двигателем, напрямую зависит от работы, выполняемой при сгорании ТПВС.

    Подача окислителя в цилиндры

    В атмосферном двигателе всасывание воздуха происходит из-за разряжения, возникающего при движении поршня к нижней мертвой точке (НМТ). В теории мы имеем определенное идеальное количество воздуха, которое может поместиться в цилиндр, ограничивающееся объемом цилиндра. В действительности из-за всевозможных потерь цилиндр наполняется лишь на 70-80% своего объема. Именно в этом моменте раскрывается главное предназначение турбонаддува – принудительное нагнетание воздуха в цилиндры.

    Используя турбокомпрессор, мы можем не только заполнить полностью цилиндры, но и даже превысить этот показатель, подавая воздух под давлением, что ведет к увеличению плотности на единицу объема и, как следствие, увеличению общей массы воздушного заряда.

    Виды турбонаддува

    Принципиальная разница заключается лишь в конструкции турбокомпрессора. Для дополнительного нагнетания воздуха могут использоваться:

    • турбина, которая приводится в действие энергией выхлопных газов. Конструктивно турбину можно представить как два вентилятора, которые расположены на одной оси. Один из вентиляторов сочленен с выхлопной системой автомобиля, второй располагается во впускном тракте. Выходящие на такте выпуска из цилиндра газы приводят в движении турбинное колесо. Поскольку оба «вентилятора» закреплены на одной оси, то колесо компрессора во впускном тракте также начинает вращаться, ускоряя тем самым прохождение воздуха. Чем выше обороты двигателя, тем большее давление выхлопных газов во впускном тракте, а чем большее давление на выпуске, тем быстрее будет вращаться турбинное колесо во впускном тракте. Соответственно, в цилиндры можно затолкнуть больше воздуха, подать больше топлива, сгенерировав больше выхлопных газов на выпуске. Подробно принцип работы рассмотрен в статье «Устройство турбины на пальцах«;
    • механический нагнетатель, известный еще как Supercharger или Kompressor. Нагнетатель раскручивается приводным ремнем от шкива коленчатого вала, поэтому выхлопные газы в работе компрессора никак не используются.

    Турбина

    Очевидно, что для понимания устройства достаточно взглянуть на фото. Принцип работы турбонаддува также достаточно ясно продемонстрирован на видео. Более подробно остановимся на перепускном клапане и предназначении интеркуллера, который обязателен для эффективной работы авто с турбонаддувом.

    В момент резкого закрытия дроссельной заслонки на больших оборотах двигателя во впускном тракте создается сильный помпаж. Колесо компрессора «холодной» части (впускной) турбины продолжает по инерции вращаться, создавая в перекрытом заслонкой канале избыток давления. Происходит резкое замедление компрессорного колеса, что автоматически ведет к замедлению турбинного колеса в выпускном тракте и созданию сильного противодействия выхлопным газам. Для предотвращения такого эффекта предназначен перепускной клапан, который либо сбрасывает избыток давления в атмосферу (Blow-off), либо перенаправляет поток опять на вход по направлению вращения турбинного колеса (Bypass).

    Для контроля воздушного потока, а также сбрасывания избытка давления в горячей части используется wastegate. Избыточная скорость выхлопных газов приводит к тому, что воздушный поток срывается с лопастей колеса, снижая тем самым на ноль эффективность турбинного колеса. Также увеличение сечения выпускной системы, за которое и отвечает клапан вестгейта, уменьшает подпор выхлопных газов на высоких оборотах. Для повышения эффективности, уменьшение турбоямы и большей эластичности на авто устанавливаются турбины с изменяемой геометрией.

    Интеркулер в системе турбонаддува предназначен для охлаждения воздушного потока. При повышении температуры плотность воздуха уменьшается, что ведет к уменьшению массы на единицу объема.

    Характеристики системы

    Особенности работы турбины:

    • наиболее эффективна в режиме высоких и средних оборотов;
    • очень низкая эффективность до момента, называемого выходом на буст. Еще больше ухудшает ситуацию уменьшение степени сжатия для предотвращения детонации. Поэтому у авто с одноступенчатой системой турбонаддува присутствует турбояма, или турболаг;
    • так или иначе, но присутствует противодействие выхлопным газам на выпуске, что немного ухудшает КПД двигателя, хоть в целом турбонаддув позволяет увеличить мощность ДВС;
    • повышаются требования к качеству и периодичности замены моторного масла.

    Механический нагнетатель

    В механической системе всасывание воздуха осуществляется лопастями роторов, вращающихся навстречу друг другу. Наибольшее распространение получила конструкция системы Roots с прямыми лопастями. Компания Eaton усовершенствовала нагнетатель, применив косозубые роторы. Среди механических систем можно выделить центробежный нагнетатель, который во многом напоминает принцип работы турбины.

    Особенности механических нагнетателей:

    • отсутствует инерционность, присущая турбине. Нагнетание дополнительного воздушного заряда увеличивается пропорционально увеличению количества оборотов ДВС и продолжается до момента срыва потока из лопастей;
    • наиболее эффективны в режиме низких и средних оборотов;
    • небольшое снижение КПД двигателя вследствие дополнительных потерь на трение.

    Эксплуатация

    Наибольшего распространения система турбонаддува получила на дизельных двигателях. В высокотехнологичных моторах часто применяются двухступенчатые системы наддува:

    • Biturbo – одна маленькая турбина для прибавки в мощности на низких оборотах и большая турбина для высоких оборотов;
    • Турбина + механический нагнетатель. Конструкцию и принцип работы такой системы мы рассматривали на примере двигателей TSI от Volkswagen Group.

    Для лучшего понимания того, что такое турбонаддув, предлагаем посмотреть видео Александра Кулика.

    Принцип работы турбины на дизельном двигателе


    В свое время силовые двигатели, усиленные турбиной, встречались только на грузовых машинах, да и то не на всех. Несколько позже стали турбировать и легковые автомобили, предназначенные для гонок. В наше время моторы, оснащенные турбинами, отлично ведут себя на обычном легковом транспорте. Линейный ряд этих двигателей развивается так быстро, что простым моторам внутреннего сгорания уже ничего не осталось, чтобы уступить первенство усовершенствованным аналогам.

    Содержание:

    1. Принципиальная схема
    2. Турбина с изменяемой геометрией
    3. Устройство с интеркулером
    4. Как определяется неисправность
    5. Порядок проверки

    Принципиальная схема

    Чтобы понимать, как работает турбина, следует ознакомиться с порядком функционирования ДВС.

    Как правило, большинство моторов четырехтактные поршневые, их работа всегда под контролем клапанов впускной и выпускной групп. Один цикл работы составляет четыре такта, которые проходят за два полных оборота коленчатого вала.
    Принцип работы турбины на дизельном двигателе довольно прост и состоит из следующих действий:

    • впуск – поршень идет вниз, давая возможность проникать воздуху через впускной клапан;
    • компрессия – в этот момент горючая смесь сжимается;
    • процесс расширения – горючее входит под давлением и загорается;
    • выпуск – поршень идет вверх, выпуская газ.

    Турбина с изменяемой геометрией

    Работа турбонаддува может сопровождаться некоторыми сложностями:
    происходит задержка усиления мощности («турбояма») в момент резкого давления на газ;
    выход из такого состояния меняется резким повышением воздействия наддува («турбоподхват»).
    Возникновение первого явления возможно из-за инерционности системы. Чтобы решить такую проблему, применяют:

    • турбинное устройство с изменяемой геометрией;
    • используют пару параллельных либо последовательных компрессорных устройств;
    • наддув комбинированного вида.

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

    Устройство с интеркулером

    При сжатии воздух изменяет не только плотность, но и температурный режим. Для сгорания топлива поступающий кислород довольно полезен, но выпускаемый горячий воздух оказывает разрушительное действие на всю систему. По этой причине используют интеркулер, своего рода радиатор, с помощью которого понижается температура. За счёт этого мощность двигателя увеличивается на 15-20 лошадиных сил.
    Смысл работы устройства заключается в том, что горячие воздушные массы подвергаются охлаждению. Может быть воздушным и жидкостным.

    Как определяется неисправность

    Причины отказа работы турбины бывают разные, но к основным признакам этого можно отнести:
    значительно понижается динамика, автомобиль «не тянет»;

    1. двигатель долго не выходит на нужную мощность;
    2. из трубы для выхлопных газов появился дымок голубого либо сизого оттенка;
    3. ощущается запах сгоревшего масла;
    4. мотор при работе «кушает» масло;
    5. под капотной крышкой появляются странные звуки;
    6. на холостом ходу движок работает нестабильно.

    Порядок проверки

    Если нет возможности проверить турбинное устройство в автосервисе, то это можно сделать самостоятельно, не покидая гаража.
    Для начала проводится визуальный осмотр устройства. Изучается цвет дыма. Беловатые выхлопы говорят о том, что воздуховоды забиты, либо сливной масляный провод засорен. Если дым напоминает копоть, то подтверждает утечку масла. Сизость дымка говорит о том, что течет масло. После попадания в камеру, оно придает дыму сизоватость. Чтобы убедиться в своей правоте, необходимо снять фильтр очистки воздуха. Если он чист – причину искать следует в другом.

    Теперь двигатель следует прогреть и приступить к очередному проверочному этапу, и пригласить на помощь напарника. Ищем патрубок, идущий от турбины к впускному коллектору. Пережав патрубок, даем команду давить на газ несколько секунд. По второй команде педаль резко отпускается. Рука, лежащая на патрубке, будет ощущать, как он расширяется. Это свидетельствует о том, что воздушное давление велико. Если такого не происходит – турбина вышла из строя.
    Проще всего, если есть датчик давления турбины. По его работе быстро определяется пригодность турбинного устройства.
    Необходимо помнить, что турбина считается довольно чувствительной частью мотора, и способна утратить работоспособность по малейшим причинам. Но продлить ее срок эксплуатации возможно, организовав за двигателем минимальный уход.

    Читайте также:


    Принцип работы турбины на дизельном двигателе

    Turbochargedv должно быть проявлением пресловутой немецкой широты и практичности во всем. Еще Рудольф Дизель и Готлип Даймлер в конце XIX века не давали покоя такому вопросу. Как так: выхлопные газы просто так закидываются в трубу, а энергия, которой они обладают, не приносит никакой пользы? Easout … В двадцать первый год двигатели, оснащенные турбиной, давно перестали быть экзотикой и использовались повсеместно, на самой разной технике.Почему турбины распространялись преимущественно на дизельные двигатели и каков принцип работы этих выгодных агрегатов, мы будем надеяться в строго популярном, но наглядном и понятном каждому виде.

    Итак, идея «пустить в ход» энергию выхлопных газов появилась вскоре после изобретения и успешных экспериментов по применению двигателей внутреннего сгорания. Немецкие инженеры и пионеры автомобилестроения и тракторостроения во главе с Дизелем и Даймлером провели первые эксперименты по увеличению мощности двигателя и снижению расхода топлива за счет выпуска сжатого воздуха из выхлопных газов.

    Готдиб Даймлер выпускал такие автомобили, и уже думал о внедрении системы турбонаддува

    Но первыми, кто построил первый эффективно работающий турбокомпрессор, они не стали, а вторым инженером является Альфред Бугс. В 1911 году он получил патент на свое изобретение. Первые турбины заключались в том, что их можно было использовать и уместно было только на больших двигателях (например, корабельных).

    Далее турбокомпрессор начали использовать в авиастроении.С 30-х годов ХХ века в США регулярно запускались военные самолеты (как истребители, так и бомбардировщики) (как истребители, так и бомбардировщики), бензиновые двигатели оснащались турбонаддувом. А первый грузовой автомобиль с дизельным двигателем с турбонаддувом был изготовлен в 1938 году.

    В 60-е годы корпорация General Motors выпустила первые легковые «Шевроле» и «Олдсмобили» с бензиновыми карбюраторными двигателями, оснащенными турбонаддувом. У этих турбин была небольшая надежность, и они быстро исчезли с рынка.

    OldSmobile JetFire 1962 — первый серийный автомобиль с турбонаддувом

    Мода на моторы с турбонаддувом вернулась на рубеже 70-80-х годов, когда турбонаддув стал широко использоваться при создании спортивных и гоночных автомобилей. Приставка «Турбо» стала очень популярной и превратилась в своеобразный лейбл. В голливудских фильмах тех лет супергерои прописали на панелях их суперкаров кнопки «Магия» «Турбо», а машину унесло вдаль.В реальной действительности турбокомпрессоры тех лет ощутимо «просохли», выдав значительную задержку реакции. И, кстати, не только не способствовало экономии топлива, а наоборот, увеличивало его расход.

    Дуплекс советских полей — с турбонаддувом

    Первые по-настоящему успешные попытки внедрения турбонаддува в производство двигателей для автомобильных двигателей были предприняты в начале 80-х годов «Saab» и «Mercedes». Этот передовой опыт не замедлил воспользоваться преимуществами других глобальных инжиниринговых компаний.

    В Советском Союзе разработка и внедрение двигателей с турбонаддувом в «серию» была связана, прежде всего, с разработкой тяжелых промышленных и сельскохозяйственных тракторов — «Кировец»; Костюмы «БелАЗ» и др. Мощная техника.

    Почему в итоге турбина распространилась именно на дизельные, а не бензиновые двигатели? Потому что дизельные двигатели имеют гораздо большую степень сжатия воздуха, а их выхлопные газы имеют более низкую температуру. Соответственно, требования к термостойкой турбине намного меньше, а ее ценность и эффективность использования намного выше.

    Система турбонаддува состоит из двух частей: турбины и турбонагнетателя. Турбина предназначена для преобразования отработанных газов, а компрессор — непосредственно для подачи повторно сжатого атмосферного воздуха в рабочие цилиндры. Основными частями системы являются два лопастных колеса, турбина и компрессор (так называемые «крыльчатки»). Турбокомпрессор — это технологический насос для воздуха, приводящий во вращение ротор турбины. Его единственная его задача — нагнетать сжатый воздух в баллоны под давлением.

    Чем больше воздуха войдет в камеру сгорания, тем больше дизельного топлива можно сжечь за определенную единицу времени. В результате значительно увеличивается мощность двигателя без необходимости увеличения объема его цилиндров.

    Составные части турбонагнетателя:

    • корпус компрессора;
    • крыльчатка компрессора;
    • вал или ось ротора;
    • корпус турбины;
    • колесо турбины;
    • корпус подшипника.

    Основа турбонаддува — ротор, закрепленный на специальной оси и заключенный в специальном термостойком корпусе. Непрерывный контакт всех компонентов турбины с чрезвычайно горячими газами определяет необходимость изготовления как ротора, так и корпуса турбины из специальных жаропрочных металлов.

    Рабочее колесо и ось турбины вращаются с очень высокой частотой и в противоположных направлениях. Обеспечивает плотный прижим одного элемента к другому.Поток выхлопных газов сначала попадает в выпускной коллектор, откуда попадает в специальный канал, расположенный в кожухе турбонагнетателя. По форме его тело напоминает раковину улитки. Пройдя эту «улитку», отработанные газы с ускорением подаются на ротор. Это обеспечивает поступательное вращение турбины.

    Ось турбонагнетателя закреплена на специальных подшипниках скольжения; Смазка осуществляется путем подачи масла из системы смазки двигателя.Уплотнительные кольца и прокладки предотвращают утечку масла, а также прорывы воздуха и выхлопных газов, а также их смешивание. Конечно, полностью исключить выпадение осадков в сжатом атмосферном воздухе нельзя, но большой надобности в этом нет …

    Мощность любого двигателя и производительность его работы зависит от ряда причин. А именно: от рабочего объема цилиндров, от количества подаваемой топливовоздушной смеси, от эффективности ее сгорания, а также от энергетической части топлива.Мощность двигателя увеличивается пропорционально увеличению количества сгоревших в нем за определенную единицу топлива времени. Но для ускорения сгорания топлива необходимо увеличение запаса сжатого воздуха в рабочих полостях мотора.

    То есть чем больше единица времени сжигает топлива, тем больше воздуха нужно будет «запихнуть» в двигатель (не очень красивое слово «засунуть» здесь, однако, очень хорошо, потому что сам мотор не справится с отказом от лишнего воздуха и фильтров нулевого сопротивления в этом ему не помогут).

    В этом, повторюсь, и заключается основная цель турбонаддува — в увеличении подачи топливовоздушной смеси в камеру сгорания. Это обеспечивается нагнетанием сжатого воздуха в цилиндры, которое происходит под постоянным давлением. Это происходит за счет преобразования энергии выхлопных газов, попросту говоря, из литой потерянной — в полезную. Для этого перед отводом выхлопных газов в выхлопную трубу, а затем и, соответственно, в атмосферу, их поток направляют через систему турбонаддува.

    Данный процесс обеспечивает раскрутку турбинного колеса («крыльчатки»), оснащенного специальными лопастями, до 100–150 тысяч оборотов в минуту. На одном валу с крыльчаткой закреплены лопатки компрессора, нагнетающего сжатый воздух в цилиндры двигателя. Сила, полученная в результате преобразования энергии выхлопных газов, используется для значительного увеличения давления воздуха. За счет возможности впрыска в рабочие полости цилиндров гораздо большего количества топлива за фиксированное время.Это дает значительное увеличение мощности и эффективности дизеля.

    Дизельная турбина в разрезе

    Проще говоря, турбосистема содержит две лопаточные «крыльчатки», закрепленные на одном общем валу. Но при этом в отдельных камерах, герметично отделенных друг от друга. Одна из крыльчаток вынуждена вращаться от выхлопных газов двигателя, постоянно попадающих на ее лопатки. Поскольку вторая крыльчатка с ней жестко связана, она тоже начинает вращаться, захватывая атмосферный воздух и подавая его в сжатом виде в цилиндры двигателя.

    Более десяти лет потребовалось инженерам, чтобы создать действительно эффективно работающий турбокомпрессор. Ведь это только в теории, все выглядит гладко: от преобразования энергии выхлопных газов можно «вернуть» потерянный процент КПД и значительно увеличить мощность двигателя (например, со ста до ста шестидесяти лошадиных сил). Но на практике почему-то не сработало.

    К тому же при резком нажатии на акселератор нужно было ждать увеличения оборотов двигателя.Произошло это только через некоторую паузу. Повышение давления выхлопных газов, раскрутка турбины и попадание сжатого воздуха происходили не сразу, а постепенно. Это явление, получившее название «Турболаг» («Турбианы»), невозможно было приручить. И справиться с этим оказалось, применив два дополнительных клапана: один — для пропускания лишнего воздуха в компрессор по трубопроводу от коллектора мотора. И еще один клапан — для выхлопных газов. И вообще, современные турбины с изменяемой геометрией лопаток даже существенно отличаются от классических турбин второй половины ХХ века.

    Турбокомпрессор дизельный «Бош»

    Еще одна проблема, которую пришлось решать с развитием технологий дизельных турбин, заключалась в избыточной детонации. Эта детонация произошла из-за резкого повышения температуры в рабочих полостях цилиндров при нагнетании дополнительной массы сжатого воздуха, особенно на завершающей стадии такта. Решением этой проблемы в системе вызывает промежуточный охладитель наддувочного воздуха (интеркулер).

    Интеркулер — это не что иное, как радиатор для охлаждения восходящего воздуха. Помимо уменьшения детонации, он снижает температуру воздуха еще и для того, чтобы не снижать его плотность. И это неизбежно в процессе нагрева от сжатия, а это во многом эффективность всей системы.

    Кроме того, современная система турбонаддува двигателя не работает без:

    • Регулирующий клапан (Wastegate). Служит для поддержания оптимального давления в системе, а при необходимости для его сброса в приемной трубе;
    • перепускной клапан (BYPASS-VALVE).Его предназначение — соответствующий отвод воздуха обратно во впускные патрубки к турбине, если нужно уменьшить мощность и дроссельная заслонка закрыта;
    • и / или «продувочный клапан»). Который сбрасывает соответствующий воздух в атмосферу, если заслонка закрыта и датчик расхода воздуха отсутствует;
    • Выпускной коллектор
    • для турбокомпрессора;
    • Герметичные патрубки: воздушные для подачи воздуха на впуске и масляные — для охлаждения и смазки турбокомпрессора.

    На дворе двадцать первый век, и никто не гонится за названием своей машины с модной в веках приставкой XX-M «Турбо».Никто не верит больше, чем в «волшебную силу турбины» для резкого разгона автомобиля. Смысл использования и эффективности системы турбонаддува все же не в этом.

    Это «улитка»!

    Безусловно, самый эффективный турбонаддув при использовании на тракторах и двигателях тяжелых грузовиков. Он позволяет добавлять мощность и крутящий момент без возникновения перерасчета топлива, что очень важно для экономических показателей техники. Он там используется.Они также нашли широкое применение турбосистемы в дизельных и судовых дизельных двигателях. А это самая мощная турбина, созданная турбиной для дизельного двигателя.

    (PDF) Принципы работы газовой турбины

    Эффективность цикла Брайтона довольно низкая, прежде всего потому, что значительная часть

    подводимой энергии уходит в окружающую среду.Эта исчерпанная энергия обычно имеет относительно высокую температуру

    , и поэтому ее можно эффективно использовать для выработки энергии.

    Одним из возможных приложений является комбинированный цикл Брайтона Ренкина, в котором выхлопные газы с высокой температурой

    , выходящие из газовой турбины, используются для подачи энергии в котел

    цикла Ренкина, как показано на рис. 3.12. Следует отметить, что температура T

    9

    газов цикла Брайтона, выходящих из котла, меньше температуры T

    3

    пара цикла Ренкина

    , выходящего из котла; это возможно в теплообменнике противотока

    , котле.

    7.7 Одно- и многовальное исполнение

    Газовая турбина может быть одно- или многовальной конструкции. В одновальном корпусе

    газовая турбина спроектирована с примерно равными степенями давления

    на всех ступенях расширения, которые механически связаны с газовым компрессором

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

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

    компрессор механически приводится в движение набором ступеней расширения

    , размер которых рассчитан на выполнение механической работы, необходимой для компрессора

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

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

    направляется в турбогенератор: заключительная стадия расширения на отдельном валу, который вращает

    с оптимальной скоростью генератора.Газотурбинная установка с комбинированным циклом (ПГУ)

    Поставщики

    конфигурируют турбогенераторы в различных конфигурациях.

    Конфигурации с несколькими валами и с одним валом позволяют настраивать

    для оптимизации производительности установки, капитальных вложений, строительства и доступа для обслуживания, удобства эксплуатации и минимальных требований к пространству.

    Разработка больших газовых турбин F-класса в течение последнего десятилетия

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

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

    (SSPT) была первоначально разработана для применений с газовыми турбинами

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

    единиц в диапазоне 60 мегаватт. Новая компоновка ССПТ позволила построить

    отдельных блоков мощностью до 450 мегаватт. SSPT внесли наибольший вклад в электростанции

    , стремясь к экономии затрат и сокращению времени проекта и, таким образом, к снижению риска. В схемах SSPT

    газовая турбина и паровая турбина соединены с общим генератором

    на одном валу, тогда как в блоках с несколькими валами силовой передачи (MSPT) до

    три газовые турбины и соответствующие им котлы и генераторы совместно используют обычная паровая турбина

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

    Основными преимуществами новой концепции, отмеченной производителями, являются более высокая гибкость работы

    , меньшая занимаемая площадь, упрощенное управление, более короткое время запуска, более

    стандартизированных периферийных систем, а также более высокая эффективность и доступность. Эта разработка

    требует, чтобы помимо новых технических проблем, связанных с газовой турбиной

    160 7 Принцип работы газовой турбины

    газотурбинный двигатель | Британника

    газотурбинный двигатель , любой двигатель внутреннего сгорания, использующий газ в качестве рабочего тела, используемого для вращения турбины.Этот термин также обычно используется для описания полного двигателя внутреннего сгорания, состоящего, по меньшей мере, из компрессора, камеры сгорания и турбины.

    Общие характеристики

    Полезная работа или тяга может быть получена от газотурбинного двигателя. Он может приводить в действие генератор, насос или воздушный винт или, в случае чисто реактивного авиационного двигателя, развивать тягу, ускоряя поток выхлопных газов турбины через сопло. Такой двигатель, который при той же мощности намного меньше и легче поршневого двигателя внутреннего сгорания, может производить большую мощность.Возвратно-поступательные двигатели зависят от движения поршня вверх и вниз, которое затем должно быть преобразовано во вращательное движение с помощью механизма коленчатого вала, тогда как газовая турбина передает мощность вращающегося вала напрямую. Хотя концептуально газотурбинный двигатель представляет собой простое устройство, компоненты для эффективного агрегата должны быть тщательно спроектированы и изготовлены из дорогостоящих материалов из-за высоких температур и напряжений, возникающих во время работы. Таким образом, установки газотурбинных двигателей обычно ограничиваются крупными установками, где они становятся рентабельными.

    Британская викторина

    Энергия и ископаемое топливо

    От ископаемого топлива и солнечной энергии до электрических чудес Томаса Эдисона и Никола Тесла — мир работает на энергии. Используйте свои природные ресурсы и проверьте свои знания об энергии в этой викторине.

    Циклы газотурбинных двигателей

    Большинство газовых турбин работают в открытом цикле, в котором воздух забирается из атмосферы, сжимается в центробежном или осевом компрессоре, а затем подается в камеру сгорания.Здесь топливо добавляется и сжигается при практически постоянном давлении с частью воздуха. Дополнительный сжатый воздух, который обходится вокруг секции горения и затем смешивается с очень горячими газами сгорания, необходим для поддержания температуры на выходе из камеры сгорания (фактически, на входе турбины) на достаточно низком уровне, чтобы турбина могла работать непрерывно. Если установка должна производить мощность на валу, продукты сгорания (в основном воздух) расширяются в турбине до атмосферного давления. Большая часть мощности турбины требуется для работы компрессора; только остальная часть доступна для обеспечения работы вала генератора, насоса или другого устройства.В реактивном двигателе турбина предназначена для обеспечения мощности, достаточной для привода компрессора и вспомогательных устройств. Затем поток газа выходит из турбины с промежуточным давлением (выше местного атмосферного давления) и проходит через сопло для создания тяги.

    В первую очередь рассматривается идеализированный газотурбинный двигатель, работающий без потерь по этому простому циклу Брайтона. Если, например, воздух поступает в компрессор при температуре 15 ° C и атмосферном давлении и сжимается до одного мегапаскаль, он затем поглощает тепло из топлива при постоянном давлении до тех пор, пока температура не достигнет 1100 ° C, прежде чем расширится через турбину обратно до атмосферного. давление.Этот идеализированный блок потребует выходной мощности турбины 1,68 киловатт на каждый киловатт полезной мощности с 0,68 киловатт, потребляемым для привода компрессора. Тепловой КПД установки (чистая произведенная работа, разделенная на энергию, добавленную через топливо) составит 48 процентов.

    Фактическая производительность при простом разомкнутом цикле

    Если для агрегата, работающего в пределах одного и того же давления и температуры, компрессор и турбина имеют КПД только 80 процентов (, то есть , работа идеального компрессора равна 0.В 8 раз больше фактической работы, в то время как фактическая мощность турбины в 0,8 раза больше идеальной мощности), ситуация кардинально меняется, даже если все остальные компоненты остаются идеальными. На каждый киловатт производимой полезной мощности турбина должна теперь производить 2,71 киловатт, а работа компрессора становится 1,71 киловатт. Тепловой КПД падает до 25,9 процента. Это демонстрирует важность высокоэффективных компрессоров и турбин. Исторически сложность разработки эффективных компрессоров, даже более эффективных, чем эффективных турбин, задерживала разработку газотурбинного двигателя.Современные агрегаты могут иметь КПД компрессора 86–88 процентов и КПД турбины 88–90 процентов при проектных условиях.

    КПД и выходную мощность можно увеличить за счет повышения температуры на входе в турбину. Однако все материалы теряют прочность при очень высоких температурах, а поскольку лопатки турбины движутся с высокой скоростью и подвергаются серьезным центробежным напряжениям, температура на входе в турбину выше 1100 ° C требует специального охлаждения лопаток. Можно показать, что для каждой максимальной температуры на входе в турбину существует также оптимальное соотношение давлений.Современные авиационные газовые турбины с охлаждением лопаток работают при температурах на входе в турбину выше 1370 ° C и при соотношении давлений около 30: 1.

    Промежуточное охлаждение, повторный нагрев и регенерация

    В авиационных газотурбинных двигателях необходимо обращать внимание на вес и диаметр. Это не позволяет добавлять дополнительное оборудование для повышения производительности. Соответственно, двигатели коммерческих самолетов работают по простому циклу Брайтона, идеализированному выше. Эти ограничения не применяются к стационарным газовым турбинам, в которые могут быть добавлены компоненты для повышения эффективности.Усовершенствования могут включать (1) уменьшение работы сжатия за счет промежуточного охлаждения, (2) увеличение мощности турбины за счет повторного нагрева после частичного расширения или (3) уменьшение расхода топлива за счет регенерации.

    Первое улучшение будет заключаться в сжатии воздуха почти постоянной температуры. Хотя это не может быть достигнуто на практике, это можно приблизить с помощью промежуточного охлаждения (, т.е. путем сжатия воздуха в два или более этапов и его водяного охлаждения между этапами до его начальной температуры).Охлаждение уменьшает объем обрабатываемого воздуха и, соответственно, необходимую работу по сжатию.

    Второе усовершенствование включает повторный нагрев воздуха после частичного расширения через турбину высокого давления во втором наборе камер сгорания перед подачей его в турбину низкого давления для окончательного расширения. Этот процесс аналогичен повторному нагреву, используемому в паровой турбине.

    Оба подхода требуют значительного дополнительного оборудования и используются реже, чем третье улучшение.Здесь горячие выхлопные газы турбины проходят через теплообменник или регенератор для повышения температуры воздуха, выходящего из компрессора перед сгоранием. Это снижает количество топлива, необходимое для достижения желаемой температуры на входе в турбину. Однако повышение эффективности связано со значительным увеличением начальной стоимости и будет экономичным только для агрегатов, которые работают почти непрерывно.

    Газовые турбины — обзор

    4.6 Турбины

    Последней частью газовой турбины является турбинная секция.Здесь энергия топлива преобразуется в форму механической энергии, при этом вращение вала турбины создает крутящий момент. Во всех газовых турбинах, за исключением некоторых очень маленьких машин, используются секции турбины с осевым потоком. Как и в случае с компрессором, турбина с осевым потоком будет состоять из ряда ступеней, каждая ступень включает в себя набор неподвижных лопаток, обычно называемых соплами, и набор вращающихся лопаток, прикрепленных к валу турбины.

    Существует два основных типа конструкции турбины / лопатки, которые могут быть применены к газовой турбине, каждый из которых определяется способом извлечения энергии из жидкости.Эти две турбины называются реактивными и импульсными. Один из способов понять разницу состоит в том, чтобы заметить, что реактивные турбины используют статическое давление в жидкости, тогда как импульсные турбины используют динамическое давление. Это означает, что когда жидкость проходит через реакционную турбину, статическое давление падает, но скорость жидкости, определяющая ее динамическое давление, остается относительно постоянной. Напротив, когда жидкость проходит через ступень импульсной турбины, скорость падает, а статическое давление остается постоянным.Ступени современной осевой газовой турбины, как правило, объединяют эти две ступени, извлекая часть их энергии из статического давления и частично из динамического давления. Обычно первые стадии имеют преимущественно импульсный тип, в то время как последние стадии являются более реакционными. Однако на всех этапах обычно используется и то, и другое.

    Порядок неподвижных лопаток и вращающихся лопаток в турбине — обратный порядку компрессора. Газ под высоким давлением и высокой температурой из камеры сгорания сначала встречает лопатки ступени, а затем направляется к ее лопаткам.Лопатки образуют сходящиеся каналы, которые преобразуют статическое давление в динамическое давление, увеличивая скорость проходящего через них воздуха. Это динамическое давление затем используется для вращения вращающихся лопастей. Как и в компрессоре, лопасти и лопасти имеют форму аэродинамических крыльев, чтобы обеспечить плавный поток воздуха через всю турбину. Каждая ступень извлекает часть энергии, содержащейся в воздухе.

    В простой газовой турбине компрессор и лопатки турбины находятся на одном валу.Однако есть более сложные механизмы. В некоторых машинах есть два концентрических вала. Одна из них несет лопатки компрессора и первые одну или две ступени лопаток турбины. Более поздние ступени турбины прикреплены ко второму валу, который приводит в действие генератор для выработки электроэнергии. В некоторых авиационных газовых турбинах это делается еще дальше, и ступени компрессора также разделены. Затем лопатки компрессора низкого давления устанавливаются на тот же вал, что и ступени турбины низкого (или среднего) давления, в то время как ступени компрессора высокого давления находятся на том же валу, что и ступени турбины высокого давления.

    КПД газовой турбины будет зависеть от падения температуры на ступенях. Для достижения высокого КПД температура на входе ступени турбины должна быть очень высокой. В некоторых современных газовых турбинах температура на входе может достигать 1600 ° C. Для разработки компонентов турбины, способных выдерживать такую ​​температуру, требуются особые материалы и особые методы проектирования.

    Эффективность газовой турбины будет зависеть не только от температуры газа на входе, но и от температуры газа на выходе из последней ступени газовой турбины.Отработавший газ из газовой турбины простого цикла, не входящей в конфигурацию комбинированного цикла, должен быть как можно более холодным для достижения максимальной эффективности. Однако в электростанции с комбинированным циклом часть энергии улавливается парогенератором, который использует отходящее тепло в выхлопе газовой турбины. Температура выхлопных газов на выходе из турбины в этом типе установки будет намного выше. Температура на выходе высокоэффективной авиационной газовой турбины, вероятно, будет в диапазоне от 400 ° C до 500 ° C.Несмотря на то, что это относительно высокий показатель, он все же обеспечивает КПД до 46% для лучших машин. Другие небольшие промышленные турбины будут иметь КПД до 42%. И наоборот, большие промышленные газовые турбины, предназначенные для работы в комбинированном цикле, могут иметь температуру выхлопных газов выше 600 ° C. Эффективность может составлять всего 38%, но обычно она достигает 42%.

    Комбинированная газовая турбина — обзор

    4.10.3.1 Газификация биомассы

    Новые концепции производства электроэнергии, такие как совместное сжигание или комбинированная газотурбинная установка, помогают снизить зависимость от ископаемого топлива и уменьшить выбросы углекислого газа.Газификация (частичное сжигание, риформинг) — самый чистый, гибкий и надежный способ использования ископаемых источников. Кроме того, в процессе газификации отходы превращаются в ценные продукты, такие как природный газ, транспортное топливо и т. Д.

    Самым успешным способом преобразования источников биомассы в газообразное топливо является газификация. Циклы газификации позволяют преобразовывать различное органическое сырье, такое как древесина, сельскохозяйственные отходы, торф, уголь, антрацит, нефтяные остатки и твердые бытовые отходы, в синтез-газ, бионефть и биоуглерод.Кроме того, ресурсы биомассы могут варьироваться от очень чистой древесной щепы с влажностью 50% до городских древесных остатков, которые являются сухими, но загрязненными черными металлами и другими материалами, до сельскохозяйственных остатков, остатков животных, ила и органических компонентов твердых бытовых отходов. . Циклы газификации могут преобразовывать эти вещества в газообразное топливо, богатое углеродом и водородом, которое можно более просто использовать, часто с повышением эффективности и экологических характеристик по сравнению с прямым сжиганием ресурсов биомассы [29].Ресурсы биомассы представляют собой сложную смесь органических соединений и полимеров, а также содержат ингредиенты с низким содержанием золы, азота и серы. С другой стороны, некоторые сельскохозяйственные материалы, такие как солома и трава, содержат значительно больше. Чтобы оценить выходы в процессе газификации, сложные образцы должны быть уменьшены до упрощенной химической структуры, такой как CH m O n . В этом исследовании считается, что химические элементы, такие как сера и азот, присутствуют в очень малых количествах и вносят незначительный вклад в выходы [29].

    Химия циклов газификации очень сложна, потому что одновременно происходят разные процессы. Ранние фазы процесса газификации — это частичное окисление и пиролиз, которые происходят в отсутствие O 2 . Частичное окисление начинается, когда углеродсодержащие источники топлива вступают в реакцию с количеством O 2 , меньшим стехиометрического. После того, как весь O 2 в камере сгорания израсходован, высокая рабочая температура газификатора приводит к улетучиванию летучих частей сырья.Эта система создает двухфазный процесс, состоящий из газовой фазы и твердой фазы на основе углерода, известный как уголь. Первичные части синтез-газа, такие как CO и H 2 , затем генерируются путем парового риформинга угля на основе углерода. Если температура в камере газификатора достаточно высока, весь полукокс может быть преобразован в монооксид углерода и водород, а также реакция вода-газ завершится. Наиболее желательным выходом IGCC обычно является водород. В последней фазе цикла газификации паровой риформинг монооксида углерода генерирует водород в соответствии с реакцией конверсии водяного газа (WGSR).В отличие от процесса частичного окисления и парового риформинга, WGSR не превращает все реагенты в продукты. Степень реакции газификации может быть определена с помощью точки равновесия реакции, которая является функцией температуры газификатора и концентрации пара в камере газификатора. Реакция частичного окисления, реакция водяного газа и WGSR показаны соответственно следующими равенствами:

    (1) C + O2 + тепло → CO2

    (2) C + h3O + тепло → CO + h3

    (3 ) CO + h3O + heat↔CO2 + h3

    (4) C + 2h3 → Ch5 + heat

    Односторонние стрелки в уравнениях.(1) и (2) показывают, что химические реакции необратимы в прямом направлении. Двусторонняя стрелка для уравнения. (3) показывает, что химическая реакция может протекать как в прямом, так и в обратном направлении. Условие равновесия может быть достигнуто, когда скорость изменения прямой и обратной химических реакций эквивалентна.

    Усовершенствованные циклы газификации должны быть интегрированы с процессами производства электроэнергии, выступая в качестве связующего звена между углем или мазутом и газовыми турбинами и их последующим паровым циклом.Принципиальная схема электростанции IGCC, основанной на ресурсах биомассы, показана на рис. 13. Полученный синтез-газ из цикла газификации может быть очищен до очень низких уровней загрязняющих веществ, таких как соединения серы и твердые частицы [20]. После процесса очистки синтез-газы могут быть использованы на электростанциях с комбинированным циклом с парогазовыми турбинами для выработки электроэнергии более эффективно, чем традиционные процессы, основанные на сжигании [30]. Полученный в результате системный режим IGCC является единственным для целей производства электроэнергии, включая сжигание угля или высокосернистых остатков, которые могут приблизиться к технической и экологической эффективности процессов, работающих на природном газе.

    Рис. 13. Принципиальная схема электростанции с комбинированным циклом комплексной газификации (IGCC) на основе ресурсов биомассы.

    Ущерб окружающей среде, наносимый IGCC, может быть уменьшен еще больше, если интегрировать его с методами улавливания и хранения углерода. Циклы кислородной газификации могут быть объединены для создания потока материала, почти полностью состоящего из диоксида углерода, который можно улавливать и изолировать [31]. Входы в общую камеру газификации включают сырье, пар и воздух.Полученные синтез-газы охлаждаются и очищаются от примесей перед сжиганием в газовой турбине. Образующиеся горячие выхлопные газы газовой турбины затем используются в парогенераторе-утилизаторе (HRSG) для кипячения пара высокого давления (HP) для расширения в паровой турбине. Выхлопные газы низкого давления из паровой турбины затем возвращаются в котел-утилизатор и повторно используются.

    Цикл Брайтона Экспериментальный реактивный двигатель | Функциональность турбинного двигателя

    1. Понять основные операции цикла Брайтона.

    2. Продемонстрировать применение основных уравнений для анализа цикла Брайтона.

    ИСТОРИЯ

    Цикл Брайтона представляет собой стандартную для воздуха модель энергетического цикла газовой турбины. Простой газотурбинный двигатель — это состоит из трех основных компонентов: компрессора, камеры сгорания и турбины. Согласно Принцип цикла Брайтона, воздух сжимается в компрессоре турбины. Затем воздух смешивается с топливом, и сгорали в условиях постоянного давления в камере сгорания.Образовавшийся горячий газ пропускают расширяться через турбину для выполнения работы. Большая часть работы, производимой в турбине, используется для работы компрессор и остальное оборудование используются для работы вспомогательного оборудования и выработки электроэнергии. Газ турбина находит широкое применение. Обычное использование включает в себя стационарную выработку электроэнергии. установки (электроэнергетика) и мобильные двигатели для выработки энергии (корабли и самолеты). В электростанции В приложениях выходная мощность турбины используется для обеспечения мощности на валу для привода генератора, винт вертолета и др.Самолет с реактивным двигателем приводится в движение реактивной тягой выходящего газа. ручей. Турбина обеспечивает мощность, достаточную для привода компрессора и производства вспомогательной энергии. сила. Газовый поток приобретает в цикле больше энергии, чем необходимо для приведения в действие компрессора. В оставшаяся доступная энергия используется для продвижения самолета вперед.

    Схема цикла Брайтона (простая газовая турбина) представлена ​​на рисунке 1. Воздух низкого давления всасывается. в компрессор (состояние 1), где он сжимается до более высокого давления (состояние 2).Топливо добавляется в сжатый воздух и смесь сжигается в камере сгорания. Образующиеся горячие газы попадают в турбина (состояние 3) и развернитесь до состояния 4. Цикл Брайтона состоит из четырех основных процессов:

    АНАЛИЗ ЦИКЛА

    Термодинамика и Первый закон термодинамики определяют общий перенос энергии. К Чтобы проанализировать цикл, нам нужно максимально полно оценить все состояния. Стандартные модели Air очень полезен для этой цели и обеспечивает приемлемые количественные результаты для газотурбинных циклов.В этих модели сделаны следующие предположения.

    1. Рабочая среда — воздух, обрабатываемая как идеальный газ на протяжении всего цикла;

    2. Процесс горения моделируется как добавление тепла при постоянном давлении;

    3. Выхлоп моделируется как процесс отвода тепла при постоянном давлении.

    В моделях стандарта холодного воздуха (CAS) удельная теплоемкость воздуха считается постоянной (модель идеального газа) при самая низкая температура в цикле. Влияние температуры на удельную теплоемкость можно включить в анализ при небольшом увеличении усилия.Однако решения в закрытой форме больше не будут возможный.

    Чтобы выполнить термодинамический анализ цикла, мы рассматриваем контрольный объем, содержащий каждый компонент цикла, показанного на Рисунке 1. Этот шаг резюмируется ниже.

    Компрессор

    Рассмотрим следующий контрольный объем для компрессора,

    Обратите внимание, что в идеале нет передачи тепла от контрольного объема (C.V.) к окружающему пространству. В установившихся условиях и без учета эффектов кинетической и потенциальной энергии первый закон для этого контрольного объема записывается как

    Учитывая, что у нас есть один поток в контрольный объем и один поток из контрольного объема, мы можем записать более конкретную форму первого закона как

    Или, переупорядочивая, группируя термины, связанные с каждым потоком

    Это общая форма Первого Закона для компрессора.Однако, если предполагается, что поток жидкости представляет собой идеальные газы, мы можем представить энтальпии в терминах температуры (гораздо более измеримая величина), используя соответствующее уравнение состояния (dh = c p dT), которое будет вводить конкретное предположение постоянная удельная теплоемкость, разница энтальпий легко выражается как разность температур как

    Обратите внимание, что в идеале передача работы от контрольного объема (C.V.) к окружающей среде. В установившихся условиях и без учета эффектов кинетической и потенциальной энергии первый закон для этого контрольного объема записывается как

    Учитывая, что у нас есть один поток в контрольный объем и один поток из контрольного объема, мы можем записать более конкретную форму первого закона как

    Или, переупорядочивая, группируя термины, связанные с каждым потоком

    Предполагая идеальные газы с постоянной удельной теплоемкостью, разность энтальпий легко выражается как разность температур как

    Опять же, чтобы быть более точным, удельную теплоемкость каждой жидкости следует оценивать как линейное среднее значение между ее входной и выходной температурой.

    Турбина

    Рассмотрим следующий контрольный объем для турбины,

    Предполагая идеальные газы с постоянной удельной теплоемкостью, разность энтальпий легко выражается как разность температур как

    Как и раньше, для получения более точных результатов удельную теплоемкость каждой жидкости следует оценивать как линейное среднее значение между ее входной и выходной температурой.

    Необратимость, присутствующая в реальном процессе, может быть смоделирована путем введения изоэнтропической эффективности турбины,

    , где индекс s относится к идеальному (изэнтропическому) процессу, а индекс a относится к фактическому процессу.Для идеального газа приведенное выше уравнение сокращается до

    .

    ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА

    Лабораторная установка представляет собой автономную переносную двигательную лабораторию под ключ производства компании ООО «Турбинные технологии» называется «Мини-лаборатория ТТЛ». Мини-лаборатория представляет собой настоящий реактивный двигатель. Следовательно, существуют те же проблемы безопасности, что и при работе реактивного двигателя. Необходимо соблюдать осторожность, чтобы следовать все процедуры безопасности точно такие, как изложено в лаборатории и заявлено вашими инструкторами.В Следующее описание настройки предоставляется производителем.

    «Турбореактивный двигатель модели SR-30 Turbine Technologies является основной системой. компонент. Рабочий звук и запах трудно отличить от холостого хода, малый бизнес-джет. Осевое турбинное колесо двигателя и направляющее кольцо лопасти являются вакуумными. литье по выплавляемым моделям. Их производят из современных, высококобальтовых и никелевых материалов. содержание суперсплавов (МАР-М-247 и Инконнель 718). Камера сгорания состоит из кольцевой противоточной системы, включающей полосы внутреннего пленочного охлаждения.

    Топливные и масляные баки, фильтры, маслоохладитель, вся необходимая сантехника и электропроводка находятся в нижняя часть конструкции мини-лаборатории. Рычаг дроссельной заслонки расположен с правой стороны. оператора и над наклонной приборной панелью. Дроссельная заслонка включает 7 оператор для плавного переключения мощности между холостым ходом и максимальным N1. Цифровой обороты двигателя и E.G.T. манометры, механические E.P.R., масло, топливо, давление воздуха при запуске датчики также являются частью стандартной панели. Сигнальные лампы указывают на низкий уровень масла давление, воспламенитель включен и состояние воздушного пуска.Главный выключатель с ключом управляет магистральный электрический автобус. Другие переключатели, монтируемые на панели, управляют воспламенителем, воздушным пуском и активировать подачу топлива. Топливная система двигателя СР-30 очень похожа на крупногабаритную. двигатели — распыление топлива через 6 форсунок высокого давления обратного потока, что позволяет работа с широким спектром жидких видов топлива на основе керосина (например, дизельное топливо, Jet A, JP-4 через 8) ».

    Компоненты двигателя.

    Реактивный двигатель состоит из одноступенчатого радиального компрессора, противоточной кольцевой камеры сгорания и одиночного ступенчатая осевая турбина, которая направляет продукты сгорания в сужающееся сопло для дальнейшего расширение.Детали двигателя можно увидеть в «разрезе» на рис. 6.

    Приборы.

    Датчики выведены на центральную панель доступа и связаны с оборудованием для сбора данных и программное обеспечение от National Instruments. Производитель предоставляет следующее описание датчики и их расположение.

    «Опция интегрированной сенсорной системы (мини-лаборатория) включает следующие зонды: Статическое давление на входе компрессора (P 1 ), Давление торможения на выходе ступени компрессора (П. 02 ), Давление в камере сгорания (P 3 ), Давление торможения на выходе из турбины (P 04 ), Давление торможения на выходе из упорного сопла (P 05 ), Статическая температура на входе компрессора (Т 1 ), Температура торможения на выходе ступени компрессора (T 02 ), Вход ступени турбины температура застоя (Т 03 ), Температура торможения на выходе из ступени турбины (Т 04 ), и температура торможения на выходе из упорного сопла (T 05 ).Дополнительно в систему входит датчик расхода топлива и цифровой индикатор тяги, измеряющий силу тяги в реальном времени. на тензометрическую систему осевого хомута ».

    МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

    ПРИМЕЧАНИЯ ПО ТЕХНИКЕ БЕЗОПАСНОСТИ:

    1. Убедитесь, что вы носите средства защиты органов слуха. Если вы не уверены, как затычки для ушей используются правильно, попросите инструктора лаборатории провести демонстрацию. Никогда не оставайтесь в лаборатории без средств защиты органов слуха, пока двигатель работает. операция.

    2. Двигатель СР-30 работает на высоких оборотах. Хотя есть защитное стекло, которое отделяет двигатель от оператора, убедитесь, что чтобы вы не наклонялись слишком близко к этой панели.

    3. Убедитесь, что индикатор низкого давления масла погас сразу после запуск двигателя. Если он остается включенным или загорается в любой момент во время работы двигателя работа немедленно перекрывает поток топлива.

    4. Есть датчик вибрации, индикатор которого находится справа от панель оператора.Если этот индикатор показывает какую-либо активность (повышение напряжения) немедленно выключите двигатель.

    5. Если вы подозреваете, что что-то не так, отключите подачу топлива. немедленно и уведомить инструктора лаборатории.

    6. Если двигатель завис (запускается, но не разгоняется до холостого хода примерно 40000 об / мин) снова включите воздушный пуск на короткое время, пока двигатель не развивает скорость примерно до 30 000 об / мин. Затем выключите переключатель воздушного пуска. ã УБЕДИТЕСЬ, ЧТО НИ В ВАШЕМ ПРИНАДЛЕЖНОСТИ РАЗМЕЩАЕТСЯ ПЕРЕД ВПУСКОМ ИЛИ ВЫХЛОПОМ ОТВОДА ДВИГАТЕЛЬ, КОГДА ДВИГАТЕЛЬ РАБОТАЕТ.

    1. Попросите вашего ТА загрузить программу сбора данных и запустить предварительно запрограммированный ВП LabView для эта лаборатория. На экране должны отображаться показания всех датчиков. Просмотрите показания, чтобы убедиться они работают правильно.

    2. Убедитесь, что давление воздуха в линии подачи сжатого воздуха составляет не менее 100 фунтов на кв. Дюйм (не более 120 фунтов на кв. Дюйм). Попросите инструктора лаборатории проверить уровень масла.

    3. Произведите необходимые измерения длины и запишите требуемые размеры, чтобы вы могли рассчитать площадь входа (где находятся датчики).

    4. Обратитесь за помощью к своему лабораторному инструктору, включите систему и запустите двигатель. После того, как двигатель успешно запущен, вы должны сначала дать двигателю достичь оборотов холостого хода, прежде чем делать какие-либо измерения. Убедитесь, что дроссельная заслонка находится в самой нижней точке. Положение холостого хода почти вертикальное, и находится близко к оператору (вдали от двигателя).

    5. Медленно откройте дроссельную заслонку. Начните снимать данные примерно со скоростью 65 000 об / мин. Убедитесь, что вы разрешили время выхода двигателя на устойчивый режим, отслеживая цифровой индикатор оборотов двигателя на панели.В чтение несколько колеблется, так что используйте свое суждение.

    6. Снимайте данные при трех различных оборотах двигателя. Вы будете использовать эти данные, чтобы изучить, как цикл и КПД компонентов меняется со скоростью.

    7. После того, как вы закончите сбор данных, сначала выключите переключатель расхода топлива. 8. Данные будут храниться в формате таблицы Excel

    .

    АНАЛИЗ ДАННЫХ

    По собранным данным определить изоэнтропический КПД турбины, изоэнтропический КПД компрессора, тепловой КПД цикла и соответствующий КПД Карно.

    ОТЧЕТ

    В своем отчете определите производительность идеального цикла, работающего с таким же максимальным циклом температура, массовый расход и степень сжатия. Сравните эффективность идеального цикла с размеренной производительностью. Обсудите различия.

    ПРЕДЛОЖЕНИЯ ДЛЯ ОБСУЖДЕНИЯ

    1. Как эффективность цикла соотносится с идеальным циклом Брайтона? с циклом Карно?

    2. Как эффективность компонентов влияет на эффективность цикла?

    3.Как эффективность компонентов, рассчитанная на основе данных испытаний, сравнивается с эффективностью компонентов что типично для этих газотурбинных двигателей?

    4. Как работает турбинный компрессор?

    Ветряные дизельные системы — оценка проекта и будущий потенциал JSTOR

    Абстрактный

    Дизели — очевидная форма резервной выработки электроэнергии в ветряных системах малого и среднего размера. Сильное проникновение ветра создает серьезные технические проблемы для разработчика системы, начиная от определения размеров компонентов и заканчивая характеристиками управления и динамической стабильностью.Ключевую роль играют проверенные системные модели для оценки как динамических характеристик, так и общей производительности и экономики. Представлен набор инструментов для проектирования ветряных дизельных двигателей, который в настоящее время разрабатывается (для внедрения на ПК) консорциумом ведущих экспертов по ветровым дизельным двигателям, представляющим шесть европейских стран. Поддержку этой работе оказывает программа ЦИК JOULE. Опыт, полученный при разработке широкого диапазона проектов, используется для иллюстрации проблем и поиска более привлекательных решений.

    Информация о журнале

    Постоянно публикуемый с 1977 года, Wind Engineering является старейшим и наиболее авторитетным рецензируемым англоязычным журналом, полностью посвященным ветроэнергетике. Под руководством выдающегося редактора и редакционной коллегии Wind Engineering выходит раз в два месяца с полностью отрецензированными вкладами активных деятелей в этой области, книжными заметками и резюме наиболее интересных статей из других источников.В Wind Engineering публикуются статьи по аэродинамике роторов и лопастей; подсистемы и узлы машин; дизайн; тестовые программы; производство и передача электроэнергии; методы измерения и регистрации; установки и приложения; а также экономические, экологические и правовые аспекты. Ветроэнергетика представляет огромную ценность для всех, кто связан с ветром как источником энергии

    Информация об издателе

    Сара Миллер МакКьюн основала SAGE Publishing в 1965 году для поддержки распространения полезных знаний и просвещения мирового сообщества.SAGE — ведущий международный поставщик инновационного высококачественного контента, ежегодно публикующий более 900 журналов и более 800 новых книг по широкому кругу предметных областей. Растущий выбор библиотечных продуктов включает архивы, данные, тематические исследования и видео. Контрольный пакет акций SAGE по-прежнему принадлежит нашему основателю, и после ее жизни она перейдет в собственность благотворительного фонда, который обеспечит дальнейшую независимость компании. Основные офисы расположены в Лос-Анджелесе, Лондоне, Нью-Дели, Сингапуре, Вашингтоне и Мельбурне.www.sagepublishing.com

    .

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *