Характеристика турбин для двигателей

Принцип работы газовых турбин

Газовой турбиной принято называть непрерывно действующий двигатель.

• История создания газовой турбины
• Технические характеристики газовой турбины
• Активные и реактивные турбины
  • Активная турбина
  • Реактивная турбина

Далее пойдёт речь о том, как устроена газовая турбина, в чем заключается принцип работы агрегата. Особенностью такого двигателя является то, что внутри него энергия продуцируется сжатым или нагретым газом, результатом преобразования которого является механическая работа на валу.

История создания газовой турбины

Интересно, что механизмы турбин начали разрабатываться инженерами уже очень давно. Первая примитивная паровая турбина была создана ещё в I веке до н. э.! Конечно же, своего существенного расцвета данный механизм достиг только сейчас. Активно разрабатываться турбины начали в конце XIX века одновременно с развитием и совершенствованием термодинамики, машиностроения и металлургии.

Менялись принципы механизмов, материалы, сплавы, всё совершенствовалось и вот, на сегодняшний день человечеству известна наиболее совершенная из всех ранее существующих форм газовой турбины, которая разграничивается на различные типы. Есть авиационная газовая турбина, а есть промышленная.

Технические характеристики газовой турбины

Газовой турбиной принято называть своеобразный тепловой двигатель, его рабочим частям предопределено только одно задание – вращаться вследствие воздействия струи газа.

Устроена она таким образом, что главная часть турбины представлена колесом, на которое прикреплены наборы лопаток. Газ, воздействуя на лопатки газовой турбины, заставляет их двигаться и вращать колесо. Колесо в свою очередь жёстко скреплено с валом. Этот тандем имеет специальное название – ротор турбины. Вследствие этого движения, происходящего внутри двигателя газовой турбины, достигается получение механической энергии, которая передаётся на электрогенератор, на гребной винт корабля, на воздушный винт самолёта и другие рабочие механизмы аналогичного принципа действия.

Активные и реактивные турбины

Воздействие газовой струи на лопатки турбины может быть двояким. Поэтому турбины разделяются на классы: класс активных и реактивных турбин. Отличаются реактивная и активная газовая турбина принципом устройства.

Активная турбина

Активная турбина характеризуется тем, что здесь отмечается большая скорость поступления газа на рабочие лопатки. При помощи изогнутой лопатки, струя газа отклоняется от своей траектории движения. В результате отклонения развивается большая центробежная сила. С помощью этой силы лопатки приводятся в движение. Во время всего описанного пути газа происходит потеря части его энергии. Такая энергия и направлена на движение рабочего колеса и вала.

Реактивная турбина

В реактивной турбине всё несколько иначе. Здесь поступление газа к рабочим лопаткам осуществляется на незначительной скорости и под воздействием большого уровня давления. Форма лопаток так же отлична, благодаря чему скорость газа значительно увеличивается. Таким образом, струя газа создаёт своего рода реактивную силу.

Из описываемого выше механизма следует, что устройство газовой турбины достаточно непростое. Дабы такой агрегат работал бесперебойно и приносил своему владельцу прибыль и выгоду, следует доверить его обслуживание профессионалам. Сервисные профильные компании обеспечивают сервисное обслуживание установок, использующих газовые турбины, поставки комплектующих, всевозможных частей и деталей. DMEnergy — одна из таких компаний (подробнее), которые обеспечивают своему клиенту спокойствие и уверенность в том, что он не останется один на один с проблемами, возникающими в ходе эксплуатации газовой турбины.

Фирменные турбины бензиновых двигателей

Автор: Дмитрий Сапко

Использование турбин на бензиновых двигателях уже сегодня является обязательным условием достижения предельной мощности агрегата при незначительном повышении расхода топлива. Некоторые турбины даже позволяют снизить расход бензина в сравнении с таким же агрегатом, но без использования турбонаддува.

Принцип работы турбины достаточно прост. С ее помощью в агрегат загоняется большое количество воздуха под давлением, чтобы топливо сгорало более рационально и экономично, а мощность при этом значительно увеличивалась. Турбокомпрессоры сегодня бывают разных типов и конструкций. Предлагаем вам рассмотреть более подробно наиболее успешные и интересные варианты.

TSI – живая легенда от корпорации Volkswagen

Двигатели с системой турбирования TSI являются наиболее технологичными агрегатами на сегодняшний день. Это подтверждается множеством конкурсов и автомобильных шоу, на которых силовой агрегат 1.4 TSI на 122 или 144 лошадиные силы получает многочисленные призы.

В принципе работы двойной турбины от Volkswagen нет ничего сложного. Инженеры просто соединили уже известные автомобильному миру данные в новую конструкцию, получив отличный результат по увеличению КПД двигателя. Первой версией этого агрегата стал 1.4 TSI на 122 лошадиные силы. Немного позже мощность увеличили до 144 лошадок, а еще позже стали устанавливать аналогичные турбины практически на все бензиновые двигатели концерна, отойдя от использования стандартной технологии MPI.

Турбина дает следующие преимущества:

• значительное увеличение КПД двигателя;
• улучшение эластичности работы агрегата – моментальный набор оборотов;
• оптимизация расхода топлива (уменьшение примерно на 1 литр в сравнении с агрегатом без турбины);
• повышение экологической безопасности работы агрегата.

С помощью турбины достигается не только увеличение потенциала двигателя, но и улучшаются условия его эксплуатации. По своей сути турбина позволяет обеспечить более эластичную работу всех систем даже во время больших нагрузок. Раньше считалось, что любые турбины являются источником быстрого износа и выхода двигателя и строя. Да и ремонт самой турбины – явление частое и привычное. Но нынешние технологии не мешают эксплуатировать агрегаты безопасно и долго.

Twin Scroll – японские системы турбирования

Основной сферой использования этого типа турбины стали автомобили корпорации Subaru. В основе работы турбокомпрессора лежит принцип использования не только воздуха, захваченного снаружи, но и естественных выхлопных давлений двигателя. Twin Scroll имеет два раздельных потока воздуха, которые направлены на каждую пару цилиндров. Используется технология для 4-цилиндровых двигателей и обладает прекрасным КПД.

Других ярких отличий от системы TSI в данной турбине нет. Зато есть некоторые недостатки:

• немного изменяется система выхлопа газов, что не позволяет улучшить экологичность;
• турбина достаточно нежная, даже при незначительном фронтальном ударе она выходит из строя;
• разработана турбина twin Scroll достаточно давно, конструкция не менялась уже не один десяток лет;
• система не позволяет достичь такого КПД, как современная TSI.

Но эти минусы можно считать незначительными, ведь двигатели с Twin Scroll усиливают свои технические характеристики, повышают ресурс и улучшают эластичность работы. Правда, особой экономии топлива при использовании данной технологии нет. Количество поданного в камеру сгорания воздуха увеличивает и количество подаваемого бензина.

Турбокомпрессоры с интеркулером

На автомобилях Mitsubishi впервые применили подобную технологию. Непонятное для многих слово интеркулер означает дополнительный агрегат, который служит для подачи в камеру сгорания холодного воздуха. Турбокомпрессоры берут воздух зачастую из системы радиатора, где он достаточно горячий. А правильная и эффективная работа турбины обеспечивается лишь с использованием холодного потока воздуха.

С этой целью перед самой турбиной устанавливают интеркулер, который бывает самых разных видов и типов. После Mitsubishi двигатели с таким устройством культивировали практически все именитые производители автомобилей.

Понижение температуры позволяет увеличить КПД турбины, уменьшить расход топлива и достичь некоторых технических улучшений характеристик двигателя.

Подводим итоги

Разработки в сфере турбин для бензиновых двигателей имеют общую схему и технологию в основе. Многие компании в автомобильном мире применяют собственные дополнения к данным технологиям, но работа турбины всегда остается одинаковой.

Если вы убеждены, что турбина вредит бензиновому двигателю и приближает его выход их строя, стоит прочесть эксплуатационные характеристики новых устройств от ведущих компаний мира. Вы увидите, что турбированные двигатели могут служить вам даже дольше обычных атмосферников.

Турбонаддув грузовых дизельных автомобилей

Определение и виды турбонаддува

Турбонаддувом называется система увеличения мощности двигателя (приблизительно на 30%), которая подает в камеру сгорания дополнительное количество воздуха в сжатом состоянии.

Данный механизм может быть:

• Механический, с турбонагнетателем.
• Пневматический, с турбокомпрессором.

В первом случае, для сжатия воздуха применяется устройство с механическим приводом, который соединен с автомобильным двигателем. Главный недостаток — на вращение крыльчатки расходуется мощность, возрастает расход топлива.

Во втором – компрессор вращается благодаря тому, что соединен с турбиной, которую приводят в действие выхлопные газы.

Систему турбонаддува можно установить, как на бензиновый мотор, так и на дизельный. Однако, на вторых она получила намного большее распространение, чем на первых. Связано это с тем, что у дизелей выше степень сжатия и меньше частота вращения. Тем самым, упрощается техническая реализация. Тогда как большое число оборотов карбюраторных движков повышает вероятность детонации. А повышенная температура выхлопа (до 1000 град С, против 600 град С для ДТ), ухудшает параметры воздуха.

Вследствие этого, турбонаддув с приводом от выхлопных газов более всего распространен на дизельных двигателях грузовых автомобилей и тракторов.

Немного теории

Мощность любого ДВС определяется:

• Суммарным рабочим объемом. Эта характеристика зависит от величины камеры сгорания и количества цилиндров.
• Числом оборотов коленвала.
• Объемом смеси воздуха и топлива, которая подается во время каждого рабочего цикла.
• Эффективностью сгорания этой самой смеси.
• Калорийностью сгорания топлива.

Усовершенствование движков в плане повышения мощности по большинству из указанных направлений осложняется техническими возможностями моторов и некоторыми другими факторами. В то же время, применение турбонаддува позволяет сделать двигатель сильнее, без большого роста потребления топлива, повышения количества оборотов и т.д.

Как известно, бензин или солярка не будут гореть в камере самостоятельно. Для воспламенения им нужен воздух, в определенном количестве. Рабочая смесь поступает в камеру сгорания за счет разрежения, образовавшегося после выхлопа. Количество ее ограничено по той причине, что данным способом физически невозможно «потянуть» больше. Если же поставить турбокомпрессор, который будет нагнетать в цилиндры сжатый воздух, то в камерах сгорания окажется намного больше смеси. Следовательно, во время такта воспламенения, на поршни будет «давить» значительно большая сила, что и приведет к повышению мощности (или – удельной литровой мощности, по числу «лошадок» на каждый литр рабочего объема). Т.о., мотор меньших размеров, без увеличения оборотов коленвала, получится таким же сильным, как и более крупный двигатель. А это уже напрямую влияет на металлоемкость, надежность и другие важные параметры.

Устройство и принцип действия

Основными деталями системы турбонаддува являются:

• Корпус нагнетательного компрессора (улитка).
• Компрессорное рабочее колесо (крыльчатка).
• Вал – общий для компрессора и турбины.
• Корпус турбины (обратная улитка).
• Турбина (колесо с лопастями).
• Интеркулер (охладитель воздуха).

В системе есть подшипники скольжения, в корпусах которых предусмотрены входы для подачи смазки. И герметичные патрубки для воздуха и масла. Также в современных устройствах турбонаддува имеются:

• Wastegate (регулировочный клапан). Поддерживает в системе оптимальное давление. Если надо, сбрасывает газ в приемник.
• Bypass-valve (перепускной клапан). Если надо понизить мощность, отводит нагнетаемый воздух во впускной патрубок, расположенный перед турбиной.
• Blow-off-valve (стравливающий клапан). При закрытом дросселе сбрасывает нагнетаемый воздух в атмосферу.

Выхлопные газы из двигателя поступают в обратную улитку. Там они проходят по суживающемуся каналу, разгоняются и попадают на турбину со специальными «воздухозаборными» лопастями, которая от этого начинает вращаться с огромной скоростью (100-150 тыс. об/мин). После этого, выхлопные газы выбрасываются в атмосферу.

Крыльчатка компрессора, расположенная с турбиной на одном валу, вращается одновременно с ней. Лопасти у нее другой формы, предназначенные для нагнетания. На некоторых моделях грузовиков ставятся турбины с лопатками изменяемой геометрии – в зависимости от режима работы мотора. Воздух подается снаружи, разгоняется и, через расширяющийся канал, под высоким давлением отправляется на интеркулер.

Охлаждение нагнетаемого воздуха в интеркулере требуется по нескольким причинам. Прежде всего, для снижения опасности возникновения детонации. Кроме того, во время сжатия, воздух нагревается, что приводит к падению его плотности – а это, в свою очередь, может значительно понизить эффективность работы системы. Конструктивно интеркулер представляет собой радиатор охлаждения.

После интеркулера, охлажденный сжатый воздух поступает в камеру сгорания дизеля.

Достоинства и недостатки

Преимущества моторов с турбонаддувом, по сравнению с атмосферными двигателями:

• Повышается мощность.
• Увеличивается крутящий момент.
• Меньше расход топлива.
• Снижается металлоемкость агрегата.
• Более тихая работа, т.к. турбокомпрессор является дополнительным глушителем.

Кроме того, появляется возможность оптимизировать и некоторые другие параметры.

Основным недостатком силового агрегата с турбонаддувом является т.н. «турбояма» (turbolag). Обусловлен он инертностью системы. Если водитель резко нажимает на газовую педаль, то должно пройти некоторое время до того, как нагнетающий компрессор выйдет на необходимую мощность. Происходит так потому, что на небольших оборотах турбина, а с ней и компрессор, вращаются относительно медленно. Поэтому давление в камере сгорания – минимальное. Для борьбы с этим явлением ставят два клапана: перепускной из коллектора в компрессор и для отработанных газов.

Основными способами преодоления турбоямы являются:

• VNT-турбина (т.е., с изменяемой геометрией). Поток выхлопных газов оптимизируется изменением площади впускного отверстия, за счет угла наклона лопаток, для регулировки силы потока выхлопных газов (Volkswagen, Opel).
• Установка двух турбокомпрессоров (bi-turbo), работающих параллельно. Обычно используется на V-образных моторах большой мощности (по одному на каждый ряд цилиндров). Эффект получается за счет того, что две небольшие турбинки менее инертны, чем одна крупная. Может быть и последовательное включение. В этом случае, различные крыльчатки работают на разных оборотах. Иногда встречается triple-turbo (BMW), и даже quad-turbo (Bugatti).
• Комбинированный наддув (twincharger). На один и тот же мотор ставится и механический нагнетатель, который работает на низких оборотах, и турбо от выхлопных газов.

В последнем случае, в качестве примера, можно привести патентованную технологию TCI (Volkswagen). В зависимости от нагрузки, различают следующие режимы. До 1000 об/мин – атмосферный, 1000 – 2400 об/мин – работает только механический нагнетатель, 2400 – 3500 – нагнетатель и турбокомпрессор включаются совместно, более 3500 об/мин – применяется только турбокомпрессор.

Еще одним недостатком можно назвать «турбоподхват»: после преодоления турбоямы, в системе наддува подскакивает давление. Также надо сказать, что подобные силовые агрегаты дороже атмосферных. А еще — им требуется специальное моторное масло.

Тем не менее, турбонаддув – это превосходный способ увеличения мощности двигателя. При всех его недостатках, плюсов получается намного больше.

Видео: Настройка турбины УВЕЛИЧЕНИЕ МОЩНОСТИ ДВИГАТЕЛЯ MAN

Характеристики компрессора, турбины и двигателя

При проектировании турбокомпрессора все элементы его проточных частей выполняют на основании параметров расчётного режима, для которого стараются обеспечить наибольшие значения КПД. Отклонение от условий расчетного режима вызывает изменение условий обтекания профи­лированных элементов проточной части турби­ны и компрессора, обычно имеющих фиксированные углы установки в обтекающих их потоках. Соот­ветственно изменятся потери и КПД турбоком­прессора. Это произойдет при изменении или расхода воздуха, или частоты вращения, или того и другого. Работая на одном двигателе, турбокомпрессор обеспечивает множество ра­бочих режимов, для которых характерно произ­вольное соотношение эксплуатационных парамет­ров. Поле возможных сочетаний этих основных параметров называется его характеристикой. Следует добавить, что один и тот же турбокомпрессор может использоваться для комплектации разных двигателей с близкими параметрами. При смене двигателя также произойдёт изменение параметров рабочего режима турбины и компрессора. Таким образом, для оценки работы турбокомпрессора при всех возможных условиях его применения необходимо располагать его характеристикой.

Работу компрессора характеризуют расход воздуха G, кг/с, степень повышения давления п_к, адиабатный КПД η_ад, частота вращения ро­тора n_тк, мин -1 . Взаимосвязь этих параметров, или характеристика компрессора, получается экспериментальным путем и может иметь вид, пред­ставленный на рис.15, на котором вместо абсо­лютных значений G, и n_тк нанесены связанные с ними безразмер­ные параметры:

,

где u₂— окружная скорость на наружном диа­метре колеса компрессора.

Ниспадающие сплошные линии на этом рисунке отображают зависимость Пк = f(G,n_тк) при различных постоянных значениях частоты вращения ротора и обычно называются напорной состав­ляющей характеристики компрессора. Штри­ховые линии представляют собой линии пос­тоянных адиабатных КПД компрессора, их называют энергетической составляющей ха­рактеристики компрессора. Сплошная восходя­щая линия называется границей помпажа. Ле­вее этой линии нормальная работа компрессора невозможна из-за помпажа – сложного явления, связанного с возникновением вращающегося срыва потока воздуха на входе в колесо ком­прессора и срыва потока на лопатках лопаточ­ного диффузора. Возникновение срывных об­ластей на лопатках, имеющих фиксированное положение в проточных каналах, возникает при любом отклонении от расчетного режима ра­боты компрессора. На рис. 11 и 12 показаны вихревые области при работе компрессора на режимах, отличных от расчетного. При общности усло­вий возникновения срывов на уменьшенных и увеличенных расходах воздуха срыв при уве­личенном расходе локализуется и не имеет тен­денции к разрастанию. Срыв при уменьшенных расходах получает развитие, так как лопатки как бы уходят от вихревой области, «растягивая» ее. Через области, заполненные вихрями, про­исходит при помпаже периодический выброс воздуха в направлении, противоположном его нормальному движению. Помпаж сопровож­дается интенсивной пульсацией давления, ко­лебаниями расхода, вплоть до возникновения обратных течений через компрессор, вибрацией конструкции и шумом. При интенсивном помпаже возможно разрушение компрессора. Основным конструктивным параметром, выделяющим рассматриваемый турбокомпрессор для потребителя, является наружный диаметр рабочего колеса компрессора. По этому признаку он выделяется как отдельный типоразмер из типоразмерных рядов турбокомпрессоров, которые выпускаются различными производителями. Обычно для каждого типоразмера ТК под­готавливается несколько комплектов сменных проточных частей при неизменных конструкци­ях основных элементов корпуса. Соответствен­но получают ряд вариантов характеристик ком­прессора. Области таких характеристик как неоднозначные функции П_к =f(G) для турбокомпрессоров фирмы МБД (типоразмерного ряда турбокомпрессоров этой фирмы) представ­лены на рис.16. Эти области называются полями расходов или областями применимос­ти соответствующих ТК и служат для выбора типоразмера из типоразмерного ряда (ряда предлагаемых вариантов).

Рис.15. Универсальная характеристика высоко­напорного центробежного компрессора

Оценка параметров типоразмера производится с использованием характеристи­ки компрессора для конкретной конструкции проточной части, газодинамической характери­стики двигателя и характеристики газовой тур­бины (также для конкретной геометрии проточ­ной части).

Рис.16. Поля расходов (области применимости) ТК различных марок фирмы МБД

Газодинамическая характеристика двигате­ля представляет собой зависимость степени по­вышения давления воздуха в двигателе П_д от расхода воздуха; при совместной работе ДВС и ТК П_д = П_к . Характеристика двигателя может быть рассчитана аналитически или получена экспериментально.

На рис.17 газодинамическая характеристи­ка двигателя представлена линией 1. Она может за­нимать ряд положений в зависимости от того, какова взаимосвязь между частотой вращения коленчатого вала и мощностью двигателя (каков вид нагрузки двигателя), и от состояния газовоздушного тракта – степени его загрязнения. Для загрязненного тракта харак­теристика принимает более крутое положение.

Характеристика турбины, подобно характе­ристике компрессора, связывает КПД турбины с расходом газа и частотой вращения рото­ра, а также степенью расширения газа в турби­не. Она может иметь различный вид в зависимости от традиций фирм-разработчиков и пользователей. Один из возможных вариантов представлен на рис. 18. На этом рисунке

,

где L – действительная работа расширения газов в турбине, Дж/кг;

L_ад – адиабатная работа расширения газов в турбине, Дж/кг;

и – окружная скорость на наружном ди­аметре колеса турбины, м/с;

µF_T– пропускная способность турбины, см 2 ;

ρ_г – плотность газа за турбиной, кг/м 3 ;

G_г – расход газа через турбину, кг/с;

– относительная рабо­та турбины;

η – адиабатный КПД турбины.

Рис. 17. Совмещение характеристик двигателя (1) и компрессора (2)

На установившемся рабочем режиме компрессор, турбина и двигатель находятся в условиях материального и энергетическо­го балансов. Это значит, что расход воздуха через двигатель равен расходу воздуха через компрессор (G

G_к ), а расход газов через турбину Gт больше на величину B_т расхода топлива (Gт = G_к + B_т). Мощность турбины равна мощности компрессора, степень повышения давления в компрессоре П_к равна степени повышения давления в двигателе П_д.

Условия совместной работы двигателя и компрессора определяются точкой пересече­ния напорной характеристики компрессора и газодинамической характеристики двига­теля (см. рис. 17, точка А, называемой рабочей). Совмещенные характеристики двигате­ля и компрессора называются характеристикой системы наддува. Рабочая точка А должна быть достаточно удалена от границы помпажа во из­бежание попадания компрессора в помпаж в различных условиях эксплуатации. Степень удаленности этой точки оговаривается в нор­мативных документах как запас по помпажу.

,

где индекс «п» определяет значение величины на границе помпажа, а «р» — относится к значе­ниям параметров в расчетной рабочей точке А (см. рис.14).

Запас для судовых дизелей назначается не менее 15 %.

Чтобы установить параметры рабочей точ­ки, необходимо знать частоту вращения ротора ТК при его совместной работе с дизелем. Она может быть установлена из условия материаль­ного и энергетического балансов совместно ра­ботающих двигателя, турбины и компрессора. При определении параметров турбины и комп­рессора используются характеристики обеих турбомашин. Параметры газа, поступающего от двигателя, определяются на основании расчетов ра­бочего цикла двигателя. Общее решение задачи осуществляется итерационными методами, ког­да последовательно вычисляются и корректиру­ются параметры газа за двигателем, параметры газовой турбины и компрессора. Эти задачи ре­шаются при определении марки ТК, подборе для него соответствующих сменных проточных ча­стей и регулировке газораспределения в МОД.