Схема подачи воздуха в двигатель с турбиной: Система подачи воздуха в двигатель: бензиновый и дизельный мотор

Содержание

Системы принудительной подачи воздуха: Турбокомпрессоры



Теория наддува

Мощность, которую может развивать двигатель внутреннего сгорания (ДВС), зависит от количества воздуха и топлива, которые поступают в камеру сгорания. Таким образом, добиться увеличения мощности можно, увеличив одну из этих составляющих. Но повышать только лишь количество топлива совершенно бессмысленно, если пропорционально не увеличивать объем воздуха для его сгорания. Тем самым, одно из решений к повышению мощности силового агрегата автомобиля является принудительная подача воздуха. Сжатого воздуха.

Системы принудительной подачи (нагнетания) воздуха можно разделить на системы, работающие за счет энергии отработавших газов (турбонаддув, турбина или просто «турбо») и системы с механическим приводом (объемный турбокомпрессор, кулачковый компрессор, винтовой или суперчарджер).

Сила вторичной энергии

 Первый турбонагнетатель использовавший энергию отработанных газов появился в 1905 году, его изобрел швейцарский инженер Альфред Бюши (Alfred Buchi).

Преимущества турбокомпрессорного двигателя

Двигатель, оснащенный турбокомпрессором, обладает техническими преимуществами по сравнению с атмосферным (безнаддувным) двигателем.

  • Соотношение «масса/мощность» у двигателя с турбокомпрессором выше, чем у атмосферного двигателя.
  • Двигатель с турбокомпрессором лучше адаптирован к специфическим условиям эксплуатации (например, в высокогорье).
  • Турбокомпрессор обеспечивает лучшее сгорание топлива и как следствие, способствует снижению токсичных веществ в отработавших газах.

Если обобщить, то любой турбокомпрессор состоит из воздушного насоса (центробежного типа) и турбины, связанных между собой при помощи общей жесткой оси. Оба устройства вращаются в одном направлении и с единой скоростью. Энергия потока отработавших газов, которая в атмосферных двигателях не используется, здесь преобразуется в крутящий момент, который в свою очередь приводит в действие компрессор.

Схема работы турбины

То есть отработавшие газы, выходящие из цилиндров двигателя, именно благодаря высокой температуре и давлению, разгоняются до большой скорости, вступают в контакт с лопатками турбины, превращая кинетическую энергию в энергию вращения.

Это преобразование энергии сопровождается снижением температуры газов и их давления. Компрессор засасывает воздух через воздушный фильтр, сжимает его и подает в цилиндры двигателя. При этом количество топлива, которое можно смешать с воздухом, легко увеличить, повысив тем самым заветную мощность.

Отсюда можно сделать первый вывод: частота вращения турбонагнетателя, использующего энергию отработанных газов напрямую не зависит от числа оборотов двигателя. Изначально увеличивается подача топлива, в следствии — энергия потока отработанных газов, затем только увеличиваются обороты турбины и давление нагнетаемого воздуха в цилиндры силового агрегата. Промежуток времени, до вывода в рабочий цикл турбины получил название

порог срабатывания или турбояма.

Турбокомпрессоры завоевали популярность в дизельных грузовых и легковых автомобилях, тракторах, локомотивах и судах. Среди бензиновых автомобилей их можно встретить очень редко, так как они дают «прирост» лишь на некотором скоростном промежутке. В качестве примера можно привести Cord Model 812 (1937), Saab 99 Turbo (1977) и гоночные болиды Формулы-1.

Источники:

  • С.Б. Асташенко - "Турбокомпрессоры". Изд-во Автостиль, 2002г.
    
    Г.М. Савельев, Е.Н. Зайченко - "Турбокомпрессоры и теплообменники наддувочного воздуха автомобильных двигателей". Изд-во Ярославль, 1983г.

устройство, принцип работы системы (видео), схема дизельного двигателя с турбиной

Идея дополнительного нагнетания воздуха зародилась едва не сразу же после постройки первых полноценных двигателей внутреннего сгорания. Изначально использование энергии выхлопных газов для повышения мощности ограничивалась корабельными ДВС, позже двигатель с турбонаддувом пришел в авиастроение. И только в 1931 году первый турбокомпрессор был установлен на грузовой автомобиль. Что такое турбонаддув и как использование нагнетателей сказывается на КПД двигателя – тема сегодняшней статьи.

Теория газообмена в ДВС

Основной принцип работы 4-х тактного ДВС мы уже рассматривали, поэтому для автолюбителей, только начинающих свое изучение технической составляющей автомобиля, было бы крайне полезно ознакомиться со статьей для лучшего понимания предназначения турбонаддува.

Знание того, что двигатель внутреннего сгорания работает на воздухе, является основополагающим для понимания предназначения турбонаддува. Формулировка именно такова, поскольку подача в цилиндры топлива на современном этапе развития техники не является проблемой. Технически реализовать крайне производительный бензонасос, ТНВД и топливные форсунки очень просто. Одна из главных проблем в работе двигателя – подача в цилиндры воздуха. Чем больше окислителя мы можем подать в цилиндры, тем больший объем топливовоздушной смеси можно приготовить, а чем больший объем ТПВС мы имеем, тем большую отдачу мы получим при ее сгорании. В свою очередь, мощность, выдаваемая двигателем, напрямую зависит от работы, выполняемой при сгорании ТПВС.

Подача окислителя в цилиндры

В атмосферном двигателе всасывание воздуха происходит из-за разряжения, возникающего при движении поршня к нижней мертвой точке (НМТ). В теории мы имеем определенное идеальное количество воздуха, которое может поместиться в цилиндр, ограничивающееся объемом цилиндра. В действительности из-за всевозможных потерь цилиндр наполняется лишь на 70-80% своего объема. Именно в этом моменте раскрывается главное предназначение турбонаддува – принудительное нагнетание воздуха в цилиндры.

Используя турбокомпрессор, мы можем не только заполнить полностью цилиндры, но и даже превысить этот показатель, подавая воздух под давлением, что ведет к увеличению плотности на единицу объема и, как следствие, увеличению общей массы воздушного заряда.

Виды турбонаддува

Принципиальная разница заключается лишь в конструкции турбокомпрессора. Для дополнительного нагнетания воздуха могут использоваться:

  • турбина, которая приводится в действие энергией выхлопных газов. Конструктивно турбину можно представить как два вентилятора, которые расположены на одной оси. Один из вентиляторов сочленен с выхлопной системой автомобиля, второй располагается во впускном тракте. Выходящие на такте выпуска из цилиндра газы приводят в движении турбинное колесо. Поскольку оба «вентилятора» закреплены на одной оси, то колесо компрессора во впускном тракте также начинает вращаться, ускоряя тем самым прохождение воздуха. Чем выше обороты двигателя, тем большее давление выхлопных газов во впускном тракте, а чем большее давление на выпуске, тем быстрее будет вращаться турбинное колесо во впускном тракте. Соответственно, в цилиндры можно затолкнуть больше воздуха, подать больше топлива, сгенерировав больше выхлопных газов на выпуске. Подробно принцип работы рассмотрен в статье «Устройство турбины на пальцах«;
  • механический нагнетатель, известный еще как Supercharger или Kompressor. Нагнетатель раскручивается приводным ремнем от шкива коленчатого вала, поэтому выхлопные газы в работе компрессора никак не используются.

Турбина

Очевидно, что для понимания устройства достаточно взглянуть на фото. Принцип работы турбонаддува также достаточно ясно продемонстрирован на видео. Более подробно остановимся на перепускном клапане и предназначении интеркуллера, который обязателен для эффективной работы авто с турбонаддувом.

В момент резкого закрытия дроссельной заслонки на больших оборотах двигателя во впускном тракте создается сильный помпаж. Колесо компрессора «холодной» части (впускной) турбины продолжает по инерции вращаться, создавая в перекрытом заслонкой канале избыток давления. Происходит резкое замедление компрессорного колеса, что автоматически ведет к замедлению турбинного колеса в выпускном тракте и созданию сильного противодействия выхлопным газам. Для предотвращения такого эффекта предназначен перепускной клапан, который либо сбрасывает избыток давления в атмосферу (Blow-off), либо перенаправляет поток опять на вход по направлению вращения турбинного колеса (Bypass).

Для контроля воздушного потока, а также сбрасывания избытка давления в горячей части используется wastegate. Избыточная скорость выхлопных газов приводит к тому, что воздушный поток срывается с лопастей колеса, снижая тем самым на ноль эффективность турбинного колеса. Также увеличение сечения выпускной системы, за которое и отвечает клапан вестгейта, уменьшает подпор выхлопных газов на высоких оборотах. Для повышения эффективности, уменьшение турбоямы и большей эластичности на авто устанавливаются турбины с изменяемой геометрией.

Интеркулер в системе турбонаддува предназначен для охлаждения воздушного потока. При повышении температуры плотность воздуха уменьшается, что ведет к уменьшению массы на единицу объема.

Характеристики системы

Особенности работы турбины:

  • наиболее эффективна в режиме высоких и средних оборотов;
  • очень низкая эффективность до момента, называемого выходом на буст. Еще больше ухудшает ситуацию уменьшение степени сжатия для предотвращения детонации. Поэтому у авто с одноступенчатой системой турбонаддува присутствует турбояма, или турболаг;
  • так или иначе, но присутствует противодействие выхлопным газам на выпуске, что немного ухудшает КПД двигателя, хоть в целом турбонаддув позволяет увеличить мощность ДВС;
  • повышаются требования к качеству и периодичности замены моторного масла.

Механический нагнетатель

В механической системе всасывание воздуха осуществляется лопастями роторов, вращающихся навстречу друг другу. Наибольшее распространение получила конструкция системы Roots с прямыми лопастями. Компания Eaton усовершенствовала нагнетатель, применив косозубые роторы. Среди механических систем можно выделить центробежный нагнетатель, который во многом напоминает принцип работы турбины.

Особенности механических нагнетателей:

  • отсутствует инерционность, присущая турбине. Нагнетание дополнительного воздушного заряда увеличивается пропорционально увеличению количества оборотов ДВС и продолжается до момента срыва потока из лопастей;
  • наиболее эффективны в режиме низких и средних оборотов;
  • небольшое снижение КПД двигателя вследствие дополнительных потерь на трение.

Эксплуатация

Наибольшего распространения система турбонаддува получила на дизельных двигателях. В высокотехнологичных моторах часто применяются двухступенчатые системы наддува:

  • Biturbo – одна маленькая турбина для прибавки в мощности на низких оборотах и большая турбина для высоких оборотов;
  • Турбина + механический нагнетатель. Конструкцию и принцип работы такой системы мы рассматривали на примере двигателей TSI от Volkswagen Group.

Для лучшего понимания того, что такое турбонаддув, предлагаем посмотреть видео Александра Кулика.

Система впуска воздуха двигателя Cummins — Блог о двигателе Cummins

Система впуска воздуха на двигателе состоит из воздушного фильтра, впускного воздуховода, турбонагнетателя, воздуховода наддувочного воздуха, радиатора охладителя наддувочного воздуха и нагревателя впускной системы. Воздух через воздушный фильтр попадает  к компрессору турбонагнетателя (1). Затем он проходит по воздуховоду (2) к охладителю наддувочного воздуха (3), нагревателю (при наличии) и во впускной коллектор (4). ?з впускного коллектора воздух подается в цилиндры (5), в которых используется в процессе сгорания топлива.   Вращение рабочего колеса турбины осуществляется за счет энергии отработавших газов. Турбина вращает рабочее колесо компрессора, подающего воздух под давлением в двигатель, где происходит сгорание. За счет работы турбонагнетателя увеличивается подача воздуха, объем впрыскиваемого топлива и мощность двигателя.

Турбина, рабочее колесо компрессора и вал опираются на два подшипника, монтированные в корпусе. По каналам в корпусе подшипников отфильтрованное моторное масло подается под давлением к опорным и упорным подшипникам. Масло применяется для смазки и охлаждения вращающихся деталей. Затем масло из корпуса подшипников подается в поддон картера двигателя по сливной магистрали. Подача достаточного количества качественного отфильтрованного масла нужна для продления срока службы турбонагнетателя. Необходимо использовать масло высокого качества и производить замену масляного фильтра в соответствии с инструкциями по обслуживанию.

Турбонагнетатели с перепускными клапанами применяются для оптимизации рабочих характеристик двигателя. Такая конструкция дает возможность быстро достичь максимального давления без выхода турбонагнетателя на слишком высокие обороты при росте частоты вращения двигателя. Работу перепускного клапана контролирует приводное устройство, сравнивающее давление на выходе из компрессора с заранее настроенным усилием пружины. Перепускной клапан находится перед входом в турбину. Когда он открывается, часть отработавших газов отводится от рабочего колеса турбины, это дает возможность управлять частотой вращения турбонагнетателя и давлением воздуха на выходе из него.

Турбонагнетатели с изменяемой геометрией дают возможность повысить рабочие характеристики двигателя за счет более быстрого роста давления наддува при ускорении или при переходных процессах. В турбонагнетателе с изменяемой геометрией нет привода перепускного клапана. Для изменения геометрии выходного участка турбины применяется электрический привод. При закрытии патрубка с изменяемой геометрией (уменьшении сечения выходного участка турбины) скорость вращения турбонагнетателя увеличивается, и рост давления наддува происходит быстрее. При открытии патрубка с изменяемой геометрией (увеличении сечения выходного участка турбины) скорость вращения турбонагнетателя снижается, и давление наддува уменьшается.

Турбонагнетатель представляет собой турбонагнетатель с изменяемой геометрией и имеет следующие узлы:

  • Обслуживаемый привод, закрепленный на корпусе подшипников турбонагнетателя;
  • Датчик частоты вращения, установленный в корпусе подшипника, для контроля работы турбонагнетателя;
  • Корпуса подшипников с водяным охлаждением (в дополнение к охлаждению маслом).

Привод, установленный на турбонагнетателе, применяется для управления кольцевым скользящим соплом (1) внутри корпуса турбины турбонагнетателя. Положение кольцевого скользящего сопла контролирует модуль управления двигателем (ECM) по каналу связи. ?зменение положения кольцевого скользящего сопла внутри турбонагнетателя с изменяемой геометрией дает возможность управлять частотой вращения рабочего колеса турбины и потоком отработавших газов через турбонагнетатель. Это позволяет управлять следующими параметрами:

  • Давление в выпускной системе;
  • Частота вращения рабочего колеса компрессора турбонагнетателя;
  • Температура на выходе отработавших газов.

?з-за неисправностей внутренних деталей турбонагнетателя уменьшается эффективность его работы, увеличивается дымность и снижается мощность двигателя. Отказ подшипника может привести к увеличению трения и снижению частоты вращения ротора. При этом возможно касание лопатками корпусных деталей, что также замедлит его вращение. Неисправность перепускного клапана турбонагнетателя, привода изменения геометрии турбонагнетателя или контроллера привода изменения геометрии турбонагнетателя , а также нарушение настройки перепускного клапана турбонагнетателя способствуют выходу давления наддува за пределы нормы. Слишком низкое давление увеличивает дымность и снижает мощность, а слишком высокое ведет к повреждению основных узлов и деталей двигателя.

Масло из системы смазки двигателя обеспечивает смазку подшипников и частичное охлаждение турбонагнетателя. Оно поступает к турбонагнетателю по магистрали под давлением, равным давлению в системе смазки двигателя. Сливная магистраль, подсоединенная к нижней части турбонагнетателя, необходима для слива масла в поддон картера двигателя.

С каждой стороны ротора монтированы манжетные уплотнения. В первую очередь они нужны для исключения попадания отработавших газов и воздуха под давлением в корпус подшипников турбонагнетателя.  Утечка масла через уплотнения возможна, но маловерятна. Повышенное давление в картере двигателя затрудняет слив масла из турбонагнетателя. ?з-за возникшего в корпусе подшипников давления масло будет поступать через уплотнения компрессора в цилиндры двигателя.

Повышенное сопротивление или повреждение сливной магистрали способствуют повышению давления в корпусе подшипников, из-за чего масло будет проходить через уплотнения.

Кроме того, повышенное сопротивление на входе или выходе турбонагнетателя приводит к созданию отрицательного перепада давления между компрессором и корпусом подшипников турбонагнетателя, в результате масло будет проходить через уплотнения. Если произойдет утечка масла через уплотнения корпуса компрессора, следует промыть охладитель наддувочного воздуха, чтобы удалить масло из впускной системы.

Обычно турбонагнетатель издает свистящий звук. ?нтенсивность этого звука определяется частотой вращения и нагрузкой двигателя. Причина звука —  очень высокая частота вращения ротора и способ его балансировки при изготовлении. Соответственно, шум будет более сильным на максимальной частоте вращения. Для проверки уровня шума нужно вывести двигатель на максимальные обороты. Турбонагнетатели с изменяемой геометрией также могут издавать храпящий или фыркающий звук при работе турбонагнетателя в определенных режимах. Например, при работе турбонагнетателя на высоких оборотах и резком отпускании акселератора. Эти звуки являются нормальными и не говорят о неисправностях, вызывающих повреждение или снижение срока службы турбонагнетателя.

Нарушение герметичности деталей впускной и выпускной систем может привести к повышенному шуму при работе двигателя. Признаком утечки обычно является свист высокого тона или звук всасывания. Необходимо проверить отсутствие утечек во впускной и выпускной системах, убедиться в плотности затяжки всех обжимных хомутов.

Звуки низкого тона или дребезжание при более низкой частоте вращения двигателя обычно указывают на наличие посторонних предметов в системе или касание ротором корпусов. В этом  случае необходимо снять входной патрубок турбонагнетателя и проверить, нет ли в нем посторонних предметов, а также проверить отсутствие повреждений лопаток турбонагнетателя и зазор в подшипниках. При обнаружении утечек, повреждения лопаток или при несоответствии норме зазоров нужно заменить турбонагнетатель.

Для улучшения рабочих характеристик и уменьшения выброса загрязняющих веществ на автомобильных двигателях применяется охладитель наддувочного воздуха, устанавливаемый на шасси. В такой системе также применяются воздуховоды большого диаметра для подачи воздуха от турбонагнетателя в охладитель и от охладителя во впускной коллектор. Безотказная работа системы охлаждения наддувочного воздуха обеспечивается изготовителями транспортного средства и его узлов.

 

Схема системы впуска воздуха для двигателей с охлаждением наддувочного воздуха

 

  1. Вход воздуха в турбонагнетатель
  2. От турбонагнетателя к охладителю наддувочного воздуха
  3. Охладитель наддувочного воздуха
  4. Впускной коллектор (встроен в головку блока цилиндров)
  5. Впускной клапан.

Новый способ приготовления горючей смеси в ДВС — Энергетика и промышленность России — № 22 (234) ноябрь 2013 года — WWW.EPRUSSIA.RU

Газета «Энергетика и промышленность России» | № 22 (234) ноябрь 2013 года

Практическая реализация этих направлений достигалась в том числе за счет использования широкого диапазона углеводородных горючих: от бензинов и керосинов – до высоковязких мазутов и сырой нефти. А также – за счет применения различных способов, схем и параметров подачи топлива и воздуха для приготовления горючей смеси.

Влияние вида сжигаемого топлива

На сегодняшний день двигатели внутреннего сгорания разработаны практически для каждого вида углеводородного горючего. Многие эксплуатационные показатели топлива, как известно, являются обязательными и необходимыми для выполнения теплового расчета ДВС.

Именно от планируемого к использованию топлива зависят тактико-технические характеристики и функциональные возможности двигателя. Так, элементарный состав топлива формирует качество сжигаемого горючего и его калорийность (теплоту сгорания или теплотворную способность), которые определяют расходы топлива, воздуха и продуктов сгорания, а также коррозионный износ цилиндров, газовыпускного тракта и экологическую чистоту двигателя. Вязкость и плотность используемого топлива влияют не только на прокачиваемость, качество распыла и испарение топлива, но и на маневренность двигателя (например, на время запуска и на время перехода с одного режима работы на другой), его взрывопожаробезопасность. Кроме того, элементарный состав топлива определяет полноту и теплонапряженность процесса сгорания топлива, а в конечном счете – мощность двигателя и его долговечность.

Влияние параметров топлива

На работу двигателей внутреннего сгорания не последнее влияние оказывают параметры подаваемого в него топлива. Основными параметрами подачи топлива в ДВС являются его давление и расход, при этом каждый тип двигателя имеет свои показатели указанных параметров. Необходимо отметить, что расход топлива на двигатель – это производная от его давления: чем выше давление топлива, тем больше его расход, и наоборот. Поскольку воспламенение и сгорание любого вида топлива происходят только в парогазовой фазе, то качественному и полному сгоранию топлива в двигателе должно обязательно предшествовать его полное испарение. Для перевода в паровую фазу жидкое горючее необходимо мелко распылить – между тем хорошо известно, что качество распыла определяется в том числе и величиной давления подаваемого топлива. Так, в двигателях внутреннего сгорания с искровым зажиганием для испарения топлива, происходящего до цилиндров в карбюраторе или инжекторе, достаточно атмосферного давления. В то же время в двигателях с воспламенением от сжатия (дизелях) для нормального процесса парообразования топлива, реализуемого во внутренней полости цилиндров, горючее необходимо подавать с избыточным давлением.

Таким образом, расход подаваемого в цилиндры топлива определяет мощность двигателя, а его давление – качество и полноту протекания процесса сгорания в цилиндрах.

Влияние воздуха

Атмосферный воздух, включающий в свой состав природный окислитель кислород, является обязательным и необходимым для организации и протекания процесса горения компонентом. Количество и способ подачи воздуха в двигатель влияют на количественно-качественные характеристики цепной реакции окисления горючего и, в конечном итоге, на мощность, экономичность и экологичность двигателя.

По Менделееву, на сжигание 1 килограмма углеводородного топлива теоретически необходимо 10 килограммов атмосферного воздуха. Недостаток, равно как и избыток, подаваемого в двигатель воздуха негативно сказывается на его работе. Так, недостаточное количество воздуха приводит к приготовлению обогащенной горючей смеси, снижению экономичности, долговечности, повышенному нагарообразованию на внутренних стенках цилиндров и газовыходного тракта двигателя и к интенсивному загрязнению природной среды продуктами неполного сгорания. В то же время избыток подаваемого на горение воздуха формирует обедненную смесь, что вызывает повышенное окисление конструкционных материалов внутренних полостей цилиндров и газовыходного тракта, снижение мощности двигателя, перерасход топлива, интенсивное тепловое загрязнение атмосферы и т. п.

Известно, что вид и структура углеводородных молекул, а также соотношение углерода к водороду (С:Н) в них различны и в процессе подачи топлива на горение изменяются ежемоментно. В связи с этим для полного сжигания топлива количество воздуха, подаваемого на приготовление горючей смеси, заранее завышается по сравнению с теоретически необходимым. Превышение количества фактически подаваемого воздуха над теоретически необходимым его количеством отражается через значение коэффициента избытка воздуха α, который при традиционном способе приготовления горючей смеси в сегодняшних двигателях внутреннего сгорания составляет от 1,1‑1,5 (при атмосферной подаче воздуха на приготовление горючей смеси) до 5,0 (при турбокомпрессорной подаче воздуха на приготовление горючей смеси).

О топливоподающей системе и подаче воздуха

Используемые сегодня топливоподающие системы ДВС были разработаны еще в начале XX века и, несмотря на ужесточение старых и появление новых (например, экологических) требований к двигателям, применяются до сих пор без принципиальных изменений.

Приоритет в совершенствовании топливных систем ДВС за прошедшее столетие отдавался главным образом количественным показателям. В частности – давлению топлива перед форсунками двигателя, величина которого выросла с 10‑50 кг / см2 в начале XX века до 2000 кг/см2 в начале XXI века. Повышение давления подаваемого топлива позволило, в конечном итоге, при сохранении массогабаритных характеристик двигателей добиться значительного увеличения их мощности.

Следует отметить, что сегодня топливоподающие системы двигателей внутреннего сгорания включают практически те же элементы, что и сто лет назад: топливную емкость, фильтры грубой и тонкой очистки, насос (для дизелей – топливоподкачивающий насос и топливный насос высокого давления), карбюратор или инжектор (для бензиновых двигателей), форсунки (для дизелей) и всасывающий, напорный, сливной трубопроводы.

Одновременно с топливоподающими системами стал применяться используемый до сих пор атмосферный способ подачи воздуха в двигатели.

Приоритет в совершенствовании способов подачи воздуха в двигатели отдавался не только количественным, но и качественным показателям, в частности увеличению напора и расхода воздуха, подаваемого на смешение с топливом, а также повышению степени турбулизации воздушного потока. Итогом такого подхода явилось широкое внедрение вентиляторного, а затем и турбокомпрессорного способов подачи воздуха в двигатель.

При атмосферном способе воздух поступает в воздушный коллектор за счет перепада давлений в атмосфере и в цилиндре двигателя при движении поршня в нижнюю мертвую точку. При вентиляторном способе формируется ламинарный воздушный поток, принудительно подаваемый в воздушный коллектор посредством приводимого во вращение от коленчатого вала вентилятора. Турбокомпрессорный способ предусматривает получение и подачу в воздушный коллектор турбулентного воздушного потока с помощью воздушного компрессора, приводимого во вращение расположенной в выходном коллекторе двигателя газовой турбиной.

Совершенствование способов подачи воздуха в ДВС позволило, не повышая расхода топлива и сохранив массогабаритные характеристики, достичь более высоких показателей мощности двигателей – главным образом за счет активизации и интенсификации процесса горения и повышения, таким образом, теплонапряженности в цилиндрах. Так, применение вентиляторного способа позволило увеличить мощность двигателя в полтора-два раза, а турбокомпрессорного – в два – два с половиной и более раз по сравнению с использованием атмосферного способа подачи воздуха.

Традиционный способ

Сегодня во всех двигателях внутреннего сгорания используется одинаковый способ приготовления горючей смеси, в котором в качестве первичной среды выступает топливо, а вторичной – воздух. Этот способ применяется более ста лет и стал уже традиционным. Суть его в следующем. Распыленное до мельчайших (20 мкм и менее) частиц топливо подается в поток атмосферного воздуха, который, перемешиваясь с горючим, образует топливовоздушную аэрозоль. Впоследствии горючая аэрозоль зажигается электрическим разрядом от свечи (в бензиновых двигателях) или самовоспламеняется от сжатия (в дизельных двигателях) и сгорает.

Условно процесс сгорания топлива в цилиндре можно разделить на три стадии (начальную, среднюю, конечную). В начальной стадии топливовоздушная смесь охватывается пламенем, происходит ее воспламенение и формирование первичного очага пламени, интенсивное испарение поверхностного слоя горючего и его горение в тонкой паровой фазе.

Продолжительность начальной стадии определяется скоростью тепловыделения реакции окисления. Средняя стадия процесса горения характеризуется интенсивным распространением пламени по всему объему горючей смеси. Скорость сгорания смеси резко увеличивается вследствие увеличения площади контакта взаимодействующих компонентов (поверхности испарения) и турбулизации смеси. На конечной стадии происходит догорание топлива, падение скорости и прекращение распространения пламени, вызванные резким снижением количества кислорода.

Следует отметить, что в реакции окисления углеводородного топлива участвует только теоретически необходимое количество воздуха. Остальной же воздух (избыток) в реакции горения (окисления) участия не принимает, а проходит транзитом через зону горения и, мгновенно нагреваясь от температуры окружающей среды до температуры в цилиндре, сбрасывается горячим в составе выхлопных газов в атмосферу, являясь причиной ее интенсивного теплового загрязнения. При этом на нагрев избыточного воздуха дополнительно затрачивается углеводородное топливо, что приводит к его перерасходу. Очевидно, что с повышением избытка воздуха увеличивается и количество затраченного на его нагрев сжигаемого топлива.

О новом способе приготовления горючей смеси

Наряду с традиционно применяемым способом приготовления горючей смеси существуют и другие способы, например струйно-кавитационный.

В основу этого способа положены физические явления, возникающие во внутренних полостях струйных аппаратов при их прокачке жидкими и газообразными средами. При струйно-кавитационном способе приготовления горючей смеси в качестве первичной среды используется не топливо, а атмосферный воздух.

Суть его заключается в следующем. Заданное (как правило, близкое к теоретически необходимому) количество воздуха всасывается из атмосферы и под давлением выше атмосферного подается в струйный насос. При высокоскоростном течении воздуха через внутреннюю полость проточной части насоса в его приемной камере создается разрежение, достаточное для самовсасывания вторичной среды – жидкого топлива.

При самовсасывании топлива его углеводородные молекулы расщепляются на молекулы меньшей молекулярной массы, отдельные атомы и топливные радикалы и в таком виде смешиваются с воздухом. В результате на выходе из насоса получается высококачественная гомогенная (размеры топливных частиц не превышают 10 мкм) воздушно-топливная (а не топливо-воздушная) аэрозоль, которая затем поступает непосредственно на горение. Количество топлива в смеси регулируется расходом воздуха на насос, а качество распыла (дисперсность) – давлением рабочего воздуха. С увеличением давления и количества подаваемого воздуха повышается и количество всасываемого топлива, и наоборот.

Характеристики подаваемой на горение горючей смеси, близкие к оптимальным, поддерживаются расходом и давлением воздуха перед насосом. Использование струйно-кавитационного способа приготовления горючей смеси позволяет регулировать мощность двигателя посредством изменения расхода и давления воздуха, подаваемого в струйный насос.

Струйно-кавитационный способ приготовления горючей смеси можно считать универсальным, поскольку он применим ко всем видам углеводородного топлива и топливосжигающим установкам.

Очевидно, что использование струйно-кавитационного способа приготовления горючей смеси потребует и принципиального качественно-количественного изменения топливо- и воздухоподающих систем двигателей.

На сегодняшний день струйно-кавитационный способ приготовления горючей смеси прошел лабораторные и промышленные испытания.

Выводы

Научно-технический прогресс, как известно, не стоит на месте и даже самые эффективные в свое время инженерные решения с годами устаревают и требуют замены на более совершенные. XXI век выдвигает новые требования и ставит новые задачи, в том числе и в области использования природных ресурсов, включая углеводородное топливо.

Все сказанное относится и к традиционному способу приготовления горючей смеси в двигателях внутреннего сгорания, который используется вот уже более ста лет.

Основы турбонаддува | Часть 1. Принципы работы турбодвигателя.

Основные принципы работы турбодвигателя.


Как известно, мощность двигателя пропорциональна количеству топливовоздушной смеси, попадающей в цилиндры. При прочих равных, двигатель большего объема пропустит через себя больше воздуха и, соответственно, выдаст больше мощности, чем двигатель меньшего объема. Если нам требуется, чтобы маленький двигатель выдавал мощности как большой или мы просто хотим, чтобы большой выдавал еще больше мощности, нашей основной задачей станет поместить больше воздуха в цилиндры этого двигателя. Естественно, мы можем доработать головку блока и установить спортивные распредвалы, увеличив продувку и количество воздуха в цилиндрах на высоких оборотах. Мы даже можем оставить количество воздуха прежним, но поднять степень сжатия нашего мотора и перейти на более высокий октан топлива, тем самым подняв КПД системы. Все эти способы действенны и работают в случае, когда требуемое увеличение мощности составляет 10-20%. Но когда нам нужно кардинально изменить мощность мотора — самым эффективным методом будет использование турбокомпрессора.

Каким же образом турбокомпрессор позволит нам получить больше воздуха в цилиндрах нашего мотора? Давайте взглянем на приведенную ниже диаграмму:



Рассмотрим основные этапы прохождения воздуха в двигателе с турбокомпрессором:

— Воздух проходит через воздушный фильтр (не показан на схеме) и попадает на вход турбокомпрессора (1)
— Внутри турбокомпрессора вошедший воздух сжимается и при этом увеличивается количество кислорода в единице объема воздуха. Побочным эффектом любого процесса сжатия воздуха является его нагрев, что несколько снижает его плотность.
— Из турбокомпрессора воздух поступает в интеркулер (3) где охлаждается и в основной мере восстанавливает свою температуру, что кроме увеличения плотности воздуха, ведет еще и к меньшей склонности к детонации нашей будущей топливовоздушной смеси.
— После прохождения интеркулера воздух проходит через дроссель, попадает во впускной коллектор (4) и дальше на такте впуска — в цилиндры нашего двигателя.
Объем цилиндра является фиксированной величиной, обусловленной его диаметром и ходом поршня, но так как теперь он заполняется сжатым турбокомпрессором воздухом, количество кислорода зашедшее в цилиндр становится значительно больше чем в случае с атмосферным мотором. Большее количество кислорода позволяет сжечь большее количество топлива за такт, а сгорание большего количества топлива ведет к увеличению мощности выдаваемой двигателем.
— После того как топливо-воздушная смесь сгорела в цилиндре, она на такте выпуска уходит в выпускной коллектор (5), где этот поток горячего (500С-1100С) газа попадает в турбину (6)
— Проходя через турбину, поток выхлопных газов вращает вал турбины на другой стороне которого находится компрессор, и, тем самым совершает работу по сжатию очередной порции воздуха. При этом происходит падение давления и температуры выхлопного газа, поскольку часть его энергии ушла на обеспечение работы компрессора через вал турбины.

Ниже приведена схема внутреннего устройства турбокомпрессора:


В зависимости от конкретного мотора и его компоновки под капотом, турбокомпрессор может иметь дополнительные встроенные элементы, такие как Wastegate и Blow-Off. Рассмотрим их подробнее:

Blow-off

Блоуофф (перепускной клапан) — это устройство установленное в воздушной системе между выходом из компрессора и дроссельной заслонкой с целью не допустить выход компрессора на режим surge. В моменты, когда дроссель резко закрывается, скорость потока и расход воздуха в системе резко падает, при этом турбина еще некоторое время продолжает вращаться по инерции со скоростью не соответствующей новому упавшему расходу воздуха. Это вызывает циклические скачки давления за компрессором и слышимый характерный звук прорывающегося через компрессор воздуха. Surge со временем приводит к выходу из строя опорных подшипников турбины, ввиду значительной нагрузки на них в этих переходных режимах. БлоуОфф использует комбинацию давлений в коллекторе и установленной в нем пружины чтобы определить момент закрытия дросселя. В случае резкого закрытия дросселя блоуофф сбрасывает в атмосферу возникающий в воздушном тракте избыток давления и тем самым спасает турбокомпрессор от повреждения.

Wastegate

Представляет собой механический клапан установленный на турбинной части или на выпускном коллекторе и обеспечивающий контроль за создаваемым турбокомпрессором давлением. Некоторые дизельные моторы используют турбины без вейстгейтов. Тем не менее, подавляющее большинство бензиновых моторов обязательно требуют его наличия. Основной задачей вейстгейта является обеспечивать выхлопным газам возможность выхода из системы в обход турбины. Пуская часть газов в обход турбины, мы контролируем количество энергии газов, которое уходит через вал на компрессор и, тем самым, управляем давлением наддува, создаваемым компрессором. Как правило, вейстгейт использует давление наддува и давление встроенной пружины, что бы контролировать обходной поток выхлопных газов.

Встроенный вейстгейт состоит из заслонки, встроенной в турбинный хаузинг (улитку), пневматического актуатора, и тяги от актуатора к заслонке.


Внешний гейт представляет собой клапан, устанавливаемый на выпускной коллектор до турбины. Преимуществом внешнего гейта является то, что сбрасываемый им обходной поток может быть возвращен в выхлопную систему далеко от выхода из турбины или вообще сброшен в атмосферу на спортивных автомобилях. Все это ведет к улучшению прохождения газов через турбину ввиду отсутствия разнонаправленных потоков в компактном объеме турбинного хаузинга.


Водяное и масляное обеспечение:

Шарикоподшипниковые турбины Garrett требуют значительно меньше масла чем втулочные аналоги. Поэтому установка маслянного рестриктора на входе в турбину крайне рекомендована, если давление масла в вашей системе превышает 4 атм. Слив масла должен быть заведен в поддон выше уровня масла. Поскольку слив масла из турбины происходит естественным путем под действием гравитации, крайне важно, чтобы центральный картридж турбины был ориентирован сливом масла вниз.

Частой причиной выхода из строя турбин является закоксовка маслом в центральном картридже. Быстрая остановка мотора после больших продолжительных нагрузок ведет к теплообмену между турбиной и нагретым выпускным коллектором, что в отсутствии притока свежего масла и поступления холодного воздуха в компрессор ведет к общему перегреву картриджа и закоксовке имеющегося в нем масла.

Для минимизации этого эффекта турбины снабдили водяным охлаждением. Водные шланги обеспечивают эффект сифона снижая температуру в центральном картридже даже после остановки двигателя, когда нет принудительной циркуляции воды. Желательно также обеспечить минимум неравномерности по вертикали линии подачи воды, а также несколько развернуть центральный картридж вокруг оси турбины на угол до 25 градусов.

Выбор турбины.


Правильный подбор турбины является ключевым моментом в постройке турбомотора и основан на многих вводных данных. Самым основным фактом выбора является требуемая от мотора мощность. Важно также выбирать эту цифру максимально реалистично для вашего мотора. Поскольку мощность мотора зависит от количества топливовоздушной смеси, которая через него проходит за единицу времени, определив целевую мощность, мы приступим к выбору турбины способной обеспечить необходимый для этой мощности поток воздуха.

Другим крайне важным фактором выбора турбины является скорость ее выхода на наддув и минимальные обороты двигателя, на которых это происходит. Меньшая турбина или меньший горячий хаузинг позволяют улучшить эти показатели, но максимальная мощность при этом будет снижена. Тем не менее, за счет большего рабочего диапазона работы двигателя и быстрого выхода турбины на наддув при открытии дросселя в целом результат может быть значительно лучше, чем при использовании большей турбины с большой пиковой мощностью, но в узком верхнем диапазоне работы мотора.

Втулочные и шарикоподшипниковые турбины.


Втулочные турбины были самыми распространенными в течение долгого времени, тем не менее, новые и более эффективные шарикоподшипниковые турбины используются все чаще. Шарикоподшипниковые турбины появились как результат работы Garrett Motorsport во многих гоночных сериях.  

Отзывчивость турбины на дроссель в значительной степени зависит от конструкции центрального картриджа. Шарикоподшипниковые турбины Garrett обеспечивают на 15% более быстрый выход на наддув относительно их втулочных аналогов, снижая эффект турбо-ямы и приближая ощущение от турбо-мотора к атмосферному большеобъемнику.


Шарикоподшипниковые турбины также требуют значительно меньшего потока масла через картридж для смазки подшипников. Это снижает вероятность утечек масла через сальники. Такие турбины менее требовательны к качеству масла и менее склонны к закоксовке после глушения двигателя.

Читать Часть 2: Trim, A/R хаузингов, твинскролл, AFR.

Читать Часть 3: Компрессорная карта, Surge, Эффективность, Скорость вращения.

Расчет и подбор турбин Garrett онлайн.


По материалам Garrett TurboTech.
Перевод и адаптация Oleg Coupe (TurboGarage)
При использовании материалов ссылка на источник обязательна.

схема, принцип работы и основные недостатки

Турбонаддув – это способ увеличения мощности в двигателе за счет увеличения подачи воздуха в цилиндры, объем двигателя при этом не изменяется.

Схема турбонаддува.

Основным его элементом является турбокомпрессор, состоящий непосредственно из компрессора (нагнетателя) и турбины.

Причем, как только запускается двигатель, начинает работать и турбина, а вот компрессор подключается к ним только по достижению первым определенного числа оборотов. Компрессору в рассматриваемой системе отведена роль обогатителя кислородом топливо-воздушной смеси.

Принцип работы турбонаддува.

Сам процесс увеличения мощности двигателя происходит главным образом за счет применения энергии отработавших газов. Все происходит так. Роторы, как компрессора, так и турбины закреплены на одном валу. Выхлопные газы попадают в турбину через выпускной коллектор, раскручивая его ротор, который в свою очередь раскручивает ротор компрессора, в результате чего осуществляется всасывание воздуха из атмосферы в последний. А поскольку сжатие воздуха сопровождается нагревом, что приводит к уменьшению его плотности, эффективность наддува в системах турбонаддува снижается, а чтобы этого не происходило, применяется интеркулер.

Для справки:

Интеркулер – «промежуточный радиатор», который располагается между компрессором и цилиндрами, для того чтобы охладить воздух, подаваемый в цилиндры.

Существует два вида интеркулеров – водо-воздушный и воздухо-воздушный. В основном в автомобилях применяется воздухо-воздушный интеркулер, который располагается либо перпендикулярно продольной оси, либо горизонтально над двигателем.

Нюансы и недостатки турбонаддува.

Самым известным является эффект «турбоямы», который вызван инерционностью турбины. Он проявляется при резком нажатии на газ следующим образом: двигатель «подтормаживает с ответом» и потом очень резко «подхватывает».

Минусом инерционности также можно назвать и нагнетание воздуха под большим давлением при раскручивании турбины на высоких оборотах. Вследствие чего при низких оборотах – турбина крутится слабо.

Хотя все эти нюансы можно решить. Для этого есть огромное количество способов. Например, это можно сделать с помощью системы управления давлением наддува, представленным заслонкой или клапанами, которые при большой температуре часть выхлопных газов будут направлять мимо турбины, или, наоборот, будут создавать максимальное давление, если его недостаточно, направляя при этом весь поток газов на турбину. Последняя будет вращаться быстрее и эффект «турбоямы» будет минимальным.

В общем, при всей той мощности, которую способен обеспечить турбонаддув, и экономии топлива, все названые недостатки и нюансы ничтожно малы и легко решаемы, видно это и является секретом его популярности с момента появления первых задумок такой системы, более одного века назад, по сей день.

Видео.

Рекомендую прочитать:

7 Скоростной наддув на аэродинамическом эффекте преобразования скорости потока воздуха в статическое давление

Лекция №7

Скоростной наддув на аэродинамическом эффекте преобразования скорости потока воздуха в статическое давление; конструктивно он может быть реализован в виде воздухозаборного патрубка, направленного на встречу потоку воздуха при движении какого-либо транспортного средства вместе с двигателем. Однако для реальных скоростей передвижения наземных транспортных средств порядка 40-60 м/с (180-200км/ч) получаемое избыточное давление не обеспечивает достаточного количественного эффекта повышения мощности поршневых двигателей, поэтому скоростной наддув этих двигателей не находит практического применения.

Инерционный наддув двигателей основан на колебательных явлениях участвующих в газообмене масс газов и при правильном выборе геометрических размеров всасывающих и выпускных трубопроводов он в отдельных случаях дает возможность увеличить  эффективную мощность двигателей на 20-30%. В частности, для инерционного наддува четырехтактного двигателя длину впускного трубопровода постоянного сечения можно рассчитать по выражению ,

где — опытный коэффициент, характеризующий динамические свойства всасывающей системы двигателя;

 — коэффициент расхода всасывающей системы, включая органы распределения;

 — средняя скорость звука в газе по температурному состоянию газа в цилиндре двигателя;

 — полный объем цилиндра;

Рекомендуемые файлы

 — угол поворота коленвала двигателя, соответствующий инерционной дозарядке (наддуву) цилиндра;

 — частота вращения коленвала;

 — живое сечение впускного трубопровода.

Величина  должна определяться из условия обеспечения достаточной скорости воздуха в трубопроводе для создания инерционного эффекта.

Процесс «настройки» инерционных систем наддува является кропотливым и сложным и, с учетом сравнительно невысоких итоговых абсолютных показателей, инерционный наддув поршневых двигателей в настоящее время не находит широкого применения. В современных условиях развития двигателестроения «промышленное» значение по существу имеют лишь механический, газотурбинный и комбинированный наддув. Во всех этих случаях применяются специальные агрегаты наддува.

Рассмотрим механический наддув. Его применение в четырехтактных двигателях в основном ограничивается двигателями сравнительно небольшой мощности при необходимости обеспечения ими высокой маневренности транспортного средства.

1-      компрессор (нагнетатель).

2-      механическая передача.

Привод компрессора (нагнетателя) выполнен непосредственно от коленвала двигателя. Механический привод нагнетателя может быть выполнен с постоянным или переменным передаточным отношением (например, посредством регулируемой гидравлической передачи).

Преимущества механического наддува:

1)                    обеспечивает хороший пуск и удовлетворительную приемистость двигателя – свойство, особенно важное для двигателей транспортного назначения.

Недостатки:

1)      некоторое ухудшение экономических показателей двигателей при его применении, обусловленное затратой энергии на привод компрессора и связанным с этим ухудшением механического К.П.Д.

2)      ограничение наддува областью лишь его утерянных численных значений.

В качестве агрегатов наддува практически могут применяться самые разнообразные конструкции нагнетателей. Для наддува мощных тихоходных судовых крейцкопфных двигателей нередко используются подпоршневые полости цилиндров. Для наддува двигателей средней и малой мощности наиболее часто используются роторно-зубчатые или центробежные нагнетатели. Экономичность и эффективность работы двигателя с наддувом существенно зависит от адиабатического К.П.Д.  нагнетателя. Рассмотрим соответствующие участки индикаторных диаграмм двигателя без наддува и с механическим наддувом.

Из рисунка видно, что для двигателя с наддувом процесс пополнения цилиндра (при давлении несколько меньшем ) соответствует положительной работе двигателя, которая, однако, в конечном итоге обусловлена затратами механической работы на привод компрессора.

 — эффективная мощность двигателя с механическим наддувом.

При этом в последнем случае при =1,6÷1,7 кг/см2 , мощность привода нагнетателя составляет около 10% от индикаторной мощности двигателя и экономичность последнего существенно ухудшается.

Наиболее широкое применение в практике двигателестроения находим газотурбинный наддув (ГТН) с использованием энергии выпускных газов двигателя. В процессе работы двигателя с ГТН газы через выпускной клапан (окна) цилиндра двигателя направляются в газовую турбину и, совершая работу на лопатках рабочего колеса приводит его во вращательное движение. В свою очередь, рабочее колесо турбины, механически связанное с рабочим колесом компрессора, обеспечивает сжатие воздуха, засасывающего из окружающей среды до давления наддува  в компрессоре. Сжатый воздух поступает в цилиндр двигателя через впускной клапан (окна).

Агрегат газотурбинного наддува, сочетающий газовую турбину и центробежный компрессор обычно называют турбокомпрессорным (ТК).

Схема турбопоршневого двигателя с газовой связью.

Преимущества данной схемы:

1)      простота конструкции и меньшие, как правило габаритные размеры

2)      газотурбинный наддув является наиболее экономичным из всех видов наддува. При его применении, помимо существенного роста эффективной мощности двигателя, возрастает также и эффективный К.П.Д. двигателя, в связи с чем экономичность силовой установки с ГТН заметно улучшается (примерно на 4-6%).

3)      возможность использования готовых ТК при совершенном состоянии развития комбинированных двигателей.

Недостатки:

1)      худшие по сравнению с двигателями с механической связью приемистость и пусковые качества вследствие главным образом более замедленного увеличения числа оборотов («вялой раскрутки») турбокомпрессора при пуске и увеличении мощности двигателя в эксплуатации, что объясняется малым градиентом давления наддува при пуске и увеличении нагрузки двигателя, определяемым инерцией роторов турбокомпрессоров.

2)      меньшая возможность увеличения мощности двигателя путем повышения наддува, чем при механической связи, вследствие того, что давление наддува непосредственно зависит от давления и температуры газов на выпуске.

3)      недостаточность при малых нагрузках энергии выпускных газов для приведения в движение турбокомпрессора; величина мощности турбины мала для подачи в цилиндр необходимого количества воздуха, в результате чего затрудняется пуск двигателя и работа его при неполной нагрузке.

Отмеченные недостатки, в особенности первый, при отсутствии регулирования турбокомпрессора являются серьезным препятствием при применении газовой связи в транспортных двигателях, работающих на переменных режимах. Это относится прежде всего к двигателям наземного транспорта, работающим большую часть времени (не менее 70-80%) на неполных нагрузках при наличии частых переходных режимов.

Несмотря на приведенные выше недостатки, комбинированные двигатели с газовой связью турбины и компрессора с поршневой частью получили наиболее широкое распространение в промышленности и на транспорте ( особенно в тех случаях, когда приемистость не является главным качеством).

Без какой-либо существенной модернизации двигателя ГТН позволяет повысить его мощность до 50-70%, а вообще мощность двигателя с ГТН по сравнению с мощностью двигателя без наддува может быть удвоена и утроена.

В случае газотурбинного наддува практически возможны 2 способа использования энергии выпускных газов – при постоянном и переменном давлениях газа. В первом случае газ из цилиндров двигателя поступает в коллекторы достаточно большого объема (ресиверы), в которых давление газа, направляемое затем к турбине, выравнивается. Во втором случае, помимо тепловой энергии, в турбине используется и кинетическая энергия газа (импульсная турбина), обусловленная его большой скоростью. Рабочая при постоянных параметрах газа, турбина постоянного давления имеет более высокий К.П.Д. Однако импульсная турбина срабатывает определенную часть кинетической энергии газа, не используемой в турбине постоянного давления, и потому для сравнительно малых давлений наддува (до 1,8÷1,9 кг/см2), когда в общей энергии выпускных газов доля энергии импульса оказывается значительной, она более рентабельна.

В двухтактных двигателях и в ряде четырехтактных нередко применяется двухступенчатое сжатие воздуха. Такие двигатели, часто называемые двигателями с комбинированной связью турбины и компрессора с поршневой частью или двигателями с комбинированной системой наддува.

Первая ступень сжатия – турбокомпрессор

Вторая ступень – приводной компрессор

Первая ступень – приводной компрессор

Вторая ступень — турбокомпрессор

В случае первой схемы затраты мощности на привод компрессора (второй ступени сжатия) меньше, в результате чего К.П.Д. двигателя получается несколько выше. Однако при этом ухудшается приемистость двигателя, и последний по эксплуатационным качествам приближается к двигателю с обычным газотурбинным наддувом. При увеличении работы сжатия второй ступени улучшается приемистость двигателя.

Наличие двухступенчатого сжатия обуславливает возможность применения промежуточной охлаждения воздуха и, следовательно, уменьшение мощности, затрачиваемой для получения заданного количества сжатого воздуха. Двигатели с двухступенчатым сжатием, несмотря на усложнение конструкции, получили широкое распространение сначала в авиации, а в настоящее время они устанавливаются на судах и машинах наземного транспорта.

Рассмотрим схему турбопоршневого двигателя с механической связью.

В комбинированном двигателе с механической связью валы турбины и компрессора связаны между собой и с валом дизеля механической передачей.

Соотношение между мощностями дизеля и турбины может быть самым разнообразным. Если мощность турбины меньше мощности, потребной для обеспечения наддува, то недостающая мощность отбираемая у дизеля. Если турбина имеет избыточную мощность, то последняя передается на вал, с которого снимается мощность; обычно таким валом является вал дизеля.

Рассмотренная схема двигателя с механической связью характеризуется тем, что давление наддува может быть повышенным, не зависящим от мощности турбины. Имеется возможность более полного использования энергии выпускных газов независимо от давления наддува.

Вследствие наличия механической связи между компрессором и дизелем они синхронно работают на всех режимах, что способствует хорошему газообмену и на переходных режимах, хорошая приемистость и пусковые качества двигателя.

К числу недостатков рассматриваемых двигателей следует отнести большую сложность конструкции и дополнительные потери мощности в механизме передачи. Механическая связь затрудняет достижение рационального соотношения окружной скорости рабочего колеса турбины со скоростью истечения газов, особенно на нерасчетных режимах, вследствие чего К.П.Д. на этих режимах понижается.

Схема свободнопоршневого генератора газа

Процессы газообмена в двухтактных двигателях.

Процесс очистки цилиндра от продуктов сгорания и наполнения его свежим зарядом воздуха (газообмен), особенно сложен в двухтактных двигателях. Время на процесс газообмена в них в 3-3,5 раза меньше, чем в четырехтактных (120÷1500 вместо 400÷5000 П.К.В.). Кроме того, удаление продуктов сгорания осуществляется не поршнем, а поступающим из ресивера сжатым (продувочным воздухом).

Качество очистки и наполнения цилиндра всецело зависит от выбора системы газообмена, конструкции элементов газовоздушного тракта, органов газораспределения и величин параметров, определяющих состояние рабочего тела до и после органов газораспределения ( и и )

Из всего многообразия существующих систем схем газообмена следует выделить два основных типа:

1)                    Петлевые системы – продувочные и выпускные органы (окна) располагаются в нижней части цилиндра, продувочный воздух омывает стенки цилиндра, изменяя при этом направлении движения на 1800.

2)                    Прямоточные системы – органы газораспределения продувные (окна) и выпускные (окна, золотники или клапаны) находятся в противоположных концах цилиндра; продувочный воздух движется вдоль оси цилиндра.

Лекция №8

Петлевые схемы (системы) газообмена.

В зависимости от характера взаимного расположения органов петлевые схемы могут быть поперечными а), с односторонним б), круговым в), и смешанным расположением окон.

Направление каналов продувочных и выпускных окон может быть различным: параллельным а), радиальным б), эксцентричным в) и тангенциальным д).

 

Параллельное направление каналов

Радиальное направление каналов

Эксцентричное направление каналов

Тангенциальное направление  окон

Поперечная петлевая схема газообмена с параллельным расположением окон используется в настоящее время редко. Для этой схемы характерны значительные застойные зоны в верхней части цилиндра и над поршнем, перемешивание свежего воздуха с продуктами сгорания на границе встречных потоков.

Направленность потоков газов во многом зависит от угла наклона осей продувочных окон к оси цилиндра β и изменяется по мере перемещения поршня к Н.М.Т. При больших углах наклона более вероятно «замыкание» потока – движение его по кратчайшему пути от продувочных окон к выпускным.

Чтобы избежать этого и получить более устойчивый по направлению поток, нужно уменьшить угол наклона β. Однако при этом уменьшается живое сечение окон и для восстановления его приходится увеличивать высоту последних, что приводит к увеличению потери хода поршня.

Этот недостаток в той или иной степени присущ и ряду других вариантов петлевой схемы газообмена.

Исследования показали большие возможности улучшения процесса газообмена за счет более рационального взаимного расположения за счет более рационального взаимного  расположения и направления органов газораспределения (особенно продувочных окон).

Тангенциальное расположение окон д) обеспечивает дополнительную турбулизацию в цилиндре и способствует лучшему смесеобразованию, в то время приводит к более интенсивному перемешиванию в процессе газообмена воздуха с продуктами сгорания.

В последние годы получила распространение система газообмена Листа-Шнюрме.

                                                                                                                         

Отличительной ее особенностью является расположение продувочных окон двумя группами по обе стороны выпускных. Продувочный воздух поступает в цилиндр двумя потоками в направлении стенки напротив выпускных окон, поднимается вверх, а затем опускается к ним, выталкивая продукты сгорания.

Петлевая схема газообмена Листа-Шнюрме.

При такой схеме газообмена уменьшается перемешивание продувочного воздуха с продуктами сгорания, улучшается весь процесс газообмена. Схема эта наибольшее применение получила на транспортных двигателях.

Фирма MAN использует петлевую схему газообмена с односторонним расположением окон (схема б)). Такое расположение окон позволяет размещать их на большей части окружности и получить больше проходные сечение. Эта схема обеспечивает сравнительно хорошее обтекание внутренней поверхности цилиндра и качественную его очистку.

Для рассмотренных систем газообмена характерны симметричные диаграммы фаз газораспределения.

Диаграмма фаз газораспределения симметричная

В период φn2 φb1  поступление в цилиндр продувочного  воздуха прекращается, через открытые еще выпускные окна продолжается истечение газов, что связано с возможностью значительных потерь свежего заряда воздуха. Для устранения этого недостатка в ряде конструкций главным образом малооборотных мощных дизелей (фирмы MAN, «Зульцер») за выпускными окнами устанавливаются с целью их перекрытия клапаны или золотники.

Более эффективным и надежным оказывается помещение клапанов на впуске, перед продувочными окнами. В этом случае продувочные окна могут быть несколько выше выпускных, что обеспечивает появление фазы дозарядки и улучшения наполнения цилиндра, за счет уменьшения относительной высоты выпускных окон снижается потеря рабочего хода.

В обоих случаях получается несимметричная диаграмма фаз газораспределения.

Прямоточные схемы газообмена.

Находят применение в транспортных двигателях повышенной удельной мощности – автомобильных и тепловодных и быстроходных судовых двигателях, а также в судовых двигателях большой мощности. Различают прямоточные щелевые схемы газообмена.

Прямоточная клапанно-щелевая  схема газообмена была применена на заводе «Русский дизель» в 1906-1907 гг.

В современных двигателях поступление продувочного воздуха в цилиндр осуществляется через окна, расположение равномерно по всей окружности цилиндра в нижней его части. Выпуск производится через выпускные клапаны, устанавливаемые в голове цилиндра. Окнам обычно придается тангенциальная направленность, вследствие чего продувочный воздух движения в цилиндре по спирали, обеспечивая хорошую очистку его от продуктов сгорания и способствуя его лучшему смесеобразованию.

Следует отметить более благоприятные условия работы поршня и втулки цилиндра, омываемых продувочных воздухом.

Наличие клапанов позволяет получить несимметричную диаграмму фаз газораспределения с исключением фазы потери заряда и получением фазы дозарядки. Схема газообмена обеспечивает хорошую очистку цилиндра двигателя от продуктов сгорания при сравнительно малом расходе продувочного воздуха.

Следует, однако отметить, что рассматриваемая схема уступает прямоточной щелевой схеме газообмена, потому что несколько хуже качество очистки цилиндра из-за повышенных гидравлических сопротивлений в клапанах и плохой продувки верхней части цилиндра, затруднительно обеспечение надежной работы клапанной группы (высокая температура клапанов, большие нагрузки на клапанные пружины).

Прямоточная щелевая схема.

Щелевая с противоположно-движущимися поршнями

Золотниковая

С общей камерой для двух цилиндров

Прямоточная щелевая схема газообмена применяется в быстроходных транспортных двигателях тепловых и судовых двигателях. Возможны следующие варианты:

1)                    с двумя противоположно движущимися поршнями в одном цилиндре (П.Д.П.): а) с одним коленвалом; б) с двумя коленвалами;

2)                    с золотниковым газораспределением;

3)                    с двумя цилиндрами, имеющими общую камеру сгорания.

При всех вариантах этих схем газообмена есть возможность получить несимметричную диаграмму фаз газораспределения.

Двигатели с противоположно движущимися поршнями (П.О.П.) отличаются наилучшей очисткой цилиндра. Из-за тангенциальной направленности окон заряд получает вращательное движение, сохраняющееся до конца сжатия, что обеспечивает лучшее смесеобразование. Направление выпускных окон не оказывает существенного влияния на качество газообмена. Часто они имеют радиальное направление осей. Получение несимметричной диаграммы фаз газораспределения достигается путем взаимного смещения коленвалов или боковых кривошипов относительно центрального (при одновальный конструкции) на угол Δφ, превышающий1800 на 8-200 П.К.В. Один вал связан с поршнем, управляющим продувочными окнами, а другой – с поршнем, управляющим выпускными окнами.

Уменьшение тепловоспринимающей поверхности за счет отсутствия крышек цилиндров обусловливает меньшую относительную величину потерь теплоты в охлаждающую цилиндры воду.

Двигатели с П.Д.П. обычно имеют повышенную удельную мощность. К недостаткам этих двигателей следует отнести сложность конструкции остова. Два коленвала и силовая связь между ними усложняет и удорожает ее.

Золотниковое газораспределение может быть выполнено в различных вариантах. Наибольшее распространение получила схема, при которой роль золотника играет поршень малого диаметра (≤ 0,5 Д), размещенный в крышке цилиндра и совершающий возвратно-поступательное движение. Поршень управляемый выпускными окнами, ход его обычно не превышает 0,4÷0,5 хода основного поршня. От поршня – золотника на коленвал передается до 10% мощности двигателя.

Возможно применение гильзового распределения, или вращающихся золотников.

Как и в двигателе с П.Д.П., есть возможность получить несимметричную диаграмму фаз газораспределения (за счет смещения по времени движения золотника и поршня).

 К преимуществам двигателей с золотниковым распределением следует отнести отсутствие необходимости в двух коленвалах или сложной связи верхнего поршня с коленвалом, а также лучше, чем у поршня, температурное состояние золотников.

В качестве основных преимуществ прямоточных схем газообмена по сравнению с петлевыми следует отметить:

1) относительно хорошую очистку цилиндра двигателя от продуктов сгорания и лучшее наполнение цилиндра при сравнительно малом расходе продувочного воздуха;

2) меньшую долю потери рабочего хода;

3) возможность организации движения заряда воздуха, обеспечивающего лучшее смесеобразование.

Для двигателей с прямоточной схемой газообмена характерны значения Pe от 5,5÷7,0 кг/см2 без наддува до 12 кг/см2 с наддувом, для двигателей с петлевыми схемами Peот 4,5÷5,5 без наддува и до 9 (10) кг/см2  с наддувом.

Основными достоинствами двигателей с петлевыми схемами газообмена считают простоту конструкции, меньшую первоначальную стоимость, простоту реверса и обслуживания.

Органы газораспределения.

Продувочные окна могут быть прямоугольными, в виде параллелограммов (ромбовидными), трапециевидными, овальными, круглыми. Наибольшее проходное сечение при меньшей высоте обеспечивается первыми двумя вариантами. Круглые окна являются наиболее технологичными; нередко они располагаются в несколько рядов (до четырех) в шахматном порядке. Угол наклона продувочных окон к оси цилиндра β обычно находятся в пределах 20÷600 (чаще 300) – для петлевых схем газообмена и 10÷900 – для прямоточных схем. Тангенциальный угол α выбирается в пределах 8÷250.

1.      Суммарная ширина окон: петлевая bn=(0,25÷0,4)ПД; прямоточная bn=(0,6÷0,75)ПД;

2.      Высота окон (расстояние от верхней кромки окна до кромки днища поршня при расположении его в Н.М.Т.

Для одного ряда окон hn=(0,08÷0,15)S, при этом меньшая высота характерна для прямоточных схем газообмена. Для двухрядного расположения окон или при установке клапанов перед продувочными окнами hn=(0,25÷0,35)S

Если Вам понравилась эта лекция, то понравится и эта — 51 Перестройка промышленности на военный лад.

Выпускные органы двухтактных дизелей выполняются либо в виде окон чаще всего прямоугольной или ромбовидной формы, либо в виде тарельчатых клапанов. Направление каналов выпускных окон , в отличие от продувочных, не оказывает существенного влияния на процесс газообмена. Чаще они имеют радиальную направленность под углом 900 к оси цилиндра.

Суммарная ширина выпускных окон: при петлевой схеме газообмена Bb=(0,2÷0,35) ПД, при прямоточной Bb=(0,5÷0,6) ПД.

Расстояние верхней кромки окон от поверхности днища поршня при расположении его в нижней мертвой точке.

hb=(0,15÷0,35)S

Меньшие значения – для прямоточно-щелевой схемы.

Пускатели воздушных турбин

Пускатели воздушных турбин

разработаны для обеспечения высокого пускового момента от небольшого и легкого источника. Типичный стартер с воздушной турбиной весит от четверти до половины от электрического стартера, способного запускать тот же двигатель. Он способен развивать значительно больший крутящий момент, чем электростартер.

Типичный стартер воздушной турбины состоит из турбины с осевым потоком, которая вращает приводную муфту через редуктор и механизм муфты стартера.Воздух для приведения в действие стартера воздушной турбины подается либо от наземной тележки с пневмоприводом, либо от ВСУ, либо при пуске с перекрестным сбросом от уже работающего двигателя. [Рис. 5-20] Для запуска двигателей одновременно используется только один источник с плотностью около 30–50 фунтов на квадратный дюйм (фунт / кв. Дюйм). Давление в каналах должно быть достаточно высоким, чтобы обеспечить полный запуск с нормальным пределом минимум около 30 фунтов на квадратный дюйм. При запуске двигателей с помощью стартера воздушной турбины всегда проверяйте давление в воздуховоде перед попыткой запуска.

Рисунок 5-20. Пускатели воздушных турбин питаются от наземной тележки, ВСУ или другого работающего бортового двигателя. [Щелкните изображение для увеличения]

Рисунок 5-21 представляет собой разрез стартера воздушной турбины. Стартер приводится в действие за счет подачи воздуха достаточного объема и давления во входное отверстие стартера. Воздух проходит в корпус стартера турбины, где лопатками сопла направляется на лопатки ротора, вызывая вращение ротора турбины. Когда ротор вращается, он приводит в движение редуктор и узел сцепления, который включает в себя ведущую шестерню ротора, планетарные шестерни и водило, узел муфты обжимной муфты, узел выходного вала и ведущую муфту.Узел обжимной муфты включается автоматически, как только ротор начинает вращаться, но выключается, как только приводная муфта вращается быстрее, чем сторона ротора. Когда стартер достигает этой инерционной скорости, действие пружинной муфты позволяет зубчатой ​​передаче остановиться по инерции. Узел выходного вала и ведущая муфта продолжают вращаться, пока работает двигатель. Привод переключателя ротора, установленный в ступице ротора турбины, настроен на размыкание переключателя турбины, когда стартер достигает скорости отключения.Открытие выключателя турбины прерывает электрический сигнал к пусковому клапану. Это закрывает клапан и перекрывает подачу воздуха к стартеру.

Рисунок 5-21. Пускатель воздушной турбины в разрезе. [Щелкните изображение, чтобы увеличить] Корпус турбины содержит ротор турбины, привод переключения ротора и компоненты сопла, которые направляют входящий воздух на лопасти ротора. Корпус турбины включает в себя защитное кольцо ротора турбины, предназначенное для рассеивания энергии фрагментов лопаток и направления их выброса с малой энергией через выхлопной канал в случае выхода из строя ротора из-за чрезмерного превышения скорости турбины.Рисунок 5-22. Пускатель воздушной турбины. [Щелкните изображение, чтобы увеличить] Корпус трансмиссии содержит редукторы, компоненты сцепления и ведущую муфту. В корпусе трансмиссии также имеется резервуар для смазочного масла. [Рис. 5-22] Нормальное обслуживание стартеров воздушной турбины включает проверку уровня масла, осмотр детектора магнитной стружки на предмет металлических частиц и проверку на утечки. Масло можно долить в поддон картера коробки передач через отверстие в стартере. Этот порт закрыт вентиляционной пробкой, содержащей шаровой клапан, который позволяет выпускать воздух из поддона в атмосферу во время нормального полета.В корпусе также есть смотровое окно, которое используется для проверки количества масла. Магнитная сливная пробка в сливном отверстии трансмиссии притягивает любые частицы железа, которые могут находиться в масле. В стартере используется турбинное масло, такое же, как и в двигателе, но это масло не циркулирует в двигателе.

В корпусе зубчатого венца, который является внутренним, находится узел ротора. Корпус переключателя содержит турбинный переключатель и кронштейн в сборе. Чтобы облегчить установку и снятие стартера, монтажный адаптер прикручивается к монтажной площадке на двигателе.Быстроразъемные зажимы соединяют стартер с монтажным адаптером и впускным каналом. [Рисунок 5-22] Таким образом, стартер легко снимается для технического обслуживания или капитального ремонта путем отсоединения электрической линии, ослабления зажимов и осторожного отсоединения приводной муфты от привода стартера двигателя при извлечении стартера.

Рисунок 5-23. Регулирующий и запорный спускной клапан.

Воздушный тракт проходит через комбинированный регулирующий и запорный клапан или спускной клапан, который контролирует все давление в воздуховоде, поступающее во впускной канал стартера.Этот клапан регулирует давление рабочего воздуха стартера и перекрывает подачу воздуха в двигатель, если он выключен. За выпускным клапаном находится пусковой клапан, который используется для регулирования потока воздуха в стартер. [Рис. 5-23]

Клапан регулирования давления и запорный клапан состоит из двух подузлов: клапана регулирования давления и клапана регулирования давления. [Рис. 5-24] Регулирующий клапан в сборе состоит из корпуса клапана, содержащего дроссельный клапан. [Рисунок 5-24] Вал дроссельной заслонки через кулачок соединен с сервопоршнем.Когда поршень приводится в действие, его движение на кулачке вызывает вращение дроссельной заслонки. Наклон дорожки кулачка разработан для обеспечения небольшого начального хода и высокого начального крутящего момента при включении стартера. Наклон кулачковой направляющей также обеспечивает более стабильную работу за счет увеличения времени открытия клапана.

Рисунок 5-24. Клапан регулирования давления и запорный клапан в рабочем положении. [Щелкните изображение, чтобы увеличить] Блок управления установлен на корпусе регулирующего клапана и состоит из корпуса управления, в котором соленоид используется для остановки действия рукоятки управления в выключенном положении.[Рисунок 5-24] Кривошип управления соединяет пилотный клапан, который измеряет давление, с сервопоршнем, при этом сильфон соединен воздушной линией с портом измерения давления на стартере.

При включении стартера активируется соленоид регулирующего клапана. Соленоид втягивается и позволяет рукоятке управления повернуться в открытое положение. Рукоятка управления вращается пружиной управляющей тяги, перемещая управляющую тягу к закрытому концу сильфона. Поскольку регулирующий клапан закрыт и давление на выходе незначительно, сильфон можно полностью растянуть за счет пружины сильфона.

Когда рукоятка управления поворачивается в открытое положение, она заставляет шток пилотного клапана открывать пилотный клапан, позволяя воздуху, находящемуся выше по потоку, который подается в пилотный клапан через подходящий фильтр и ограничитель в корпусе, течь в сервопоршневая камера. Дренажная сторона пилотного клапана, которая выпускает воздух из сервокамеры в атмосферу, теперь закрывается штоком пилотного клапана, и сервопоршень перемещается внутрь. [Рис. 5-24] Это поступательное движение сервопоршня преобразуется во вращательное движение вала клапана вращающимся кулачком, таким образом открывая регулирующий клапан.Когда клапан открывается, давление на выходе увеличивается. Это давление возвращается обратно в сильфон через линию измерения давления и сжимает сильфон. Это действие перемещает шток управления, тем самым поворачивая рукоятку управления и постепенно перемещая шток управляющего клапана от камеры сервопривода для выпуска в атмосферу. [Рисунок 5-24] Когда давление ниже по потоку (регулируемое) достигает заданного значения, количество воздуха, поступающего в сервопривод через дроссель, равно количеству воздуха, стравливаемого в атмосферу через выпуск сервопривода; система находится в состоянии равновесия.

Когда спускной клапан и пусковой клапан открыты, регулируемый воздух, проходящий через впускной корпус стартера, сталкивается с турбиной, вызывая ее вращение. При вращении турбины приводится в действие зубчатая передача, и внутренняя шестерня муфты, навинченная на винт с цилиндрической головкой, перемещается вперед при вращении; Зубья его губок входят в зацепление с зубьями внешней шестерни муфты и приводят в движение выходной вал стартера. Сцепление обгонного типа для облегчения положительного зацепления и минимизации вибрации.Когда достигается скорость отключения стартера, пусковой клапан закрывается. Когда подача воздуха к стартеру прекращается, внешняя шестерня сцепления, приводимая в действие двигателем, начинает вращаться быстрее, чем внутренняя шестерня сцепления; внутренняя шестерня сцепления, приводимая в действие возвратной пружиной, отключает внешнюю шестерню сцепления, позволяя ротору остановиться по инерции. Вал подвесной муфты продолжает вращаться вместе с двигателем.

Руководство по поиску и устранению неисправностей пускателя воздушной турбины

Процедуры поиска и устранения неисправностей, перечисленные на Рис. 5-25, применимы к системам пуска воздушной турбины, оборудованным комбинированным клапаном регулирования давления и запорным клапаном.Эти процедуры следует использовать только в качестве руководства и не предназначены для замены инструкций производителя.

Рисунок 5-25. Процедуры поиска и устранения неисправностей в системе стартера воздушной турбины. [Щелкните изображение, чтобы увеличить]

Flight Mechanic рекомендует

Air Mass Flow — обзор

Wind Power

Ветровые турбины с ротором Eliza вращаются за счет массового расхода воздуха. Количество энергии, передаваемой ветром турбинам, не зависит напрямую от плотности воздуха, размера ротора или скорости ветра.Кинетическая энергия движущегося тела пропорциональна его массе, поэтому кинетическая энергия зависит от плотности воздуха. В частности, чем гуще воздух, тем больше энергии получают ветряные турбины.

Плотность воздуха равна количеству молекул в единице объема воздуха. При нормальном давлении воздуха и температуре воздуха 15 ° C масса воздуха составляет 1,2 кг / м 3 , но с увеличением влажности его плотность уменьшается. Более холодный воздух более плотный, чем теплый, поэтому при одинаковой скорости ветра ветряная турбина вырабатывает больше электроэнергии зимой, чем летом.Атмосферное давление уменьшается с увеличением высоты, потому что на больших высотах (в горах) давление ниже и воздух менее плотный.

Ветровые турбины преобразуют кинетическую энергию ветра в мощность вращающегося гребного винта. Поверхность ротора определяет количество энергии, которое может быть получено от ветряных турбин. Поскольку площадь ротора увеличивается пропорционально квадрату диаметра ротора, турбина в два раза больше производит в четыре раза больше энергии. Увеличить поверхность ротора не так просто, как создать длинные гребные винты, поскольку увеличение поверхности ротора увеличивает нагрузку на всю систему, независимо от скорости ветра.Чтобы компенсировать напряжение, необходимо усилить всю механическую систему.

Еще одним фактором, влияющим на входную мощность, является то, что ветряные турбины влияют на поворот ветра даже до того, как на ветер воздействуют лопасти ротора. Ротор замедляет скорость ветра, то есть скорость ветра перед ротором выше, чем позади него, а это означает, что ветряные турбины не могут использовать всю мощность ветра. Преобразование кинетической энергии ветра в механическую энергию вращательного движения осуществляется с помощью ветряных турбин, которые могут иметь различную конструкцию.Современные ветряные турбины имеют ветрогенераторы с горизонтальным валом, который имеет систему вращения вала в горизонтальной плоскости для отслеживания изменений направления ветра. Ветровые турбины могут иметь разное количество лопастей, но, что касается больших мощностей, чаще всего используются турбины с тремя лопастями. Диаметр ветряных турбин зависит от их прочности и составляет от 1 м мощностью 0,5 кВт до 120 м мощностью 5 МВт. Турбина приводит в движение ветрогенератор, который может иметь другую конструкцию.Ветряные турбины и ветрогенератор вместе со стойкой, на которой они установлены, составляют ветрогенератор.

Диапазон скорости ветра, при котором ветрогенератор вырабатывает электрическую энергию, обычно составляет 3-25 м / с, а максимальная (номинальная) мощность достигается при скорости ветра от 12-15 м / с. При скорости ветра выше 25 м / с ветряные турбины останавливаются по механическим причинам. Конструировать ветряные турбины для активной работы при скорости ветра более 25 м / с экономически невыгодно из-за того, что такие ветры относительно редки.Конструкция современного ветрогенератора рассчитана на скорость ветра до 280 км / ч.

Ветряные генераторы устанавливаются на ветряных участках, где среднегодовая скорость ветра превышает 6 м / с (на высоте 50 м над землей). Один ветрогенератор мощностью 1 МВт может вырабатывать около 2000 МВт / ч электроэнергии в год, что достаточно для удовлетворения потребностей 500 домохозяйств, состоящих в среднем из четырех человек. В большинстве случаев ветряные генераторы группируются на подходящих участках, называемых ветряными фермами. Ветряные электростанции могут иметь сотни ветрогенераторов и иметь мощность более 300 МВт.Они строятся на суше, но также и на мелководных прибрежных участках, где дуют сильные и устойчивые ветры (см. Рисунок 7.15).

Рисунок 7.15. Строительство ветряной турбины

Стоимость одного ветрогенератора мощностью 1 МВт составляет около одного миллиона евро, что равняется стоимости установки 1 МВт на средней электростанции, использующей уголь. В отличие от тепловых и гидроэлектростанций, ветропарки строятся очень быстро, всего за несколько месяцев. Срок службы ветряной электростанции около 25 лет. Однако цена электроэнергии, вырабатываемой средним ветрогенератором, по-прежнему выше, чем цена кВтч на обычных электростанциях.Средний ветрогенератор с установленной мощностью 1 МВт в электроэнергии ежегодно вырабатывает в два раза меньше энергии, чем 1 МВт установленной мощности в гидроэнергетике, или примерно в три раза меньше энергии, чем средняя тепловая мощность, и примерно в 3,5 раза меньше энергии, чем такая же установленная мощность в атомной энергетике. сила. Производство ветряных турбин диктуется ветром, тогда как управление производством на гидроаккумулирующей электростанции основывается на рыночном спросе. Например, резервуары наполняются ночью, и производство сводится к минимуму, а днем, когда 1 кВт · ч является самым дорогим, электростанция работает на полную мощность и вырабатывает самый дорогой «ток».«В очень ветреных местах со средней годовой скоростью более 7 м / с ветряные электростанции могут быть более экономичными, но такие места относительно редки.

Считается, что по стоимости произведенных кВтч ветряные электростанции будут полностью конкурентоспособны с традиционными источниками, если воздействие на окружающую среду будет включено в стоимость производства электроэнергии. Для производства 1 кВтч на средней электростанции, использующей бурый уголь, используется около 1,5-2 кг угля, при этом в атмосферу выделяется около 1 кг углекислого газа и выделяется около 2 кВтч тепловой энергии, рассеиваемой в окружающую среду. и локально согревает реку и атмосферу.Помимо водяного пара, CO 2 является ведущей причиной глобального потепления (парниковый эффект). Согласно Киотскому соглашению, каждый килограмм CO 2 , выбрасываемый в атмосферу, имеет свою цену, и эти так называемые внешние затраты могут увеличить стоимость производства 1 кВтч электроэнергии на электростанциях даже до 200%.

Технологическое развитие ветряных электростанций идет интенсивно и включает улучшения во всех аспектах их использования. Во-первых, он направлен на дальнейшее увеличение мощности отдельных ветряных генераторов.Особое внимание уделяется дальнейшему развитию ветрогенераторов для работы в горных районах с суровыми климатическими условиями и турбулентными ветрами. Некоторые производители уже успешно установили коммерческие турбины для экстремальных горных условий.

Газотурбинный двигатель

GE T700 (обновлен 22.07.2014)

Газотурбинный двигатель GE T700 (обновлен 22.07.2014)

Решенная проблема 6.11 — General Electric T700 Газотурбинный двигатель

Мы хотим провести идеальный термодинамический анализ Общие Электрический газотурбинный двигатель Т700 , который используется для питания армии Вертолет Black Hawk .Рассмотрим Принципиальная схема двигателя показана на рисунке ниже:

Обратите внимание, что две турбины работают на независимые выходные валы. Турбина высокого давления (первая), названная Газогенератор Турбина напрямую подключена к вал к компрессору. Его единственная цель — управлять осевой / центробежный компрессор , таким образом, выход энергии эта турбина должна равняться энергии, потребляемой компрессором. В (Вторая) турбина низкого давления, получившая название Power Турбина , через зубчатую передачу соединена с винт вертолета.

Проблема 6.11 — Предположим, что компрессор и оба турбины изоэнтропичны, и что процесс сгорания происходит при постоянное давление (изобарическое). Используя информацию, отображаемую на схематическая диаграмма выше, выполните следующие действия:

  • a) Нарисуйте весь процесс на диаграмме h-s , ясно показывая 5 станций на схеме и соответствующие изоэнтропические линии и линии постоянного давления.

  • б) определить энергия, потребляемая компрессором [w C = -328кДж / кг], и температура на выходе из компрессора [T 2 = 587 КБ].

  • в) определить тепло энергия, поглощаемая рабочим газом в камере сгорания [q H = 754 кДж / кг].

  • г) определить температура [T 4 = 975 КБ] и давление [P 4 = 546 кПа] при выход турбины газогенератора.

  • д) определить температура [T 5 = 627 КБ] и выходная мощность силовой турбины [Вт PT = 382,5 кДж / кг].

  • е) с учетом массового расхода рабочего газа через систему 4.6 кг / с, определить выходную мощность силовая турбина [1,76 МВт].

(Данные получены в частном общении с Dr. Том Скотт )

Примечание: Из-за большого изменение температуры во время этой задачи, нам нужно будет рассмотрим температурную зависимость Specific Теплоемкость воздуха . Все термические тексты что мы знаем о способе сделать это, используя табличные функция s 0 , относительное давление P r , и относительный удельный объем v r .Мы предпочитаем более простой подход с использованием постоянной удельной теплоемкости. емкость C P и коэффициент теплоемкости k, где значения выбраны в среднем системная температура. Это всегда давало ответ в пределах Точность 1%. На приведенной выше схематической диаграмме мы видим, что предельные температуры системы 16 ° C — 1000 ° C (289 K — 1273 K), что дает среднюю температуру 781 K. Из таблицы Особый Теплоемкость воздуха мы видим, что на 800 К, С Р = 1.099 [кДж / кг.K] и отношение удельных теплоемкостей k = 1,354, таким образом мы используем эти значения в этой задаче.

Подход к решению:

  • a) Набросайте весь процесс на h-s Диаграмма , наглядно демонстрирующая 5 станций на диаграмму и соответствующие линии изоэнтропического и постоянного давления.

    В отличие от случая с чистой жидкостью, например паром, h-s диаграмма выполнена не в масштабе, а в виде эскиза. чтобы обеспечить интуитивное графическое понимание проблема.Кроме того, для идеального газа энтальпия пропорциональна к температуре, поэтому ось Y можно рассматривать как ось энтальпии или температуры. Различные температуры и давления показанные на этой диаграмме оцениваются и наносятся на график по мере продвижения решение.


Уведомление что различные температуры и давления, показанные на этой диаграмме, являются оценивается и наносится на график по мере продвижения решения.
  • б) определить энергию, потребляемую компрессор (w C — кДж / кг), а также температуры на выходе из компрессора (T 2 ).

    В идеале и компрессор, и турбина изоэнтропичны. устройства, таким образом, учитывая степень давления, чтобы определить температуру мы считаем изоэнтропической отношения сложились для идеального газа.

  • г) определить температуру (T 4 ) и давление (P 4 ) на выходе из турбины газогенератора.

    Еще раз. поскольку обе турбины изоэнтропические, мы используем давление и температуру отношения, разработанные для изоэнтропического процесс идеального газа.

Обратите внимание, что фактическая выходная мощность двигателя T700 составляет около 1800 л.с., что значительно меньше указанного выше значения. Это потому, что мы предположили, что компрессор и обе турбины изоэнтропичны, чего на практике никогда не будет. Проблема 6.12 является расширением этого упражнения в которые мы считаем неизоэнтропическими компрессорами и турбинами.

Внутри новой системы экологического контроля 747-8

Боинг 747-8 ECS увеличивает охлаждающую способность, улучшает характеристики и ремонтопригодность, обеспечивая при этом общую платформу Боинг 747 с упрощенными интерфейсами кабины экипажа.

Архитектура системы объединяет больше функций в меньшем количестве заменяемых модулей (LRU), чтобы максимизировать эффективность и надежность, а также упростить поиск и устранение неисправностей.

В этой статье представлен обзор конструкции 747-8 ECS и поддержка в процессе эксплуатации.

Производительность и надежность

Прочная система ECS важна для безопасности и комфорта кабины. В 747-8 используется система ECS, которая предлагает цифровое управление, меньший вес, повышенную надежность и меньшие затраты на обслуживание по сравнению с более ранними технологиями.Изменения в системе управления подачей воздуха (ASCS) и системе кондиционирования воздуха и контроля температуры в кабине (CACTCS) в совокупности увеличивают охлаждающую способность 747-8.

В 747-8 ECS используются новые технологии для повышения производительности. К ним относятся интегрированный контроллер воздушной системы (IASC) и соответствующее программное обеспечение. Кроме того, в системе используется отделение воды под высоким давлением для осушения воздуха в машине с воздушным циклом перед входом в секцию турбины, а также датчики давления для ввода данных в IASC для контроля обледенения.

В совокупности эти технологии помогают повысить эффективность и надежность системы, что позволяет повысить эффективность отбираемого воздуха и снизить штрафы за отбираемый воздух. Это, в сочетании с улучшенной ремонтопригодностью, достигаемой за счет размещения LRU и компонентов LRU, помогает снизить эксплуатационные расходы и затраты на обслуживание.

Среди других ключевых улучшений новой ECS — новая усовершенствованная система выпуска воздуха и пакеты глубокой заморозки.

Усовершенствованная система отвода воздуха

Самолет 747-8 оснащен двигателями General Electric GENX-2B.Системы удаления воздуха из двигателя подают воздух от компрессора двигателя. На каждом самолете имеется четыре идентичных системы продувки двигателя с независимым управлением и индикацией для каждой системы (см. Рис. 1).

Рисунок 1: Система удаления воздуха из двигателя 747-8

Схема системы (вверху) и расположение компонентов (внизу) в системе удаления воздуха из двигателя 747-8.

Температура и давление воздуха регулируются перед подачей в системы самолета. Отобранный воздух используется для CACTCS, защиты двигателя от обледенения, защиты от обледенения крыльев, гидравлического насоса с пневмоприводом, привода передней кромки закрылка, системы генерации азота, обогрева кормовой части груза, всасывания датчика общей температуры воздуха и гидравлической системы. герметизация резервуара.Все четыре системы отвода воздуха из двигателя соединены общим коллектором.

Технологические достижения позволили Boeing внести несколько улучшений в систему отвода воздуха на 747-8. Эти улучшения включают:

  • Новая цифровая обрезка. Система не имеет механических переключателей положения и сокращает использование и объединение датчиков.
  • Нет контроллеров дистанционного клапана. Моментный двигатель и соленоид встроены в конструкцию клапана, что упрощает поиск и устранение неисправностей и улучшает локализацию неисправностей.
  • Меньше серво / сенсорных линий. Это увеличивает надежность системы.
747-8 пакет для перезаморозки

Блок кондиционирования воздуха 747-8 имеет несколько ключевых характеристик, которые позволяют отнести его к классу блоков с истинной субзамерзанием, которые будут работать при температурах ниже точки замерзания воды на всех высотах (см. Рис. 2). В то время как более ранние блоки кондиционирования воздуха могут вызывать недоморозки при любых условиях, существуют ограничения, которые необходимо наложить на систему из-за операционной среды и технологии, реализованной в системе.В результате ниже 25000 футов (7620 метров), где экологическое обледенение является фактором, выпуск турбины блока (т. Е. Выход блока) ограничивается примерно 35 градусами F (1,67 градуса Цельсия) перед смешиванием рециркулируемого воздуха в основной магистрали. распределительный пленум. В круизе, когда проблема обледенения не является критической проблемой для работы, многие агрегаты действительно вызывают недоморание, если того требуют условия.

Рисунок 2A: Система кондиционирования воздуха 747-400

Сравните этот 747-400 с системой кондиционирования воздуха 747-8, показанной на рисунке 2B.Обратите внимание на расположение соответствующих систем водоотделителя / экстрактора, а также датчика температуры агрегата относительно датчика температуры нагнетания смесителя.

Рисунок 2B: Комплект кондиционирования воздуха 747-8

Схема системы кондиционирования 747-8.

В пакете 747-8 используется технология, которая позволяет ему работать в качестве источника кондиционированного воздуха до температуры ниже нуля на всех этапах работы, как на земле, так и в полете. Ключевые факторы, которые позволяют этой технологии преодолевать ограничения окружающей среды, включают использование:

  • Отделение воды под высоким давлением, которое снижает образование льда в машине с воздушным циклом (ACM).
  • Встроенные функции управления блоком, уменьшающие образование льда в блоке кондиционирования воздуха.
  • Компактная смесительная секция на выходе из турбины блока, которая позволяет рециркулирующему воздуху из окружающей среды самолета смешиваться непосредственно с воздухом на выходе из блока до введения ограничений температуры на выходе из блока.

Отделение воды под высоким давлением. Блок кондиционирования воздуха включает в себя контур для извлечения воды внутри блока для извлечения воды и предотвращения образования льда на выходе турбины ACM.Это достигается за счет правильного направления воздуха внутри упаковки; Отделение воды осуществляется внутри самого блока в процессе кондиционирования воздуха.

Воздух, нагретый в секции компрессора ACM, сначала охлаждается главным теплообменником. Затем воздух дополнительно охлаждается ниже точки росы при прохождении через конденсаторную секцию. Внутри секции конденсатора образуются капли воды, позволяющие удалить воду из системы.

Водяной экстрактор затем удаляет частицы воды из-под высокого давления в ACM, создавая вихрь, который заставляет воду собираться на стенках устройства.Затем осушенный воздух проходит в подогреватель, где воздух снова нагревается до температуры воздуха, поступающего в контур отбора воды перед входом в турбину ACM.

Удаляемая вода затем впрыскивается во впускное отверстие охлаждающего воздуха в теплообменник с помощью водяных форсунок для повышения эффективности охлаждения подсистемы набегающего воздуха. Эта функция особенно важна для наземных операций.

Интегрированный контроль упаковки. Температура блока регулируется с помощью приводов воздушной заслонки (RADA) и клапана регулирования температуры (TCV).RADA регулируют поток набегающего воздуха для регулирования температуры на выходе компрессора ACM.

Положение TCV регулирует количество горячего воздуха, который обходит турбину, позволяя регулировать скорость ACM и последующую температуру нагнетания пакета после водоотделителя перед впрыском потока в секцию турбины ACM.

Способность регулировать эту температуру вместе с необходимыми компонентами и элементами управления для определения ограничений потока, связанных с нарастанием льда внутри ACM, позволяет системе избегать и контролировать образование льда в конденсаторе.Кроме того, возможность контролировать температуру на этом этапе работы ACM увеличивает эффективность и производительность процесса экстракции воды под высоким давлением.

Компоненты и технология, входящие в состав ACM, позволяют блоку работать как охлаждающий блок с повышенной производительностью за счет использования «цикла размораживания», необходимого для уменьшения наличия льда. Это защищает рюкзак от повреждений, которые могут быть вызваны нарастанием льда внутри ACM. Благодаря этой возможности агрегат 747-8 может безопасно работать при температуре ниже точки замерзания и обеспечивать повышенную охлаждающую способность во всех рабочих условиях.

Компактная смесительная секция. Затем нагнетаемый воздух из турбинной секции ACM направляется в компактный смеситель перед распределением в основную зону салона самолета. Компактный смеситель обеспечивает эффективное смешивание наружного воздуха, подаваемого ACM, с рециркуляционным воздухом из основных зон кабины. Следовательно, вместо того, чтобы регулировать температуру нагнетания агрегата непосредственно после турбины, температура на выходе компактного смесителя регулируется в соответствии со следующим графиком, который строго зависит от высоты:

  • От 0 до 25 000 футов (от 0 до 7620 метров), контролируйте минимальную температуру на выходе до 37 градусов F (3 градусов C).
  • На расстоянии от 25 000 до 30 000 футов (от 7620 до 9 144 метров) контролируйте минимальную температуру на выходе линейно от 37 градусов F (3 градуса C) на высоте 25 000 футов (7620 метров) до 29 градусов F (-2 градуса C) на высоте 30 000 футов (9 144 метра). метров).
  • На высоте более 30 000 футов (9 144 метра) установите минимальную температуру на выходе на уровне 29 градусов F (–2 градуса C).

Таким образом, компактный смеситель позволяет температуре на выходе турбины быть значительно ниже точки замерзания, чтобы напрямую справляться с нагрузкой на кондиционирование воздуха, создаваемой рециркуляционным воздухом из основных зон кабины, и позволяет блоку обеспечивать большую доступную мощность в качестве результат.Например, в условиях жаркого дня при нагнетании очень теплого рециркуляционного воздуха агрегат может работать в холодном режиме, если это необходимо, для поддержания температуры выше 37 градусов F (3 градусов C) на выходе после секции компактного смесителя. .

Знакомые интерфейсы кабины экипажа

Функции мониторинга и управления ASCS и CACTCS интегрированы в централизованное программное обеспечение, которое умещается в трех сменных цифровых контроллерах. Системе удалось сохранить интерфейс кабины пилота, подобный 747-400 (см. Рис.3).

Рисунок 3: Сходство интерфейсов 747-400 и 747-8

Элементы управления кабины экипажа для новой системы экологического контроля очень похожи на органы управления на 747-400, что упрощает переход на новый самолет для летных экипажей.

[+] Увеличить

Кондиционер и температура в кабине
Панель системы управления:
747‑400 Грузовое судно
747‑8 Грузовое судно
Панель управления системой подачи воздуха:
747‑400
747‑8
Кондиционер и температура кабины
Панель системы управления:
747‑400 Пассажир
747‑8 Пассажирский
Новый подход к запросам без отрыва от производства

Новый 747-8 ECS также представляет собой новый способ управления запросами во время обслуживания, предназначенный для предоставления операторам максимально быстрого ответа.Запросы в эксплуатацию будут тщательно согласовываться с компанией Liebherr-Aerospace, поставщиком ключевых компонентов системы. Сеть поддержки клиентов и обслуживания Liebherr-Aerospace, развернутая для 747-8, включает в себя запасные части, ремонт и услуги технической поддержки в Китае, Франции, Германии, России, Сингапуре, Объединенных Арабских Эмиратах и ​​США. Представитель Liebherr-Aerospace будет работать в тесном сотрудничестве с клиентами.

Liebherr также будет готов ответить на запросы в процессе эксплуатации.Клиенты могут отправить запросы на обслуживание в компанию Boeing или напрямую связаться с техническим персоналом Liebherr.

Резюме

В новой системе ECS на Боинге 747‑8 используются преимущества новой технологии, обеспечивающие большую пропускную способность, повышенную эффективность и улучшенную ремонтопригодность, сохраняя при этом интерфейс кабины экипажа, аналогичный интерфейсу на Боинге 747‑400. Запросы в эксплуатацию будут тщательно согласовываться с компанией Liebherr-Aerospace, поставщиком ключевых компонентов системы.

За дополнительной информацией обращайтесь к Андре Брассеру.

Как это работает: стравить воздух

На протяжении десятилетий в самолетах отбирался воздух из двигателя для различных целей, от запуска двигателя до создания избыточного давления в кабине и противообледенительной защиты. Вот как работает отвод воздуха из двигателя.

Горячий воздух высокого давления

Когда воздух попадает в газотурбинный двигатель, он проходит через ряд компрессоров, которые значительно повышают температуру и давление воздуха перед тем, как смешать этот воздух с топливом и воспламенить его.Однако небольшая часть этого сжатого воздуха не попадает в камеру сгорания, а вместо этого перенаправляется от двигателя через клапаны, воздуховоды и коллекторы в различные другие области самолета. Отводимый из двигателя воздух очень горячий, от 200 до 250 градусов C, и под очень высоким давлением, около 40 фунтов на квадратный дюйм.

Герметизация кабины и кондиционирование воздуха

Поскольку воздух на больших высотах слишком разреженный для удовлетворения потребностей человека в кислороде, отбираемый из двигателя воздух используется для обеспечения соответствующего герметизации кабины, а также для кондиционирования воздуха.После выхода из двигателя и прохождения через блок кондиционирования воздуха, где он охлаждается, отбираемый воздух объединяется с рециркуляционным воздухом кабины перед тем, как попасть в кабину.

Anti-Icing

Отводимый высокотемпературный воздух направляется к передним краям крыла и оперения, а также к ключевым компонентам двигателя, таким как впускная направляющая, где он служит защитой от скопления льда.

Повышение давления воды и гидравлической системы

Отводимый из двигателя воздух используется для создания давления, необходимого для резервуаров для воды и гидравлической системы.Такое повышение давления выталкивает питьевую воду из сборного бака в кабину и обеспечивает плавный поток гидравлической жидкости на вход насоса при отсутствии достаточного атмосферного давления на больших высотах.

Запуск двигателя

Отборный воздух под высоким давлением из вспомогательной силовой установки, двигателя, не создающего тяги, часто расположенного в задней части самолета, обеспечивает пневматическую энергию, необходимую для запуска вращения лопастей в основном двигателе.

ЗАДАНИЕ

ЗАДАНИЕ
Инженерное обучение

ЛИСТ НАЗНАЧЕНИЯ

ВЫПУСК / ПУСК ВОЗДУХА

Номер ведомости 64B7-205

ВВЕДЕНИЕ

В этом разделе обсуждаются назначение и работа системы стравливания / запуска воздуха.Как наблюдатель OOD или Combat Systems, вы должны иметь практические знания в области воздушных систем Prairie и Masker для ведения операций по борьбе с подводными лодками (ASW). Кроме того, EOOW и OOD должны понимать возможности и ограничения различных типов пускового воздуха, доступного для газотурбинных двигателей.

ТЕМА УРОКА ЦЕЛИ ОБУЧЕНИЯ

Терминал Цель:

7.0 ОПИСАТЬ принципы, функции, конструкцию, компоненты, системы управления и контроля, а также работу газотурбинной силовой установки и связанных вспомогательных систем поддержки.(JTI: A)

Обеспечивающие цели:

7.16 ОПИСАТЬ назначение и работу всех основных компонентов системы стравливания воздуха и систем, поставляемых системой стравливания воздуха, включая:

a. Теплообменники

г. Регуляторы давления

г. Регуляторы температуры

г. Запорные клапаны

7.17 ОПИСАТЬ расположение, а также работу системы стравливания воздуха и систем, поддерживаемых системой стравливания воздуха, включая:

a.Система Masker Air

г. Система Prairie Air / Fin Air

г. Система антиобледенения

г. Система пуска с перекрестным выпуском воздуха

7.18 СПИСОК и ОПИСАНИЕ расположения, а также работы всех основных компонентов системы пускового воздуха.

а. Теплообменники

г. Регуляторы давления

г. Регуляторы температуры

  1. СПИСОК станций управления и контроля пускового воздушного компрессора (SAC) с описанием возможностей и эксплуатационных ограничений.

НАЗНАЧЕНИЕ НА ИССЛЕДОВАНИЕ

1. Прочтите информационный лист 64B7-205

2. Кратко изложите информационный лист 64B7-205, используя вспомогательные цели для урока 64B7-205 в качестве руководства.

3. Завершите изучение сценариев.

СЦЕНАРИИ ИЗУЧЕНИЯ

1. Осматривая MER, вы останавливаетесь, чтобы поговорить с часами. Обсудите, как клиенты используют стравливающий воздух.

2. В качестве OOD вы даете EOOW разрешение на запуск поперечной продувки на 1B GTE.Какова минимальная скорость газогенератора (Ngg), необходимая для запуска поперечного слива?

3. При осмотре воздухозаборника вы заметили трубопровод защиты от обледенения перед воздухозаборником и воздухозаборником. Какова цель антиобледенения воздуха?

ИНФОРМАЦИОННЫЙ ЛИСТ

ВЫПУСК / ПУСК ВОЗДУХА

Информационный лист № 64B7-205

ВВЕДЕНИЕ

В этом разделе обсуждаются назначение и работа всех основных компонентов системы отбора воздуха.В этом уроке также рассматриваются системы, снабжаемые системой отвода воздуха. Эти системы включают в себя пусковой воздух прерии, маскера и перекрестного стравливания воздуха GTE. Мы обсудим различные типы пускового воздуха, доступные для газотурбинных двигателей, включая пусковой воздушный компрессор SSDG (SAC), воздух высокого давления (HP) и воздух с перекрестным отбором GTE.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

(a) SIB Vol. 2, часть 2, NAVSEA S9FFG-AM-SIB-022 / (U) FFG-21

(б) PPM Vol. 1, S9234-BL-GTP-010 / FFG-7, Руководство по силовой установке

(c) Применимые рекомендации по классу FFG7

ИНФОРМАЦИЯ

  1. Удаление воздуха из клиента
    1. Заказчик стравливает воздух (рис. 1), отводимый из компрессоров 16-й ступени, обеспечивает защиту от обледенения газовой турбины, воздух степи и маскирующий воздух, а также пусковой воздух для другого газотурбинного двигателя (ГТД).Выбираемый заказчиком воздух проходит через клапан стравливающего воздуха, расположенный внутри модуля. Локальная панель управления (LOP) или консоль управления движением (PCC) управляет клапаном стравливания воздуха. Удаляемый воздух выходит из модуля через пластину для проникновения в основание. Система защиты от обледенения направляет горячий отбираемый воздух прямо в воздухозаборники для предотвращения образования льда. Отводимый воздух, используемый для перекрестного стравливания, воздух для маскировки и воздух прерий проходит через редукционный клапан стравливаемого воздуха. Этот клапан снижает давление отбираемого воздуха с 250 до 75 фунтов на квадратный дюйм.Затем отбираемый воздух проходит через охладитель отбираемого воздуха. В этом охладителе используется морская вода из топки для снижения температуры отбираемого воздуха до значений ниже 400 o F. Терморезистивное устройство измерения температуры (RTD) на стороне нагнетания охладителя обеспечивает удаленный мониторинг. RTD генерирует аварийный сигнал на вспомогательной консоли управления (ACC), когда температура на выходе охладителя превышает 400 o F. Температурный переключатель, расположенный на стороне нагнетания охладителя отбираемого воздуха, автоматически закрывает редукционный клапан, когда температура на выходе охладителя достигает 425 ° С. o F.После того, как воздух проходит через охладитель отбираемого воздуха, он разделяется на две ветви: одна для пускового воздуха, а другая — для воздуха прерий / маскеров.
    2. Рисунок 1 Система удаления воздуха из газовой турбины

    3. Обледенение возникает при температуре 41 0 F при относительной влажности 70% и создает опасность повреждения ГТД посторонними предметами (FOD). Воздушная система защиты от обледенения направляет горячий отбираемый воздух прямо к воздухозаборникам газовой турбины, чтобы предотвратить образование льда. Как входные отверстия для воздуха для горения, так и охлаждающего воздуха перед и после подушек туманоуловителя получают воздух для защиты от обледенения с пониженным давлением до 38 фунтов на квадратный дюйм.Оператор PCC обычно управляет системой защиты от обледенения.
    4. Воздушная система Masker (Рис. 2) использует воздух из системы отбираемого воздуха корабля через охладитель отбираемого воздуха для выпуска через эмиттерные ремни, расположенные вокруг подводного обода корабля. Клапан-регулятор маскера снижает давление воздуха в маскере с 75 до 28 фунтов на квадратный дюйм. После выхода из редукционного клапана подача воздуха делится на две ветви, подающие воздух к переднему и заднему эмиттерным ремням. Маскирующий воздух образует завесу из воздушных пузырей вокруг корпуса корабля, уменьшая передачу шума от машин в окружающие воды.Оператор ACC обычно управляет воздушной системой маскера.
    5. Рисунок 2 Воздушная система Masker

    6. Эмиттерные ремни (Рис. 3) расположены на шпангоутах 177 и 253. Каждый ремень разделен на левую и правую половины. Каждый ремень имеет отдельное воздушное соединение. В каждой эмиттерной ленте используется электромагнитный клапан для управления потоком воздуха. ACC управляет этими электромагнитными клапанами. Маскирующий воздух выпускается через каждое соединение со скоростью 425 квадратных футов в минуту (SCFM) при давлении примерно 12 фунтов на квадратный дюйм.Перфорация в эмиттерах позволяет выпускать воздух Masker от киля к ватерлинии. Диафрагма в эмиттерном ремне со стороны портов уравновешивает воздушный поток.
    7. Рисунок 3

    8. Система Prairie Air System (Рис. 4) подает воздух вдоль передней кромки лопасти гребного винта, чтобы уменьшить гидродинамический шум, исходящий от гребного винта. Воздух прерий проходит со скоростью 400 кубических футов в минуту от ответвления системы отбора воздуха через воздухоохладитель прерий. В качестве охлаждающей среды кулер использует морскую воду из системы Firemain.Из охладителя воздух прерии проходит через расходомер в роторное уплотнение в распределительной коробке масла (коробка OD) и в воздушный шланг прерии к гребному винту. На ступице гребного винта после ее конца воздух попадает в просверленные каналы в корпусе ступицы. По проходам воздух направляется к основанию каждой лопасти гребного винта. Воздух достигает каждой лопасти через соединение втулки между основанием лопасти и корпусом ступицы. Затем воздух проходит через воздушный канал в передней кромке лопасти и выходит через 302 отверстия.Два обратных клапана предотвращают попадание воды, когда подача воздуха закрыта. В ребристых стабилизаторах используется воздух прерий, подаваемый непосредственно со стороны нагнетания воздухоохладителя прерий. Воздух проходит через сеть отверстий вдоль передней кромки каждого стабилизатора. Воздух подавляет шум потока и кавитацию. Оператор ACC обычно управляет воздушной системой прерий.

    Рисунок 4

  2. GTE Старт Воздух
    1. Система стравливания / запуска ГТД (рис. 5) подает сжатый воздух на пневматический стартер ГТД для запуска, движения и промывки водой.Система может использовать воздух от пускового воздушного компрессора (SAC) судового дизель-генератора (SSDG), воздушной системы высокого давления (HP) через восемь накопительных колб или отбираемый заказчиком воздух, подаваемый от ГТД, работающего выше 7500 нгг. SSDG NR 2 и NR 4 оснащены SAC. NR 3 SSDG поддерживает SAC, но обычно не оснащен SAC. При использовании SAC или системы стравливания воздух поступает к клапану регулировки температуры пускового воздуха. Этот клапан разделяет поток через охладитель пускового воздуха или вокруг него, поддерживая температуру пускового воздуха ниже 200 o F.Затем воздух поступает к клапану регулирования давления двигателя. Этот клапан имеет два положения и регулируется управляющим воздухом низкого давления (LP). Для запуска клапан полностью открывается. Давление в системе колеблется от 45 до 75 фунтов на квадратный дюйм в зависимости от источника воздуха. Полное начальное давление снижается до 35–41 фунт / кв. Дюйм. Для автомобилей (включая водную стирку) давление нагнетания клапана регулируется до 22 фунтов на квадратный дюйм. От клапана регулирования давления воздух проходит через вырезные клапаны для каждого кожуха газовой турбины, а затем через проходную пластину основания модуля к клапану регулирования пускового воздуха внутри кожуха.Команда «Starter On» на PCC или LOP открывает этот клапан, впуская воздух в пневматический стартер.
    2. Рисунок 5 Система стравливания / запуска воздуха ГТД

    3. В воздушной системе высокого давления (рис. 6) используются восемь баллонов для хранения воздуха высокого давления на 3000 фунтов на кв. Дюйм, которые служат источником стартового воздуха высокого давления. В MER находится пять колб. Две колбы находятся в вспомогательном машинном отделении (AMR) 2, а одна колба — в AMR 3. Наблюдатель инициирует запуск подачи воздуха высокого давления, открывая три соленоидных клапана, которые соединяют восемь резервуаров хранения с воздушной системой высокого давления.Эти электромагнитные клапаны подключены параллельно и управляются с центрального пульта управления (CCS) или MER. Два редуктора давления снижают давление воздуха с 3000 до 45 фунтов на квадратный дюйм. Воздух поступает непосредственно к входной стороне клапана регулировки давления пускового воздуха.
    4. Рисунок 6 Система пускового воздуха высокого давления

    5. Выходной вал SSDG приводит в движение SAC (Рисунок 7). Ступица редуктора увеличения входной скорости приводит в действие масляный насос. Он обеспечивает под давлением масло MIL-L 23699 для смазки и управления.Для включения компрессора сигнал 28 В открывает соленоидный клапан, позволяя смазочному маслу поступать в гидравлическую муфту, позволяя компрессору приводиться в действие коробкой передач. После нажатия кнопки включения у гидравлической муфты есть 15 секунд, чтобы заполниться и довести компрессор до необходимого давления нагнетания. В противном случае электромагнитный клапан закрывается, разъединяя муфту и активируя аварийный сигнал «Ошибка включения» на ACC. При зацеплении через гидравлическую муфту проходит непрерывный поток масла, отводящего тепло.Обесточивание электромагнитного клапана отключает компрессор, обеспечивая приток масла к муфте. Масло, оставшееся в муфте, стекает обратно в масляный картер. Для заполнения или опорожнения гидравлической муфты требуется примерно 15 секунд. Панель местного управления SSDG (LCP) обеспечивает локальное управление SAC. ACC обеспечивает дистанционное управление работой SAC. Для включения SAC электрическая нагрузка SSDG должна быть менее 666 кВт. Если нагрузка превышает 666 кВт во время работы SAC, электромагнитный клапан автоматически закрывается, отключая SAC.Независимо от рабочего места минимальное время цикла для SAC составляет три минуты включенного и трех минут выключенного, чтобы обеспечить надлежащий нагрев и охлаждение смазочного масла.

    Рисунок 7

  3. Связанные параметры
    1. HP Start Air
      1. Начальная емкость баллонов с воздухом 6 кубических футов каждая
      2. Первичное отделение 10 колб
      3. Резервная ветка 8 флаконов
      4. Пусковой воздушный коллектор 2
      5. Давление на входе коллектора 3000 фунтов на кв. Дюйм (изб.)
      6. Давление на выходе коллектора 45 фунтов на кв. Дюйм (изб.)
      7. Предохранительный клапан коллектора открывается 78-82 фунт / кв. Дюйм изб.

    2. SAC Start Air
      1. Пусковые воздушные компрессоры 2 центробежных типа
      2. NR 2 SAC Расположение NR 2 SSDG
      3. NR 4 SAC Расположение NR 4 SSDG
      4. Производительность 2160 куб. Футов в минуту
      5. Давление нагнетания 45 фунтов / кв. Дюйм изб.
      6. Ветряная мельница Скорость 0-6100 об / мин
      7. Рабочая скорость 51000 об / мин
      8. Сигнализация низкого давления смазочного масла 65 фунтов на кв. Дюйм (изб.)
      9. Мешок не втягивает воздух <45 фунтов на кв. Дюйм за 15 секунд
      10. Мешок для участия <666 кВт
      11. Время задержки включения / выключения 3 минуты
      12. L / O Высокотемпературный 177 o F

    3. Общие параметры пускового воздуха
      1. Начальная температура на входе в охладитель воздуха 400 o F
      2. Максимальная температура на выходе из воздухоохладителя при запуске 200 o F
      3. Давление воздуха в двигателе 22 фунта / кв. Дюйм изб.
      4. Пусковое давление воздуха 45 фунтов на кв. Дюйм (изб.)
      5. Аварийный сигнал низкого давления в системе, 35 фунтов на кв. Дюйм, ман.
    4. Выпуск воздуха
      1. Температура воздуха на выходе из компрессора 925 o F
      2. Максимальное давление воздуха на выходе из компрессора 250 фунтов на кв. Дюйм (изб.)
      3. Клапан регулировки давления стравливающего воздуха 250/75 фунт / кв. Дюйм изб.
      4. Предохранительный клапан системы стравливания воздуха открывается при 85 фунт / кв. Дюйм изб.
      5. Температура на входе в охладитель стравливаемого воздуха 925 o F
      6. Максимальная температура на выходе из воздухоохладителя отводимого воздуха <400 o F
      7. Сигнализация высокой температуры на выходе охладителя 400 o F
      8. Регулирующий клапан стравливающего воздуха закрывается 425 o F

Система охлаждения и герметизации воздуха газовой турбины

Система охлаждения и герметизации воздуха обеспечивает необходимый поток воздуха от компрессора газовой турбины к другим частям ротора и статора газовой турбины для предотвращения чрезмерного повышения температуры в этих частях во время нормальной работы и для герметизации подшипников турбины.Для охлаждения выхлопной рамы турбины используется воздух от двух центробежных нагнетателей. Эти два вентилятора двигателя являются частью системы охлаждения, расположенной на основании, рядом с нижней частью канала выхлопной системы газовой турбины.

Двигатели 88 ТК-1 и 88 ТК-2 оснащены нагревателями 23 ТК-1 и 23 ТК-2 для предотвращения образования конденсата, когда двигатели не работают.

Функции охлаждения и уплотнения, обеспечиваемые системой, следующие:

  • Уплотнение подшипников турбин.
  • Охлаждение внутренних деталей турбины, подверженных воздействию высоких температур.
  • Охлаждение внешнего кожуха турбины и выхлопной рамы.
  • Обеспечение подачи рабочего воздуха для пневматических клапанов.


Система охлаждения и уплотнения воздуха состоит из специально разработанных воздушных каналов в корпусе турбины, сопел турбины и вращающихся колес, трубопроводов для вытяжного воздуха компрессора и связанных компонентов. Связанные компоненты, используемые в системе, включают:

  • Воздуходувки охлаждения выхлопной рамы турбины (упомянутые выше).
  • Воздушный фильтр (с элементом из пористого камня).

Функциональное описание
Общее
Воздух из осевого компрессора, забираемый из нескольких точек, используется для уплотнения подшипников, охлаждения внутренних частей турбины и для подачи чистого воздуха в регулирующие клапаны с пневматическим приводом. Вытяжной воздух компрессора также используется для защиты компрессора от пульсации во время пуска и останова турбины.

Воздух для уплотнения подшипников забирается из пятой ступени компрессора.Внутренний охлаждающий воздух отбирается из выпускного отверстия компрессора, включая внутренний поток охлаждающего воздуха через вращающуюся и неподвижную части турбины. Воздух, используемый для охлаждения внешнего кожуха турбины, представляет собой окружающий воздух, подаваемый вентиляторами с приводом от двигателя. Принципиальная схема потока, рис. CS-1, показывает как внутренний, так и внешний поток охлаждающего и уплотняющего воздуха.

Охлаждение и уплотнение подшипников
Охлаждающий и герметизирующий воздух поступает из двух соединений на корпусе компрессора на пятой ступени и направляется снаружи к каждому из трех подшипников турбины.Отверстия в воздушных линиях к подшипникам турбины ограничивают поток воздуха и давление до надлежащих значений. Центробежный сепаратор грязи, расположенный в трубопроводе пятой ступени, удаляет любые частицы грязи или посторонние предметы, которые могут повредить подшипники.

Этот сжатый воздух охлаждает и герметизирует подшипники, поскольку внутри корпуса подшипника содержится смазочная жидкость, которая в противном случае могла бы просочиться через механические уплотнения. Воздух направляется к обоим концам каждого корпуса подшипника, создавая барьер для смазочной жидкости.После выполнения этой функции воздух удаляется через маслосливной канал из подшипников №1 и №3, а воздух из подшипника №2 выводится в атмосферу. Концевой выключатель 33 BQ установлен на клапане и используется для контроля положения клапана. Если клапан VA 14 заедает и не передает воздух для уплотнения подшипника из воздуха одиннадцатой ступени, на панели управления выдается аварийный сигнал.

Охлаждение выхлопной рамы и корпуса турбины
Охлаждение выхлопной рамы и корпуса турбины осуществляется двумя центробежными нагнетателями с приводом от электродвигателя, 88 ТК-1 и 88 ТК-2, которые установлены снаружи турбины.Впускной экран снабжен каждым нагнетателем, и выпуск каждого проходит через обратный клапан (обратный клапан), VCK7-1 или VCK7-2 перед входом в отверстия в полости внешней боковой стенки выпускной рамы. Поток охлаждающего воздуха разделяется, при этом часть воздуха проходит вдоль корпуса турбины и охлаждает его, а другая часть проходит через проходы стойки выхлопной рамы. Воздушный поток через стойки разделяется, при этом часть направляется через проходы для охлаждения задней части колеса турбины третьей ступени, а оставшаяся часть течет в туннель грузового вала, где он выходит через канал в атмосферу.См. Рисунок CS-1.

Воздух для охлаждения выхлопной рамы и корпуса турбины обычно обеспечивается двумя вентиляторами, работающими одновременно в параллельном режиме. На каждом нагнетателе есть реле давления 63 TK-1 или 63 TK-2 для измерения давления нагнетания нагнетателя. Если один из нагнетателей выйдет из строя, потеря давления нагнетания нагнетателя вызовет замыкание контактов соответствующего реле давления 63 TK-1, и будет подан аварийный сигнал. Турбина продолжит работу с автоматическим переключением на запуск воздуходувки.Если три вентилятора выйдут из строя, турбина продолжит работу с другим вентилятором, обеспечивая неработающий охлаждающий воздух с пониженным расходом. Если все нагнетатели выйдут из строя, турбина будет остановлена ​​в нормальной последовательности останова.

ПРИМЕЧАНИЕ: Если один вентилятор выходит из строя, его следует отремонтировать или заменить как можно скорее, чтобы исключить возможность остановки турбины из-за выхода из строя оставшегося вентилятора.


Защита от пульсации
Характеристики давления, скорости и расхода компрессора газовой турбины таковы, что воздух должен быть извлечен из 11-й ступени и выпущен в атмосферу, чтобы предотвратить пульсацию компрессора во время периода ускорения последовательности запуска турбины и во время замедления турбины при неисправность.

Пневматические клапаны отбора воздуха 11-й ступени, управляемые трехходовым электромагнитным клапаном, используются для выполнения функции защиты от пульсации.

Подача сжатого воздуха
Воздух на выходе из компрессора также используется в качестве источника воздуха для управления различными пневматическими клапанами в других системах. Воздух для этой цели отбирается на выходе из компрессора и затем подается по трубопроводу к различным пневматическим клапанам. Кроме того, давление на выходе компрессора контролируется дублирующими датчиками давления 96 CD-1A, -1B, -1C для использования в управлении газовой турбиной.

ПРИМЕЧАНИЕ: Для охлаждения лопаток турбин и перегородок сопел см. 2.5. в самой части. Описание компонентов см. В главе «Литература субподрядчика по газовым турбинам».

Приспособления для промывки водой
При промывке водой компрессора газовой турбины или секции турбины важно не допускать попадания воды на компоненты, которые приводятся в действие нагнетаемым воздухом компрессора, и на подшипники турбины. Чтобы вода не попадала в эти компоненты и подшипники, на каждой линии нагнетания компрессора и в линиях уплотнения к подшипникам № 1, № 2, № 3 и в питающих линиях 20 CB-1 и 96 CD предусмотрены стопорные клапаны. линий.

Во время нормальной работы газовой турбины все запорные клапаны должны быть открыты. Перед началом промывки водой запорные клапаны должны быть закрыты. По завершении промывки водой стопорные клапаны необходимо снова открыть, чтобы турбина могла нормально работать.


.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *