Работа турбины на дизельном двигателе: Принцип работы турбины, как работает турбина на дизельном двигателе

Содержание

Принцип работы турбины, как работает турбина на дизельном двигателе

Если вам интересно, каков принцип работы турбины на дизельном двигателе, значит вы попали по адресу. О том, что такое дизельный турбокомпрессор и как он работает, вы узнаете в данной статье.

Как работает турбина на дизеле? Как работает турбина в дизельном двигателе?

Итак, турбокомпрессор - это небольшой воздушный насос, которых осуществляет работу всех элементов турбины. Как известно, турбина вращается с помощью особого тока, получаемого от собранных в процессе езды автомобиля газов. Учитывая тот факт, что скорость лопаток турбины разгоняются почти до скорости света, маневренность во время езды на автомобиле с турбиной значительно выше, чем в автомобилях без неё. Во время “зажигания”, турбина соединяется с жесткой осью и подает его в коллектор двигателя. Чем больше воздуха - тем выше мощность двигателя. Такие воздушные подушки позволяют сделать каждую поезду максимально комфортной, эффектной и маневренной. Именно эти причины вынуждают автолюбителей со всего мира покупать турбины высокого класса за доступную цену. Качество работы турбины на дизеле определяется уровнем всасываемого воздуха, уровнем сжатие этого воздуха, соотношении входа и выхода отработанных газов, мощность компрессора и турбины.

Как проверить работает ли турбина на дизеле? Как проверить справность турбины?

Турбина - штука непростая, но стоит всего лишь из корпуса и ротора. Газы, о которых мы говорили выше, попадают в специальных патрубок, проходят по небольшому каналу, ускоряются и приводят в движения лопатки турбокомпрессора. Как видите, принцип работы дизельного двигателя с турбиной заключается в скорости вращения турбины, благодаря переработанному воздуху. Что логично, скорость вращения лопаток напрямую зависит от размеров “улитки” турбины. К примеру, устройство грузовика может в несколько раз превышать размеры устройства легкового автомобиля, так как для полноценной работы турбины в большом агрегате, её корпус должен быть разделен на два отельных канала, которые поочередно перерабатывают воздух. Чтобы максимально облегчить давление воздушного потока, специалисты советуют устанавливать на турбине специальное кольцо. Компрессор, в свою очередь, производится из ротора и корпуса. Лопатки ротора, как правило, изготавливают из надежного алюминия, а форму имеют особую - улиточную. Это необходимо для того, чтобы воздух направлялся строго в центр ротора. Обычный режим работы турбокомпрессора включает в себя большое давление, которое регулярно сжимается. Важно знать, что все динамические прибора работают по принципу разности давлений.

СТО “Центр Турбин” предлагает вашему вниманию услуги по установке, реставрации и ремонту автомобильных турбин. Все наши специалисты имеют колоссальные знания и стаж работы с автомобильными турбинами. Именно поэтому качество наших услуг находится на высоком уровне. Если вы не знаете, какая турбина подходит именно вам, обратите внимание на мобильный номер, указанный на нашем сайте. Наши консультанты с радостью помогут вам выбрать модель турбины, удовлетворяющую все ваши запросы.

Эксплуатация и принцип работы турбины на дизельном двигателе

Гениальная идея использования выхлопных газов для разгона ротора позволила создать турбированный дизельный двигатель внутреннего сгорания и увеличить его мощность на 40–50%. Это притом, что во время работы в обычном режиме выброс газов сопровождается снижением коэффициента полезного действия в пределах 30 — 40%.

Принцип работы турбины дизельного двигателя основан на увеличении количества воздуха, смешиваемого с топливом и поступающего в камеру сгорания. За один и тот же период времени и при равных объемах цилиндров, двигатель с турбонаддувом может сжечь большее количество топлива, чем движок, не оснащенный таким устройством. А значит, его мощность и КПД в единицу времени значительно возрастет.

Рассмотрим устройство турбины дизельного двигателя, как работает, и каким образом достигаются такие показатели.

Конструктивные элементы системы

Для осуществления возложенных функций, система турбонаддува состоит из двух основных частей:

  1. Компрессор;
  2. Турбина.

Компрессор служит для нагнетания атмосферного воздуха в систему подачи топлива. Он состоит из корпуса и расположенной в нем крыльчатки, которая, вращаясь, всасывает воздух. Чем выше ее скорость вращения, тем больше объем принятого воздуха. Увеличению скорости способствует работа турбины.

Она также состоит из корпуса с крыльчаткой (ротором), которая приводится в движение выхлопными газами. В корпусе газы проходят через специальный канал, имеющий форму улитки, что позволяет им увеличить скорость.

Как работает турбонаддув дизельного двигателя

Ротор турбины и крыльчатка компрессора жестко закреплены на одном валу. Таким образом, скорость вращения ротора передается крыльчатке. Круг замыкается:

  • Через компрессор воздух из атмосферы, смешиваясь с топливом, подается в цилиндры двигателя;
  • Смесь сгорает, приводя в движение поршни, и образовавшиеся в результате газы поступают в выпускной коллектор;
  • Здесь они принимаются в корпус турбины, разгоняются в канале и на выходе взаимодействуют с ротором, заставляя его вращаться;
  • Ротор через вал передает вращение крыльчатке компрессора, которая всасывает в корпус атмосферный воздух.

Получается взаимосвязанная схема работы, когда количество всасываемого воздуха зависит от скорости вращения крыльчатки и, наоборот, крыльчатка вращается быстрее при большем количестве забираемого воздуха.

Принцип работы турбонаддува имеет два момента, называемые турбоямой и турбоподхватом.

Первый момент характеризуется задержкой в работе турбины после увеличения подачи топлива нажатием на педаль газа, так как для разгона ротора выхлопными газами требуется время.

Вслед за турбоямой наступает момент турбоподхвата, когда разогнавшийся ротор резко увеличивает подачу воздуха в цилиндры, повышая мощность двигателя.

Регулировка давления наддува

Турбонаддув дизельного двигателя повышает его мощность за счет возрастания давления выхлопных газов, являющихся результатом увеличения числа оборотов и интенсивности работы мотора. Этот же процесс повышает давление наддува. Если его не регулировать, то на самых высоких оборотах оно может достичь опасных значений, приводящих к поломкам и механическим повреждениям.

Регулировка давления производится с помощью выпускного предохранительного клапана, а контроль максимально допустимого значения — с помощью мембраны и пружины определенной жесткости.

Суть работы: при достижении предельного значения давления, мембрана, установленная в корпусе компрессора, преодолевает воздействие пружины и открывает регулировочный клапан.

Давление регулируют как на стороне компрессора, так и на стороне турбины:

  1. Работающий турбокомпрессор сбрасывает в атмосферу через выпускной клапан излишки забранного воздуха, тем самым снижая давление.
  2. В турбине клапан выпускает отработанные газы под воздействием мембраны компрессора, когда давление всасываемого воздуха достигает максимального уровня. Благодаря этому, ротор вращается с установленной скоростью, а компрессор не забирает лишний воздух и не увеличивает давление.

Второй вариант расположения клапана позволяет изготавливать системы меньших габаритов. Кроме того, турбонагнетатель с клапаном в компрессоре подвержен чрезмерному нагреву из-за повышенной температуры выпускаемого воздуха, что негативно сказывается на эффективности его работы.

Поэтому турбонаддув дизельного двигателя чаще оснащают регулировочным клапаном в турбине, а регулировку в компрессоре используют в качестве дополнения.

Система смазки

Смазка вала турбонагнетателя осуществляется смазочной системой двигателя.

На вал устанавливают уплотнительные кольца, предотвращающие проникновение масла в полости корпусов компрессора и турбины. Они же предохраняют корпуса от перегрева. Но герметичность обеспечивается не столько уплотнениями, сколько разностью величины давления в различных частях агрегата. Эту разницу давлений создает турбинная ось (вал), имеющая неравномерный диаметр.

Особая форма литья корпуса, в котором расположен вал, также способствует удержанию масла.

Если мотор не развивает требуемую мощность, это может быть симптомом неисправности турбонаддува. Наиболее часто встречающиеся проблемы — загрязнение воздушного фильтра или потеря герметичности впускного коллектора. Кроме потери мощности, их можно диагностировать по несвойственному для исправной машины цвету и количеству дыма, выходящего из выхлопной трубы.

Недостатки турбокомпрессоров

Принцип работы турбины на дизельном двигателе создает и негативные факторы:

  • Повышенный расход горючего. Возможность сжечь большее количество солярки за счет увеличенного объема подачи воздуха, вместе с мощностью повышает и «прожорливость» машины. Уменьшить аппетит до разумных пределов позволяет правильная регулировка системы.
  • Положительные стороны наддува приводят к многократному повышению температуры во время такта сжатия, что может вызвать детонацию в двигателе. Решается эта проблема установкой охладителей, регуляторов и прочих элементов.

Правила эксплуатации

Чтобы в полной мере использовать ресурс турбины дизельного мотора и продлить ее срок службы, необходимо выполнять ряд условий:

  • Регулярно менять масло в системе, чтобы не допустить попадания абразива в маслопровод и его засорения.
  • Применять только качественное масло, имеющее сертификат, той марки, которая соответствует указанной в паспортных данных двигателя.
  • Прогревать мотор перед началом движения и не давать холодному двигателю высоких нагрузок.
  • Никогда резко не отключать движок, а после остановки автомобиля давать ему возможность поработать несколько секунд на холостых оборотах.

Принцип работы турбины на дизельном двигателе

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

Об истории изобретения и внедрения турбонаддува

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

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

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

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

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

Oldsmobile Jetfire 1962 года – первый серийный автомобиль с турбонаддувом

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

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

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

В Советском Союзе разработка и внедрение в «серию» турбированных двигателей была связана, прежде всего, с развитием производства тяжёлых промышленных и сельскохозяйственных тракторов – «ЧТЗ», «Кировец»; суперсамосвалов «БелАЗ» и т.п. мощной техники.

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

Устройство системы турбонаддува

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

Чем больше воздуха поступит в камеру сгорания, тем большее количество солярки дизель сможет сжечь за конкретную единицу времени. Результат – существенное увеличение мощности мотора, без необходимости наращивания объёма его цилиндров.

Составные части устройства турбонаддува:

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

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

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

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

Как работает турбина дизельного двигателя

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

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

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

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

Дизельная турбина в разрезе

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

Необходимые дополнения в состав системы турбонаддува: клапаны, интеркулер

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

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

Дизельный турбокомпрессор «Бош»

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

Интеркулер – это не что иное, как радиатор для охлаждения наддувочного воздуха. Кроме снижения детонации, он снижает температуру воздуха ещё и для того, чтоб не снижать его плотность. А это неизбежно во время процесса нагрева от сжатия, и от этого эффективность всей системы в значительной степени падает.

Кроме того, современная система турбонаддува двигателя не обходится без:

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

Применение турбонаддува в мировом машиностроении

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

Вот это «улитка»!

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

 

 

Принцип работы турбины на дизельном двигателе – Турбобаланс

Дизельный двигатель, относящийся к категории двигателей внутреннего сгорания, был изобретён в феврале месяце 1893года в Германии инженером Рудольфом Дизелем.

С момента изобретения двигатель постоянно усовершенствовался, менялись виды топлива, способы его подачи, баланс топливной смеси и т.д.

Собранные по классической схеме двигатели, используют принцип превышения атмосферного давления над давлением, создающимся в цилиндре в момент движения поршня к нижней мёртвой точке. Однако за счёт незначительного времени затраченного на выполнения этого действия и небольшого перечного сечения воздухоподводящего канала поступающего воздуха недостаточно для полного сгорания топливной смеси.

Позже на родине Рудольфа Дизеля нашли способ решения данной проблемы. Воздух в цилиндры должен подаваться под избыточным давлением! Это основной принцип работы турбины на дизельном двигателе

Для этой цели было разработано специальное устройство, совмещающее в себе свойства вентилятора и компрессора. Это устройство приводилось в движение непосредственно от коленчатого вала двигателя, что снижало коэффициент полезного действия всей конструкции в целом.

Следующим усовершенствованием системы подачи воздуха стала установка в качестве привода для компрессораспециальной турбины, которая приводилась во вращение за счёт использования энергии потока использованных отработанных газов.

Однако при работе двигателя на малых оборотах, воздуха подаваемого в цилиндры компрессором было недостаточно для полноценной работы дизеля. Вскоре и этот вопрос был решён путём установки двух турбин различного диаметра и приводимых во вращение выхлопными газами, забираемыми из разных частей выпускного тракта. Турбина меньшего диаметра разгонялась быстрее и обеспечивала работу двигателя на малых оборотах, а большая турбина работала при больших оборотах двигателя, что качественно изменило принципы работы турбины на дизельном двигателе. Так же для уменьшения турбоямы использовались механизмы изменяемой геометрии.

Работает турбокомпрессор следующим образом:

— Выхлопные газы, отводимые от выпускного коллектора дизеля, направляются в приемный патрубок турбокомпрессора.

— Проходят по каналу корпуса турбины, который постепенно уменьшается в сечении, а газы увеличивают скорость и воздействуя на ротор заставляют вращаться турбину. Число оборотов турбины зависит от многих факторов: конфигурации канала, его формы, сечения и т.д. Турбина вращается со скоростью около150000 об/сек, её размеры подбираются в зависимости от типа двигателя.

— Наружный воздух, проходя через фильтрующий элемент, очищается от пыли и других посторонних примесей и в сжатом состоянии попадает во впускной коллектор дизеля. После этого происходит закрытие впускного канала, дополнительное сжатие топливной смеси и её воспламенение. В завершении рабочего цикла открывается выпускной коллектор.

Поскольку уходящие выхлопные газы имеют температуру около 800° — 900° С, турбокомпрессор имеет систему охлаждения, радиатором которой является корпус подшипника. При работе турбокомпрессора, за счёт сжатия и увеличения внутренней силы трения воздух, нагнетаемый в цилиндры дизеля подогревается до температуры около 170°С. Во время охлаждения воздух «сгущается», то есть увеличивается, его плотность и соответственно взрастает, объём подаваемого воздуха. Подача в двигатель охлаждённого воздуха положительно влияет на повышение мощности дизеля, что в свою очередь снижает потребление топлива, уменьшает отрицательное воздействие на окружающую среду.

Турбокомпрессорные двигатели имеют перед обычными двигателями определённые преимущества:

  • При одних и тех же энергозатратах расход топлива меньше, поскольку часть энергии выхлопных газов, раскручивая турбокомпрессор, подавая большее количество воздуха в цилиндры двигателя, увеличивает его мощность.
  • Двигатели с турбокомпрессорами имеют меньший наружный объём и соответственно меньшие потери нагрева.
  • За счёт относительно небольшого веса на 1Л.С. мощности снижается расход металла на сам двигатель и конструкцию, на которой он установлен.
  • Также меньше объём отсека, в который может быть установлен турбодвигатель.
  • За счёт малого числа оборотов при номинальной мощности турбодвигатели обладают лучшими нагрузочными характеристиками.
  • В условиях разряженного воздуха, за счёт высокого давления развиваемого турбокомпрессором и низкого внешнего давления турбодвигатель имеет огромные преимущества в сравнении с обычным двигателем, поскольку мощность его практически не теряется.
  • турбодвигатель за счёт малых размеров имеет меньшую звукоизлучающую поверхность, а турбокомпрессор работает как дополнительный глушитель.

Имеет турбонаддув и свои недостатки – это заметная задержка набора мощности при резком нажатии на педаль акселератора. Такое случается в связи с тем, что отсутствует механическая связь коленчатого вала и турбины Мощность начинает расти, когда турбина раскрутится выхлопными газами. Хотя подобное явление в той или иной степени наблюдается у любого двигателя.

Основное применение дизельные двигатели с турбонаддувом нашли на автомобилях большой грузоподъёмности, работающих с полной нагрузкой.

Принцип работы турбины – как она работает


Турбокомпрессор или попросту турбина – это дополнительное устройство двигателя, которое для своей работы использует энергию отработавших газов. Что позволяет увеличить мощность двигателя на величину от 25% до 100%. Прежде чем понять, как работает турбокомпрессор, стоит рассмотреть функционирование двигателя внутреннего сгорания.

Принцип работы ДВС

Любой двигатель внутреннего сгорания, дизельный или бензиновый, работает на принципе получения энергии, образующейся от воспламенения топливовоздушной смеси в камерах сгорания. Через впускные клапаны в цилиндр подается отфильтрованный внешний воздух и впрыскивается топливо, причем при пассивной подаче воздуха, в цилиндр подается дозированное количество топлива. Именно эта смесь сгорает в цилиндре и заставляет двигаться поршень, который передает свою кинетическую энергию на ходовую систему автомобиля. Чем больше такой смеси подается и сгорает в цилиндрах, тем больше выходной крутящий момент и соответственно выше общая мощность мотора.

Принцип работы турбины

Для увеличения подачи воздуха в цилиндр, без изменения объема самого цилиндра, используют турбокомпрессор. При работе турбины используются продукты сгорания топливной смеси, которые приводят в действие роторный механизм турбокомпрессора, с помощью которого атмосферный воздух принудительно нагнетается в цилиндры (турбонаддув). И, благодаря этому, в цилиндр подается и большая дозировка топлива. Во время нагнетания, воздух может нагреваться, из-за чего уменьшается его плотность и масса в цилиндрах. Для подачи большего количества воздуха, его необходимо охладить. Для лучшего охлаждения используется радиаторное устройство, называемое интеркулером, который устанавливается на выходе из холодной части турбокомпрессора и через который проходит воздух перед попаданием в цилиндры. На следующем этапе поршень всасывает этот охлажденный воздух через впускные клапаны и одновременно в камеру сгорания подается топливо, образуется топливовоздушная смесь. Возгорание топливной смеси происходит от искры (бензиновые двигатели), либо от сжатия (дизельные двигатели). После того, как произошло сгорание порции смеси, продукты горения выбрасываются через выпускной клапан и попадают снова в турбину, на ее ротор. Таким образом, она работает без участия движущих частей двигателя, используя энергию потока выхлопных газов.

Для каждого двигателя турбокомпрессор подбирается индивидуально, исходя из его собственной мощности и объема. Причем величина наддува зависит от геометрических параметров (размеров) улиток, компрессорного колеса, ротора турбины. Некоторые конструкции двигателей оборудуют не одной турбиной, а двумя: одинакового размера – би-турбо, разного размера – твин-турбо. В последнее время широкое распространение получили турбокомпрессоры с механизмом изменяемой геометрии. Стоит отметить, что сложность, а соответственно и стоимость ремонта турбины зависит от ее конструктивных особенностей и модификации.

Механизм изменяемой геометрии

Такой механизм позволяет дозировать подачу отработавших газов на колесо в турбине (ротор). Тем самым, позволяет оптимизировать работу турбокомпрессора на различных оборотах.

Это достигается за счет движения специальных лопаток, смонтированных на кольце геометрии. Они синхронно передвигаются, получая движение от вакуумного актуатора или электронного сервопривода в определенный момент, и контролируют наддув. Как правило, устанавливаются они на дизельных ДВС, потому как температура выхлопных газов у бензиновых моторов выше, чем у дизеля, соответственно лопатки геометрии могут деформироваться. Такие турбины позволяют оптимизировать процесс турбонаддува, что приводит к уменьшению расхода топлива и вредных выбросов при одновременном повышении мощности и крутящего момента.

Многие автомобилисты ошибочно полагают, что турбокомпрессор начинает включаться в работу с оборотов мотора от 1500-2000 об/мин. На самом деле, он запускается сразу после заводки автомобиля и работает на холостом ходу. А оптимальных оборотов достигает в диапазоне свыше 1500 об/мин.

Турбокомпрессор достаточно надежный агрегат, однако если Вы столкнулись с его поломкой, решить проблему Вам помогут специалисты ТурбоМикрон. Мы производим замену турбины на автомобиле, а также ремонт снятых с авто турбокомпрессоров.

Принцип работы турбины. Как работает турбонаддув в автомобиле

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

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

 

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

Компрессия — при этом такте происходит сжатие горючей смеси.

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

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

Такой принцип работы двигателя определяет следующие способы повышения его эффективности:

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

Как работает турбина в автомобиле?

 

 

 

Увеличение рабочего объёма двигателя

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

Увеличение числа оборотов коленчатого вала двигателя

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

Турбонаддув

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

Охлаждение воздуха

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

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

Турбонагнетатель с механическим приводом

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

Турбокомпрессор основанный на использовании энергии выхлопных газов

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

Основные преимущества двигателей с турбонаддувом

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

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

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

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

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

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

Схема узла

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

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

Конструкция турбонаддува

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

Модификации

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

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

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

Способ сборки:

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

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

Компрессор

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

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

Корпус подшипников

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

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

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

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

Динамические уплотнения

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

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

Как работают газотурбинные электростанции

Газовые турбины, 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, нагнетает 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 при очень высоких степенях сжатия (обычно превышающих 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 обычную турбину электростанции, может иметь температуру до 2300 градусов по Фаренгейту, но некоторые из критических металлов в турбине могут выдерживать температуры только до 1500-1700 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 прежних 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.

Газотурбинные двигатели

- обзор

VI Турбовинтовые и турбовентиляторные самолеты

Турбовинтовые и турбовентиляторные двигатели являются газотурбинными двигателями, как и турбореактивный двигатель, и предназначены для сведения к минимуму недостатков и использования преимуществ, присущих поршневым и турбореактивным двигателям.Основное различие между этими тремя двигателями заключается в том, как они создают тягу. В турбореактивном двигателе это достигается за счет расширения горячих газов через сопло, в турбовинтовом двигателе используется пропеллер, а в турбореактивном двигателе используется многолопастной вентилятор, во многом связанный с пропеллером. Основным элементом газотурбинного двигателя является газогенератор, состоящий из компрессора (ов), горелок и турбин, приводящих в действие компрессор. Смесь воздуха и топлива, которая проходит через газогенератор, является основным потоком.Газогенератор и первичный поток являются общими для всех трех двигателей и служат базой для сравнительной оценки.

В турбореактивном двигателе выхлопные газы из газогенератора расширяются через сопло, и единственным выходом является тяга. Это однопоточный двигатель, отличительными характеристиками которого являются легкий вес, небольшая площадь лобовой части, тяговая эффективность, увеличивающаяся с увеличением воздушной скорости, высокий удельный расход топлива (самый высокий из трех) и малая тяга на низких скоростях.

В турбовинтовом двигателе есть два потока: первичный поток, который развивает реактивную тягу, и вторичный (намного больший) поток через винт, который создает тяговое усилие.Турбовинтовой двигатель является в первую очередь производителем энергии и описывается так же, как и поршневой винт. Турбовинтовой двигатель является в первую очередь заменой поршневого винта, поскольку он способен развивать более высокие воздушные скорости и больший диапазон для данного веса самолета из-за гораздо меньшего веса двигателя и меньшего веса C D0 . Несмотря на то, что из-за винта и коробки передач он тяжелее турбореактивного или двухконтурного двигателя, он примерно в четыре раза легче поршневого двигателя той же мощности. Более того, хотя лобовая часть несколько больше, чем у турбореактивного двигателя, она меньше, чем у поршневого винта, и когда двигатель работает, C D0 имеет порядок площади турбореактивного двигателя, что означает более высокую E м , чем поршневой винт.Наличие реактивной тяги, которая хотя и относительно мала, но по существу постоянна, имеет тенденцию сглаживать кривые тяги на более высоких скоростях и снижать скорость снижения эффективности движителя. Турбовинтовой двигатель имеет низкий удельный расход топлива, порядка, но несколько выше, чем у поршневого винта. Еще одно важное преимущество перед поршневой опорой - это гораздо более низкие затраты на техническое обслуживание. Хотя его первоначальная стоимость выше, это более простой двигатель с большей надежностью, особенно с учетом недавних улучшений в коробке передач.

Турбореактивный двигатель - это многопоточный двигатель, во многих отношениях похожий на турбовинтовой, за исключением того, что дополнительные турбины напрямую приводят в действие вентилятор, который напоминает компрессор с осевым потоком. Несмотря на то, что при очень высоких коэффициентах двухконтурности турбовентиляторный двигатель может производить больше мощности, чем тягу, и работать больше как турбовинтовой, чем трубореактивный, его принято описывать как турбореактивный двигатель.

Турбореактивный двухконтурный двигатель сочетает в себе хорошую тяговую эффективность и высокую тягу на более низких скоростях движения поршень-винт с постоянной тягой и повышением тягового качества на более высоких скоростях движения турбореактивного двигателя.Поскольку сложность и вес редуктора и системы регулятора воздушного винта турбовинтового двигателя устранены, турбовентилятор стал еще проще и легче. Кроме того, воздушный поток, проходящий через канальный вентилятор, не сильно зависит от воздушной скорости, так что снижение пропульсивной эффективности при высоких скоростях полета не столь существенно, как снижение, связанное с эффективностью воздушного винта турбовинтового двигателя. Следовательно, ТРДД может использоваться на воздушных скоростях до низких сверхзвуковых скоростей включительно.Хотя лобовая часть больше, чем у турбореактивного двигателя, ТРДД значительно короче, и общее сопротивление не обязательно больше. Удельный расход топлива намного меньше, чем у турбореактивного двигателя, и, хотя он больше, чем у турбовинтового, он приближается к сопоставимым значениям. Турбореактивный двигатель также тише турбореактивного двигателя и намного тише турбовинтового двигателя, что является преимуществом в наши дни, когда все больше внимания уделяется шумовому загрязнению.

Поскольку и турбовинтовой, и двухконтурный двухконтурные двигатели являются многопоточными двигателями, эквивалентные удельные расходы топлива представляют собой комбинации hpsfc и tsfc и, таким образом, будут варьироваться в зависимости от скорости полета.Любое значение, указанное в литературе, относится к конкретной воздушной скорости, которая не всегда указывается. Разница в удельном расходе топлива в зависимости от скорости полета у турбовентиляторного двигателя больше, чем у турбовинтового.

Поскольку турбовинтовые двигатели и турбовентиляторные двигатели представляют собой разные комбинации поршневой винт и турбореактивный двигатель, их характеристики должны находиться где-то между характеристиками поршневого винта и чисто турбореактивного двигателя. Сравнивая турбовинтовые, двухконтурные и турбореактивные двигатели сопоставимой мощности (сопоставимые газогенераторы), можно сделать вывод, что турбовинтовой двигатель обеспечивает наибольшую тягу на более низких скоростях полета, включая самолет, стоящий неподвижно в начале разбега.Однако тяга будет уменьшаться с самой высокой скоростью из трех по мере увеличения воздушной скорости и при взлете, вероятно, будет меньше, чем у двух других. Турбореактивный двухконтурный двигатель будет производить меньшую тягу, чем турбовинтовой, на более низких скоростях, но большую, чем турбореактивный, что не только улучшает взлетные характеристики и характеристики на ранней стадии набора высоты, но также обеспечивает более высокую взлетную массу, чем турбореактивный двигатель. Тяга уменьшается с увеличением воздушной скорости, но медленнее, чем у турбовинтового двигателя, из-за различий между вентилятором и гребным винтом и из-за большей составляющей реактивной тяги.По мере увеличения степени двухконтурности характеристики турбовинтового двигателя приближаются к характеристикам турбовинтового двигателя на более низких скоростях, но сохраняются некоторые характеристики турбореактивного двигателя на более высоких скоростях. Турбореактивный двигатель имеет самую низкую начальную тягу из трех, но тяга по существу остается постоянной в зависимости от скорости полета.

Что касается других характеристик характеристик, турбовинтовой двигатель в достаточной степени похож на поршневой винт, что является разумным приближением, просто используя уравнения поршень-винт без изменений.Однако турбовентилятор не обязательно так прост или прямолинеен. Если коэффициент двухконтурности низкий, уравнения турбореактивного двигателя можно использовать без изменений. По мере увеличения степени двухконтурности и соотношения мощности к тяге турбовентиляторный двигатель приобретает больше характеристик турбовинтового и поршневого двигателя, особенно на более низких скоростях полета. По-прежнему можно использовать уравнения турбореактивного двигателя с осознанием того, что фактические значения для низких скоростей могут несколько отличаться. На более высоких скоростях турбовентилятор будет работать больше как турбореактивный, но с меньшим удельным расходом топлива.

Благодаря своей превосходной топливной экономичности турбовентиляторный двигатель быстро заменил турбореактивный двигатель для дозвуковых самолетов, а турбовинтовой двигатель заменил поршневой двигатель во многих приложениях (например, в пригородных самолетах) из-за его меньшего веса и более высокой скорости полета. Однако в последние годы меньший региональный самолет (RJ) с 30–100 креслами быстро заменяет турбовинтовой в качестве фидерного и ближнего коммерческого самолета (см. Рис. 8). Хотя топливная эффективность RJ ниже, чем у турбовинтового, RJ имеет преимущества более высоких крейсерских высот (выше турбулентности и погодных условий), более короткого времени полета, меньшего шума и, возможно, более высокого признания публики из-за его более современного внешнего вида.

РИСУНОК 8. Canadair Regional Jet, CRJ 200. Транспортное средство вместимостью 50 пассажиров, скорость 0,81 Маха с двумя турбовентиляторными двигателями тягой 8700 фунтов, полная масса 53 000 фунтов, площадь крыла 520 футов. 2 (Вт / ю) = 102 фунт / фут 2 ) и дальность действия 2300 миль. [Предоставлено Bombardier Aerospace.]

ДИЗЕЛЬНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ И ПАРОВАЯ ТУРБИНА ДЛЯ СУДОВОЙ ДВИЖЕНИЯ - ВЫБОР?

В статье рассматривается текущее состояние развития, а не то, что может быть осуществимо в будущем; часть представленной информации основана на U.С. и японские источники. В соответствующих случаях проводится различие между низкоскоростным и среднеоборотным дизельным двигателем, а также между паровыми установками с подогревом и паровыми установками без подогрева; Включены некоторые характеристические данные (температура, давление, удельный расход и т. д.) для всех четырех категорий. Среди множества рассматриваемых аспектов: перевод паровых судов, таких как танкеры дедвейтом от 140 000 до 280 000 т, на среднеоборотные дизельные двигательные установки; капитальные и эксплуатационные затраты; стоимость топлива на киловатт-сутки при нормальной эксплуатации и на пониженных скоростях судна; снижение эффективности установки с возрастом; диаметр и частота вращения гребного винта, а также соответствие осадке судна; М.А.Н. варианты двигателей - серии KSZB и BL - с возможностью выбора оборотов двигателя; значение температуры морской воды при сравнении растений; пригодность дизелей для сжигания мазута; техническое обслуживание, надежность, доступность судов и связанные с этим расходы; Compex, система технического обслуживания M.A.N. на основе EDP, которая теперь охватывает, по контракту, 65 больших двигателей; повышенный mep для дизельных двигателей и его последствия; Разработки M.A.N./Mitsubishi и M.A.N./ Kawasaki в области усовершенствованных дизельных двигателей (они кратко описаны и показаны схематически) и их дальнейшее развитие.Краткое описание использования Freom вместо пара в турбинных контурах современных дизельных установок. Приказ BSRA № 49954.

Язык

Информация для СМИ

Предмет / указатель терминов

Информация для подачи

  • Регистрационный номер: 00194253
  • Тип записи: Публикация
  • Агентство-источник: Британская ассоциация судовых исследований
  • Файлы: TRIS
  • Дата создания: 13 июня 1979 г., 00:00

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 обеспечивает мощность вращения вала напрямую. Хотя концептуально газотурбинный двигатель представляет собой простое устройство, компоненты для эффективного агрегата должны быть тщательно спроектированы и изготовлены из дорогостоящих материалов из-за высоких температур и напряжений, возникающих во время работы. Таким образом, установки газотурбинных двигателей обычно ограничиваются крупными установками, где они становятся рентабельными.

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 температуре 15 ° C и атмосферном давлении и сжимается до одного мегапаскаль, он затем поглощает тепло из топлива при постоянном давлении до тех пор, пока температура не достигнет 1100 ° C перед тем, как расшириться 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 ( i.Например, : работа идеального компрессора в 0,8 раза превышает фактическую работу, в то время как фактическая мощность турбины в 0,8 раза больше идеальной мощности), ситуация кардинально меняется, даже если все остальные компоненты остаются идеальными. На каждый киловатт производимой полезной мощности турбина теперь должна производить 2,71 киловатт, а работа компрессора становится 1,71 киловатт. Тепловой КПД снижается до 25,9 процента. Это демонстрирует важность высокоэффективных компрессоров и турбин. Исторически сложность разработки эффективных компрессоров, даже более эффективных, чем эффективных турбин, задерживала разработку газотурбинного двигателя.Современные агрегаты могут иметь КПД компрессора 86–88 процентов и КПД турбины 88–90 процентов при проектных условиях.

КПД и выходную мощность можно увеличить за счет повышения температуры на входе в турбину. Однако все материалы теряют прочность при очень высоких температурах, а поскольку лопатки турбины движутся с высокой скоростью и подвергаются серьезным центробежным напряжениям, температура на входе в турбину выше 1100 ° C требует специального охлаждения лопаток. Можно показать, что для каждой максимальной температуры на входе в турбину существует также оптимальное соотношение давлений.Современные авиационные газовые турбины с охлаждением лопаток работают при температурах на входе в турбину выше 1370 ° C и 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 (, т.е. путем сжатия воздуха в два или более этапов и его водяного охлаждения между этапами до его начальной температуры).Охлаждение уменьшает объем обрабатываемого воздуха и, соответственно, необходимую работу по сжатию.

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

Оба подхода требуют значительного дополнительного оборудования и используются реже, чем третье улучшение.Здесь горячие выхлопные газы турбины проходят через теплообменник или регенератор для повышения температуры воздуха, выходящего из компрессора перед сгоранием. Это 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.

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 обеспечивает мощность вращения вала напрямую. Хотя концептуально газотурбинный двигатель представляет собой простое устройство, компоненты для эффективного агрегата должны быть тщательно спроектированы и изготовлены из дорогостоящих материалов из-за высоких температур и напряжений, возникающих во время работы. Таким образом, установки газотурбинных двигателей обычно ограничиваются крупными установками, где они становятся рентабельными.

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 температуре 15 ° C и атмосферном давлении и сжимается до одного мегапаскаль, он затем поглощает тепло из топлива при постоянном давлении до тех пор, пока температура не достигнет 1100 ° C перед тем, как расшириться 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 ( i.Например, : работа идеального компрессора в 0,8 раза превышает фактическую работу, в то время как фактическая мощность турбины в 0,8 раза больше идеальной мощности), ситуация кардинально меняется, даже если все остальные компоненты остаются идеальными. На каждый киловатт производимой полезной мощности турбина теперь должна производить 2,71 киловатт, а работа компрессора становится 1,71 киловатт. Тепловой КПД снижается до 25,9 процента. Это демонстрирует важность высокоэффективных компрессоров и турбин. Исторически сложность разработки эффективных компрессоров, даже более эффективных, чем эффективных турбин, задерживала разработку газотурбинного двигателя.Современные агрегаты могут иметь КПД компрессора 86–88 процентов и КПД турбины 88–90 процентов при проектных условиях.

КПД и выходную мощность можно увеличить за счет повышения температуры на входе в турбину. Однако все материалы теряют прочность при очень высоких температурах, а поскольку лопатки турбины движутся с высокой скоростью и подвергаются серьезным центробежным напряжениям, температура на входе в турбину выше 1100 ° C требует специального охлаждения лопаток. Можно показать, что для каждой максимальной температуры на входе в турбину существует также оптимальное соотношение давлений.Современные авиационные газовые турбины с охлаждением лопаток работают при температурах на входе в турбину выше 1370 ° C и 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 (, т.е. путем сжатия воздуха в два или более этапов и его водяного охлаждения между этапами до его начальной температуры).Охлаждение уменьшает объем обрабатываемого воздуха и, соответственно, необходимую работу по сжатию.

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

Оба подхода требуют значительного дополнительного оборудования и используются реже, чем третье улучшение.Здесь горячие выхлопные газы турбины проходят через теплообменник или регенератор для повышения температуры воздуха, выходящего из компрессора перед сгоранием. Это 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.

Метод оценки снижения производительности турбокомпрессора в дизельном двигателе

В этом документе впервые представлена ​​концепция диагностики газового тракта при мониторинге состояния судового турбокомпрессора и предлагается индекс пропускной способности, который характеризует пропускную способность компонент и индекс изоэнтропической эффективности, который характеризует эффективность работы компонента как два безразмерных оценочных показателя состояния турбокомпрессора.Кроме того, изучается нелинейная взаимосвязь между этими двумя параметрами работоспособности и измеряемыми параметрами газового тракта турбонагнетателя, а затем устанавливается новый метод оценки ухудшения рабочих характеристик турбонагнетателя.

2.1. Термодинамическая модель турбокомпрессора

Во время работы турбинный конец турбокомпрессора соединен с выхлопной трубой дизельного двигателя. Турбонагнетатель выхлопных газов приводит в движение коаксиальное рабочее колесо компрессора (около 30 000–120 000 р.после полудня) за счет использования энергии выхлопных газов (около 400–500 ° C и 0,2–0,4 МПа), выпускаемых из дизельного двигателя, для достижения наддува на впуске. Турбонагнетатель отработавших газов и дизельный двигатель не находятся в механическом контакте друг с другом, и они передают энергию через поток воздуха или газа, а термодинамическая система турбонагнетателя показана на.

Термодинамическая система турбокомпрессора.

Как компрессор, так и турбина являются открытыми системами. Когда дизельный двигатель находится в стабильном рабочем состоянии, поток рабочего тела (воздуха или газа) можно рассматривать как одномерный постоянный поток.Турбонагнетатель отработавших газов во время установившегося режима отвечает следующим трем условиям: (i) энергия между турбиной и компрессором сбалансирована; (ii) частота вращения турбины и частота вращения компрессора равны; (iii) поток рабочей жидкости через турбину и компрессор уравновешен.

2.1.1. Термодинамическая модель центробежного компрессора

Компрессор турбонагнетателя судового дизельного двигателя обычно представляет собой одноступенчатый центробежный компрессор. Характеристики компрессора в виде графика в декартовых координатах часто определяются как карты характеристик компрессора [15,16].Карты характеристик компрессора используются в термодинамическом моделировании для оценки ключевых параметров компонентов, таких как степень сжатия πC, скорректированный массовый расход GC, cor и изоэнтропический КПД ηC при нескольких скорректированных скоростях вращения nC, cor. В практическом применении πC и ηC выражаются как функция nC, cor и GC, cor, как показано в уравнениях (2.7) и (2.8) соответственно.

Согласно теории подобия

πC = f1 (Mu, Mca) = f1 (ukRgTin ∗, cakRgTin ∗)

2.1

и

ηC = f2 (Mu, Mca) = f2 (ukRgTin ∗, cakRgTin ∗),

2,2

, где M u - окружное число Маха; M ca - осевое число Маха.

Учитывая, что Pin ∗ V = GRgTin ∗, уравнения (2.1) и (2.2) могут быть преобразованы в уравнения (2.3) и (2.4).

πC = f3 (D⋅nkRgTin ∗, GRgTin ∗ D2Pin ∗ k)

2.3

и

ηC = f4 (D⋅nkRgTin ∗, GRgTin ∗ D2Pin ∗ k),

где

- объемный расход воздуха на входе в компрессор; D - диаметр рабочего колеса на входе в компрессор.

Для того же компрессора значение D является постоянным, и уравнения (2.3) и (2.4) могут быть преобразованы в уравнения (2.5) и (2.6).

πC = f5 (nkRgTin ∗, GRgTin ∗ Pin ∗ k)

2,5

и

ηC = f6 (nkRgTin ∗, GRgTin ∗ Pin ∗ k).

2,6

Поскольку величина изменения отношения удельной теплоемкости k относительно мала из-за изменяющейся температуры окружающей среды, давления и относительной влажности, и уравнения (2.5) и (2.6) можно преобразовать в уравнения (2.7) и (2.8).

πC = f7 (nRgTin ∗, GRgTin ∗ Pin ∗) = f7 (nC, cor, GC, cor)

2.7

и

ηC = f8 (nRgTin ∗, GRgTin ∗ Pin ∗) = f8 (nC, кор, GC, кор).

2,8

На практике уравнения (2.7) и (2.8) могут быть далее преобразованы в обобщенные формы в уравнениях (2.9) и (2.10), которые представляют собой обобщенную нелинейную термодинамическую модель компрессора.

GC, cor, отн = f9 (нКл, кор, отн, πC, отн)

2.9

и

ηC, rel = f10 (nC, cor, rel, πC, rel),

2.10

где nC, cor, rel = (n / Tin ∗ ⋅Rg) / (n0 / Tin0 ∗ ⋅ Rg0) - относительная скорректированная скорость золотника; GC, cor, rel = (GTin ∗ ⋅Rg / Pin ∗) / (G0Tin0 ∗ ⋅Rg 0 / Pin0 ∗) - относительный скорректированный массовый расход; πC, rel = πC / πC0 - относительное давление; η C, отн. = η C / η C0 - относительная изоэнтропическая эффективность.

А общие характеристики центробежных компрессоров показаны на.

Обобщенные характеристические карты центробежного компрессора.

2.1.2. Термодинамическая модель центростремительной турбины

Турбина турбонагнетателя судового дизельного двигателя обычно представляет собой одноступенчатую центростремительную турбину. Для обобщенных характеристических карт турбины дедуктивный процесс такой же, как и для обобщенных характеристических карт компрессора, а формы обобщенных относительных скорректированных параметров следующие, которые представляют обобщенную для турбины нелинейную термодинамическую модель.

GT, cor, отн = f11 (нТл, кор, отн, πT, отн)

2,11

и

ηT, отн = f10 (нТл, кор, отн, πT, отн),

2,12

где nT, cor, rel = (n / Tin ∗ ⋅Rg) / (n0 / Tin0 ∗ ⋅Rg0) - относительная скорректированная скорость золотника; GT, cor, rel = (GTin ∗ ⋅Rg / Pin ∗) / (G0Tin 0 ∗ ⋅Rg 0 / Pin 0 ∗) - относительный скорректированный массовый расход; πT, rel = πT / πT0 - относительный перепад давлений; η T, отн. = η T / η T0 - относительная изоэнтропическая эффективность ().

Карты обобщенных характеристик центростремительной турбины.

2.1.3. Теплофизические свойства воздуха и газа

Для сухого воздуха компоненты обычно фиксированы, как показано на.

Таблица 1.

объемная доля (%) массовая доля (%)
N 2 78.113 75.553
9004 9004 20.938 23.133
Ar 0,916 1,263
CO 2 0,033 0,050

Однако воздух обычно содержит водяной пар, и состав влажного воздуха необходимо рассчитывать текущая температура окружающей среды T 0 , давление P 0 и относительная влажность ϕ .

Сначала рассчитайте влажность влажного воздуха:

φ = yh3Oyair, dry = Mh3OMair, dry ϕPh3O, max (T0) P0 − ϕPh3O, max (T0),

2.13

, где y H 2 O - массовая доля водяного пара во влажном воздухе; y air, dry - массовая доля сухого воздуха во влажном воздухе; ϕ - относительная влажность; P H 2 O, max ( T 0 ) - давление насыщенного водяного пара при температуре окружающей среды T 0 .

Массовая доля водяного пара во влажном воздухе может быть определена по влажности влажного воздуха φ, а затем массовая доля всех компонентов во влажном воздухе может быть получена с известной массовой долей каждого компонента в сухой воздух.

Сжатый воздух на выходе из компрессора поступает в дизельный двигатель и сгорает вместе с топливом C x H y O z N u S v to производят газ, и химическая реакция горения показана на.

Химическая реакция горения в дизельном двигателе.

Азотный элемент топлива C x H y O z N u S v обычно генерирует NO x в результате химической реакции горения, но из-за его чрезвычайно низкого содержания он может быть включен в окончательный компонент N 2 во время термодинамических расчетов.А химическое уравнение горения можно выразить следующим образом:

βCxHyOzNuSv + (x + y4 + v − z2) O2 + d (x + y4 + v − z2) N′2 → β (xCO2 + y2h3O + vSO2) + (1 −β) (x + y4 + v − z2) O2 + d (x + y4 + v − z2) N′2 + u2βN2.

2,14

В соответствии с приведенным выше уравнением химической реакции горения (2.14) можно сделать следующие выводы:

  • i.

    теоретический расход влажного воздуха моль n β = 0 (т.е. количество влажного воздуха, потребляемого при полном сгорании 1 моля топлива):

    nβ = 0 = (1 + d) (x + y4 + v − z2),

    2.15

    где d - объемное отношение азота к кислороду во влажном воздухе.

  • ii.

    теоретически сгенерировал молярное количество газа n β = 1 (т. Е. Молярное количество газа, образовавшееся при полном сгорании 1 моля топлива):

    nβ = 1 = nβ = 0 + y4 + z2 + u2.

    2,16

  • iii.

    Теоретический расход качества воздуха L 0 (т.е. масса воздуха, потребляемая при полном сгорании 1 кг топлива):

    L0 = nβ = 0βMair (N2 + O2) Mfuel.

    2,17

    где M воздух (N2 + O2) - молярная масса воздуха, когда в воздух попадают только азот и кислород; M fuel - молярная масса топлива.

  • iv.

    Молярное количество газа n β , образовавшееся при топливном коэффициенте β :

    nβ = nβ = 0 + β (y4 + z2 + u2).

    2,18

  • v. Топливный коэффициент β :

    f = GfGa⋅yO2 + Ga⋅yN2

    2.19

    и

, где G f - массовый расход топлива в дизельный двигатель; G a - массовый расход воздуха в дизельный двигатель; yO2 - массовая доля O 2 в сжатом воздухе, поступающем в дизельный двигатель; yN2 - массовая доля N 2 в сжатом воздухе, поступающем в дизельный двигатель.

Когда топливный коэффициент равен β , молярная доля каждого компонента в газе может быть получена следующим образом:

rCO2 = x⋅βnβrh3O = y2⋅βnβrO2 = (x + y4 + v − z2) ⋅ (1 −β) nβrN′2 + N2 = [d⋅ (x + y4 + v − z2) + u2⋅β] ⋅1nβandrSO2 = v⋅βnβ.}

2,21

Когда топливный коэффициент равен β , молярная масса газа может быть получена следующим образом:

, где M газ - молярная масса газа; r - мольная доля каждого компонента в газе; M i - молярная масса каждого компонента в газе.

Компонент горючего газа может быть рассчитан на основе известного состава и массы воздуха, а также известного состава и массы топлива с помощью приведенного выше уравнения химической реакции горения.Принимая во внимание H 2 O, CO 2 , Ar в избыточном воздухе и в теоретическом воздухе, которые не участвуют в уравнении химической реакции сгорания, можно получить окончательный фактический состав газа.

Посредством вышеуказанного процесса расчета компонентов воздуха и газа можно рассчитать теплофизические свойства текущих воздуха и газа в соответствии с текущей температурой рабочей жидкости на основе следующих формул смешения идеальных газов (2.23), (2.24) и ( 2.25) [17].

Mmixed = mmixednmixed = ∑i = 1kni⋅Minmixed = ∑i = 1kxi⋅Mi,

2.23

c p, смешанный = ∑i = 1kyi⋅c p, i

2.24

и i = 1khmixedky = ⋅hi,

2.25

где M смешанный - молярная масса воздуха или газа; y i - массовая доля каждого компонента в воздухе или газе; c p , смешанный - удельная теплоемкость воздуха или газа при постоянном давлении; ч смешанный - удельная энтальпия воздуха или газа.

2.1.4. Термодинамическая модель турбонагнетателя

Уравнение сохранения массы турбонагнетателя может быть получено следующим образом:

Уравнение сохранения энергии турбонагнетателя может быть получено следующим образом:

где N C - потребляемая мощность компрессора, а N C = G a ( h вне, C - h дюйм, C ) / η м, C ; N T - выходная мощность турбины, а N T = G g ( h in, T - h out, T ) η m, Т .

2.2. Определение параметра работоспособности турбокомпрессора

При работе турбокомпрессора, когда возникают некоторые физические проблемы с ухудшением характеристик компонентов газового тракта, рабочие параметры компонентов x (например, степень сжатия, массовый расход и изоэнтропическая эффективность) изменяются, что приводит к изменению отклонение измеряемых параметров газового тракта z , таких как температура, давление, частота вращения вала и т. д. Обычно общее состояние турбокомпрессора может быть представлено параметрами состояния газового тракта SF (т.е. индексы пропускной способности компрессора и турбины и индексы эффективности [18,19]), которые представляют собой сдвиг характеристических кривых на картах компонентов из-за деградации, показанный на рис. Однако эта важная информация о производительности и состоянии здоровья не может быть измерена напрямую и, следовательно, не может быть легко отслежена и диагностирована.

Снижение производительности или повреждение компрессора.

2.2.1. Параметры состояния центробежного компрессора

SFC, FC = GC, cor, degGC, cor,

2.28

ΔSFC, FC = GC, cor, deg − GC, corGC, cor,

2.29

и ΔSFC, Eff = ηC, deg − ηCηC,

2.31

, где SF C, FC - компрессор индекс пропускной способности; GC, cor, deg - скорректированная пропускная способность компрессора при выходе из строя компрессора; G C, cor - скорректированная пропускная способность компрессора, когда компрессор исправен; SF C, Eff - показатель изоэнтропической эффективности компрессора; ηC, deg - изоэнтропический КПД компрессора при его выходе из строя; η C - изоэнтропическая эффективность компрессора, когда компрессор исправен.

2.2.2. Параметры работоспособности центростремительной турбины

SFT, FC = GT, cor, degGT, cor,

2,32

ΔSFT, FC = GT, cor, deg − GT, corGT, cor,

2,33

и ΔSFT, Eff = ηT, deg − ηTηT,

2,35

где SF T, FC - показатель пропускной способности турбины; GT, cor, deg - скорректированная пропускная способность турбины при ее ухудшении; G T, cor - скорректированная пропускная способность турбины, когда турбина исправна; SF T, Eff - показатель изоэнтропического КПД турбины; ηT, deg - изоэнтропический КПД турбины при выходе из строя компрессора; η T - изоэнтропический КПД турбины при исправном компрессоре.

Влияние различных типов неисправностей газового тракта на пропускную способность и эффективность работы компонентов показано на.

Таблица 2.

Влияние различных типов неисправностей газового тракта на пропускную способность и эффективность работы компонентов.

0 коррозия C, FC уменьшение
SF T, FC уменьшение
неисправности газового тракта пропускная способность компонента эффективность работы компонента категория
засорение компрессора SF C, FC уменьшение C, FC уменьшение C уменьшение постепенное
эрозия компрессора SF C, FC уменьшение SF C, EF уменьшение постепенное
коррозия компрессора компрессор FC уменьшение SF C, EF уменьшение постепенное
трение лопатки компрессора SF C, FC уменьшение SF C, EF уменьшение постепенное постепенное уменьшение
засорение турбины SF T, FC уменьшение 9 0357 SF T, EF уменьшение постепенное
эрозия турбины SF T, FC увеличение SF T, EF уменьшение постепенное SF T, FC уменьшение SF T, EF уменьшение постепенное
трение лопаток турбины SF T, FC увеличение SF 900 T, EF уменьшение постепенное
тепловая деформация турбины SF T, FC увеличение SF уменьшение T, EF постепенное
повреждение объекта SF C, EF 900 44 уменьшение
SF T, EF уменьшение
резкое

2.3. Нелинейное отображение между параметрами работоспособности и измеряемыми параметрами

Общее состояние работоспособности турбокомпрессора обычно представлено параметрами исправности компонентов, такими как индексы пропускной способности компрессора и турбины, а также показатели эффективности, которые фактически представляют собой сдвиг характеристических кривых на характеристиках компонентов. карты из-за деградации. Однако эту важную информацию о производительности и состоянии здоровья нельзя измерить напрямую, и, следовательно, их нелегко контролировать.Во время работы турбокомпрессора отклонение рабочих параметров компонента может указываться по отклонению параметров измерения газового тракта, и такое отклонение рабочих параметров компонента может быть связано с изменяющимися условиями эксплуатации или ухудшением рабочих характеристик турбокомпрессора [18,19]. Термодинамическая взаимосвязь между параметрами измерения газового тракта турбонагнетателя и рабочими параметрами компонентов турбонагнетателя может быть выражена уравнением (2.36).

, где z - вектор параметров измерения газового тракта, z∈RM; x - вектор рабочих параметров компонента турбокомпрессора; u - вектор внешних и рабочих условий; v - вектор шума измерения преобразователя, v∈RM.

Диагностика неисправности газового тракта турбонагнетателя представляет собой обратную математическую задачу для получения отклонения рабочих параметров компонентов Δ x по отклонению измерений газового тракта Δ z , а также для получения параметров состояния компонентов Δ SF путем сравнения текущих рабочих параметров компонентов x с параметрами изначально исправного или чистого турбокомпрессора на уровне компонентов. Следовательно, термодинамическая взаимосвязь между характеристическими параметрами компонентов и измерениями газового тракта может быть дополнительно выражена как:

z = f (x, u) + v = f (map, ΔSF, u) + v,

2.37

, где карта - исходно исправный или чистый вектор характеристической карты компонента турбокомпрессора; Δ SF - вектор параметров исправности компонента газового тракта, ΔSF∈RN и N = 4 для турбокомпрессора.

Чтобы однозначно определить эти четыре составляющих параметра работоспособности Δ SF , количество и расположение измеряемых параметров для турбонагнетателя должны быть разумно назначены, чтобы обеспечить количество нелинейных уравнений и рекомендуемый газ турбонагнетателя: набор инструментов пути, как показано на.

Таблица 3.

КИПиА турбонагнетателя.

параметр давление на входе компрессора температура на входе компрессора массовый расход топлива температура на выходе компрессора давление на выходе компрессора
символ P T 1 G f T 2 P 2
параметр давление на входе турбины давление на выходе температура на выходе турбины скорость турбины
символ P 3 T 3 P 4 n

Затем метод оценки производительности турбокомпрессора может быть показан на рисунках и.deg очень близки к реальным измерениям газового тракта z deg (т.е. выполняется условие ∥E∥ <ε и ε является относительно небольшим значением).

Для первоначальной адаптации термодинамической модели турбокомпрессора к целевому турбокомпрессору весь набор исторических рабочих данных используется для создания эталонной модели, которая представляет чистое / исправное состояние целевого турбокомпрессора, как показано на. На следующем этапе целью диагностической задачи является оценка уровня деградации компонентов целевого турбокомпрессора.Адаптация производительности снова реализована для выполнения диагностической задачи. В диагностических целях описанный выше процесс настройки выполняется дискретно для каждого нового набора данных измерений двигателя, как показано на.

Отображение термодинамики турбокомпрессора для диагностики газового тракта.

Вы когда-нибудь думали о заправке дизельным топливом вместо авиакеросина? | Новости и просмотры

Алисдер Кларк, менеджер Air BP по исследованиям и разработкам в области авиационного топлива, объясняет, что, хотя оба вида топлива поступают из «среднего дистиллята» нефтеперерабатывающего завода, на самом деле они очень разные.

Чтобы понять причину того, почему дизельное топливо не стало предпочтительным топливом для авиационных газотурбинных двигателей, нам нужно вернуться к началу полетов. Первоначальная разработка спецификаций топлива была сосредоточена на поршневых двигателях, работающих на авиационном бензине (Avgas), а появление турбинных реактивных двигателей в 1930-х годах ознаменовало новую эру для конструкторов. Реактивные двигатели сжигают топливо в установившемся режиме, и необходимость в высокооктановых свойствах Avgas отпала.Более безопасным выбором было топливо с более высокой температурой воспламенения, которое не так легко испаряется.


Почему температура воспламенения выше? Точка воспламенения относится к температуре, при которой пар над жидким топливом воспламеняется при наличии пламени или искры. Для Avgas эта температура очень низкая, менее -30 ° C, что делает его опасным в случае разлива с легковоспламеняющимся облаком пара. С другой стороны, реактивное и дизельное топливо необходимо нагреть до температуры выше +38 и +55 ° C соответственно, чтобы пар мог гореть в условиях окружающей среды.


Основываясь на более высокой температуре воспламенения, Frank Whittle и Power Jets Ltd решили, во время первых испытаний реактивных двигателей в Регби, использовать новый авиационный газотурбинный двигатель на дизельном топливе. В то время авиакеросин еще не был разработан. Однако возникли проблемы при заправке дизелем. Отложения углерода блокировали испарители, покрывали жаровые трубы, вызывали локальный перегрев и нестабильность мощности. Для расследования была сформирована группа по газовой турбине. Было обнаружено, что, хотя авиационные газотурбинные двигатели могут сжигать многие виды топлива, для надежной и эффективной работы более чистый керосин с низкой температурой замерзания является лучшим решением.Это привело к разработке первого стандарта реактивного топлива «RDE / F / KER» в 1944 году, который превратился в спецификации, используемые сегодня для Jet A и Jet A-1.


Технические характеристики авиационного топлива разработаны для повышения безопасности и надежности полета. Они также гарантируют, что топливо поступает в самолет в хорошем состоянии и что присадки строго регулируются. Например, смешивание метиловых эфиров жирных кислот, используемых в дизельном топливе, не допускается из-за рисков, связанных с низкотемпературными свойствами, влиянием на дальность полета самолета и стабильность топлива.Технические характеристики дизельного топлива устанавливаются на более локальном уровне и могут значительно различаться по содержанию. Впоследствии дизельный продукт может измениться в зависимости от нефтеперерабатывающих мощностей, рыночного спроса, государственного регулирования, сезонных требований и экономики.


Еще одним недостатком дизельного топлива является то, что при низких температурах оно может замерзать или образовывать кристаллы парафина, блокирующие фильтры и останавливающие двигатель. Это проблема, поскольку авиаторы летают на высоте в очень холодных условиях. Реактивное топливо произведено, чтобы продолжать течь в этих условиях.Он также может действовать как охлаждающая жидкость для моторного масла и поддерживать чистоту форсунок форсунок, избегая отложений нагара в суровом температурном режиме современной конструкции газотурбинных двигателей.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *