Принцип работы турбонаддува

Турбина с конденсатом

Турбинная конструкция, находящаяся в котле, имеет три среды — жидкость, пар и конденсат. Они находятся в едином замкнутом контуре. В этом случае нужно сказать, что в этой среде при преобразовании теряется минимум воды и пара. В этой конструкции жидкость подвержена действию разных химических реагентов, их главное назначение — удалять из воды различные примеси.

Принцип работы в этом оборудовании состоит в следующем:

  1. Отработанный пар, который уже имеет низкую температуру и давление, переходит по трубам в конденсатор.
  2. Во время прохождения этого участка на пути находится множество дополнительных трубочек, по ним насосом постоянно подкачивается холодная вода. Как правило, она забирается из прудов, озер или речек.
  3. Во время соприкосновения с охлажденной поверхностью отработанный пар образует конденсат.
  4. Весь собранный конденсат постоянно передается в конденсатор, а из него он дальше откачивается помпой. Затем жидкость перемещается в деаэратор.
  5. Из него вода заново транспортируется в котел, в котором переходит в парообразное состояние, и процесс повторяется.

Нужно отметить, что турбина вращается лишь в одном направлении и ее скорость может меняться в широких диапазонах. Другое преимущество турбин — это отсутствие толчков, которые происходят в ДВС во время передвижения поршней. Коэффициент полезного действия современных турбин достигает 45−55%, а мощность — 1700 МВт.

Турбины для двигателей Deutz

Для более ясного представления о том, как работает турбина в автомобиле, прежде всего необходимо ознакомится с принципом работы двигателя внутреннего сгорания. Сегодня, основная масса грузовых и легковых автомобилей оснащаются 4-х тактными силовыми агрегатами, работа которых контролируется впускными и выпускными клапанами.

Каждый из рабочих циклов такого двигателя состоит из 4 тактов, при которых коленвал делает 2 полных оборота

Впуск — при этом такте осуществляется движение поршня вниз, при этом в камеру сгорания поступает смесь топлива и воздуха (если это бензиновый двигатель) или только воздуха в случае если это дизельный агрегат.

Компрессия — при этом такте происходит сжатие горючей смеси.

Расширение — на этом этапе происходит воспламенение горючей смеси при помощи искры, вырабатываемой свечами. В случае с дизельным двигателем, воспламенение осуществляется произвольно под действием высокого давления впрыска.

Выпуск — поршень двигается вверх, при этом освобождаются выхлопные газы.

Такой принцип работы двигателя определяет следующие способы повышения его эффективности:

— Установка турбонаддува — Увеличение рабочего объёма двигателя — Увеличение числа оборотов коленчатого вала двигателя

Увеличение рабочего объёма двигателя

Увеличение объёма двигателя возможно двумя путями: либо увеличением объема камер сгорания, либо — увеличением количества цилиндров в силовом агрегате. Однако такой способ повышения мощности не совсем оправдан, так как имеет ряд недостатков, среди которых: повышенный расход топлива.

Увеличение числа оборотов коленчатого вала двигателя

Еще один возможный способ повышения производительности двигателя заключается в увеличении числа оборотов коленчатого вала. Это достигается путем увеличения количества ходов поршня за единицу времени. Но использование такого способа имеет жесткие ограничения, которые обусловлены техническими возможностями двигателя. Кроме этого, такая модернизация приводит к падению эффективности работы силового агрегата из-за потерь при впуске и других операциях.

Турбонаддув

В двух предыдущих способах двигатель использует воздух, который поступает благодаря собственному нагнетанию. При использовании турбокомпрессора в цилиндр поступает тот же объем воздуха но с предварительным его сжатием. Это дает возможность поступлению большего количества воздуха в цилиндр, благодаря чему появляется возможность сжигания большего объема топлива. При использовании такой технологии, мощность двигателя возрастает по отношению к количеству потребляемого топлива и объему двигателя.

Охлаждение воздуха

В процессе компрессии воздух может нагреваться вплоть до 180 С. Однако воздух имеет свойство увеличения плотности при охлаждении, что дает возможность значительно увеличить объем воздуха, попадающего в цилиндр. Кроме этого, увеличение плотности воздуха существенно снижает расход топлива и количество выбросов продуктов сгорания.

Что такое турбина (Простыми словами)Что такое турбина (Простыми словами)

Также существует два разных типа турбонаддува: турбокомпрессор, основанный на использовании энергии выхлопных газов и турбонагнетатель с механическим приводом.

Турбонагнетатель с механическим приводом

В случае использования такого типа компрессии, воздух сжимается благодаря специальному компрессору, который работает от привода двигателя. Но такой метод имеет один большой недостаток. Все дело в том, что при использовании механического турбокомпрессора часть мощность двигателя уходит на обеспечение работы самого компрессора, по этому двигатель, оборудован таким нагнетателем, имеет больший расход топлива чем обычный двигатель такой же мощности.

Турбокомпрессор основанный на использовании энергии выхлопных газов

Такой метод основан на использовании энергии выхлопных газов, которая направлена на привод турбины. При использовании такого способа отсутствует механическое соединение с двигателем, благодаря чему потери мощности не происходит.

Основные преимущества двигателей с турбонаддувом

1) Турбодвигатель имеет меньшее показатели по расходу топлива нежели двигатель без турбины той же мощности и при прочих равных условиях.

2) Силовой агрегат с с турбонаддувом имеет заметно лучшие показатели соотношения веса двигателя к развиваемой им мощности.

3) Использование турбокомпрессора открывает новые возможности по оптимизации других параметров и характеристик двигателя, а также улучшения крутящего момента, что позволит избежать очень часто переключения передач при езде в пробках или гористой местности.

4) Турбодвигатели работают тише чем агрегаты такой же мощности без турбонаддува.

Области применения турбокомпрессоров

Турбокомпрессор, приводимый в действие отработавшими газами, в его настоящей форме уходит корнями к работам Альфреда Бюхи (1905), который уже тогда увидел потенциал объединения наддува и перекрытия клапанов для очистки остаточных отработав­ших газов. Турбокомпрессоры, приводимые в действие отработавшими газами, традиционно применялись для наддува на больших дизель­ных двигателях грузовых автомобилей, судов и железнодорожных локомотивов, а также сельскохозяйственных и строительных машин.

Применение турбокомпрессоров на автомобильных дизельных двигателях

Первые дизельные двигатели легковых авто­мобилей, оборудованные турбокомпрессорами, приводимыми в действие отработавшими газами, увидели свет в середине 1970-х годов. Появле­ние «перепускной заслонки» для регулирова­ния давления наддува окончательно утвердило концепцию двигателя, ориентированного на крутящий момент, и позволило значительно по­высить гибкость. Дальнейшее повышение рабо­чих характеристик легковых автомобилей было достигнуто за счет применения систем прямого впрыска топлива (1987) и турбокомпрессоров с изменяемой геометрией турбины (1996) или систем двухступенчатого турбонаддува (2004). Результатом этих инноваций стало заметное увеличение на европейских рынках доли автомо­билей с дизельными двигателями. В настоящее время в Европе все дизельные двигатели легко­вых и коммерческих автомобилей оборудуются турбокомпрессорами, приводимыми в действие отработавшими газами и промежуточными охла­дителями (охладителями наддувочного воздуха).

Применение турбокомпрессоров на легковых автомобилях с бензиновыми двигателями

Применение турбонаддува бензиновых дви­гателей первоначально оставалось резервом повышения мощности только для мощных двигателей спортивных автомобилей и из-за неадекватной управляемости («запаздывания») турбонаддув относительно редко применялся на серийно выпускаемых легковых автомобилях. Однако в дальнейшем появилась тенденция к применению турбонаддува на бензиновых дви­гателях малой и средней мощности. В дополне­ние к повышению к.п.д., одна из основных целей заключалась в том, чтобы избежать увеличения количества цилиндров и связанного с этим уве­личения размеров двигателя и расхода топлива.

В отличие от дизельных двигателей, в настоя­щее время, хотя и в меньшей степени, приме­няются нагнетатели с механическим приводом (по соображениям, обусловленным рынком, а также благодаря превосходным характеристи­кам в переходных режимах, когда требуется быстрое увеличение давления наддува). В на­стоящее время бензиновые двигатели с прямым впрыском топлива, оборудованные турбоком­прессорами, приводимыми в действие отрабо­тавшими газами, практически достигли уровня двигателей с нагнетателями с механическим приводом в отношении скорости увеличения давления наддува в переходных режимах.

В настоящее время для повышения мощности и крутящего момента бензиновых двигателей с небольшим рабочим объемом при относительно небольшой частоте вращения коленчатого вала применяются комбинации механического над­дува и турбонаддува с использованием отрабо­тавших газов (комбинированный наддув).

В то время как турбокомпрессор, приво­димый в действие отработавшими газами, с изменяемой геометрией турбины является стандартным нагнетателем для дизельных двигателей, высокие температуры и затраты, связанные с использованием этой технологии, до сих пор позволяют использовать ее для бензиновых двигателей только в ограниченной степени, в некоторых сегментах рынка.

В отношении содержания вредных веществ в отработавших газах и расхода топлива, а также иных рабочих характеристик важность турбонаддува при помощи турбокомпрессо­ров, приводимых в действие отработавшими газами, на разрабатываемых новых двигателях с малым рабочим объемом и уменьшенным количеством цилиндров будет возрастать. Сегодня мы наблюдаем резкий рост выпуска бензиновых двигателей с турбонаддувом, и в течение нескольких следующих лет ожидается Резкий рост этого сектора рынка

Что такое турбокомпрессор?

Турбокомпрессор — основной компонент системы агрегатного наддува двигателей внутреннего сгорания, агрегат для повышения давления во впускном тракте двигателя за счет энергии отработавших газов.

Турбокомпрессор применяется для повышения мощности двигателя внутреннего сгорания без коренного вмешательства в его конструкцию. Данный агрегат повышает давление во впускном тракте двигателя, обеспечивая подачу в камеры сгорания увеличенного количества топливно-воздушной смеси. В этом случае сгорание происходит при более высокой температуре с образованием большего объема газов, что приводит к повышению давления на поршень и, как следствие, к росту крутящего момента и мощностных характеристик двигателя.

Применение турбокомпрессора позволяет увеличить мощность двигателя на 20-50% с минимальным увеличением его стоимости (а при более значительных доработках рост мощности может достигать 100-120%). Благодаря своей простоте, надежности и эффективности системы наддува на основе турбокомпрессоров находят самое широкое применение на всех типах транспортных средств с ДВС.

Оставить комментарий:

—>Автозапчасти и СТО —>

Для более ясного представления о том, как работает турбина в автомобиле, прежде всего необходимо ознакомится с принципом работы двигателя внутреннего сгорания. Сегодня, основная масса грузовых и легковых автомобилей оснащаются 4-х тактными силовыми агрегатами, работа которых контролируется впускными и выпускными клапанами.

Каждый из рабочих циклов такого двигателя состоит из 4 тактов, при которых коленвал делает 2 полных оборота.

Впуск — при этом такте осуществляется движение поршня вниз, при этом в камеру сгорания поступает смесь топлива и воздуха (если это бензиновый двигатель) или только воздуха в случае если это дизельный агрегат.

Компрессия — при этом такте происходит сжатие горючей смеси.

Расширение — на этом этапе происходит воспламенение горючей смеси при помощи искры, вырабатываемой свечами. В случае с дизельным двигателем, воспламенение осуществляется произвольно под действием высокого давления впрыска.

Выпуск — поршень двигается вверх, при этом освобождаются выхлопные газы.

Такой принцип работы двигателя определяет следующие способы повышения его эффективности:

— Установка турбонаддува — Увеличение рабочего объёма двигателя — Увеличение числа оборотов коленчатого вала двигателя

Использование на атомных станциях

Конструкцию турбины на атомных станциях можно рассмотреть на примере установок насыщенного пара, они находятся только на объектах, на которых применяется водяной теплоноситель. В этом случае нужно отметить, что изначальные показатели турбин на АЭС отличаются низкими параметрами. Это вынуждает использовать больше рабочего вещества, чтобы достигнуть требуемого результата. Помимо того, из-за этого появляется высокая влажность, быстро нарастающая по ступеням турбины. Это приводит к тому, что на атомных станциях применяются внешние влагоулавливающие и внутритурбинные конструкции.

Из-за повышенной влажности пара понижается КПД, а также очень быстро развивается коррозийный износ проточных элементов. Чтобы не допустить этой проблемы, приходится применять разные способы укрепления поверхности. К этим методам относится электроискровая шлифовка, закаливание, хромирование. Если на остальных объектах можно установить простейшую конструкцию турбин, то на атомной станции необходимо подумать не только о защите от коррозийных процессов, но и о выводе влаги.

Самым эффективным вариантом вывода излишней влаги из турбины является отбор пара, он передается на регенеративные подогреватели. Здесь нужно сказать, что если эти отборы находятся после каждой ступени расширения, то нет необходимости дополнительно разрабатывать внутритурбинные влагоулавливатели. Также необходимо отметить, что допустимая норма влажности пара рассчитывается с учетом размера лопатки и ее скорости вращения.

Стоит ли игра свеч

Многие уверены, что установка турбины – это дело двух часов. Но в результате увеличится продуктивность, а вместе с ней и нагрузки на двигатель – без замены основных элементов не обойтись.

Отзывы говорят, что придется менять форсунки. С турбиной устанавливают более производительные. Также меняют топливный насос, устанавливают новую выхлопную систему – с трубами большего диаметра. Дальше меняют лямбда-зонд. Дополнительно нужно найти подходящее место под монтаж интеркулера. Меняют и поршневую систему, улучшают систему охлаждения. Кроме всего этого, необходимо обеспечить приток масла к турбине, уменьшить степень сжатия ДВС, поменять распределительные валы, установить усиленные опоры двигателя.

Но это еще не все. Когда двигатель собран, появляется следующий неприятный момент – оказывается, что на штатном ЭБУ агрегат даже не заведется. Работают такие моторы с дорогими перенастраиваемыми блоками управления. Нужно менять прошивку – говорят отзывы.

Виды турбин

Турбины бывают нескольких видов.

  • Традиционный. Наиболее простой тип турбокомпрессора. Его устройство и принцип действия описаны выше.
  • С изменяемой геометрией. В этой разновидности устройства регулировка объема поступающих на турбинное колесо отработавших газов осуществляется не за счет впускного клапана, а за счет изменения положения лопастей колеса. Таким образом, удается максимально точно согласовать нагнетание воздуха в цилиндры и количество оборотов. Чаще всего подобная конструкция используется на дизельных моторах. Однако ее применяют и на бензиновых (обычно на гоночных автомобилях).
  • Раздельный (также его называют twin-scroll). Отличительная особенность этой разновидности турбины заключается в том, что на крыльчатку отработавшие газы поступают сразу несколькими путями. Обычно для этого используется пара трубок (по 2 на каждую пару цилиндров). Одна из них предназначена для быстрого реагирования прибора, а вторая – для постоянного поддержания мощности двигателя на достаточном уровне.
  • Электрический. В отличие от всех остальных разновидностей турбокомпрессоров, электрический работает на за счет выхлопных газов, а от электродвигателя. Он, в свою очередь, запитывается от бортовой электросети транспортного средства. Подобная конструкция позволяет максимально эффективно регулировать нагнетание воздуха в цилиндры – ведь теперь оно не зависит от давления отработавших газов. Чаще всего сегодня электрокомпрессоры устанавливают на гибридные авто.
  • Гибридные. Отличается тем, что представляют собой смесь традиционного и электрического компрессора. Основную часть воздушного потока генерирует именно турбина. Однако если его недостаточно, начинает работать электрический нагнетатель и помогает турбокомпрессору. В результате удается добиться максимально стабильной работы приспособления.
  • Механический. Строго говоря, этот тип нагнетателя не является турбинным, хотя и выполняет ту же самую функцию. Он работает не за счет выхлопных газов, а за счет энергии двигателя. Она передается с карданного вала посредством приводного ремня. Главный недостаток устройств, созданных по этой схеме, заключается в том, что они отнимают часть полезной энергии у мотора и в целом менее эффективны, чем турбины.

Устройство турбокомпрессора

Конструкция состоит из следующих элементов:

  • Корпус. Представляет собой стальной короб, в который монтируют все остальные детали. Изготавливается из термостойких материалов (обычно стали), так как через компрессор проходят раскаленные отработавшие газы.
  • Колесо турбины. Представляет собой колесо с лопастями, зафиксированное на вале. Когда через лопасти проходят выхлопные газы, колесо начинает вращаться. Также изготавливается из термостойких сплавов.
  • Компрессионное колесо. Выполняет функцию, противоположную турбинному – нагнетает воздух в цилиндры. Закреплено на противоположном конце вала. Поскольку в области компрессионного колеса температура близка к нормальной, чаще всего его изготавливают из алюминиевого сплава. Это позволяет предотвратить потери энергии во время вращения. Обычно со стороны компрессионного колеса имеется отверстие, через которое и происходит забор атмосферного воздуха. Однако на некоторых моделях транспортных средств эта часть приспособления присоединена к воздухофильтру. Это помогает избежать попадания внутрь цилиндров пыли и других загрязнений, которые могу негативно отразиться на их работе.
  • Вал. Проходит через весь корпус приспособления. Представляет собой ось, которая соединяет турбинное и компрессионное колеса. Обеспечивает передачу вращения от одной детали к другой.
  • Подшипники. Обеспечивают свободное вращение вала внутри корпуса.
  • Клапан. Представляет собой клапан, который регулирует количество поступающих на вал турбины выхлопных газов. Чем оно выше, тем больше объем воздуха, поступающего в цилиндры. Положение клапана регулируется блоком управления на основе показаний датчиков, что не требует участия водителя в работе устройства.

Оба колеса и вал составляют единый узел – ротор турбинного компрессора. Это обусловлено тем, что они жестко связаны воедино.

Компрессор обычно располагается в непосредственной близости от цилиндроблока. Это обеспечивает максимально короткий путь отработавших газов до устройства. Благодаря этому они теряют минимум своей энергии и обеспечивают наиболее эффективное вращение крыльчатки.

  • По популярности
  • Сначала дешёвые
  • Сначала дорогие
  • По рейтингу и цене
  • По размеру скидки

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.

Особенности применения

Несмотря на то, что сам по себе компрессор практически не выходит из строя, периодически возникают ситуации, когда его работа останавливается.

В настоящее время чаще всего причиной остановки работы турбокомпрессора стало то, что центральный картридж турбины забивается маслом. Чаще всего такая неполадка возникает из-за того, что после продолжительных и серьезных нагрузок на турбонаддув его работа резко прекращается. Для того чтобы избавиться от данной неприятности, необходимо устанавливать водяную систему охлаждения. Магистрали данной системы будут создавать эффект поглощения тепла, что позволит снизить температуру в центральном картридже. Стоит заметить, что этот эффект будет происходить некоторое время и после полной остановки двигателя, а также после полного прекращения циркуляции охлаждающей жидкости.

Общие сведения

Кратко устройство и строение паровой турбины выглядит следующим образом. На вал крепится диск, куда закрепляются лопатки. Возле этих элементов также находятся трубы сопла, через которые подается пар. Во время его подачи он создает некоторое давление на лопатки, что приводит к его вращению.

Сегодня в этом оборудовании обычно применяется несколько дисков, находящихся на общем валу. При использовании этой конструкции энергия пара, которая проходит через все диски, частично передается этим элементам.

Достоинства турбинных установок:

  • коэффициент полезного действия равен одной заданной величине;
  • могут работать на различных видах топлива: твердое, жидкое, газовое;
  • большой ресурс;
  • огромный диапазон мощностей;
  • широкий выбор теплоносителя.

В основном эти агрегаты используются на тепловых и атомных электростанциях, также они нашли применение на морских судах.

Оцените статью
Рейтинг автора
5
Материал подготовил
Илья Коршунов
Наш эксперт
Написано статей
134
Добавить комментарий