Турбина на двигатель: Что такое турбонаддув — ДРАЙВ

Содержание

Что такое турбонаддув — ДРАЙВ

Несомненно, каждый из нас хоть раз в жизни замечал на обычном с виду автомобиле шильдик «turbo». Производители, как нарочно, делают эти шильдики небольшого размера и размещают в неприметных местах так, что непосвящённый прохожий не заметит и пройдёт мимо. А понимающий человек непременно остановится и заинтересуется автомобилем. Ниже приводится рассказ о причинах такого поведения.

Автомобильные конструкторы (с момента появления на свете этой профессии) постоянно озабочены проблемой повышения мощности моторов. Законы физики гласят, что мощность двигателя напрямую зависит от количества сжигаемого топлива за один рабочий цикл. Чем больше топлива мы сжигаем, тем больше мощность. И, скажем, захотелось нам увеличить «поголовье лошадей» под капотом — как это сделать? Тут-то нас и поджидают проблемы.

Турбокомпрессор состоит из двух «улиток» — через одну проходят отработавшие газы, а вторая «качает» воздух в цилиндры.

Дело в том, что для горения топлива необходим кислород. Так что в цилиндрах сгорает не топливо, а топливно-воздушная смесь. Мешать топливо с воздухом нужно не на глазок, а в определённом соотношении. К примеру, для бензиновых двигателей на одну часть топлива полагается 14–15 частей воздуха — в зависимости от режима работы, состава горючего и прочих факторов.

Как мы видим, воздуха требуется весьма много. Если мы увеличим подачу топлива (это не проблема), нам также придётся значительно увеличить и подачу воздуха. Обычные двигатели засасывают его самостоятельно из-за разницы давлений в цилиндре и в атмосфере. Зависимость получается прямая — чем больше объём цилиндра, тем больше кислорода в него попадёт на каждом цикле. Так и поступали американцы, выпуская огромные двигатели с умопомрачительным расходом горючего. А есть ли способ загнать в тот же объём больше воздуха?

Выхлопные газы из двигателя вращают ротор турбины, тот, в свою очередь, приводит в движение компрессор, который нагнетает сжатый воздух в цилиндры. Перед тем как это произойдёт, воздух проходит через интеркулер и охлаждается — так можно повысить его плотность.

Есть, и впервые придумал его господин Готтлиб Вильгельм Даймлер (Gottlieb Wilhelm Daimler). Знакомая фамилия? Ещё бы, именно она используется в названии DaimlerChrysler. Так вот, этот немец весьма неплохо соображал в моторах и ещё в 1885 году придумал, как загнать в них больше воздуха. Он догадался закачивать воздух в цилиндры с помощью нагнетателя, представлявшего собой вентилятор (компрессор), который получал вращение непосредственно от вала двигателя и загонял в цилиндры сжатый воздух.

Швейцарский инженер-изобретатель Альфред Бюхи (Alfred J. Büchi) пошёл ещё дальше. Он заведовал разработкой дизельных двигателей в компании Sulzer Brothers, и ему категорически не нравилось, что моторы были большими и тяжёлыми, а мощности развивали мало. Отнимать энергию у «движка», чтобы вращать приводной компрессор, ему также не хотелось. Поэтому в 1905 году господин Бюхи запатентовал первое в мире устройство нагнетания, которое использовало в качестве движителя энергию выхлопных газов. Проще говоря, он придумал турбонаддув.

Идея умного швейцарца проста, как всё гениальное. Как ветра вращают крылья мельницы, также и отработавшие газы крутят колесо с лопатками. Разница только в том, что колесо это очень маленькое, а лопаток очень много. Колесо с лопатками называется ротором турбины и посажено на один вал с колесом компрессора. Так что условно турбонагнетатель можно разделить на две части — ротор и компрессор. Ротор получает вращение от выхлопных газов, а соединённый с ним компрессор, работая в качестве «вентилятора», нагнетает дополнительный воздух в цилиндры. Вся эта мудрёная конструкция и называется турбокомпрессор (от латинских слов turbo — вихрь и compressio — сжатие) или турбонагнетатель.

Аналог турбонаддува — приводной нагнетатель — жёстко связан с двигателем и тратит на свою работу часть его мощности.

В турбомоторе воздух, который попадает в цилиндры, часто приходится дополнительно охлаждать — тогда его давление можно будет сделать выше, загнав в цилиндр больше кислорода. Ведь сжать холодный воздух (уже в цилиндре ДВС) легче, чем горячий.

Воздух, проходящий через турбину, нагревается от сжатия, а также от деталей турбонаддува, разогретого выхлопными газами. Подаваемый в двигатель воздух охлаждают при помощи так называемого интеркулера (промежуточный охладитель). Это радиатор, установленный на пути воздуха от компрессора к цилиндрам мотора. Проходя через него, он отдаёт своё тепло атмосфере. А холодный воздух более плотный — значит, его можно загнать в цилиндр ещё больше.

А вот так выглядит интеркулер.

Чем больше выхлопных газов попадает в турбину, тем быстрее она вращается и тем больше дополнительного воздуха поступает в цилиндры, тем выше мощность. Эффективность этого решения по сравнению, например, с приводным нагнетателем в том, что на «самообслуживание» наддува тратится совсем немного энергии двигателя — всего 1,5%. Дело в том, что ротор турбины получает энергию от выхлопных газов не за счёт их замедления, а за счёт их охлаждения — после турбины выхлопные газы идут по-прежнему быстро, но более холодные. Кроме того, затрачиваемая на сжатие воздуха даровая энергия повышает КПД двигателя. Да и возможность снять с меньшего рабочего объёма большую мощность означает меньшие потери на трение, меньший вес двигателя (и машины в целом). Всё это делает автомобили с турбонаддувом более экономичными в сравнении с их атмосферными собратьями равной мощности. Казалось бы, вот оно, счастье. Ан нет, не всё так просто. Проблемы только начались.

У Mitsubishi Lancer Evolution интеркулер располагается в переднем бампере перед радиатором. А у Subaru Impreza WRX STI — над двигателем.

Во-первых, скорость вращения турбины может достигать 200 тысяч оборотов в минуту, во-вторых, температура раскалённых газов достигает, только попробуйте представить, 1000°C! Что всё это означает? То, что сделать турбонаддув, который сможет выдержать такие неслабые нагрузки длительное время, весьма дорого и непросто.

Выхлопные газы разогревают и выпускную систему, и турбонаддув до очень высоких температур.

По этим причинам турбонаддув получил широкое распространение только во время Второй мировой войны, да и то только в авиации. В 50-х годах американская компания Caterpillar сумела приспособить его к своим тракторам, а умельцы из Cummins сконструировали первые турбодизели для своих грузовиков. На серийных легковых машинах турбомоторы появились и того позже. Случилось это в 1962 году, когда почти одновременно увидели свет Oldsmobile Jetfire и Chevrolet Corvair Monza.

Но сложность и дороговизна конструкции — не единственные недостатки. Дело в том, что эффективность работы турбины сильно зависит от оборотов двигателя. На малых оборотах выхлопных газов немного, ротор раскрутился слабо, и компрессор почти не задувает в цилиндры дополнительный воздух. Поэтому бывает, что до трёх тысяч оборотов в минуту мотор совсем не тянет, и только потом, тысяч после четырёх-пяти, «выстреливает». Эта ложка дёгтя называется турбоямой. Причём чем больше турбина, тем она дольше будет раскручиваться. Поэтому моторы с очень высокой удельной мощностью и турбинами высокого давления, как правило, страдают турбоямой в первую очередь. А вот у турбин, создающих низкое давление, никаких провалов тяги почти нет, но и мощность они поднимают не очень сильно.

Почти избавиться от турбоямы помогает схема с последовательным наддувом, когда на малых оборотах двигателя работает небольшой малоинерционный турбокомпрессор, увеличивая тягу на «низах», а второй, побольше, включается на высоких оборотах с ростом давления на выпуске. В прошлом веке последовательный наддув использовался на суперкаре Porsche 959, а сегодня по такой схеме устроены, например, турбодизели фирм BMW и Land Rover. В бензиновых двигателях Volkswagen роль маленького «заводилы» играет приводной нагнетатель.

На рядных двигателях зачастую используется одиночный турбокомпрессор twin-scroll (пара «улиток») с двойным рабочим аппаратом. Каждая из «улиток» наполняется выхлопными газами от разных групп цилиндров. Но при этом обе подают газы на одну турбину, эффективно раскручивая её и на малых, и на больших оборотах

Но чаще по-прежнему встречается пара одинаковых турбокомпрессоров, параллельно обслуживающих отдельные группы цилиндров. Типичная схема для V-образных турбомоторов, где у каждого блока свой нагнетатель. Хотя двигатель V8 фирмы M GmbH, дебютировавший на автомобилях BMW X5 M и X6 M, оснащён перекрёстным выпускным коллектором, который позволяет компрессору twin-scroll получать выхлопные газы из цилиндров разных блоков, работающих в противофазе.

Турбина twin-scroll имеет двойную «улитку» турбины — одна эффективно работает на высоких оборотах двигателя, вторая — на низких

Заставить турбокомпрессор работать эффективнее во всём диапазоне оборотов, можно ещё изменяя геометрию рабочей части. В зависимости от оборотов внутри «улитки» поворачиваются специальные лопатки и варьируется форма сопла. В результате получается «супертурбина», хорошо работающая во всём диапазоне оборотов. Идеи эти витали в воздухе не один десяток лет, но реализовать их удалось относительно недавно. Причём сначала турбины с изменяемой геометрией появились на дизельных двигателях, благо, температура газов там значительно меньше. А из бензиновых автомобилей первый примерил такую турбину Porsche 911 Turbo.

Турбина с изменяемой геометрией.

Конструкцию турбомоторов довели до ума уже давно, а в последнее время их популярность резко возросла. Причём турбокомпрессоры оказалось перспективным не только в смысле форсирования моторов, но и с точки зрения повышения экономичности и чистоты выхлопа. Особенно актуально это для дизельных двигателей. Редкий дизель сегодня не несёт приставки «турбо». Ну а установка турбины на бензиновые моторы позволяет превратить обычный с виду автомобиль в настоящую «зажигалку». Ту самую, с маленьким, едва заметным шильдиком «turbo».

 Что такое турбины и для чего они нужны?

 

           Что такое турбины и для чего они нужны?

 

   Основная задача турбин – это повышение мощности двигателя автомобиля. При помощи турбины можно значительно повысить мощность авто.

 

    Принцип работы турбокомпрессора прост: через выпускной коллектор отработанные газы попадают в корпус турбины в которой установлено турбинное колесо, которое приводится в движение. На одной оси с турбинным колесом установлено компрессорное колесо, которое в свою очередь сжимает воздух и падет его в впускной коллектор двигателя. Из всего этого следует, что обороты турбины очень высоки и напрямую зависят от мощности двигателя, скорость вращение турбины достигает 150.000 об/мин и более.

 

    При использовании турбины, в двигатель поступает воздух под высоким давлением, что позволяет увеличиться мощности автомобиля по отношению к объему двигателя и количеству топлива.Наиболее эффективными являются турбокомпрессоры высокого давления. Отличие в конструкции от обычных турбин в том, что турбины повышенного давления имеют клапан, который устраняет избыточное давление на высоких оборотах.Так же большинство турбокомпрессоров оснащены интеркулером.

 

   Основная задача интеркулера – охлаждение воздуха. Так как турбинаработает на больших оборотах, воздух в ней нагревается, тем самым понижается содержание кислорода и плотность воздуха. Интеркулер справляется с этой проблемой. Одной из проблем турбин всегда была небольшая задержка реакции(инерция), но сейчас эти недостатки уже практически устранены. С появлением двух параллельно расположенных турбин, одна из которых предназначена для работы на высоких оборотах, другая на низких, инерция турбины была значительно уменьшена.

   

    Так же, появились турбины, в которых стало возможно изменять угол наклона ротора, что в свою очередь так же позволяет бороться с проблемами связанными с задержкой в реакции. Хорошо уменьшена инерция в турбокомпрессорах с керамическими лопастями ротора, за счет того, что вес их меньше чем у стандартных аналогов.

Принцип работы турбокомпрессора (турбины) его конструкция и типы.

  Принцип работы любого турбокомпрессора основан на использовании энергии отработавших выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания. Поток выхлопных газов попадает на колесо турбины (закреплённую на валу), тем самым раскручивая её и одновременно с этим раскручивая колесо компрессора, нагнетающего воздух в цилиндры двигателя.

 

   Так как при использовании наддува воздух в цилиндры подаётся принудительно (под давлением), а не только за счёт разрежения, создаваемого поршнем (это разрежение способно взять только определённое количество смеси воздуха с топливом), то в двигатель попадает большая смесь воздуха с топливом. Как следствие, при сгорании увеличивается объём сгораемого топлива с воздухом, образовавшийся газ занимает больший объём и соответственно возникает большая сила, давящая на поршень.

 

   Двигатели внутреннего сгорания снабженные турбокомпрессором более производительные, т.е. меньше удельный эффективный расход топлива (грамм на киловатт-час, г/(кВт•ч)), и выше литровая мощность (мощность, снимаемая с единицы объёма двигателя — кВт/л), что даёт возможность увеличить мощность небольшого мотора без увеличения оборотов двигателя.Вследствие увеличения массы воздуха, сжимаемой в цилиндрах, температура в конце такта сжатия заметно увеличивается и возникает вероятность детонации.

 

   Поэтому, конструкцией двигателей с турбокомпрессором предусмотрена пониженная степень сжатия, применяются высокооктановые марки топлива, а также в системе предусмотрен промежуточный охладитель наддувочного воздуха (интеркулер)- радиатор для охлаждения воздуха. Уменьшение температуры воздуха требуется также и для того, чтобы плотность его не снижалась вследствие нагрева от сжатия после турбины, иначе эффективность всей системы значительно упадёт.

 

   Особенно эффективен турбонаддув у дизельных двигателей тяжёлых грузовиков. Он повышает мощность и крутящий момент при незначительном увеличении расхода топлива. Наиболее мощные (по отношению к мощности двигателя) турбокомпрессоры применяются на тепловозных двигателях. Например на дизеле Д 49 мощностью 4000 л.с. установлен турбокомпрессор мощностью 1100 л.с.Наибольшей (по абсолютной величине) мощностью обладают турбокомпрессоры судовых двигателей, которая достигает 7000 л.с. .Современные турбокомпрессоры можно разделить на два основных типа: 1- с изменяемой геометрией соплового аппарата ( VNT турбокомпрессоры) и 2- без геометрии. Все они в свою очередь могут быть моно, твинскролы (двойные турбины) и т.д.

Профилактика и рекомендации.

     При запуске двигателя необходимо дать ему поработать на холостом ходу не менее шестидесяти секунд и прибавлять газ постепенно. Это обеспечивает достаточную смазку движущихся элементов турбины и предохраняет их от преждевременного износа. Чтобы не создавалось низкое давление в двигателе и пропускание паров масла, не эксплуатируйте турбину на холостом ходу более тридцати минут.

​    Обязательно давайте остыть турбокомпрессору перед выключением зажигания, поскольку быстрое выключение создаст резкий перепад температур в системе. Такие переходы быстро изнашивают любой механизм.

    Что касается эксплуатации авто зимой, когда двигатель быстро остывает или после долгого перерыва в работе необходимо сначала провернуть двигатель, и только потом запускать его на холостых оборотах. Это позволит наладить быструю циркуляцию масла и быстро заполнить систему компрессора рабочей жидкостью.

    Рекомендуется регулярная диагностика двигателя, особенно если Вы не уверены в качестве дизельного топлива.

По каким признакам можно определить неисправность турбины?

 Профессионально это сделать может только опытный мастер, но есть поломки, сразу бросающиеся в глаза. Это повышенный расход масла, синий дым из выхлопной трубы, посторонние шумы в работе мотора. 

Выбираем двигатель: турбина или атмосферный?

Выбираем двигатель: турбина или атмосферный?

Сегодня автовладелец имеет возможность выбирать тип мотора — турбированный или атмосферный. У каждого из этих двигателей есть положительные и отрицательные стороны. Перед покупкой необходимо тщательно взвесить все аргументы. Интернет-магазин AvtoALL собрал для своих клиентов все плюсы и минусы.

Что приобрести — машину с модным турбированным двигателем или остановить свой выбор на обычном атмосферном моторе? AvtoALL готов рассмотреть преимущества и недостатки данных силовых установок, чтобы помочь автомобилистам определиться с выбором.

Итак, привычный атмосферный мотор — это двигатель внутреннего сгорания. Он работает по следующему принципу: воздух, подаваемый через карбюратор или инжектор, участвует в образовании топливной смеси — одна часть бензина и четырнадцать — воздуха. Воспламенившееся топливо вырабатывает энергию, которая приводит в движение рабочие части мотора.


Атмосферные двигатели

Достоинства:

- моторесурс — практика эксплуатации атмосферных двигателей, как бензиновых, так дизельных, доказывает, что срок ресурсной эксплуатации исчисляется тысячами километров пробега. Например, некоторые американские атмосферные двигатели проходят без капительного ремонта до 500 тысяч километров;
- надежность — простая конструкция атмосферного двигателя не требовательна к качеству моторного масла и топлива. Такому двигателю нестрашен откровенно плохой бензин, на который можно «нарваться» на некоторых АЗС. Безусловно, регулярную заправку некачественным горючим не выдержит даже атмосферник, но зато его восстановление обойдется в разы дешевле, чем ремонт турбоагрегата;
- ремонтопригодность — если из строя выйдет один из узлов атмосферного двигателя, то уже упомянутая простота конструкции позволит отремонтировать его без особых затрат для автомобилиста.

Недостатки:

- большая масса силовой установки — по сравнению с турбированным двигателем аналогичного объема;
- атмосферный мотор проигрывает турбине в динамике;
- он не способен поддерживать высокую мощность при езде в горах, где воздух разряжен.


Турбированные двигатели

Отличительной особенностью турбодвигателя является наличие турбины — турбонаддува с приводом от выхлопных газов. Турбокомпрессор загоняет в цилиндры больше воздуха. В итоге двигатель дает значительную мощность без увеличения рабочего объема.

Турбированный мотор изобрели еще в 1905 году, но на легковые автомобили эти агрегаты стали устанавливать только во второй половине ХХ века.

Достоинства:

- увеличенная мощность — в среднем, до 40% выше, если сравнивать с атмосферным двигателем такого же объема;
- высокий крутящий момент — за счет этого динамика лучше, чем у атмосферника;
- экологическая безопасность — турбокомпрессор обеспечивает эффективное и безотходное сгорание топлива в цилиндрах, уменьшая выброс вредных веществ.
- низкий уровень шума — турбированный двигатель шумит меньше, чем атмосферный;
- нет потери мощности — турбина поддерживает давление, равное атмосферному на уровне моря, тогда как обычный двигатель теряет свою мощность при подъеме в горы;
- наиболее эффективен турбонаддув для дизельных двигателей грузовиков.

Недостатки:

- двигатель крайне чувствителен к качеству масла и топлива. Для таких установок рекомендуется использовать специальное моторное масло;
- турбина работает при высокой температуре, поэтому срок службы масляного фильтра и масла сокращается в два раза, по сравнению с атмосферником;
- нужно постоянно следить за состоянием масла, меняя его с периодичностью, рекомендованной производителем, регулярно проверять воздушный фильтр — если он забился, это нарушит работу компрессора;
- повышенный расход топлива — в бензиновых двигателях с тубронаддувом для приготовления топливной смеси в цилиндрах используется большой объем воздуха, соответственно, подается больше горючего. Но это утверждение касается не всех типов турбодвигателей;
- турбина быстрее изнашивается, если сразу после остановки автомобиля отключать мотор. Чтобы продлить срок службы турбомотора, ему нужно дать немного поработать на холостых оборотах для охлаждения турбины.

Другие статьи

#Бачок ГЦС

Бачок ГЦС: надежная работа гидропривода сцепления

14.10.2020 | Статьи о запасных частях

Многие современные автомобили, особенно грузовые, оснащаются гидравлическим приводом выключения сцепления. Достаточный запас жидкости для работы главного цилиндра сцепления хранится в специальном бачке. Все о бачках ГЦС, их типах и конструкции, а также о выборе и замене этих деталей читайте в статье.

Принцип работы турбины. Как работает турбонаддув в автомобиле

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.

Между «атмо» и «турбо». Какой выбрать двигатель?

Как говорилось в советской кинокомедии «Берегись автомобиля»: «Каждый, у кого нет машины, мечтает еe купить. И каждый, у кого есть машина, мечтает еe продать».

Со времени выхода фильма прошло больше пятидесяти лет, машины стали во много раз сложнее в техническом плане, модельный ряд расширился на несколько порядков. Но личный автомобиль — это по-прежнему серьeзная покупка для семьи, и никто не хочет прогадать с выбором.

Итак, у вас на руках заветная сумма, вы уже определились с маркой и моделью будущего автомобиля. И тут встаeт важный вопрос: с каким двигателем брать машину? Если вопрос о выборе дизельного или бензинового двигателя для вашего автомобиля решeн в пользу последнего, возникает ещe одна дилемма: атмосферный или с турбонаддувом.

В нашей стране большинство популярных моделей, будь то бюджетные седаны или сверхпопулярные кроссоверы, предлагаются как с турбированными, так и с атмосферными моторами. При этом, чем выше класс автомобиля и его цена, тем шире линейка именно турбированных агрегатов. Это общемировая тенденция: турбомоторы постепенно вытесняют атмосферные двигатели.

Прежде чем сделать выбор, стоит разобраться в главных отличиях атмосферных и турбированных силовых агрегатов, а также выявить их сильные и слабые стороны.

Как это работает


Основное отличие двух моторов заключается в способе подачи воздуха в цилиндры. В атмосферном двигателе воздух идeт под действием впуска разрежения, который создаeтся на такте, — поршень просто опускается и втягивает воздух. В турбированном моторе работает принудительный наддув — в цилиндры нагнетается больше воздуха с помощью турбокомпрессора.

По сути, турбированный двигатель является модернизацией своего предшественника — классического атмосферного мотора. Основная цель этого изобретения — увеличение мощности без увеличения объeма цилиндров. Турбированный бензиновый двигатель позволяет получить в камерах сгорания более высокую степень сжатия. Благодаря тому, что воздух подаeтся в камеры сгорания под давлением, достигается более полное сгорание топливно-воздушной смеси.

Турбина состоит из двух частей: ротора и компрессора. Двигатель в процессе работы производит выхлопные газы. Эти раскалeнные газы, поступая под давлением в ротор, раскручивают турбонагнетатель, воздействуя на лопатки турбины. Только после этого они поступают в глушитель. Вал ротора, вращаясь, приводит в действие компрессор, который нагнетает воздух в камеры сгорания, образуя дополнительную степень сжатия.

Воспользуемся простым примером для иллюстрации: если объeм мотора составляет 1,6 литра, то мощность классического атмосферника не превысит 100-110 л.с. В свою очередь, турбированный двигатель при том же объeме сможет выдать до 180 л.с.

Кстати, турбированные двигатели имеют свою небольшую классификацию.

  1. Механический нагнетатель. На впуске стоит воздушный насос — компрессор, который приводится в движение от коленчатого вала мотора.
  2. Турбокомпрессор, который использует энергию выхлопных газов. Принципы его работы мы рассмотрели выше. 


Немного истории


Готтлиб Даймлер, один из создателей первого двигателя внутреннего сгорания, экспериментировал с нагнетателем, приводимым от коленвала, ещe в 1885 году. Несколькими годами позже Луи Рено — отец одноимeнной марки автомобилей — получил патент на аналогичную конструкцию для ДВС в 1902-м. Причeм само устройство для промышленного применения братья Рутс изобрели ещe в 1859-м.

Примерно тогда же опыты с турбиной, работающей от выхлопных газов, ставил швейцарец Альфред Бюши. Именно ему приписывают создание турбонаддува, функционирующего по такому принципу, в 1905 году. Правда, установить истинного первого изобретателя сейчас сложно, ведь Бюши лишь получил патент.

Мировую же известность механическим нагнетателям принесла компания Mercedes-Benz, которая стала устанавливать наддувные компрессоры в конце 20-х годов сначала на гоночные, а начиная с 30-х и на серийные машины.

Из Германии мода на наддувные машины перекинулась на Голливуд, а оттуда на весь мир. Золотой век немецких «компрессоров» закончился одновременно с началом Второй мировой войны. Основное применение компрессоров в военное время пришлось на авиацию: наддув использовался для компенсации недостатка кислорода на больших высотах.

Сразу после Второй мировой войны использование компрессоров продолжилось в основном на моторах Формулы-1. Турбонаддува на гражданских машинах автопроизводители побаивались из-за детонации возросшего давления и температуры. Технологии производства подшипников оставляли желать лучшего, охлаждение и смазка тоже была малоэффективной, из-за этого турбины быстро приходили в негодность.

Окончательно и бесповоротно на путь «турбинификации» мировые производители встали после топливного кризиса конца 70-х.

Победа за турбокомпрессором?


Не углубляясь в технические подробности, скажем, что механические нагнетатели можно считать частью эволюционного пути, а массовое распространение в итоге получили турбокомпрессоры. Для раскрутки нагнетателя требуется мощность с вала двигателя, турбина же раскручивается просто за счeт выхлопных газов. Первый путь технически сложнее и дороже в массовом производстве.

Тем не менее механические компрессоры до сих пор устанавливают! С одной стороны, это премиальные модели британских Jaguar и Land Rover, некоторые двигатели у Mercedes, а с другой — традиционные масл-кары в духе Dodge Challenger Hellcat, которые продолжают специфически «подвизгивать» именно из-за своего механического нагнетателя.

Главное преимущество этой конструкции — приводной компрессор любой конструкции, будучи привязанным к коленвалу, не имеет инерционности. Связь «по педали» с ним прямая, и разгон остаeтся ровным практически во всeм диапазоне.
Как говорится, каждому своe. Но вернeмся к массовым автомобилям.

Преимущества


Если на рынке продаются оба вида двигателей, значит, у каждого есть ряд неоспоримых преимуществ. Рассмотрим их.

Атмосферный двигатель:

  • проще в обслуживании;
  • имеет более высокий ресурс;
  • меньший расход масла;
  • невысокие требования к качеству топлива и масла.
Турбированный двигатель:
  • высокая мощность и увеличенный крутящий момент при равных объeмах двигателя;
  • меньший расход топлива.

Недостатки


Равно как плюсы, у каждого из двух типов двигателей есть свои недостатки.

Атмосферный двигатель:

  • имеет большой вес;
  • при одинаковом объeме с турбомотором мощность ниже;
  • сниженная динамика — в сравнении с турбомотором того же объeма;
  • сложности при езде в горах.
Большинство минусов атмосферного двигателя всплывают при сравнении с турбированными агрегатами. Отдельно стоит сказать о последнем пункте: воздух в горах слишком разреженный, его количества не хватает для стабильной работы мотора, поэтому двигатель попросту «задыхается».

Турбированный двигатель:

  • высокие требования к качеству смазки и топлива;
  • дорогостоящий ремонт;
  • долгий прогрев зимой;
  • меньший интервал замены масла.

Трудности выбора



Автолюбителям, которые сомневаются, какой двигатель лучше и выгоднее, однозначного ответа дать не получится. Например, ценителям мощности и динамики имеет смысл присмотреться к турбированному мотору. Однако он же влечeт за собой значительные денежные траты на приобретение бензина и масла высокого качества.

Атмосферный двигатель примечателен своей простотой и неприхотливостью, он прекрасно может служить не одно десятилетие, кроме того, его работоспособность сможет поддержать даже человек с невысоким достатком.

Какое масло нужно турбомоторам, а какое — атмосферным?


У турбомотора наибольшая отдача, то есть максимум выработки тепла приходится на диапазон оборотов в районе 3000-4000 об/мин, когда турбина подаeт повышенное количество воздуха в цилиндры. После того как поток выхлопных газов станет достаточным для полноценной работы турбины, происходит скачок вырабатываемой энергии, сопровождаемый скачком температуры.

Моторное масло в таких условиях обязано сохранять свои свойства как при низких, так и при повышенных температурах. В случае турбированного двигателя это особенно важно, поскольку ось, на которой установлены турбинное и насосное колeса турбонаддува, работает в подшипниках скольжения. В случае если смазочный материал не обеспечит необходимую защиту данного узла, турбина может преждевременно выйти из строя, не выработав свой ресурс, который обычно составляет 30–70% ресурса двигателя.

Для машин с турбокомпрессорами лучше всего подходят синтетические масла, так как они лучше противостоят окислению по сравнению с минеральными и полусинтетическими. К тому же их вязкость в меньшей степени зависит от изменений температуры, что необходимо для обеспечения защиты подшипников турбины на всех режимах работы двигателя.

Что касается самих характеристик вязкости моторного масла, то турбированные моторы «предпочитают» всесезонные масла с низкотемпературным показателем вязкости SAE 0W и высокотемпературным SAE от 20 до 40. Моторные масла с низким показателем высокотемпературной вязкости следует выбирать для повышения топливной экономичности, высокие показатели вязкости — для лучшей защиты двигателя и турбины. В любом случае, подбор смазочного материала следует проводить в полном соответствии с руководством по эксплуатации конкретного автомобиля.

Кроме того, есть пара важных нюансов относительно использования автомобилей с турбированными двигателями:
важно постоянно следить за состоянием масла, меняя его с периодичностью, рекомендованной производителем;
необходимо регулярно проверять воздушный фильтр — если он забился, это нарушит работу компрессора;
турбина быстрее изнашивается, если сразу после остановки автомобиля отключать мотор. Чтобы продлить срок службы турбомотора, ему нужно дать немного поработать на холостых оборотах для охлаждения турбины.

Атмосферные двигатели, в отличие от турбированных, менее требовательны к специфическим характеристикам масла. В данном случае подойдут общие рекомендации, которые мы давали в одной из предыдущих статей.

Стоит лишь напомнить о том, что мы предлагаем простой способ найти подходящее масло, — воспользоваться удобным онлайн-подборщиком. Просто задайте параметры «вид техники — марка — модель» или воспользуйтесь строкой поиска, и вам будут предложены все подходящие виды масла согласно международным стандартам и допускам автопроизводителей.

Выбор, как всегда, за вами!

как установить турбину на бензиновый двигатель? ТУРБО-ТЕХ Москва

Для начала, потребуется обзавестись некоторыми деталями, без которых не установить турбокомпрессор на авто. В этот список входят: турбина, интеркулер, коллектор, патрубки, труба к ведущая к глушителю и система, предназначенная для контроля подачи топлива.

Установить турбину можно не на все виды машин. Бывают даже ситуации, когда проще приобрести новое авто с изначально установленной турбиной, чем поставить ее в бензиновый двигатель. Правильно поставить турбину сможет не каждый и поэтому ставить ее рекомендуется мастеру с солидными навыками и опытом. Если ставить турбину в стиле “как получится”, то ее эксплуатационный срок будет крайне мал.

На первом этапе потребуется снять элементы, которые отвечают за вход и выход потока воздуха в системе. Новый коллектор турбины соединяют с входом турбокомпрессора. Турбину надо установить так, чтобы можно было осуществить работы по установке патрубков. Далее, охлаждающий канал скрепляют с смазочной системой мотора, при помощи масляной трубки. Для более простого подключения, предназначается датчик, который отвечает за давление масла. Система охлаждения присоединяется к водяной помпе.
Чтобы формировалось достаточное количество воздушно-топливной смеси, необходимо установить форсунки с высоким уровнем производительности, которые будут подавать нужный объем топлива для смеси. Чтобы эта система работала, потребуется также заменить старый топливный насос, по причине того, что старый наверняка не сможет предоставить тот объём топлива для новых форсунок, которые требуется.

Все датчики, которые следят за температурой воздуха и охлаждающей жидкости, будут под контролем электронных систем. Чтобы системы работали как “часы”, следует произвести калибровку всех элементов контроля, чтобы ,например топливо впрыскивалось именно в тот момент, когда подается воздух в цилиндры. Такая переделка двигателя является достаточно сложной задачей, и чтобы ее качественно осуществить, необходимы немалые силы и средства, а также умелые руки.

Если со временем, ваша турбина вышла из строя, то сервис компании ТУРБО-ТЕХ Москва проведет диагностику турбины бензинового двигателя. В нашей компании вам восстановят турбину за 4 часа, с гарантией на 3 года! Сервис располагает собственный складом оригинальных запчастей, европейским оборудованием высокого класса и мастерами опыт работы которых, более 12 лет!

НУЖЕН РЕМОНТ ТУРБИНЫ В МОСКВЕ?

ЗВОНИТЕ В ТУРБО-ТЕХ!

8 (495) 648-65-95

Ремонт за 4 часа, гарантия 3 года, экономия до 70%!

зачем нужна, принцип работы и советы по эксплуатации. Турбояма.

 

Турбина двигателя является частью системы турбонадува, которая предназначена для дополнительной подачи воздуха в цилиндры двигателя.  Для работы двигателя необходимо определенное количество топливно-воздушной смеси. Чем больше смеси сгорает в двигателе, тем выше его мощность.

В обычном двигателе без системы турбонадува воздух в цилиндры всасывает поршень. Проблема состоит в том, что объем воздуха, который поступает в цилиндр, ограничен размерами самого цилиндра. И чтобы протолкнуть туда больше воздуха, нужно подавать его под высоким давлением.

Вывод: система турбонадува создана для того, чтобы подавать воздух в цилиндр двигателя под давлением.

Интересный факт: если на двигатель установить систему турбонадува, то его мощность увеличится на 30%.

 

Конструкция турбины и принцип работы

 

Основной деталью системы турбонадува является компрессор. Это устройство сжимает воздух и подает его под давлением в цилиндры двигателя. Визуально компрессор представляет собой что-то наподобие вентилятора, который вращается и засасывает на себя воздух. Если снять крышку компрессора, то можно увидеть его крыльчатку. Крыльчатка работает как винт. Она как бы вкручивается в воздух и притягивает его на себя.

Как же заставить крыльчатку компрессора вращаться? Существует два типа привода, которые раскручивают крыльчатку:

  • • Механический.  В таком случае компрессор вращается от двигателя через систему ремней.
  • • Энергия выхлопных газов. Такое устройство по-научному называется турбокомпрессор (турбина).

Принцип работы турбокомпрессора основан на том, что выхлопные газы, которые выходят из цилиндра двигателя вращают, другую крыльчатку, которая называется турбина. Это крыльчатка находится на одном валу вместе с компрессором. Поэтому когда выхлопные газы закручивают нашу турбину, то вращается соответственно и компрессор, который нагнетает свежий воздух в цилиндры двигателя.

 

Турбояма: почему возникает и решение.

 

В конструкции турбокомпрессора есть один существенный недостаток. На низких оборотах двигателя энергия выхлопных газов слишком маленькая и не позволяет разогнать компрессорное колесо до необходимой частоты вращения.

К сведению: частота вращения колес достигает 150 тыс. оборотов в минуту и выше!

Есть такое понятие как турбояма. Она возникает, когда двигатель работает на низких оборотах и турбокомпрессор еще не работает. На практике это происходит следующим образом: вы стартуете с перекрестка и какое-то время машина, так скажем, тупит, а затем, когда обороты достигают нужного момента, включается турбокомпрессор и машина начинает резко ускоряться.

Первым решением для исключения турбоямы является использование двух турбокомпрессоров. Это решение называется Битурбо. Один турбокомпрессор работает на низких оборотах, второй – на высоких оборотах. Таким образом, когда вы разгоняетесь, работает одна из двух турбин.

Вторым способом борьбы с турбоямой является использование турбины и механического нагнетателя на низких оборотах. В таком случаем компрессор работает от механического привода, т. е. от двигателя. А на повышенных оборотах работает классический турбокомпрессор. Такое решение называется система двойного турбонадува и широко используется в двигателях TSI концерна Фольксваген.

Третьим способом, чтобы исключить турбояму является использование турбокомпрессоров, в которых можно изменять геометрию направляющего аппарата.

Советы по эксплуатации турбины

В конструкции турбокомпрессора есть подшипники, на которых вращается сам вал. Т.к. частота вращения этого вала достигает 200 тыс. оборотов в минуту, то здесь не используются классические шариковые подшипники, а используются гидромеханические (скольжения). Такие подшипники требуют подачи масла под определенным давлением. Поэтому к подшипникам турбокомпрессора подводится масло под давлением. Использование масла в подшипниках турбокомпрессора накладывает определенные обязательства:

  • • Необходимо вовремя менять моторное масло и масляный фильтр.
  • • Прогревать двигатель перед поездкой, для того чтобы масло разогрелось и поступало на подшипники уже разогретым, т.е. с определенной вязкостью.
  • • В конце поездки необходимо дать остыть турбине, т.е не выключать двигатель 2-3 минуты. Особенно в зимнее время. После остановки автомобиля турбина еще некоторое время вращается, и если вы сразу выключите двигатель, то прекратиться подача масла в эти подшипники и будет происходить их повышенный износ.

 

Основной причинной неисправностей турбокомпрессоров является износ подшипников скольжения, а также уплотнений, которые препятствуют выбросу масла.

 

Быстрый подбор турбины у нас в каталоге.

 

 

В чем разница между турбинными двигателями?

Турбореактивный двигатель GEnx в настоящее время используется в самолетах Boeing 747-8 и Boeing 787 Dreamliner. В двигателе, который на 15% более экономичен по сравнению с двигателем GE CF6, используются лопасти вентилятора из углеродного волокна и корпус вентилятора для снижения веса. (Предоставлено GE Aviation)

Газовая турбина - одна из наиболее широко используемых форм силовых установок для современных авиационных двигателей. Ядро двигателя, определяемое как компрессор, горелка и турбина, также известно как газогенератор, поскольку на выходе получается горячий выхлопной газ.Компрессор и турбина определяются как турбомашины, в которых энергия добавляется или извлекается из непрерывного потока за счет динамического и аэродинамического действия вращающихся лопастей.

Общие детали турбинного двигателя

Впуск

Впускное отверстие двигателя нагнетает в двигатель «свободный поток воздуха». Воздухозаборник предназначен для замедления скорости поступающего воздуха и преобразования его кинетической энергии в статическое давление.

На этом разрезе типичного реактивного двигателя показаны сечения, разделенные на две части: холодную и горячую.Горячая секция - это когда горение происходит за счет добавления топлива в воздушный поток, поступающий от впуска холодной секции.

Дозвуковые воздухозаборники: Дозвуковые самолеты не превышают скорость звука. Повышение давления можно максимизировать, используя либо более длинный диффузор, либо больший угол расхождения диффузора (соотношение площадей диффузора).

Схема потока для дозвукового входа разделена на внешний (внешний / входной) и внутренний сегменты. Внешнее ускорение происходит при работе на низкой скорости с высокой тягой (т.е., условия взлета), что увеличивает скорость на входе и снижает давление на входе. Следовательно, зона входа спроектирована так, чтобы минимизировать внешнее ускорение во время взлета, так что внешнее замедление происходит в крейсерских условиях. На типичном дозвуковом входе поверхность входа представляет собой непрерывную гладкую кривую, имеющую некоторую толщину изнутри наружу. Впускная губа или выступ, самая верхняя часть впускного отверстия, относительно толстая.

Сверхзвуковые воздухозаборники: Сверхзвуковые самолеты по-прежнему должны замедлять поток до дозвуковых скоростей до того, как воздух достигнет компрессора.Когда воздушный поток достигает торца двигателя, он имеет число Маха от 0,4 до 0,7. Диффузия потока от сверхзвукового к дозвуковому потоку, также известная как возврат плунжера, включает в себя удары. Обычный воздухозаборник - это простейший сверхзвуковой диффузор. Амортизаторы с узкой входной кромкой используются для одиночного нормального скачка (90 ° перпендикулярно потоку) при значениях Маха менее 1,6.

Наклонные впускные патрубки амортизаторов обеспечивают более высокий общий возврат давления. Сверхзвуковое торможение потока достигается серией косых скачков (под определенным углом к ​​потоку), за которыми следует слабый прямой скачок.В косом ударе сверхзвуковой поток превращается в себя; по мере увеличения числа косых скачков уплотнения ударные потери уменьшаются, особенно при высоких числах Маха.

Осесимметричный вход внешнего сжатия представляет собой диффузор конической формы, создающий конический скачок уплотнения. Из-за того, что обтекание конуса по своей природе является трехмерным, поле потока между скачком уплотнения и конусом больше не является однородным. Эффект приводит к более слабой ударной волне, чем для клина того же угла.

Компрессор

Компрессоры используются для повышения давления воздуха перед его поступлением в камеру сгорания.

Центробежные компрессоры: Эти компрессоры использовались в первых реактивных двигателях и до сих пор используются в турбореактивных и турбовальных двигателях. Они поворачивают воздушный поток перпендикулярно оси вращения. Вращающееся рабочее колесо перемещает воздух, который собирается в улитке или улитке. Между крыльчаткой и улиткой может быть диффузор.

Осевые компрессоры: Вместо перпендикулярного потока в осевых компрессорах воздух проходит параллельно оси вращения.Компрессор состоит из нескольких рядов роторов и статоров; которые представляют собой серию воздушной фольги. Роторы соединены с центральным валом и вращаются с высокой скоростью, сообщая жидкости угловой момент. Статоры закреплены, которые соединяются с внешним кожухом, увеличивают давление, не позволяя потоку закручиваться по спирали вокруг оси, возвращая его к параллельной оси (действуя как диффузоры). Длина лопаток и площадь кольцевого зазора уменьшаются по всей длине компрессора, уменьшая проходное сечение.Это компенсирует увеличение плотности жидкости при ее сжатии.

Горелка

Горелка или камера сгорания расположена между компрессором и турбиной, как кольцевое пространство. Здесь топливо смешивается с воздухом под высоким давлением и сжигается, чтобы создать высокотемпературный выхлопной газ, который вращает силовую турбину и создает тягу. Некоторые из желаемых свойств горелок заключаются в достижении полного сгорания с минимальными выбросами выхлопных газов, низкой общей потере давления, низкой потере тепла через стены и эффективном охлаждении.Однако многие из этих свойств конкурируют друг с другом; следовательно, оптимальная конструкция горелки - это один из компромиссов.

• Канально-кольцевые камеры сгорания: Состоящие из серии цилиндрических горелок, расположенных вокруг общего кольцевого пространства, камеры сгорания с кольцевым каналом работают независимо друг от друга. На входе в каждую камеру установлен диффузор, который может снижать скорость от типичного выхода компрессора (100-150 м / с) до средней скорости объемного потока (20-30 м / с) в зоне горения.Он подает воздух в зону горения в виде стабильного и однородного поля потока. Это более старый метод конструкции горелки.

• Кольцевые камеры сгорания: Более современная конструкция - кольцевые камеры сгорания. Это одиночная горелка с кольцевым поперечным сечением, которая подает газ на турбину. Сама зона горения занимает кольцевое пространство. Улучшенная зона горения обеспечивает однородность, простоту конструкции, уменьшенную линейную площадь поверхности и меньшую длину системы.

Турбина

Турбина похожа на компрессор тем, что состоит из нескольких рядов роторов и статоров.Ступень турбины начинается с ряда неподвижных лопаток, называемых направляющей лопаткой сопла, за которым следует ряд вращающихся лопаток. Турбина преобразует тепловую энергию в кинетическую энергию за счет расширения через сопла, а затем в механическую энергию вращения во вращающемся роторе.

В потоке турбины преобладают благоприятные градиенты давления. Изменения давления могут быть довольно значительными, а пограничные слои в турбине менее подвержены срыву по сравнению с компрессором. Охлаждение турбин - серьезная проблема; таким образом, они предназначены для работы в высокотемпературных и агрессивных средах.

Сопло

Функция сопла заключается в преобразовании тепловой энергии в кинетическую энергию для получения высокой скорости выхлопа. Тяга сопла, или полная тяга, складывается из импульса и давления. Максимальная общая тяга - это когда форсунка полностью расширена или давление окружающей среды равно давлению выхлопных газов.

Дозвуковое сопло: Для ускорения дозвукового потока поперечное сечение канала должно уменьшаться в направлении потока.Когда воздуховод заканчивается с наименьшим поперечным сечением, в результате получается сужающееся сопло. Давление на выходе из сопла ниже атмосферного. В результате поток ускоряется или расширяется до атмосферного или местного давления на выходе. Чем выше летит самолет, тем больше увеличивается скорость в соответствии с более низким атмосферным давлением. Предел достигается, когда струя выходит со звуковой скоростью и сопло считается забитым. Как только условие засорения реализуется, массовый расход сопла достигает максимума, и условия остаются неизменными независимо от снижения давления окружающей среды.Следовательно, сужающееся сопло никогда не может создать сверхзвуковой поток.

Сверхзвуковое сопло: Для высоких скоростей выхлопа, необходимых для сверхзвукового полета, используется сходящееся-расширяющееся (CD) сопло для создания сверхзвуковой скорости истечения. Конструкция сопла CD состоит из сужающегося канала, за которым следует расходящийся канал. Увеличение площади поперечного сечения сопла ЦД ускоряет сверхзвуковой поток. Сверхзвуковое сопло или сопло CD требует большой разницы давлений для ускорения газа до сверхзвуковой скорости в горловине и дальнейшего создания сверхзвукового потока в расширяющейся части CD.Значительный перепад давления может быть создан за счет снижения противодавления или давления на выходе из окружающей среды ниже по потоку.

Регулируемые сопла позволяют сверхзвуковому летательному аппарату адаптироваться к изменяющимся условиям давления окружающей среды и настройкам мощности двигателя для сверхзвукового полета. Насадки с адаптацией к высоте могут изменять форму угла кромки сопла для достижения оптимальной производительности.

Проблема возникает, когда сопло слишком или недостаточно расширено. В условиях недостаточного расширения давление падает поперек волн расширения, и выхлопной шлейф расширяется за выходное отверстие сопла, снижая эффективность на больших высотах.Для чрезмерно расширенных сопел давление возрастает через наклонные ударные волны и смесь суб / сверхзвукового потока. Выхлопной шлейф зажимается высоким давлением окружающего воздуха, что снижает его эффективность на малых высотах. Чрезмерное расширение может привести к образованию областей со сложной волновой структурой в шлейфе, которые создают бело-желтое люминесцентное свечение, поскольку низкое давление выхлопных газов пытается соответствовать высокому окружающему давлению.

Турбореактивный двигатель

Турбореактивный двигатель - самый простой тип газовой турбины.Большое количество окружающего воздуха втягивается во впускное отверстие двигателя за счет компрессора. В задней части воздухозаборника воздух поступает в компрессор. Давление увеличивается по мере прохождения воздухом рядов лопастей. На выходе из компрессорной секции давление воздуха выше, чем в набегающем потоке. В секции горелки топливо смешивается с воздухом и воспламеняется. Горячий выхлоп происходит в основном из окружающего воздуха и проходит через турбину, когда выходит из горелки. Турбина извлекает энергию из горячего воздушного потока, заставляя лопасти вращаться в потоке.В реактивном двигателе энергия, извлекаемая турбиной, вращает компрессор, связывая его и турбину с центральным валом. Остальная часть горячего выхлопа используется для создания тяги за счет увеличения его скорости через сопло. Поскольку скорость на выходе больше, чем скорость набегающего потока, создается тяга. В поток добавляется очень мало топлива, поэтому массовый расход на выходе почти равен массовому расходу набегающего потока.

Турбовинтовой двигатель

В турбовинтовом двигателе горячий выхлоп используется для вращения гребного винта, а не для создания тяги на выходе из двигателя.

Двумя основными частями турбовинтовой силовой установки являются основной двигатель и воздушный винт. Основной двигатель очень похож на турбореактивный, за исключением того, как он обрабатывает энергию выхлопных газов. Вместо того, чтобы расширять горячий выхлоп через сопло для создания тяги, турбовинтовой двигатель использует большую часть энергии выхлопа для вращения турбины. Дополнительная ступень турбины может быть соединена с приводным валом, который, в свою очередь, соединен с коробкой передач. Пропеллер соединяется с коробкой передач, которая производит большую часть тяги.

Тяга, создаваемая скоростью выхлопа, мала, потому что большая часть энергии выхлопа сердечника используется для вращения приводного вала. Турбовинтовые (и турбовентиляторные) двигатели обычно имеют двухконтактный двигатель, в котором отдельная турбина и вал приводят в действие вентилятор и коробку передач соответственно. Турбовинтовые самолеты используются только для низкоскоростных самолетов, таких как грузовые. По мере увеличения скорости самолета пропеллеры становятся менее эффективными.

Турбореактивный двигатель

Пратт

Современные авиакомпании используют турбовентиляторные двигатели для движения своих самолетов по воздуху.Это связано с их высокой тягой и топливной экономичностью. Турбореактивный двухконтурный двигатель - это самая современная разновидность базовой газовой турбины. В турбовентиляторном двигателе два вентилятора окружают основной двигатель. Один вентилятор находится в передней части основного двигателя, а другой - в задней части. Вентилятор и турбина вентилятора соединены с дополнительным валом вентилятора. Вал вентилятора проходит через стержневой вал в двухзолотном двигателе. Для повышения эффективности некоторые двигатели имеют дополнительные золотники.

Турбореактивный двухконтактный двигатель захватывает входящий воздух на входе.Часть воздуха проходит через вентилятор в основной компрессор, а затем в горелку. Отвод тепла проходит через сердечник, турбины вентилятора и выходит из сопла. Этот процесс повторяет процесс турбореактивного двигателя. Остальной входящий воздух перенаправляется вокруг двигателя после прохождения вентилятора. Воздух, проходящий через вентилятор, имеет немного более высокую скорость, чем набегающий поток.

Отношение воздуха, перенаправляемого вокруг двигателя, к воздуху, проходящему через сердечник, известно как коэффициент перепуска.Турбореактивные двигатели с малой степенью двухконтурности более экономичны, чем базовый турбореактивный двигатель. Турбореактивный двигатель создает большую тягу для почти равного количества топлива, используемого активной зоной, потому что расход топлива немного изменяется при добавлении вентилятора. В результате турбовентилятор отличается высокой топливной экономичностью.

Воздух, проходящий через сердечник, а также воздух, проходящий вокруг двигателя, составляют тягу. Вследствие того, что входное отверстие закрывает передний вентилятор и имеет множество лопастей, он может эффективно работать на более высоких скоростях, чем простой пропеллер.

Турбореактивный двигатель дожигания

Это изображение показывает Пратт Форсажные камеры

используются в сверхзвуковых самолетах, таких как Concorde, и выключаются после достижения крейсерской скорости. Многие современные истребители используют турбовентиляторные двигатели с малой степенью двухконтурности, оснащенные форсажными камерами для эффективных крейсерских условий и создания высокой тяги для воздушных боев, а на турбореактивных самолетах - для полета на сверхзвуковых скоростях, преодолевая резкое увеличение лобового сопротивления, близкое к скорости звука. Форсажная камера впрыскивает топливо непосредственно в горячий выхлоп.Сопло базового турбореактивного двигателя удлиняется и после сопла устанавливается кольцо пламегасителей. Дополнительное топливо впрыскивается через обручи в поток горячего выхлопа. Горящее топливо создает дополнительную тягу, но с неэффективной скоростью.

Сжигание топлива предлагает простой механический способ увеличения тяги, но с неэффективной скоростью. Расчет тяги такой же, как у обычного турбореактивного двигателя, за исключением того, что значение тяги на выходе - это тяга на выходе из форсажной камеры.

Уравнения тяги:

F Turbojet или форсажный турбореактивный = á¹ e â € ™ V e - á¹ FS â € ™ V FS 9014 Турбовинтовой = á¹ FS ™ ( V Pe - V FS ) + á¹ e ∠™ ( V e - V Pe )
F Турбореактивный двухконтактный двигатель = á¹ e â € ™ V e - á¹ FS ∠™ V FS + bpr ∠™ á¹ c ∠™ V f

где:
á¹ FS = массовый расход набегающего потока воздуха
á¹ e = массовый расход воздуха на выходе из активной зоны
á¹ c = масса расход горячего выхлопа, проходящего через сердечник
á¹ f = массовый расход потока вентилятора или байпаса
V f = скорость воздуха на выходе из вентилятора
V e = скорость воздуха на выходе из сердечника
V Pe = скорость воздуха на выходе из гребного винта
V FS = скорость набегающего потока воздуха
Ve = скорость воздуха на выходе из активной зоны
барр. = коэффициент байпаса, равный á f / á c

Ищете запчасти? Зайдите в SourceESB.

Как работают газотурбинные электростанции

Турбины внутреннего сгорания (газовые), устанавливаемые на многих современных электростанциях, работающих на природном газе, представляют собой сложные машины, но в основном они состоят из трех основных частей:

  • Компрессор , который втягивает воздух в двигатель, создает давление его и подает в камеру сгорания со скоростью сотни миль в час.
  • Система сгорания , обычно состоящая из кольца топливных форсунок, которые впрыскивают постоянный поток топлива в камеры сгорания, где оно смешивается с воздухом.Смесь сжигается при температуре более 2000 градусов по Фаренгейту. При сгорании образуется высокотемпературный газовый поток под высоким давлением, который входит и расширяется через турбинную секцию.
  • Турбина представляет собой сложный набор чередующихся неподвижных и вращающихся лопастей с профилем крыла. Когда горячий газ сгорания расширяется через турбину, он раскручивает вращающиеся лопасти. Вращающиеся лопасти выполняют двойную функцию: они приводят в движение компрессор, чтобы втягивать больше сжатого воздуха в секцию сгорания, и вращают генератор для выработки электроэнергии.

Наземные газовые турбины бывают двух типов: (1) двигатели с тяжелой рамой и (2) авиационные двигатели. Двигатели с тяжелой рамой характеризуются более низким коэффициентом давления (обычно ниже 20) и имеют тенденцию быть физически большими. Степень давления - это отношение давления нагнетания компрессора к давлению воздуха на входе. Двигатели на базе авиационных двигателей являются производными от реактивных двигателей, как следует из названия, и работают с очень высокими степенями сжатия (обычно превышающими 30). Двигатели на базе авиационных двигателей имеют тенденцию быть очень компактными и полезны там, где требуется меньшая выходная мощность.Поскольку турбины с большой рамой имеют более высокую выходную мощность, они могут производить большее количество выбросов и должны быть спроектированы таким образом, чтобы обеспечивать низкие выбросы загрязняющих веществ, таких как NOx.

Одним из ключевых факторов удельного расхода топлива турбины является температура, при которой она работает. Более высокие температуры обычно означают более высокую эффективность, что, в свою очередь, может привести к более экономичной эксплуатации. Газ, протекающий через турбину типичной электростанции, может иметь температуру до 2300 градусов по Фаренгейту, но некоторые из критических металлов в турбине могут выдерживать температуры только от 1500 до 1700 градусов по Фаренгейту.Следовательно, воздух из компрессора может использоваться для охлаждения основных компонентов турбины, что снижает конечный тепловой КПД.

Одним из главных достижений программы передовых турбин Министерства энергетики было преодоление предыдущих ограничений по температурам турбин с использованием комбинации инновационных технологий охлаждения и современных материалов. Усовершенствованные турбины, появившиеся в результате исследовательской программы Департамента, смогли повысить температуру на входе турбины до 2600 градусов по Фаренгейту - почти на 300 градусов выше, чем в предыдущих турбинах, и достичь КПД до 60 процентов.

Еще одним способом повышения эффективности является установка рекуператора или парогенератора с рекуперацией тепла (HRSG) для рекуперации энергии из выхлопных газов турбины. Рекуператор улавливает отходящее тепло в выхлопной системе турбины, чтобы предварительно нагреть воздух на выходе компрессора перед его поступлением в камеру сгорания. ПГРТ вырабатывает пар за счет улавливания тепла из выхлопных газов турбины. Эти котлы также известны как парогенераторы-утилизаторы. Пар высокого давления из этих котлов можно использовать для выработки дополнительной электроэнергии с помощью паровых турбин, такая конфигурация называется комбинированным циклом.

Газовая турбина простого цикла может достигать КПД преобразования энергии в диапазоне от 20 до 35 процентов. С учетом более высоких температур, достигнутых в турбинной программе Министерства энергетики, будущие газотурбинные установки с комбинированным циклом, работающие на водороде и синтез-газе, вероятно, достигнут КПД 60 процентов или более. Когда отработанное тепло улавливается из этих систем для отопления или промышленных целей, общая эффективность энергетического цикла может приближаться к 80 процентам.

Газовая турбина

Эта страница предназначена для учащихся колледжей, старших и средних школ.Для младших школьников более простое объяснение информации на этой странице: доступно на Детская страница.

Тяга - это сила, которая перемещает любой самолет по воздуху. Тяга создается силовая установка самолета. Различные двигательные установки развивают тягу в разными способами, но вся тяга создается через некоторые применение третьего закона Ньютона движение.На каждое действие есть равная и противоположная реакция. В любой двигательной установке рабочее тело ускоряется системой и реакция на это ускорение создает силу в системе. А общий вывод уравнения тяги показывает, что величина создаваемой тяги зависит от массовый поток через двигатель и скорость на выходе газа.

Во время Второй мировой войны был разработан двигатель нового типа. самостоятельно в Германии и в Англии.Этот двигатель назывался . газотурбинный двигатель . Мы иногда называем этот двигатель реактивным двигателем . двигатель . Ранние газотурбинные двигатели работали во многом как ракетный двигатель создавая горячий выхлопной газ, который проходил через сопло производить тягу. Но в отличие от ракетного двигателя, который должен нести кислород для сгорания, газотурбинный двигатель получает кислород из окружающего воздуха. Не работает газотурбинный двигатель в космосе, потому что нет окружающего воздуха.Для газа газотурбинный двигатель, ускоренный газ, или рабочее тело , это струйный выхлоп. Большинство Масса выхлопных газов струи исходит из окружающей атмосферы. Самый современный, высокоскоростной пассажир и военный самолет работают на газе газотурбинные двигатели. Потому что газотурбинные двигатели так важны для современных жизни, мы будем предоставлять много информации о газотурбинных двигателях и их работа.

Турбинные двигатели

выпускаются в широком ассортименте формы и размеры из-за множества различных миссий самолетов.Все газотурбинные двигатели имеют некоторые части в однако обычное дело. На слайде мы видим изображения четырех разных самолет, оснащенный газотурбинными двигателями. Каждый самолет имеет уникальная миссия и, следовательно, уникальные требования к двигательной установке. На вверху слева - авиалайнер DC-8. Его задача - перевозить большие грузы. пассажиров или груза на дальние расстояния на большой скорости. Он тратит большую часть своей жизни на высокой скорости морское путешествие. Внизу слева - F-14. истребитель.Его задача - сбивать другие самолеты в бой воздух-воздух. Большую часть жизни он проводит в круизах, но ему необходимо высокое ускорение в бою. Справа внизу - грузовой С-130. самолет. Как и DC-8, он перевозит грузы на большие расстояния, но не имеет требований к высокой скорости DC-8. На верхнем справа - учебно-тренировочный Т-38. Используется для обучения пилотов летать на реактивном самолете. самолет и не имеет требований к ускорению F-14. DC-8 приводится в движение четырьмя двухконтурными ТРДД. двигателей Ф-14 на двух форсажных ТРДД с малым байпасом, С-130 от четырех турбовинтовых двигателей, а Т-38 - двумя ТРД. двигатели.

EngineSim это интерактивный Java-апплет, позволяющий изучать различные типы реактивных двигателей. Вы можете изучить основы газотурбинного двигателя. двигательная установка с симулятором EngineSim. RangeGames это интерактивный Java-апплет, который позволяет изучить, как разные типы самолетов используют разные типы двигателей для выполнения своей миссии.


Действия:

Экскурсии с гидом

Навигация..


Руководство для начинающих Домашняя страница

Газотурбинный двигатель | Британника

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

Общие характеристики

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

Циклы газотурбинного двигателя

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

Название

Газотурбинный двигатель открытого цикла постоянного давления.

Британская энциклопедия, Inc.

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

Получите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту. Подпишитесь сейчас

Фактическая производительность при простом разомкнутом цикле

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

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

Промежуточное охлаждение, повторный нагрев и регенерация

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

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

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

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

Газовые турбины для выработки электроэнергии

Использование газовых турбин для выработки электроэнергии началось в 1939 году. Сегодня газовые турбины являются одной из наиболее широко используемых технологий производства электроэнергии. Газовые турбины - это тип двигателя внутреннего сгорания (ВС), в котором при сжигании топливовоздушной смеси образуются горячие газы, которые вращают турбину для выработки энергии. Название газовым турбинам дает не само топливо, а образование горячего газа при сгорании топлива. Газовые турбины могут использовать различные виды топлива, включая природный газ, жидкое топливо и синтетическое топливо.В газовых турбинах горение происходит непрерывно, в отличие от поршневых двигателей внутреннего сгорания, в которых сгорание происходит с перерывами.

Как работают газовые турбины?
Газовые турбины состоят из трех основных секций, установленных на одном валу: компрессора, камеры сгорания (или камеры сгорания) и турбины. Компрессор может быть осевым или центробежным. Компрессоры с осевым потоком более распространены в производстве электроэнергии, потому что они имеют более высокую производительность и эффективность.Компрессоры с осевым потоком состоят из нескольких ступеней вращающихся и неподвижных лопаток (или статоров), через которые воздух втягивается параллельно оси вращения и постепенно сжимается по мере прохождения через каждую ступень. Ускорение воздуха вращающимися лопастями и диффузия статорами увеличивают давление и уменьшают объем воздуха. Хотя тепло не добавляется, сжатие воздуха также вызывает повышение температуры.

Сжатый воздух смешивается с топливом, впрыскиваемым через форсунки.Топливо и сжатый воздух могут быть предварительно смешаны или сжатый воздух может быть введен непосредственно в камеру сгорания. Топливно-воздушная смесь воспламеняется в условиях постоянного давления, а горячие продукты сгорания (газы) направляются через турбину, где они быстро расширяются и сообщают вращение валу. Турбина также состоит из ступеней, каждая из которых имеет ряд неподвижных лопаток (или сопел) для направления расширяющихся газов, за которыми следует ряд движущихся лопаток. Вращение вала заставляет компрессор всасывать и сжимать больше воздуха для поддержания непрерывного горения.Оставшаяся мощность на валу используется для привода генератора, вырабатывающего электричество. Приблизительно от 55 до 65 процентов мощности, производимой турбиной, используется для привода компрессора. Для оптимизации передачи кинетической энергии от продуктов сгорания к вращению вала газовые турбины могут иметь несколько ступеней компрессора и турбины.

Газовая турбина Alstom GT24 / GT26 (Изображение предоставлено Alstom)

Поскольку компрессор должен достичь определенной скорости, прежде чем процесс сгорания станет непрерывным или самоподдерживающимся, начальный импульс передается ротору турбины от внешнего двигателя, статический преобразователь частоты, или сам генератор.Перед подачей топлива и возгоранием компрессор должен быть плавно ускорен и достигнет скорости зажигания. Скорости турбины сильно различаются в зависимости от производителя и конструкции: от 2000 оборотов в минуту (об / мин) до 10000 об / мин. Первоначальное зажигание происходит от одной или нескольких свечей зажигания (в зависимости от конструкции камеры сгорания). Как только турбина достигает самоподдерживающейся скорости - выше 50% от полной скорости - выходной мощности достаточно для приведения в действие компрессора, сгорание идет непрерывно, а систему стартера можно отключить.

Характеристики газовой турбины
Термодинамический процесс, используемый в газовых турбинах, - это цикл Брайтона. Двумя важными рабочими параметрами являются степень сжатия и температура обжига. Соотношение количества топлива к мощности двигателя оптимизируется за счет увеличения разницы (или соотношения) между давлением нагнетания компрессора и давлением воздуха на впуске. Эта степень сжатия зависит от конструкции.Газовые турбины для выработки электроэнергии могут быть как промышленного (тяжелого каркаса), так и авиационного исполнения. Промышленные газовые турбины предназначены для стационарного применения и имеют более низкие отношения давлений - обычно до 18: 1. Авиационные газовые турбины - это более легкие компактные двигатели, адаптированные к конструкции авиационных реактивных двигателей, которые работают при более высоких степенях сжатия - до 30: 1. Они предлагают более высокую топливную эффективность и меньшие выбросы, но меньше по размеру и имеют более высокие начальные (капитальные) затраты. Авиационные газовые турбины более чувствительны к температуре на входе в компрессор.

Температура, при которой работает турбина (температура горения), также влияет на КПД, при этом более высокие температуры приводят к более высокому КПД. Однако температура на входе в турбину ограничена тепловыми условиями, которые допускает металлический сплав лопаток турбины. Температура газа на входе в турбину может составлять от 1200 ° C до 1400 ° C, но некоторые производители повысили температуру на входе до 1600 ° C, разработав покрытия для лопаток и системы охлаждения для защиты металлургических компонентов от теплового повреждения.

Из-за мощности, необходимой для привода компрессора, эффективность преобразования энергии для газотурбинной электростанции простого цикла обычно составляет около 30 процентов, при этом даже самые эффективные конструкции ограничиваются 40 процентами. Большое количество тепла остается в выхлопных газах, температура которых составляет около 600 ° C, на выходе из турбины. За счет рекуперации этого отходящего тепла для производства более полезной работы в конфигурации с комбинированным циклом КПД газотурбинной электростанции может достигать 55-60 процентов. Однако существуют эксплуатационные ограничения, связанные с работой газовых турбин в режиме комбинированного цикла, в том числе более длительное время запуска, требования к продувке для предотвращения пожаров или взрывов и скорость нарастания до полной нагрузки.

Как работают 4 типа турбинных двигателей

Прямая трансляция из полетной кабины

Газотурбинные двигатели прошли долгий путь с 1903 года. Это был первый год, когда газовая турбина вырабатывала достаточно мощности, чтобы поддерживать себя в рабочем состоянии. Дизайн был разработан норвежским изобретателем Эгидусом Эллингом, и он выдал 11 лошадиных сил, что было огромным достижением в то время.

В наши дни газотурбинные двигатели бывают всех форм и размеров, и большинство из них вырабатывают , много , более 11 лошадиных сил.Вот 4 основных типа газотурбинных двигателей, а также их плюсы и минусы.

1) Турбореактивный двигатель

Heinkel He 178, первый в мире турбореактивный самолет

Турбореактивные двигатели были первым изобретенным типом газотурбинных двигателей. И хотя они выглядят совершенно иначе, чем поршневой двигатель в вашем автомобиле или самолете, они работают по той же теории: впуск , сжатие, мощность, выпуск .

Как работает турбореактивный двигатель?

Турбореактивные двигатели работают за счет пропускания воздуха через 5 основных секций двигателя:

Шаг 1: Воздухозаборник
Воздухозаборник представляет собой трубку перед двигателем.Забор воздуха может показаться простым, но это невероятно важно. Задача воздухозаборника - плавно направлять воздух в лопатки компрессора. На низких скоростях необходимо минимизировать потери воздушного потока в двигателе, а на сверхзвуковых скоростях он должен замедлять воздушный поток ниже 1 Маха (воздух, поступающий в турбореактивный двигатель, должен быть дозвуковым, независимо от того, насколько быстро летит самолет. ).

Шаг 2: Компрессор
Компрессор приводится в движение турбиной в задней части двигателя, и его работа заключается в сжатии поступающего воздуха, что значительно увеличивает давление воздуха.Компрессор представляет собой серию «вентиляторов», каждый с меньшими и меньшими лопастями. По мере того, как воздух проходит через каждую ступень компрессора, он становится более сжатым.
Шаг 3: Камера сгорания
Далее идет камера сгорания, где действительно начинается волшебство. Воздух высокого давления смешивается с топливом, и смесь воспламеняется. По мере сгорания топливно-воздушной смеси она движется через двигатель к турбине. Турбореактивные двигатели работают очень бедно, примерно 50 частей воздуха на каждую 1 часть топлива (большинство поршневых двигателей работают в диапазоне от 6 к 1 до 18 к 1).Одна из основных причин, по которой турбины работают на обедненной смеси, заключается в том, что для охлаждения турбореактивного двигателя требуется дополнительный поток воздуха.
Шаг 4: Турбина
Турбина - это еще одна серия «вентиляторов», которые работают как ветряная мельница, поглощая энергию проходящего через нее воздуха с высокой скоростью. Лопатки турбины соединены с валом и вращают его, который также соединен с лопатками компрессора в передней части двигателя. «Жизненный цикл» турбореактивного двигателя почти завершен.

Шаг 5: Выхлоп (он же «Я ухожу отсюда!»)
Сгоревшая на высокой скорости топливно-воздушная смесь выходит из двигателя через выхлопное сопло.Когда высокоскоростной воздух выходит из задней части двигателя, он создает тягу и толкает самолет (или то, к чему он прикреплен) вперед.

Турбореактивный вынос:

  • Плюсов:
    • Сравнительно простой дизайн
    • Может работать на очень высоких скоростях
    • Занимает мало места
  • Минусы:
    • Большой расход топлива
    • Громко
    • Низкая производительность на малых скоростях

2) Турбовинтовой двигатель

Прямая трансляция из полетной кабины

King Air с турбовинтовыми двигателями

Следующие три типа газотурбинных двигателей представляют собой турбореактивные двигатели, и мы начнем с турбовинтовых.Турбовинтовой - это турбореактивный двигатель, соединенный с воздушным винтом через систему зубчатых передач.

Как работает турбовинтовой двигатель?

Шаг 1 : Турбореактивный двигатель вращает вал, который соединен с коробкой передач.

Шаг 2 : Коробка передач замедляет вращение, а самая медленная шестерня соединяется с гребным винтом.

Шаг 3 : Воздушный винт вращается в воздухе, создавая тягу, как и ваша Cessna 172

Турбовинтовой вынос на вынос:

  • Плюсов:
    • Очень экономичный
    • Наиболее эффективен при средней скорости 250-400 узлов
    • Наиболее эффективен на средних высотах от 18 000 до 30 000 футов
  • Минусы:
    • Ограниченная скорость полета вперед
    • Зубчатые передачи тяжелые и могут выйти из строя

3) Турбореактивный двигатель

Прямая трансляция из полетной кабины

Некоторые широкофюзеляжные турбовентиляторные двигатели могут развивать тягу более 100 000 фунтов

Турбореактивные двухконтурные двигатели сочетают в себе лучшее из обоих миров - турбореактивных и турбовинтовых.И вы, вероятно, увидите эти двигатели, когда отправитесь в аэропорт на следующий рейс авиакомпании.

Как работает турбовентиляторный двигатель?

Турбореактивные двухконтурные двухконтурные двигатели присоединяются к передней части турбореактивного двигателя. Вентилятор создает дополнительную тягу, помогает охлаждать двигатель и снижает уровень шума двигателя.

Шаг 1 : Входящий воздух делится на два отдельных потока. Один поток обтекает двигатель (перепускной воздух), а другой проходит через сердечник двигателя.

Шаг 2 : Обводной воздух проходит вокруг двигателя и ускоряется канальным вентилятором, создавая дополнительную тягу.

Шаг 3 : Воздух проходит через турбореактивный двигатель, продолжая создавать тягу.

ТРДД на вынос:

  • Плюсов:
    • Экономия топлива
    • тише турбореактивных двигателей
    • Они потрясающе выглядят
  • Минусы:
    • Тяжелее турбореактивных двигателей
    • Большая площадь лобовой части, чем у турбореактивных двигателей
    • Неэффективен на очень большой высоте

ТРДД Pratt & Whitney F100 с форсажной камерой на F-16

4) Турбовальный двигатель

Вертолет Bell 206 с турбовальным двигателем

Турбовальные двигатели используются в основном на вертолетах.Самая большая разница между турбовальными двигателями и турбореактивными двигателями заключается в том, что турбовальные двигатели используют большую часть своей мощности для вращения турбины, а не для создания тяги, выходящей из задней части двигателя.

Как работает турбовальный вал?

Турбовалы - это, по сути, турбореактивный двигатель с большим валом, соединенным с его задней частью. А поскольку большинство этих двигателей используется на вертолетах, этот вал соединен с трансмиссией лопастей несущего винта.

Шаг 1 : Двигатель по большей части работает как турбореактивный.

Шаг 2 : Приводной вал, прикрепленный к турбине, приводит в действие трансмиссию.

Шаг 3 : Трансмиссия передает вращение от вала на лопасть ротора.

Шаг 4 : Вертолет, в основном неизвестными и волшебными способами, может летать по небу.

Отвод турбовального вала:

  • Плюсов:
    • Значительно более высокое отношение мощности к массе, чем у поршневых двигателей
    • Обычно меньше поршневых двигателей
  • Минусы:
    • Громко
    • Зубчатые передачи, соединенные с валом, могут быть сложными и выходить из строя

4 типа двигателей, основанных на одной и той же базовой концепции

Газотурбинные двигатели прошли долгий путь за последние 100 лет.И хотя турбореактивные двигатели, турбовинтовые двигатели, турбовентиляторные двигатели и турбовальные двигатели имеют свои различия, их способ выработки мощности по существу одинаков: впуск, сжатие, мощность и выхлоп.


Станьте лучшим пилотом.
Подпишитесь, чтобы получать последние видео, статьи и викторины, которые сделают вас более умным и безопасным пилотом.


Реактивные двигатели

Базовый обзор


На изображении выше показано, как реактивный двигатель будет расположен в современном военный самолет.В базовом реактивном двигателе воздух поступает в передний воздухозаборник и сжато (посмотрим, как позже). Затем воздух нагнетается в камеры сгорания, в которые впрыскивается топливо, и воздушная смесь и топливо воспламеняется. Образующиеся газы быстро расширяются и истощаются через заднюю часть камер сгорания. Эти газы обладают одинаковой силой во всех направлениях, обеспечивая тягу вперед, когда они уходят в тыл. В виде газы выходят из двигателя, они проходят через веерный набор лопаток (турбина), которая вращает вал, называемый валом турбины.Этот вал, в повернуть, вращает компрессор, обеспечивая приток свежего воздуха через впуск. Ниже представлена ​​анимация изолированного реактивного двигателя, который иллюстрирует процесс притока, сжатия, сгорания, истечения воздуха. и только что описанное вращение вала.

процесс можно описать следующей схемой, взятой с сайта Rolls Royce, популярного производителя реактивных двигателей.


Этот процесс является сутью того, как работают реактивные двигатели, но как именно что-то вроде сжатия (сдавливания) происходит? Чтобы узнать больше о каждом о четырех этапах создания тяги реактивным двигателем см. ниже.

SUCK

Двигатель всасывает большой объем воздуха через вентилятор и компрессор этапы. Типичный коммерческий реактивный двигатель потребляет 1,2 тонны воздуха в секунду. во время взлета - другими словами, он может выпустить воздух на корте для сквоша в меньше секунды. Механизм при котором реактивный двигатель всасывает воздух, в значительной степени является частью сжатия сцена. Во многих двигателях компрессор отвечает как за всасывание воздуха, так и за его сжатие.Некоторые двигатели имеют дополнительный вентилятор, который не является частью компрессора для втягивания дополнительного воздуха в систему. Вентилятор - это крайний левый компонент двигатель, показанный выше.


SQUEEZE

Помимо всасывания воздуха в двигатель, компрессор также создает давление в воздух и подает его в камеру сгорания. Компрессор показан на изображении выше слева от огонь в камере сгорания и справа от вентилятора.Компрессионные вентиляторы приводятся в действие турбина валом (турбина, в свою очередь, приводится в движение воздухом, оставив двигатель). Компрессоры могут достигать чрезмерных степеней сжатия 40: 1, что означает, что давление воздуха в конце компрессор более чем в 40 раз превышает объем воздуха, поступающего в компрессор. На полную мощность лопасти типового коммерческий струйный компрессор вращается со скоростью 1000 миль в час (1600 км / ч) и принимает 2600 фунтов (1200 кг) воздуха в секунду.

Сейчас мы обсудим, как компрессор на самом деле сжимает воздух.


Как видно на изображении выше, зеленые вееры, составляющие компрессор постепенно становится все меньше и меньше, как и полость, проходящая через который воздух должен путешествовать. Воздух должен продолжать движение вправо, к камерам сгорания двигатель, так как вентиляторы вращаются и выталкивают воздух в этом направлении. Результат - заданное количество воздуха. переходя от большего пространства к меньшему, и, таким образом, увеличивая давление.


BANG

В камере сгорания топливо смешивается с воздухом, чтобы произвести взрыв, который отвечает за расширение, которое заставляет воздух попадать в турбину.Внутри типичного коммерческого реактивного двигателя топливо горит при сгорании. камера при температуре до 2000 градусов Цельсия. Температура, при которой металлы в эта часть двигателя начинает плавиться - 1300 градусов по Цельсию, поэтому продвинутая необходимо использовать методы охлаждения.

Горение камера имеет сложную задачу сжигания большого количества топлива, подается через форсунки для распыления топлива с большим объемом воздуха, подаваемый компрессором, и выделяя образующееся тепло таким образом что воздух расширяется и ускоряется, давая плавный поток равномерно нагретый газ.Эта задача должна быть выполнена с минимальными потерями. по давлению и с максимальным тепловыделением в ограниченном пространстве имеется в наличии.

Количество топлива добавление к воздуху будет зависеть от требуемого повышения температуры. Тем не мение, максимальная температура ограничена определенным диапазоном, определяемым материалы, из которых изготовлены лопатки и сопла турбин. В воздухе есть уже были нагреты до температуры от 200 до 550 C в результате работы, проделанной в компрессор, требующий повышения температуры примерно от 650 до 1150 C от процесса сгорания.Поскольку температура газа определяет тягу двигателя, камера сгорания должна быть способна поддержание стабильного и эффективного сгорания в широком диапазоне двигателей условия эксплуатации.

Воздух, принесенный вентилятор, который не проходит через ядро ​​двигателя и, следовательно, не используется для сжигания, что составляет около 60 процентов от общего количества поток воздуха, постепенно вводится в жаровую трубу, чтобы снизить температура внутри камеры сгорания и охладите стенки жаровой трубы.


УДАР

Вынужденная реакция расширенного газа - смеси топлива и воздуха. через турбину, приводит в действие вентилятор и компрессор и выдувает из выхлопное сопло, обеспечивающее тягу.

Таким образом, турбина должна обеспечивать мощность для привода компрессор и аксессуары. Это делает это за счет извлечения энергии из горячих газов, выделяемых из системы сгорания и расширения их до более низкого давления и температуры.Непрерывный поток газа, к которому открытая турбина может попасть в турбину при температуре от 850 до 1700 ° C, что снова намного выше точки плавления текущего материаловедение.

Для производства крутящего момента, турбина может состоять из нескольких ступеней, каждая из которых использует один ряд подвижных лопастей и один ряд неподвижных направляющих лопаток для направления воздух по желанию на лезвия. Количество ступеней зависит от соотношение между мощностью, требуемой от газового потока, вращательной скорость, с которой она должна производиться, и допустимый диаметр турбины.

Желание для обеспечения высокого КПД двигателя требуется высокая температура на входе в турбину, но это вызывает проблемы, поскольку лопатки турбины должны выполнять и выдерживают длительные периоды эксплуатации при температурах выше их плавления точка. Эти лезвия, хотя и раскаленные докрасна, должны быть достаточно прочными, чтобы нести центробежные нагрузки из-за вращения с высокой скоростью.

Для работы в этих условиях холодный воздух вытесняется из множества мелких отверстия в лезвии.Этот воздух остается близко к лезвию, предотвращая его плавится, но не сильно ухудшает общий представление. Никелевые сплавы используются для изготовления лопаток турбин и направляющие лопатки сопла, поскольку эти материалы демонстрируют хорошие свойства при высокие температуры

.

Автор: alexxlab

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *