Bitavtoptz.ru

Бит Авто
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Принцип работы турбины. Как работает турбонаддув в автомобиле 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 Как работает турбина в автомобиле? 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. 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

Принцип работы турбины. Как работает турбонаддув в автомобиле

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

Как работает турбина в автомобиле?

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.

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.

Читайте так же:
Как сделать гусеницу на снегоход

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.

Как работает турбокомпрессор.

Как работает турбокомпрессор.
Турбокомпрессоры часто применяются в дизельных автомобилях. Турбина может существенно увеличить мощность автомобиля, без особого увеличения веса, этот факт делает её очень популярной. Давайте вкратце рассмотрим как это происходит.
В процессе горения участвует кислород, а турбокомпрессор позволяет сжимать воздух, поступающий в цилиндр. Таким образом, становится возможно больше воздуха поместить в цилиндр, а больший объём воздуха позволит большему количеству топлива сгореть. Теоретически, теперь каждый цилиндр может отдать больше мощности при сгорании топлива и увеличить соотношение мощность-вес двигателя.
Турбокомпрессор, используя энергию отработавших газов, раскручивает турбину, которая раскручивает воздушный насос. Скорость вращения турбины достигает 150 000 оборотов в минуту, что примерно в 30 раз превышает скорость вращения двигателя автомобиля.

Работа двигателя с турбокомпрессором .
Самый простой способ увеличить мощность двигателя, это увеличить количество воздуха и топлива, поступающего в двигатель. Один из способов это добавление цилиндров, или увеличение их объёма. Иногда, внести такие изменения нет возможности и проще установить турбину.
Турбокомпрессор позволяет двигателю сжигать больше топлива, «упаковывая» больше воздуха в уже имеющийся цилиндр. Типичное значение увеличения давления составляет от 6 до 8 фунтов на квадратный дюйм. При нормальном атмосферном давлении 14,7 фунта на квадратный дюйм, несложно подсчитать, что мы получаем прирост воздуха, поступающего в двигатель, более 50%.
Теоретически мы ожидаем получить прирост мощности около 50%. В реальной жизни можно получить от 30 до 40%. Одной из причин такого несовпадения является то, что для раскрутки турбины требуется энергия.
Как работает турбокомпрессор.
Устройство турбокомпрессора.
Турбокомпрессор крепится к выпускному коллектору двигателя. Выхлопные газы раскручивают турбину, которая работает как газотурбинный двигатель.
Турбина соединена валом с компрессором, который располагается между воздушным фильтром и впускным коллектором. Компрессор — это тип центробежного насоса, который втягивает воздух своими лопастями и толкает его наружу. Он увеличивает давление воздуха, поступающего в цилиндр. Выхлопные газы проходят через лопасти турбины, заставляя её вращаться, и чем больше выхлопных газов проходит через лопасти, тем больше скорость вращения.
Для вращения со скоростью 150 000 об/м вал должен хорошо поддерживаться.
Большинство подшипников просто не выдержат таких скоростей и разрушатся, поэтому используются гидравлические подшипники. Это тип подшипника в котором непосредственную нагрузку от вала воспринимает тонкий слой жидкости. Таким образом, решается два вопроса: первый — это охлаждение вала и остальных частей турбогенератора, второй — это уменьшение трения между валом и другими частями.

Основные части турбокомпрессора.
Одна из проблем связанная, с турбокомпрессором состоит в том, что он не обеспечивает мгновенное увеличение мощности при нажатии на педаль газа. Один из способов уменьшить это отставание — это уменьшить инерцию вращающихся частей, в основном за счёт уменьшения их массы и размера. Это позволит турбине и компрессору быстрее ускоряться. Меньший турбокомпрессор будет обладать лучшей приёмистостью на низких оборотах двигателя, но не будет в состоянии дать значительный прирост на высоких оборотах. Также существует опасность разрушения турбины и компрессора на слишком больших оборотах.

Большинство автомобильных турбокомпрессоров оснащены перепускными клапанами (wastegate), который позволяет использовать турбокомпрессор меньшего размера, сокращая задержку и предотвращая слишком быстрое вращение на высоких оборотах. Wastegate — это клапан, который позволяет выхлопным газам обходить турбину, он чувствителен к давлению наддува. Если давление становится слишком высоким, это показатель того, что турбина вращается слишком быстро, таким образом, перепускной клапан создаёт путь для обхода выпускными газами, лопастей турбины.
Некоторые турбокомпрессоры используют шариковые подшипники для поддержки вала турбины. Но это необычные шариковые подшипники, это высоко прецизионные шариковые подшипники, сделанные из улучшенных материалов, способные справиться с высокой скоростью и температурой. Они позволяют валу турбины вращаться с меньшим трением, чем гидродинамические подшипники, применяемые в большинстве турбокомпрессоров.
Они также позволяют слегка уменьшить и облегчить используемый вал, что позволяет турбине быстрее ускоряться, ещё больше уменьшая отставание.
Керамические лопасти турбины легче чем металлические, применяющиеся в большинстве турбокомпрессоров, они тоже способствуют более быстрому ускорению и уменьшению задержки.
Как работает турбокомпрессор.
В некоторых двигателях применяют два турбокомпрессора разных размеров. Меньший раскручивается очень быстро, тем самым уменьшая отставание, а больший схватывает на более высоких оборотах, чтобы обеспечить больший прирост мощности.
При сжатии давление воздуха увеличивается, а температура повышается. Чтобы увеличить мощность двигателя, необходимо увеличить количество молекул воздуха в цилиндре, необязательно повышая давление. Интеркулер — это система для охлаждения нагнетаемого воздуха, является дополнительным компонентом, который выглядит как радиатор. Входящий воздух движется через герметичные проходы внутри охладителя, в то время как холодный воздух, нагнетаемый лопастями вентилятора, обдувает радиатор. Интеркулер дополнительно увеличивает мощность двигателя, охлаждая нагнетаемый турбиной воздух, прежде чем он попадёт в двигатель.
Турбокомпрессор помогает двигателю работать на высоте, где воздух менее плотный. Обычные двигатели будут иметь пониженную мощность на больших высотах, потому что в двигатель на каждом такте будет поступать меньше кислорода.
На старых авто с карбюратором, автоматически увеличивается подача топлива при увеличении воздуха, поступающего в цилиндры. В современных инжекторных двигателях то же есть такой механизм, он основан на анализе выхлопных газов с помощью датчиков кислорода, так же известных как лямбда-зонд.
Если турбокомпрессор поставить на инжекторную машину, система топливоподачи может не обеспечить достаточное количество топлива. Причин может быть две: либо программное обеспечение не позволит сделать это, либо топливный насос.

А вы знаете что.
средняя температура возле турбинного колеса: в дизельных двигателях 800 градусов Цельсия, а в бензиновых 1000 градусов! Такой температуры хватит чтобы расплавить стекло!
ротор турбокомпрессорного двигателя нового поколения может вращаться со скоростью до 220000 об./мин. Для примера ротор реактивного двигателя самолёта Боинг 747 крутится со скоростью 7000 об./мин.
Турбокомпрессор раскручивается с 20000 до 150000 менее чем за 1 сек.

Принцип действия активной и реактивной ступеней турбины. Преобразование энергии пара

Турбинной ступенью называется совокупность неподвижного ряда сопловых (направляющих) лопаток, в каналах которых происходит расширение и ускорение потока пара (преобразование потенциальной энергии пара в кинетическую энергию движущейся струи пара), и следующего за ним подвижного вращающегося ряда рабочих лопаток, в которых кинетическая энергия движущегося потока пара преобразуется в механическую энергию вращения ротора.

Читайте так же:
Как сделать манипулятор своими руками

Простейшая одноступенчатая активная турбина (рис. 42.а) состоит из ряда неподвижных сопловых лопаток, образующих сужающиеся каналы – сопла в дозвуковых турбинах, и сужающе-расширяющиеся сопла – в сверхзвуковых турбинах. В каналах соплового аппарата потенциальная энергия пара преобразуется в кинетическую энергию движущейся струи, при этом происходит расширение пара и он с большой скоростью поступает в каналы, образованные рабочими лопатками. Так как каналы рабочих лопаток активной турбины имеют постоянное (по ходу движения пара) проходное сечение, то расширения пара в них не происходит. В каналах рабочих лопаток пар только изменяет направление движения, оказывая силовое воздействие на рабочие лопатки, закрепленные на диске. Усилие, развиваемое паром на рабочих лопатках, через диск передается на вал турбины, приводя его во вращение. Вал турбины вращается в подшипниках, установленных в корпусе. Корпус турбины образует замкнутое пространство, организуя движение пара и препятствуя его рассеянию в окружающую среду. Пройдя ряд сопловых и рабочих лопаток, отработавший пар покидает корпус турбины, и через выхлопной патрубок поступает в главный конденсатор (у конденсационных турбин) или в магистраль отработавшего пара (у противодавленческих турбин). Каналы рабочих и сопловых лопаток составляют проточную часть турбины.

Принцип действия реактивной турбины (рис. 42.б) несколько иной. На пустотелый вал насажены пустотелые спицы, заканчивающиеся в радиальных направлениях соплами. Пар поступает по валу и спицам к соплам, разгоняется в них до больших скоростей, и при истечении через сопла оказывает реактивное воздействие на спицы, приводя во вращение вал.

К принципу действия активной (а) и реактивной (б) турбины.

Описанная конструкция реактивной турбины из-за огромной частоты вращения на практике не применяется. Наибольшее распространение в судовых паротурбинных установках нашли реактивные турбины, использующие рассмотренный выше принцип работы, но схожие по своему устройству с активными турбинами. В таких реактивных турбинах расширение пара осуществляется как в направляющем аппарате, так и на рабочих лопатках.

Активная турбинная ступень

В активной турбине (рис. 43) свежий пар с начальными параметрами: давлением p , температурой t и абсолютной скоростью c , подводится к сопловому аппарату (сечение 0). В каналах соплового аппарата происходит расширение пара, в результате чего скорость потока пара на выходе из сопл (сечение 1) увеличивается до значения c 1 , а давление снижается до значения p1. С этой скоростью пар поступает в каналы, образованные рабочими лопатками. В каналах рабочих лопаток происходит изменение направления движения потока пара без его расширения. Абсолютная скорость пара на выходе из каналов рабочих лопаток (сечение 2) уменьшается до величины выходной скорости c2 , а давление пара остается равным значению p1 . В результате обтекания рабочих лопаток и поворота потока пара возникает сила, направленная от вогнутой поверхности лопатки в сторону выпуклой, передающаяся через диск на вал и создающая крутящий момент на валу турбины. Диск турбины приходит во вращение, при этом рабочие лопатки на среднем диаметре движутся с окружной скоростью u .

На диаграмме i — s начальным параметрам пара на входе в сопловый аппарат соответствует точка A . Теоретически (без учета потерь) процесс расширения пара в сопловом аппарате от давления p до давления p1 протекает изоэнтропно. Параметрам пара после соплового аппарата при изоэнтропном расширении соответствует точка АНt , а сам процесс расширения выглядит как вертикальная линия A — AНt .

Разность значений энтальпии в начальной и конечной точках при изоэнтропном расширении пара представляет собой располагаемый (изоэнтропийный) теплоперепад в сопловом аппарате –hai . В реальных условиях при движении пара через проточную часть турбины неизбежны потери энергии. Процесс расширения пара в этом случае не является изоэнтропным, а точка, характеризующая действительные параметры пара за соплами – АН , смещается вправо по изобаре p1 на величину потерь энергии в сопловом аппарате – qН.

В каналах рабочих лопаток активной турбины расширения пара не происходит, поэтому значения давлений пара на входе в каналы рабочих лопаток и на выходе из них одинаковы. На диаграмме i — s действительные параметры пара на выходе из рабочих лопаток обозначены точкой АР , а процесс, протекающий изобарно в каналах рабочих лопаток – линией AH — AP. Точка АР отстоит от точки АН на величину потерь энергии – qР .

Принцип действия и процесс расширения пара в активной турбинной ступени.

Пар, выходящий из каналов рабочих лопаток, обладает конечной скоростью c2 и уносит с собой некоторую часть кинетической энергии. Эта энергия пара не используется в турбине и называется потерей с выходной скоростью – qA . Действительные параметры пара на выходе из турбины характеризуются точкой Aa .

Весь располагаемый теплоперепад ha , срабатываемый в активной турбине, полностью срабатывается в сопловом аппарате: ha = haH.

Реактивная турбинная ступень

В реактивной турбине (рис. 44) свежий пар с начальными параметрами: p , t , и абсолютной скоростью c, подводится к направляющему аппарату (сечение 0). В сужающихся каналах направляющего аппарата происходит расширение пара, в результате чего на выходе из него (сечение 1) скорость потока пара увеличивается до значения c1, а его давление снижается до значения p1. С этой скоростью пар поступает к рабочим лопаткам турбины. В реактивной турбине рабочие лопатки образуют сужающиеся каналы, в результате чего в них происходит дальнейшее расширение пара. При этом на выходе из лопаток (сечение 2) давление пара снижается до величины p2 , а скорость потока пара – до значения c2. При обтекании потоком пара рабочих лопаток и повороте потока на рабочих лопатках возникает сила, направленная от вогнутой поверхности лопатки к выпуклой. Вместе с тем, при расширении и ускорении потока пара, в каналах рабочих лопаток возникает дополнительная реактивная сила, воздействующая на них в том же направлении. Суммарное усилие, действующее на рабочие лопатки, передается валу турбины и создает на нем крутящий момент. Ротор турбины приходит во вращение, при этом рабочие лопатки на среднем диаметре движутся с окружной скоростью u .

Принцип действия и процесс расширения пара в реактивной турбинной ступени

Теоретический процесс расширения пара в реактивной турбине протекает изоэнтропно и изображается на диаграмме i — s в виде вертикальной линии Ао – А2t(рис. 44). Линия Ao – A1t на диаграмме изображает теоретический процесс расширения пара в каналах направляющего аппарата. При расширении пара в направляющем аппарате срабатывается теплоперепад – hai. Фактически процесс расширения пара в направляющем аппарате протекает по линии A — AH, а точка AI характеризует действительные параметры пара на выходе из направляющего аппарата. Точка AÍ отстоит от теоретической A1t на величину потерь – qÍ . Дальнейший процесс расширения пара в каналах рабочих лопаток начинается из точки AÍ , и при изоэнтропийном расширении выглядит как вертикальная линия AH — Apt . При расширении пара в каналах рабочих лопаток срабатывается теплоперепад had . Фактически процесс расширения пара в каналах рабочих лопаток протекает по линии Ah — Ap , а точка AР характеризует действительные параметры пара за выходной кромкой рабочих лопаток. Точка AР отстоит от теоретической AРt на величину потерь – qÐ . По аналогии с активной турбиной, в реактивной также имеют место потери с выходной скоростью – q , при этом действительные параметры пара за реактивной турбиной описываются состоянием рабочего тела в точке A .

Читайте так же:
Как сделать понижающий редуктор своими руками

В отличие от активной, в реактивной турбине весь располагаемый теплоперепад – hà срабатывается частично в направляющем аппарате – hàÍ , частично на рабочих лопатках – hàÐ .

Степенью реактивности турбинной ступени – p называется отношение величины изоэнтропийного теплоперепада на рабочих лопатках к сумме располагаемых изоэнтропийных теплоперепадов на направляющих и рабочих лопатках, которая примерно равна располагаемому теплоперепаду всей турбинной ступени:

Таким образом, чем больше степень расширения пара в каналах рабочих лопаток, тем больше степень реактивности турбинной ступени:

P = 0 – для чисто активных турбин (расширение пара происходит только в сопловом (направляющем) аппарате: haD = 0; ha = haI

P = 0,5 – для чисто реактивных степеней (расширение пара происходит в равной степени в направляющем аппарате и рабочих лопатках: haI = haD).

В настоящее время в турбостроении чисто активные ступени не применяются ввиду сложности подвода пара к рабочим лопаткам (пар должен поступать перпендикулярно плоскости лопаток). В действительности активные турбины всегда имеют некоторую степень реактивности – p = 0,03 ÷ 0,2 , что позволяет снизить величину потерь энергии в турбинной ступени. Поэтому когда речь идет об активных и реактивных турбинах, в большей степени имеют ввиду конструктивные отличия в исполнении проточных частей этих типов паровых турбин.

Литература

Судовые энергетические установки. Котлотурбинные энергетические установки. Болдырев О.Н. [2004]

Принцип работы турбины на дизельном двигателе

Принцип работы турбины на дизельном двигателе

Турбонаддув обязан свои появлением пресловутой немецкой рачительности и практичности во всём. Ещё Рудольфу Дизелю и Готлибу Даймлеру, в конце XIX века, не давал покоя такой вопрос. Как же так: выхлопные газы просто так выбрасываются в трубу, а энергия, которой они обладают, не приносит никакой пользы? Непорядок… В веке двадцать первом, двигатели, оснащённые турбиной, давно перестали быть экзотикой и используются повсеместно, на самой разной технике. Почему турбины получили распространение прежде всего на дизельных двигателях и каков принцип работы этих полезных агрегатов, разберём далее – в строго научно-популярной, но наглядной и понятной каждому форме.

Об истории изобретения и внедрения турбонаддува

Итак, идея «пустить в дело» энергию отработанных выхлопных газов появилась уже вскоре после изобретения и успешных опытов применения двигателей внутреннего сгорания. Немецкие инженеры и первопроходцы автомобиле- и тракторостроения, во главе с Дизелем и Даймлером, провели первые опыты по повышению мощности двигателя и снижению расхода топлива с помощью нагнетания сжатого воздуха от выхлопов.

Об истории изобретения и внедрения турбонаддува

Готдиб Даймлер выпускал вот такие автомобили, а уже задумывался о внедрении системы турбонаддува

Но первым, кто построил первый эффективно работающий турбокомпрессор, стали не они, а другой инженер – Альфред Бюхи. В 1911 году он получил патент на своё изобретение. Первые турбины были таковы, что использовать их было возможно и целесообразно только на крупных двигателях (например, судовых).

Далее турбокомпрессоры начали использоваться в авиационной промышленности. Начиная с 30-х годов ХХ века, в Соединённых Штатах регулярно запускались в «серию» военные самолёты (как истребители, так и бомбардировщики), бензиновые двигатели которых были оснащены турбонагнетателями. А первая в истории грузовая автомашина с турбированным дизельным мотором была сделана в 1938 году.

В 60-е годы корпорация «Дженерал Моторс» выпустила первые легковые «Шевроле» и «Олдсмобили» с бензиновыми карбюраторными двигателями, оснащёнными турбонаддувом. Надежность тех турбин была невелика, и они быстро исчезли с рынка.

Об истории изобретения и внедрения турбонаддува 01

Oldsmobile Jetfire 1962 года – первый серийный автомобиль с турбонаддувом

Мода на турбированные моторы вернулась на рубеже 70-х/80-х, когда турбонаддув начали широко использовать в создании спортивных и гоночных автомобилей. Приставка «турбо» стала чрезвычайно популярной и превратилась в своеобразный лейбл. В голливудских фильмах тех лет супергерои нажимали на панелях своих суперкаров «магические» кнопки «турбо», и машина уносилась вдаль. В реальной же действительности турбокомпрессоры тех лет ощутимо «тормозили», выдавая существенную задержку реакции. И, кстати, не только не способствовали экономии топлива, а наоборот, увеличивали его расход.

Труженик советских полей – трактор К-701 «Кировец» с турбонаддувом

Первые действительно успешные попытки внедрения турбонаддува в производство автомобильных двигателей серийного производства осуществили в начале 80-х годов «SAAB» и «Mercedes». Этим передовым опытом не замедлили воспользоваться и другие мировые машиностроительные компании.

Почему в итоге турбины получили распространение именно на дизельных, а не бензиновых двигателях? Потому что дизельные моторы имеют гораздо большую степень сжатия воздуха, а их выхлопные газы – более низкую температуру. Соответственно, требования к жаропрочности турбины гораздо меньше, а её стоимость и эффективность использования – гораздо больше.

Устройство системы турбонаддува

Система турбонаддува состоит из двух частей: из турбины и турбокомпрессора. Турбина служит для преобразования энергии отработанных газов, а компрессор – непосредственно для подачи многократно сжатого атмосферного воздуха в рабочие полости цилиндров. Главные детали системы – два лопастных колеса, турбинное и компрессорное (так называемые «крыльчатки»). Турбокомпрессор представляет собой технологичный насос для воздуха, приводимый в действие вращением ротора турбины. Единственная его задача – нагнетание сжатого воздуха в цилиндры под давлением.

Составные части устройства турбонаддува:

  • корпус компрессора;
  • компрессорное колесо;
  • вал ротора, или ось;
  • корпус турбины;
  • турбинное колесо;
  • корпус подшипников.

Основа системы турбонаддува – это ротор, закреплённый на специальной оси и заключённый в особый жаропрочный корпус. Беспрерывный контакт всех составных частей турбины с чрезвычайно раскалёнными газами определяет необходимость создания как ротора, так и корпуса турбины из специальных жаропрочных металлосплавов.

Устройство системы турбонаддува

Крыльчатка и ось турбины вращаются с очень высокой частотой и в противоположных направлениях. Это обеспечивает плотный прижим одного элемента к другому. Поток отработанных газов проникает вначале в выпускной коллектор, откуда попадает в специальный канал, что расположен в корпусе турбо-нагнетателя. Форма его корпуса напоминает панцирь улитки. После прохождения этой «улитки» отработанные газы с разгоном подаются на ротор. Так и обеспечивается поступательное вращение турбины.

Принцип работы турбины на дизельном двигателе

Ось турбонагнетателя закреплена на специальных подшипниках скольжения; смазка осуществляется подачей масла из системы смазки моторного отсека. Уплотнительные кольца и прокладки препятствуют утечкам масла, а также прорывам воздуха и отработанных газов, а также их смешиванию. Конечно, полностью исключить попадание выхлопа в сжатый атмосферный воздух не удаётся, но в этом и нет большой необходимости…

Как работает турбина дизельного двигателя

Мощность любого двигателя и производительность его работы зависит от целого ряда причин. А именно: от рабочего объёма цилиндров, от количества подаваемой воздушно-топливной смеси, от эффективности её сгорания, а также от энергетической части топлива. Мощность двигателя возрастает пропорционально росту количества сжигаемого в нём за определённую единицу времени горючего. Но для ускорения сгорания топлива необходимо увеличение запаса сжатого воздуха в рабочих полостях мотора.

То есть, чем больше за единицу времени сжигается горючего, тем большее количество воздуха потребуется «впихнуть» в мотор (не очень красивое слово «впихнуть» здесь, тем не менее, очень хорошо подходит, поскольку сам мотор не справится с забором избыточного количества сжатого воздуха, и фильтры нулевого сопротивления в этом ему не помогут).

Читайте так же:
Как сделать санки своими руками

Как работает турбина дизельного двигателя

В этом, повторимся, и состоит основное назначение турбонаддува – в наращивании подачи воздушно-топливной смеси в камеры сгорания. Это обеспечивается нагнетанием сжатого воздуха в цилиндры, которое происходит под постоянным давлением. Оно происходит вследствие преобразования энергии отработанных газов, проще говоря, из бросовой и утерянной – в полезную. Для этого, прежде чем выхлопные газы должны быть выведены в выхлопную трубу, а далее и, соответственно, в атмосферу, их поток направляется через систему турбокомпрессора.

Этот процесс обеспечивает раскручивание колеса турбины («крыльчатки»), снабжённого специальными лопастями, до 100-150ти тысяч оборотов в минуту. На одном валу с крыльчаткой закреплены и лопасти компрессора, которые нагнетают сжатый воздух в цилиндры двигателя. Полученная от преобразования энергии выхлопных газов сила используется для значительного увеличения давления воздуха. Благодаря чему и появляется возможность впрыскивания в рабочие полости цилиндров гораздо большего количества топлива за фиксированное время. Это даёт значительное увеличение как мощности, так и КПД дизеля.

Как работает турбина дизельного двигателя 01

Дизельная турбина в разрезе

Проще говоря, турбосистема содержит две лопастных «крыльчатки», закреплённых на одном общем валу. Но находящихся при этом в отдельных камерах, герметично отделённых друг от друга. Одна из крыльчаток вынуждена вращаться от постоянно поступающих на её лопасти выхлопных газов двигателя. Поскольку вторая крыльчатка с нею жёстко связана, то и она также начинает вращаться, захватывая при этом атмосферный воздух и подавая его в сжатом виде в цилиндры двигателя.

Необходимые дополнения в состав системы турбонаддува: клапаны, интеркулер

Не один десяток лет потребовался инженерам, чтобы создать действительно эффективно работающий турбокомпрессор. Ведь это только в теории всё выглядит гладко: от преобразования энергии отработанных газов можно «вернуть» утерянный процент КПД и значительно увеличить мощность двигателя (например, со ста до ста шестидесяти лошадиных сил). Но на практике подобного почему-то не получалось.

Кроме того, при резком нажатии на акселератор приходилось ждать увеличения оборотов мотора. Оно происходило только через некоторую паузу. Рост давления выхлопных газов, раскрутка турбины и загонку сжатого воздуха происходили не сразу, а постепенно. Данное явление, именуемое «turbolag» («турбояма») никак не удавалось укротить. А справиться с ним получилось, применив два дополнительных клапана: один – для перепускания излишнего воздуха в компрессор через трубопровод из двигательного коллектора. А другой клапан – для отработанных газов. Да и в целом, современные турбины с изменяемой геометрией лопаток даже своей формой уже значительно отличаются от классических турбин второй половины ХХ века.

Необходимые дополнения в состав системы турбонаддува: клапаны, интеркулер

Дизельный турбокомпрессор «Бош»

Другая проблема, которую пришлось решать при развитии технологий дизельных турбин, состояла в избыточной детонации. Детонация эта возникала из-за резкого увеличения температуры в рабочих полостях цилиндров при нагнетании туда дополнительных масс сжатого воздуха, особенно на завершающей стадии такта. Решать данную проблему в системе призван промежуточный охладитель наддувочного воздуха (интеркулер).

Кроме того, современная система турбонаддува двигателя не обходится без:

  • регулировочного клапана (wastegate). Он служит для поддержания оптимального давления в системе, и для его сброса , при необходимости, в приёмную трубу;
  • перепускного клапана (bypass-valve). Его предназначение – отвод наддувочного воздуха назад во впускные патрубки до турбины, если нужно снизить мощность и дроссельная заслонка закрывается;
  • и/или «стравливающего» клапана (blow-off-valve). Который стравливает наддувочный воздух в атмосферу в том случае, если дроссель закрывается и датчик массового расхода воздуха отсутствует;
  • выпускного коллектора, совместимого с турбокомпрессором;
  • герметичных патрубков: воздушных для подачи воздуха во впуск, и масляных – для охлаждения и смазки турбокомпрессора.

Применение турбонаддува в мировом машиностроении

На дворе двадцать первый век, и никто уже не гонится за тем, чтобы название его легкового автомобиля было с модной в веке ХХ-м приставкой «турбо». Никто и не верит более в «магическую силу турбины» для резкого ускорения автомобиля. Смысл применения и эффективность работы системы турбонаддува всё-таки не в этом.

Применение турбонаддува в мировом машиностроении

Разумеется, наиболее эффективен турбонаддув при его использовании на двигателях тракторов и тяжёлых грузовиков. Он позволяет добавить мощности и крутящего момента без возникновения перерасхода топлива, что очень важно для экономических показателей эксплуатации техники. Там он и используется. Нашли своё широкое применение турбосистемы также на тепловозных и судовых дизелях. И это наиболее мощные из созданных человеком турбин для дизельного двигателя.

ДВИГАТЕЛИ ДЛЯ ЛЕГКОМОТОРНОЙ АВИАЦИИ: СТАРЫЕ ПРОБЛЕМЫ И НОВЫЕ ПЕРСПЕКТИВЫ

В последнее время в России можно наблюдать два процесса, противоположные по направлению. С одной стороны, в частной собственности становится все больше авиатехники различных классов и типов, в основном импортного производства, разрабатываются и строятся отечественные самолеты, упрощаются организационные процедуры производства полетов. А с другой стороны, сокращается количество аэродромов для любительских и тренировочных полетов (особенно вблизи крупных городов), растут цены на авиатехнику. В целом, можно констатировать, что развитие легкомоторного бизнеса в России сильно отстает от европейских государств и США и Канады.

При этом специфика нашей страны с ее огромными пространствами, недостаточно развитыми сетями автомобильных дорог и значительных малонаселенных территорий диктует необходимость в легких ЛА. На государственном уровне этот вопрос периодически всплывает, но дальше деклараций дело не двигается. Частная инициатива сводится в основном к появлению центров обучения пилотов-любителей на основе импортной техники, небольших аэроклубов и авиакомпаний локального или ведомственного характера.

Основой для успешного развития легкомоторной техники является наличие и доступность двигателей различного класса, приспособленных к условиям эксплуатации на просторах нашей Родины.

Стоит ли убеждать кого-либо в том, что нам нужна отечественная авиатехника, а без отечественных же двигателей эти перспективы весьма сомнительны. Что же реально можно сделать сегодня по авиационным моторам?

Освоение в массовом производстве легких и мощных электродвигателей, особенно бесколлекторного типа, а также основных комплектующих (аккумуляторные батареи большой емкости, контроллеры и системы управления) привело к бурному развитию БПЛА самолетного и вертолетного типа (взлетной массой до 10 кг) и систем на их основе во всех промышленно развитых странах мира, и широкому их применению в военной и гражданской областях. Эти двигатели кроме других привлекательных характеристик, имеют также и привлекательные цены. Производители — в основном Китай и страны Юго-Восточной Азии.

По малоразмерным двухтактным (и четырехтактным) двигателям — то же: массовое производство двигателей привело к появлению большого количества БПЛА (ДПЛА) взлетной массой до 100 кг. В России — БПЛА «ШМЕЛЬ», «ТИПЧАК» и др. Топливом является двухтактная смесь бензин-масло (в пропорции 40/1).

Малоразмерные (авиамодельные) ГТД (даже в варианте ТВД и ТВлД) тягой до 20 кг уже представлены на рынке. Также могут использоваться не только в авиамоделях, но и в малоразмерных БПЛА.

Читайте так же:
Как разобрать энергоаккумулятор камаз

Это основные двигатели для пилотируемой любительской авиации, наиболее популярные во всем мире. Имеют массовый спрос, однако отличаются монопольно высокими ценами, что сильно ограничивает их применение в нашей стране. Типичные представители ХИРТ, РОТАКС 503, РОТАКС 582.

Основные типоразмеры двигателей для легкомоторной авиации : в классе мощности от 0,5 до 40 л.с., тип двигателя – электрический или бензиновый двухтактный, назначение – сверхмалые и малые БПЛА, мотопарапланы, взлетная масса – от 0,5 до 120 кг. В классе мощности от 45 до 120 л.с., тип двигателя – бензиновый двухтактный/четырехтактный, назначение – легкие одномоторные и двухмоторные ЛА любительского класса, БПЛА, взлетная масса – от 300 до 1500 кг. В классе мощности от 120 до 300 л.с., тип двигателя – бензиновый четырехтактный, назначение – одно- и двухмоторные самолеты, вертолеты, дирижабли профессионального класса, взлетная масса – от 600 до 3000 кг. В классе мощности от 360 до 420 л.с., тип двигателя – М14(М9Ф) ВМЗ, назначение –спортивные и учебные самолеты, взлетная масса – от 1200 до 2000 кг. В классе мощности от 250 до 450 л.с., тип двигателя – газотурбинный турбовинтовой/турбовальный(со свободной турбиной и редуктором), назначение – одно- и двухмоторные самолеты, вертолеты, дирижабли профессионального класса, взлетная масса – от 1200 до 5000 кг.

В нашей стране в 1990-1995 гг. были разработаны конкурентоспособные двигатели ДД700/45Р (45 л.с.) и ИЖ-МОТИВ-700 (60 л.с.). Серийное производство могло бы разбить монополию зарубежных производителей — их качество и основные характеристики были на необходимом уровне, а по ресурсу, эксплуатационным характеристикам и ремонтопригодности они были лучше приспособлены к условиям эксплуатации в России и странах СНГ. Стоимость для потребителя могла быть втрое ниже, чем у зарубежных конкурентов!

К сожалению, серийное производство организовать не удалось. Отечественные производители и эксплуатанты вынуждены платить непомерно высокую цену за двигатели, что сдерживает развитие легких ЛА. Сегодня обеспечить серийный выпуск этих моторов не представляется возможным, так как производитель основных комплектующих (ИЖМАШ) производство мотоциклетных двигателей закрыл, а других подходящих деталей цилиндропоршневой группы у нас нет.

Наиболее популярными двигателями для любительской авиации сегодня являются четырехтактные четырехцилиндровые двигатели комбинированного охлаждения оппозитные ROTAX 912 (90…115 л.с.) и ROTAX 914 (120…135 л.с.) Эти двигатели по конструкции являются более-менее удачным компромиссом между авиационными и автомобильными, обладают приемлемыми характеристиками. Но для профессиональной авиатехники не используются. Цены на них также можно считать монопольно высокими, так что потребители ищут возможные замены: от Limbach до переделки автомобильных Subaru. Появились также двигатели Jabiru (80 л.с.). Однако полноценной замены на рынке пока нет. Отечественных разработок в этом классе нет, и скорее всего не будет, так как отсутствуют подходящие детали цилиндро-поршневой группы, а налаживать с нуля их серийное производство нерентабельно. О совместном или лицензионном производстве фирма Rotax переговоры вести отказывается!

В классе мощности 120…300 л.с. доминируют четырехтактные «Лайкоминг» и «Теледайн Континентал» (теперь это одна фирма) воздушного и комбинированного охлаждения. Эти моторы уже относятся к категории профессиональных, и серьезная авиатехника (самолеты, вертолеты) используют их повсеместно. Однако для условий нашей страны из-за отсутствия авиационных бензинов их применение весьма ограничено (учебные полеты в зоне аэродрома).

Для российских условий необходимы двигатели профессионального класса, работающие на отечественных автомобильных бензинах, обладающие высокой степенью надежности. Такими двигателями являются моторы «ЛОМ-ПРАГА» (Чехия). Модификации М332С и М337С имеют хорошие весовые характеристики, прекрасные потребительские качества и применяются на отечественных самолетах (Аэроволга ЛА-8, Су-38Л, «Фермер» и др.) и дирижаблях Ау-30. Есть целый ряд проектов новых ЛА, включая вертолеты и экранопланы, а также хорошие перспективы по ремоторизации классических образцов импортной техники. Самолет «Цессна 172ЛОМ» уже 7 лет летает в России. Для более широкого применения необходимо создание сервисно-ремонтных центров в России, есть планы по организации серийного производства двигателей «ЛОМ-ПРАГА» М332С, М337С и воздушных винтов V-541 V-546 на базе ЭМЗ им. Мясищева. Предполагается совместная разработка двигателя М440 мощностью 280…320 л.с. Там же планируется производство некоторых ЛА с этими двигателями.

ДВИГАТЕЛИ ДЛЯ ЛЕГКОМОТОРНОЙ АВИАЦИИ: СТАРЫЕ ПРОБЛЕМЫ И НОВЫЕ ПЕРСПЕКТИВЫ

Так как в России практически полностью утеряны «секреты» разработки и производства поршневых авиадвигателей, участие чешских партнеров в создании такого производства — единственная возможность возродить отечественное двигателестроение и создать базу для разработки и производства отечественных пилотируемых и тяжелых беспилотных ЛА.

Знаменитый двигатель М-14П (и модернизация М9Ф) в небольших количествах еще выпускаются на ВМЗ, однако сегодняшним требованиям для транспортных (коммерческих) ЛА он уже не удовлетворяет. Однако остается непревзойденным для спортивной авиации. Можно надеяться, что его производство сохраниться, а качество не будет ухудшено при модернизациях!

Газотурбинные двигатели все больше применяются для ЛА взлетной массой до 5 т. Наиболее востребованные из них на сегодняшний день PT-6 и Walter M601 в многочисленных исполнениях, однако их мощность великовата для современных потребностей рынка. Необходимы турбовинтовые и турбовальные двигатели мощностью 300…450 л.с. с хорошими показателями надежности и ресурса, а также низкой массой и высокой топливной эффективности. Так, для вертолета «Робинсон 66» фирмой «Ролс-Ройс» разрабатывается двигатель RR300 мощностью 300 л.с. и уже находиться в опытной эксплуатации.

ДВИГАТЕЛИ ДЛЯ ЛЕГКОМОТОРНОЙ АВИАЦИИ: СТАРЫЕ ПРОБЛЕМЫ И НОВЫЕ ПЕРСПЕКТИВЫ

Предприятием «Мотор Сич» и КБ «Прогресс» (Украина) много лет разрабатывается двигатель АИ-450 мощностью до 500 л.с., однако серийно пока не выпускается. Выпускается его версия в качестве ВСУ с заниженными параметрами. Такой двигатель был бы востребован в России для пилотируемой и беспилотной авиатехники.

В нашей стране в конце 80-х годов на базе двигателя МД-120 («Гранит», «Салют») были начаты работы по турбовинтовому и турбовальному двигателям, были созданы и испытаны натурные образцы, однако работы прекратились.

ДВИГАТЕЛИ ДЛЯ ЛЕГКОМОТОРНОЙ АВИАЦИИ: СТАРЫЕ ПРОБЛЕМЫ И НОВЫЕ ПЕРСПЕКТИВЫ

Другие разработки пока находятся на «бумажной» стадии и их реальные перспективы совершенно неопределенные. Такие работы ведутся в КБ ПР «Салют» и в КБ «Аэросила». Двигатели такого класса могут быть востребованы отечественными и зарубежными потребителями и работы в этом направлении проводить совершенно необходимо. В отличие от ситуации с поршневыми моторами, где обойтись без зарубежного опыта сегодня невозможно, для успешной разработки и последующего производства ГТД в нашей стране есть все необходимое. Пока мы можем констатировать, что отсутствуют даже серьезно проработанные ТТ и ТЗ. Так, например, одной из важных особенностей таких двигателей должна быть возможность работы на дизельном топливе!

Заключение

С 1 апреля 2010 г. в центральном регионе России действует уведомительный принцип организации полетов легких ЛА, что открывает перспективы развития легкомоторной авиации. Необходимым условием для этого является серийное производство отечественных авиадвигателей в тех классах и типоразмерах, где возможно рентабельное производство.

А это поршневые авиадвигатели 140…250 л.с. «ЛОМ-ПРАГА» и новые ГТД мощностью 250…450 л.с.

Понравилась статья? Подпишитесь на канал, чтобы быть в курсе самых интересных материалов

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector