Как работает турбина: Для чего нужна турбина в автомобиле и как она работает

Как работает турбина двигателя, принцип работы турбины двигателя

 

Турбонаддув как средство повышения мощности любого двигателя, будь то бензиновый или дизельный агрегат, по праву считается самым высокоэффективным. Также данная система позволяет снижать токсичность отработанных газов за счет более полного сгорания топлива и снижения его потребления. Востребованность наддува в современном автомобилестроении объясняется еще и тем, что он осуществляется за счет энергии отработавших газов. То есть КПД данного узла не вызывает сомнений. Особенно, если речь идет о дизельных моторах, характеризуемых высоким показателем компрессии при достаточно небольшой частоте коленвала.

Дополнительным сдерживающим фактором для включения этого устройства в схему бензиновых силовых агрегатов является следующий факт: как работает турбина двигателя, не имеет особого значения, но этот процесс сопровождается высоким риском детонации и обязательным повышением температуры отработавших газов. 

 

Устройство и принцип работы турбины

Принципиальная схема системы турбонаддува в ходе ее разработки претерпевала много изменений. На данный момент ее можно считать максимально модернизированной и упрощенной, что обеспечивает стабильность работы при низкой вероятности появления неисправностей. 

 Турбонагнетатель, являющийся главным компонентом системы повышения мощности, представляет собой крыльчатку с лопастями, которая вращается со скоростью, сравнимой только с данным показателем у стоматологического бура – не менее 100 000 об./мин. Это позволяет выполнять функцию компрессора, закачивающего в специальную камеру большие объемы воздуха. В ходе этой процедуры воздух сжимается, и поэтому автоматически нагревается – это и есть главный недостаток того, как работает турбина.

 Интеркулер. В стремлении решить данный вопрос автоконструкторы продумывали массу способов для охлаждения воздуха в процессе его перехода в силовой агрегат. В результате был придуман так называемый интеркулер, название которого говорит за себя – он должен выполнять функцию промежуточного понижения температуры вещества, проходящего через него. Для того, чтобы обеспечивать данный процесс, в устройстве находится хладагент, что позволяет задействовать эффект теплообменника. Впрочем, в отдельных моделях охлаждающая жидкость отсутствует, и дело ограничивается лишь воздухообменом. Несмотря на достаточно сложную конструкцию, интеркулер способен не только на порядок снижать вероятность детонации двигателя, но и повышать мощностной показатель агрегата до 20%. 

Принцип работы турбины в «дизелях» и бензиновых моторах абсолютно идентичен, разница заключается лишь в степени наддува. Для увеличения мощности дизельных агрегатов требуется больше давления, по этой причине они оборудуются более габаритными нагнетателями. Соответственно, у атмосферников они имеют меньшие размеры – если нарушить это правило, в камерах сгорания может начаться детонация топлива. 

 Регулятор давления. Он также является одним из главных компонентов системы и, по большому счету, работает как перепускной клапан, регулирующий энергию отработавших газов. Ведь работа турбины без такого ограничителя приводит к тому, что в какой-то момент давление воздуха становится избыточным, что и приводит к детонации. Поэтому регулирующий механизм обеспечит оптимальное давление воздуха, отводя часть отработанных газов от крыльчатки турбокомпрессора. Данный клапан может иметь как пневмо- так и электрический привод, но в любом случае его активация происходит от электронного датчика давления.

Кроме того, в некоторых моделях нагнетателей присутствует и предохранительный клапан, который защищает узел от скачков давления. А такие колебания в сторону увеличения очень часто происходят во время резкого закрытия дроссельной заслонки, когда потребность в воздухе для полноценного сгорания топлива мгновенно уменьшается. Чтобы стравить избыток давления, предохранительный клапан выпускает воздух в атмосферу за счет спецклапана либо перепускает его на вход компрессора. 

 

Условия нормальной работы турбонаддува

Как и любой узел двигателя, турбокомпрессор требует соблюдения определенных правил эксплуатации. В противном случае увеличение мощности становится незначительным, а потребление горючего резко возрастает. Приведем несколько основных нюансов, которые обязательно стоит учитывать владельцам турбированных автомобилей. 

 1. Когда коленвал мотора вращается, а масляная помпа нагнетает масло, принцип работы турбины двигателя полностью соблюдается. Однако в момент остановки агрегата обездвиживается и жидкостный насос, что приводит к моментальному падению давления масла в системе до нулевой отметки. В то же время вал с крыльчаткой нагнетателя, имеющий весьма приличный вес, по инерции продолжает вращаться на высоких оборотах. При этом так называемый масляный «клин» уже отсутствует, смазывающий материал приобретает полужидкую или пограничную консистенцию. Это вызывает в подшипниках перегрев, в результате которого они часто заедают. Кроме того, если моторное масло давно не менялось, оно тоже вызывает интенсивный износ элементов системы. И особенно тех же самых подшипников качения, испытывающих большие нагрузки. 

 2. Выводы из описанной ситуации закономерны: чтобы в то время, как работает турбина и после остановки двигателя не возникало проблем, нужно вовремя менять моторное масло. А заодно и фильтр. Помимо этого, заливать в агрегат следует только ту смазку, которая специально предназначена для турбодвигателей. Выбрать ее из широкого спектра предлагаемых сегодня хороших масел – дело пары минут. 

 3. В дороге может случиться что угодно, в том числе и «погнать» масло. В таких случаях вполне допустимо долить любую смазку, лишь бы доехать до места ремонта. Однако при этом гнать ни в коем случае нельзя: если «сердце» автомобиля и перетерпит неизвестную марку масла, то система турбонагнетания вряд ли. Разумеется, по приезду домой следует сразу же слить весь смазывающий материал и залить рекомендованный производителем. Причем весьма желательно произвести замену и масляного фильтра, так как его активные элементы тоже способны пострадать от непривычной смеси. 

 4. Данное условие нормальной работы турбонагнетателя можно с уверенностью назвать самым главным. Как известно, для двигателя есть два очень ответственных момента – запуск и остановка. А в момент старта в агрегате масло имеет высокую степень вязкости, из-за чего с трудом прокачивается по тепловым зазорам. И даже если мотор частично прогрелся, тепловое расширение у компонентов турбокомпрессии будет разным. По этой причине перед началом поездки следует хорошенько прогреть двигатель – тем самым водитель обеспечивает и эффективную работу турбины. 

Во-вторых, во время остановки не рекомендуется сразу же глушить мотор. Он должен на холостом ходу поработать хотя бы пару минут, причем зимой этот временной интервал должен составлять минимум 5 мин. Это нужно для того, чтобы крыльчатка, насаженная на вал с подшипниками, снизила свое вращение до минимального показателя. Кроме того, требуется время, чтобы сильно нагретые во время интенсивной работы вал и крыльчатка постепенно остыли. Этому процессу будет способствовать и масло, по-прежнему нагнетаемое с большой интенсивностью: оно охладит вал и подшипники, при этом само не успеет нагреться. 

Если не соблюдать данное правило, то при внезапной остановке двигателя поступление масла в систему прекратится, а очень нагретая крыльчатка нагнетателя отдаст почти все свое тепло валу. В итоге масло, обволакивающее компоненты компрессора, разогреется до температуры, близкой к температуре возгорания. При этом начинает интенсивно образовываться нагар в месте «посадки» уплотнительного кольца. Несколько меньше этот процесс касается корпуса турбины и подшипников качения. И спасти систему от поломки сможет только масло, предназначенное для турбированных двигателей – оно рассчитано на большую рабочую температуру, чем стандартная синтетика и полусинтетика. Однако даже такая смазка имеет предел своих возможностей. 

 

Диагностика нагнетателя воздуха

Как определить без специальных приборов, что турбокомпрессор сломался? Во-первых, об этом свидетельствует падение мощности мотора. При этом из глушителя валит плотный белый дым, а расход смазывающего материала нередко вырастает до нескольких литров на 100 км. Это означает, что нагнетатель нужно немедленно сдавать в ремонт либо покупать новый – иногда замена изношенных подшипников и уплотнительного кольца не дает положительного результата. 

Во-вторых, часто возникают ситуации, когда белая дымовая «завеса» как таковая отсутствует. Вот только двигатель никак не может выйти на положенную ему мощность, и никакого сигнализатора на панели приборов не загорается. Выход у владельцев турбированных автомобилей только один – срочный заезд в автосервис. Владельцам турбодизелей проще: о проблеме с нагнетателем воздуха красноречиво свидетельствует черный дым на холостых оборотах. Причем далеко не факт, что турбосистема безнадежно отказала – она может быть просто изношенной и вполне ремонтопригодной. 

Турбина двигателя с изменяемой геометрией (VNT)

Турбина с изменяемой геометрией

Содержание:

 

Турбокомпрессор используется для увеличения мощности двигателя, которая напрямую зависит от объема воздуха и топлива, подаваемого в цилиндр. Ведущими частями любого турбокомпрессора являются турбина и насос, которые соединены между собой жесткой осью. Турбина двигателя с изменяемой геометрией необходима для образования оптимальной мощности двигателя, имеет свойство изменять сечение турбинных колес в зависимости от общей нагрузки. Если двигатель работает на низких оборотах, то турбина может увеличить скорость отвода выхлопных газов. Это позволяет турбине вращаться быстрее, при этом количество топлива остается небольшим.

   

Как устроена турбина и как она работает

Турбина с измененной геометрией отличается от классических турбокомпрессоров тем, что имеет в своей конструкции кольцо и специальные лопасти с аэродинамической формой, которая способствует увеличению эффективности наддува. В автомобилях с двигателями небольшой мощности сечение регулируется посредством изменения ориентации этих лопастей. В двигателях большой мощности лопасти не вращаются, а покрываются специальным кожухом или перемещаются вдоль оси камеры.

Особенностью VNT турбины являются поворотные лопасти, механизм управления и вакуумный привод. Принцип работы основывается на регулировке потока отработавших газов, которые направляются на колесо турбины. Точная регулировка позволяет настроить проходное сечение для потока газов под режим работы двигателя. Если автомобиль двигается на небольшой скорости, то и турбина крутится медленнее, но при этом лепестки устанавливаются в такое положение, чтобы расстояние между ними было минимальным. Газу в малом объеме сложно преодолеть небольшое отверстие, поэтому он будет передвигаться с большей скоростью, за счет чего обороты турбины увеличиваются, увеличивая при этом давление наддува.

При помощи данных лопастей можно существенно увеличить скорость вращения турбины, не меняя объемы поступающих газов. На большой скорости компрессор раздвигает лопасти – это обеспечивает поддержание безопасного давления внутри системы и исключает перегревы. Принцип изменяемой геометрии позволяет не использовать перепускной клапан, так как весь объём выхлопных газов выходит через горячую часть крыльчатки. Изменение положения поворотных предотвращает избыточный наддув.

Преимущества турбины с изменяемой геометрией

• Автомобили с такими турбинами развивают большую скорость с самых низких оборотов.
• Существенно снижается объем необходимого топлива, а также количество вредных выбросов в атмосферу.
• Улучшается прохождение газов через турбину из-за отсутствия клапана Wastegate и уменьшения количества разнонаправленных потоков газа.
• Улучшается эластичность двигателя.

Возможные неисправности

Турбокомпрессор с изменяемой геометрией представляет собой сложный механизм, поэтому он больше подвержен различным поломкам. Однако, такие турбины сталкиваются лишь с несколькими проблемами:

• Подклинивание лопастей в движении. Такая ситуация может сложиться из-за сильного износа трущихся пар и образовании нагара. Масляные, а также углеродистые отложения мешают плавному движению регулировочного кольца.
• Заклинивание лопаток в одном положении. Это может происходить по причине критического нагарообразования, когда силы вакуума не хватает для движения регулировочного кольца.
• Поломки вакуумного привода поворотных лопастей или клапана управления давлением.

Симптомами поломок считаются подергивание при разгонах, потеря мощности двигателя, увеличение расхода топлива, а также срабатывание индикатора на приборной панели Check Engine.

Как настроить и отрегулировать турбину

Правильная регулировка турбины с изменяемой геометрией крайне важна для эффективной работы, и для того, чтобы предотвратить быстрый износ деталей и снизить потребление топлива. Если отрегулировать турбину неправильно, то в дальнейшем это повлияет на работу всего автомобиля и удобство его управления.

Любой современный автовладелец немного разбирается в устройстве своего автомобиля и даже может устранить определенные небольшие поломки. Однако, чтобы сделать серьезный ремонт автомобиля, необходим специальный инструмент и оборудование, которого у обычного потребителя может и не быть.

Поэтому, если вы хотите, чтобы работа турбины была эффективной и качественной – обращайтесь за помощью к специалистам, которые правильно настроят механизм и расскажут, как лучше всего за ним ухаживать. Также, не стоит забывать о своевременных диагностиках и профилактике.

Как почистить турбину своими руками

Устройство турбины постоянно сталкивается с непрерывной нагрузкой, подвергается воздействиям продуктов горения масла и топлива, поэтому нуждается в регулярной чистке для профилактики различных поломок, которые могут быть с этим связаны. Зачастую, достаточно обработать турбину специальным средством и прогнать его через механизм для качественной очистки. Однако, иногда придется приложить побольше усилий для того, чтобы удалить все загрязнения с устройства. Также стоит помнить о том, что турбина не требует частой чистки, поэтому если она сильно загрязняется за короткое время, значит есть неполадки в ее работе или настройке.

Причинами сильных загрязнений могут выступать:

• Увеличение нормы давления газов.
• Износ лопастей турбины.
• Превышение необходимого срока эксплуатации поршневого отсека.
• Засора сапуна.
• Износ прокладок.

Именно поэтому каждый автовладелец должен понимать, что сделать качественную чистку самостоятельно возможно, но далеко не всегда результат таких действий положительно влияет на работу механизма, а в некоторых случаях может и вовсе ухудшать ситуацию.

Отсутствие надлежащего опыта, проверенных чистящих средств, специальных инструментов – все это может негативно сказаться на результате вашей чистки, поэтому лучше всего обращаться в специализированные центры, где такой работой занимаются профессионалы.

Как сделать ремонт турбины?

Ремонт турбин гораздо проще предупредить посредством регулярного обслуживания и диагностики, чем потом пытаться исправить ситуацию самостоятельно. Процесс осложняется еще и тем, что многие автовладельцы боятся высоких цен на профессиональные услуги, забывая о том, что самостоятельное проведение ремонта отнимает также немало денег и времени. К тому же, не все получается с первого раза, и затраты на самостоятельный ремонт могут быть достаточно внушительными.

Поэтому мы настоятельно рекомендуем автовладельцам без опыта, знаний, навыков, а, самое главное, необходимого оборудования, не пытаться ремонтировать сложное устройство турбины самостоятельно, поскольку это может привести к еще более серьезным поломкам, устранить которые не сможет даже опытный специалист. При первых признаках поломки обращайтесь в наш сервисный центр, где наши мастера помогут вам восстановить картридж турбокомпрессора, а также устранить другие неисправности быстро и качественно.

Что такое турбина — принцип работы в авто

Первый турбонагнетатель был установлен на мотор биплана Lepere. Запатентовать идею использования энергии выхлопных газов для раскручивания крыльчатки и подачи увеличенного количества сжатого воздуха в цилиндры получилось у швейцарца Бюши в 1905 году. С тех пор автомобильные инженеры-конструкторы постоянно пытаются повысить мощность ДВС за счет турбин.

Сейчас же турбокомпрессорами оснащены уже практически все моторы. Даже агрегаты с небольшими объемами получаются мощными и экономными. Однако из-за некачественного масла, а также несвоевременного обслуживания система наддува может быстро выходить из строя, провоцируя поломки смежных узлов. Разберемся, как работает турбина, из каких комплектующих она состоит и как самостоятельно проверить ее на предмет поломок.

Что такое турбина

Современный турбокомпрессор – это такое устройство, которое способно сделать мотор более мощным. При этом увеличения габаритов самого силового агрегата не требуются. Турбина позволяет повысить мощностные характеристики двигателя в среднем на 40 %.

Мощность увеличивается за счет сгорания большего количества бензина или дизтоплива. Но подача горючего должна быть грамотной. Без дополнительной порции воздуха процесс горения не состоится. Недогоревшие излишки топлива будут накапливаться, провоцируя образование повышенной дымности, перегрев двигателя и прочие неполадки. Структура оптимальной топливно-воздушной смеси состоит из 1 части горючего и 14,7 частей воздуха, зависит от типа мотора, а также режима работы.

До эпохи турбин, американцы пытались повысить мощность за счет увеличения объема цилиндров, чтобы в двигатель могло затягиваться из атмосферы большее количество воздуха. Их силовые агрегаты имели огромные размеры и недопустимый расход топлива.

Двигатель Chrysler Hemi V8, объем 5,4 л. / 1952 г.

В 1885 году Готтлиб Вильгельм Даймлер придумал первый нагнетатель, принудительно загоняющий воздух в цилиндры. Это был компрессор (в виде вентилятора), привод которого осуществлялся от вала двигателя. Бюши в 1905 году качественно переработал конструкцию, что позволило уменьшить размеры и вес дизельных двигателей. В качестве движителя энергии стал использоваться выхлоп. В общем, так был придуман турбонаддув и турбина.

Альфред Бюши запатентовал первый турбокомпрессор в 1905 г.

Из чего состоит автомобильная турбина

Сейчас выпускается несколько типов турбин для авто. Они различаются комплектующими, типом управления и прочими характеристиками. Рассмотрим составные части классической модели исполнения турбины.

Структура турбины:

• Общий корпус – деталь должна быть изготовлена из жаропрочной стали. По своей форме она напоминает улитку с 2-мя патрубками, направленными в разные стороны. Крепление в системе принудительного наддува осуществляется посредством фланцев.
• Турбинное колесо – производится из железоникелевых сплавов и других жаропрочных материалов. Сами крыльчатки турбины зафиксированы на валу. Раскручиваясь они преобразовывают энергию выхлопных газов во вращение оси. Количество лопастей бывает от 9-12 шт.
• Компрессорное колесо – чаще всего эту комплектующую изготавливают из алюминия. Материал выбран не случайно, он помогает снижать потери энергии полученные от колеса турбины. Во время своего вращения компрессорное колесо нагнетает сжатый воздух в цилиндры дизеля или бензинового двигателя.
• Вал турбины – металлическая ось, с одной стороны которой расположено турбинное колесо, с другой – компрессорное.
• Шарикоподшипники (подшипники скольжения) – в зависимости от модели турбины в конструкции может быть 1-2 таких подшипников. Они используются для фиксации вала внутри корпуса турбокомпрессора. Смазка деталей обеспечивается общей системой смазки силового агрегата.
• Перепускной клапан – с помощью узла производят управление мощностью турбонаддува. Клапан имеет пневматический привод и регулируется посредством системы ЭБУ мотора.

Это стандартная структура турбины. Бывают также модели с изменяемой геометрией. Отличаются они механизмом управления и приводом. Лопатки в таких системах поворотные – позволяют регулировать проходное сечение для потока выхлопа под особенности работы двигателя.

Клапан управления или актуатор турбины бывает вакуумным или электронным. Кроме того, некоторые турбокомпрессоры оснащены интеркулером, который охлаждает сжатый воздух перед подачей в цилиндры.

Несмотря на конструктивные отличия, все турбины выполняют одну и ту же задачу – повышают мощность мотора.

Где расположена турбина в авто

В машине турбина стоит в непосредственной близости к мотору. Но место расположения турбины зависит от двигателя и типа турбокомпрессора: одинарные, двойные и т. д.

Одинарная классическая турбина обычно устанавливается на силовые устройства с рядным размещением цилиндров. Где происходит использование энергии отработанных газов абсолютно от всех цилиндров мотора. Воздух подается во все цилиндры сразу.

На двигатели с цилиндрами, размещенными V-образным образом, обычно ставят двойные турбины. Когда два турбокомпрессора, увеличить мощность силового агрегата легче. В таких моделях турбин может быть установлен перекрестный выпускной коллектор. В нем аккумулируются выхлопные газы из всех цилиндров, что дает возможность повысить мощность энергии выхлопа. В результате газы быстрее раскручивают крыльчатку турбины и увеличивают давление в ней.

Двигатель с турбиной VW (с разных сторон)

В общем, в автомобиле турбокомпрессор размещают между впускным и выпускным коллекторами. У переднеприводных машин турбина будет расположена слева от двигателя, заднеприводных – справа.

Турбокомпрессор с изменяемой геометрией работает по особой технологии. Она дает возможность создать мощные воздухопотоки уже на низах и перенаправить геометрию сопла турбины. Место расположения турбины, как и у классических вариантов, зависит от привода авто.

Какие бывают виды турбин

Существует несколько типов турбокомпрессоров. Условно их можно разделить на три группы: электрические, механические или компрессор, а также турбины, работающие от выхлопных газов. Они отличаются материалами изготовления, мощностью и другими параметрами.

Кроме того, выпускается большое количество подтипов турбин, например, с изменяемой геометрией, последовательная Twin Turbo и прочие. Работает каждая модель турбины по своему особому алгоритму. Пройдемся по конструкции основных групп.

Механические компрессоры

Механический компрессор

Нагнетатель компрессорного типа подключают непосредственно к двигателю через ременную передачу – соединяют вал компрессора и вращающий коленчатый вал. Работает агрегат, только когда запущен мотор автомобиля. Диапазон оборотов в минуту от 18-20000.

Во время функционирования механического вида нет запредельных температур и не появляется эффект турбоямы. Такое оборудование требует минимум ухода и имеет довольно надежную конструкцию. Однако мощность компрессор способен повысить всего на 5-10 %. Да и найти такой агрегат в продаже сейчас довольно сложно. Турбины практически вытеснили конструкцию из обихода.

Стандартные турбины

Турбокомпрессор

Приводом для турбины являются отработанные газы. Они раскручивают крыльчатки с валом до 200000 об/мин. В общем, улитка нужна, чтоб нагнетать большое количество воздуха в цилиндры для обогащения топливно-воздушной смеси. На сегодняшний день это самый производительный вариант системы наддува, он способен повысить мощность силового агрегата до 30-50%.

Турбокомпрессор работает с сильно нагретыми выхлопными газами, температура может доходить вплоть до 950 °C. Эта особенность отражается на ресурсе устройства. Бывает, что уже через 20-50 тыс. км. пробега свистит турбина или появляются другие признаки поломок. Но при своевременном обслуживании таких неприятностей можно избежать и ТКР будет служить столько же, как и двигатель.

К слабым сторонам классических турбин можно отнести требовательность к качеству топлива, возможность возникновения эффекта «турбоямы» и масложор, появляющийся в результате неправильной эксплуатации. Производительность у агрегатов большая, но они требуют бережного отношения к себе.

Автоконцерны пытаются продлить ресурс систем турбонаддува, постоянно модернизируя турбины. Возможно, уже скоро появятся модели, которые будут служить значительно дольше.

Электрический тип турбин

Электрическая турбина

Электротурбины сочетают в себе свойства классических улиток и механических компрессоров. Разработкой гибридных устройств сейчас занимается большое количество компаний. Например, Garett делает свои турбины с небольшим электродвигателем. Он принудительно подкручивает колесо, если есть вероятность возникновения турбоямы. Обычно такое случается на низких оборотах.

Сама технология электрических турбин разрабатывается уже давно. В Garrett продвигают турбину, которая совмещена с электродвигателем. Именно такими системами надува хотят оснастить свои автомобили Mercedes-Benz. Электрический двигатель тут может функционировать в качестве генератора, и как мотор. VAG же, наоборот, разрабатывает агрегаты с раздельным электрокомпрессором и турбиной. Под зарядку АКБ схема не подходит.

К достоинствам электрических турбин относят мгновенное раскручивание, отличную производительность и долгий ресурс. Однако есть и недостаток – нужно много энергии.

Когда включается турбина на дизельном и бензиновом двигателе

С экономической точки зрения турбины очень выгодно устанавливать на автомобили. Это проще, чем повысить объем цилиндров или увеличить их количество. Поэтому уже половина выпускаемых моделей авто оснащены турбокомпрессорами: 20% бензиновые агрегаты, 80% — дизельные двигатели.

В работу турбина включается после запуска турбомотора. Даже на холостом ходу отработанные газы потихоньку раскручивают лопасти турбины. Когда обороты повышаются, производительность системы наддува увеличивается.

Показатель номинального давления турбины зависит от типа машины: спортивные варианты в пределах 3,4 бар, обычные легковые – от 1,4-2,5 бар. Если при проверке манометром, включенным в цепь управления ТНВД, полученные значения выше или ниже допустимых, значит, имеют место поломки системы турбонаддува. Проблемы могут крыться в ограничивающем клапане или засоренном воздушном фильтре, а возможно пора уже почистить геометрию турбины. При наличии отклонений нужна качественная диагностика турбокомпрессора.

Максимальная эффективность наддува дизелями доступна при 1800-4000 оборотах коленчатого вала. В это время турбинное колесо раскручивается до 150000 об/мин. Самая верхняя точка производительности достигается на 3000-4000 об/мин. Все что выше может спровоцировать перегрузку, поэтому в конструкции системы наддува имеется перепускной клапан, сбрасывающий лишнее давление.

Что дает турбина автомобилю и насколько она повышает мощность

Турбину устанавливают, чтобы повысить мощность на высоких и средних оборотах – до 30-50 %, в зависимости от модели двигателя. На скорость автомобиля она не влияет, но динамику разгона улучшает прилично.

Итак, что же дает турбина:

• Экономию топлива — чтобы разогнать атмосферник до таких показателей потребуется на 30-40 % больше горючего.
• Турбина позволяет добиться высоких показателей мощности без увеличения размеров мотора.
• Турбина уменьшает количество вредных веществ в выхлопе.
• Работает тише атмосферных двигателей без турбины.
• Турбина оптимизирует свойства автомобиля: исключает вероятность переключения передач во время движения в пробках, улучшает крутящий момент.
• Турбина делает машину более безопасной, так как воздушно-топливная смесь сгорает полностью.

Топливо турбина экономит, а вот расход масла увеличивает. Все дело в том, что турбокомпрессор требует качественной смазки и низкосортное масло тут применять нельзя.

В среднем ресурс турбины на дизеле составляет 250 000 км, на бензиновом моторе немного меньше – до 150000 км. Но срок «жизни» системы напрямую зависит от особенностей езды и обслуживания.

Как работает турбина на автомобиле

Турбина в автомобиле находится в непосредственной близости к двигателю, но жесткой связи с коленвалом силового агрегата она не имеет. Эффективность работы системы и скорость вращения крыльчаток турбины зависит от числа оборотов мотора.

Принцип работы турбокомпрессора

Работает турбокомпрессор от энергии выхлопных газов. Когда в моторе сгорает топливно-воздушная смесь образуются отработанные газы, которые выходят через выхлопную трубу. В выпускном коллекторе размещена крыльчатка, соединенная валом с другой крыльчаткой, установленной во впускном коллекторе.

Принцип работ турбокомпрессора

Выходящий выхлоп раскручивает колесо турбины, приводящее в движение вал ротора с компрессорным колесом. А уже компрессорное колесо сжимает воздушный поток, направляет его в интеркулер (если он есть) и далее в цилиндры. Так в турбомотор попадает больше воздуха и больше топлива. Такая топливно-воздушная смесь лучше сгорает, увеличивая мощность силового агрегата.

От количества выхлопных газов, попадающих в турбину, зависит скорость вращения крыльчаток. Чем их больше, тем больше воздуха будет попадать в цилиндры. Но сами по себе отработанные газы очень горячие, они способны перегревать турбокомпрессор и чрезмерно нагревают воздух. Поэтому во многих моделях в конструкцию турбонаддува включен интеркулер – радиатор охлаждения. Попадая внутрь этого радиатора воздушный поток остывает до нужной температуры и только тогда направляется в цилиндры. Это значительно повышает КПД и дает возможность минимизировать риск закипания двигателя.

В общем, турбина позволяет снять даже с малого рабочего объема приличную мощность. При этом нет необходимости увеличивать вес двигателя. Потери на трение также минимальны. Эти преимущества делают турбомоторы очень востребованными. Они более экономны, если сравнивать с атмосферниками такой же мощности.

Технологии Twin-turbo и Biturbo

Классические турбины не лишены и недостатков. Их крыльчатка способна разогнаться до 200000 об/мин. Большая инерционность агрегата способствует образованию «турбоямы» — задержка увеличения мощности мотора, появляющаяся при резком нажатии на педаль газа. А после выхода из «турбоямы» имеет место чрезмерное увеличение давления наддува, так называемый турбоподхват.

Чтобы уменьшить инерционность и избежать негативных последствий турбокомпрессоров были разработаны новые технологии для создания турбин — «Битурбо», а также «Твинтурбо». И в первом, и во втором варианте используется две небольшие турбины. Особых отличий в конструкциях устройств нет. Производители просто по-разному называют сдвоенную турбину.

Технология Twin-turbo Технология Biturbo

Двойные турбины позволяют избежать «турбоямы». Помогают снизить расход топлива и увеличить мощность мотора. Различаются комбинированные турбокомпрессоры схемами подключения.

Вариации подключения наддува:

• Параллельная схема – обе турбины работают параллельно друг другу. Воздушный поток сначала нагнетается во впускной коллектор, смешивается с горючим, а после подается в камеру сгорания и цилиндры. Схема используется для дизелей.
• Последовательно-параллельная схема – одна турбина все время функционирует, вторая включается только при увеличении нагрузки. За управление и переключение режимов отвечает специальный клапан, работу которого контролирует ЭБУ мотора. Такая схема обеспечивает плавный разгон, хороший подхват без задержек, что исключает вероятность возникновения «турбоямы».
• Ступенчатая схема – установлены турбины разного размера. Они имеют последовательное соединение с выпускным, а также впускным коллекторами. Внутри каналов расположены перепускные клапаны, регулирующие поток отработанных газов и воздуха. Работает система в 3 режимах. При небольшой нагрузке клапаны закрыты и выхлоп проходит по каналам обеих турбин, но лопасти большого компрессора практически не вращаются. С ростом оборотов турбомотора открывается один клапан, и большая улитка начинает активно вращаться, сжимая воздух и передавая его на малое колесо. На максимальных оборотах происходит 100 % открытие обоих клапанов. Выхлопные газы попадают сразу же в большую турбину, а далее нагнетаются в цилиндры. Ступенчатый тип идеален для дизельных двигателей.

Турбины Twin-turbo или Biturbo устанавливаются на дизели, а также бензиновые моторы. В бензиновых агрегатах системы более требовательны к заливаемому топливу. Использовать стоит бензин с высоким октановым числом, иначе появится детонация, а также нестабильная работа турбомотора.

К достоинствам технологий «Битурбо», а также «Твинтурбо» следует отнести отсутствие явления «турбоямы», отличную динамику, более экологичный выхлоп и существенную прибавку мощности. Недостатков у турбин не так много, но они есть: сложная конструкция, стоят дороже классических турбин, относительно дорогой ремонт.

Как проверить работает ли турбина на автомобиле

Зачем нужно периодически проверять исправна ли турбина? Потому что агрегат сам по себе не ломается. Если наблюдаются изменения в работе агрегата, то в большинстве случаев это результат выхода из строя соседних узлов. Хотя внутренние детали турбокомпрессора тоже могут изнашиваться и требовать замены.

Невозможно не заметить сбои в работе турбины. Сразу же меняются ходовые качества — куда бы вы не поехали автомобиль нормально разогнать не получается. Особенно ухудшение динамики наблюдается при движении на подъем. Мотор очень плохо набирает обороты. Появляются и другие неприятные признаки выхода из строя системы турбонаддува: выхлоп меняет цвет, масложор и т. д.

Точную диагностику неисправностей турбины делают в сервисе на специальном оборудовании. Чтобы выполнить такую проверку турбокомпрессор нужно демонтировать, что не всегда удобно. Однако есть способы, помогающие проверить турбонагнетатель без снятия с мотора.

Самостоятельная диагностика турбины:

1. Послушайте, как работает турбина на холодном двигателе – скрежет, звук разбитого подшипника, свист или даже громкая работа свидетельствуют о поломках.
2. Проверьте динамику авто на прогретом двигателе – медленный набор скорости и «провалы» тяги также являются признаками неисправностей.
3. Проверьте масло – открутите крышку заливной горловины, если она черная и вся в саже, пора в ремонт.
4. Обратите внимание на расход масла – в норме до 1 л на 3-4 тыс. км.

Кроме того, при поломках турбины на панели приборов загорается значок «Check engine».

Проверить турбину на дизеле можно и с помощью патрубка, соединяющего улитку и впускной коллектор. Для проведения диагностики понадобится помощник. Следует запустить двигатель, пережать этот патрубок и отпустить его. Второму человеку нужно погазовать около 3-х секунд. В исправном турбокомпрессоре патрубок раздуется под действием давления.

При осмотре узлов системы турбонаддува следуете помнить, что крыльчатки турбины должны быть без зазубрин и прочих повреждений. Если имеет место дефект лопаток, нужно решать, как лучше поступить: ремонтировать или купить новую турбину.

Некоторые поломки невозможно обнаружить без снятия турбокомпрессора. После демонтажа турбины проверяют наличие люфта: радиального и осевого. В первом варианте допускается не более 1 мм, осевой люфт – 0,05 мм.

Тщательно обследовать следует и корпус турбины, а также проверить на герметичность все патрубки. Если в системе имеется интеркулер, его также необходимо осмотреть. Внутри радиатора не должно быть масла (допускается до 30 мл).

Чтобы турбина долго не ломалась и смогла отработать заявленный производителями ресурс нужно вовремя ее обслуживать. На срок службы влияет и манера вождения.

Как правильно ездить на дизеле с турбиной

Слишком активная езда без охлаждения может быстро вывести турбину из строя. Поэтому после интенсивных «покатушек» нужно постоять несколько минут на холостых и только потом глушить мотор. За это время циркулирующее масло охладит конструкцию турбины до нормальной температуры.

Чтобы долго не ждать остывания турбомотора, рекомендуется перед парковкой ехать в спокойном режиме. А если надолго попали в пробку, то не стоит резко ускоряться. Иначе можно спровоцировать критический перегрев, ведь двигатель с турбиной и так будут слишком нагреты от длительного простоя без движения.

Турбина постоянно подвергается высоким нагрузкам. В процессе езды лучше придерживаться средних оборотов. Иногда необходимо разгонять двигатель до очень высоких оборотов, чтобы в системе турбонаддува активировался естественный процесс очистки.

В зимнее время нужно мотору и турбине дать немного прогреться и только потом трогаться. Нельзя допускать перегазовок. Особое внимание должно уделяться качеству масла и горючего. Вовремя нужно менять моторное масло и фильтры.

Ну и, конечно же, следует часто проверять уровень моторного масла, а не только перед дальней поездкой. Если уровень падает, подшипники недополучают необходимого количества смазки. Это приводит к быстрому износу деталей турбины. Тут уже нужно разбираться, куда уходит масло. Возможно сломался масляный насос или масляная система разгерметизировалась.

Бережная езда и своевременное обслуживание уберегут турбину от выхода из строя. При своевременном обнаружении поломок возможен ремонт турбины своими руками. Иногда достаточно лишь подтянуть хомуты или заменить ремкомплект.

Плюсы и минусы турбонаддува

Неоспоримым достоинством двигателей с турбиной является повышенная мощность. С таким же объемом цилиндров атмосферник будет слабее на 30-50 %, зависит от модели. Однако в автомобилях с турбонаддувом есть и слабые стороны. Разберемся с преимуществами и возможными недостатками подробнее.

Преимущества турбины:

• Небольшие размеры двигателя – турбина дает возможность повысить мощность без увеличения габаритов силового агрегата. К примеру, 2-3-цилиндровый турбодвигатель по мощности сопоставим 4-цилиндровому атмосфернику.
• Экономия топлива – благодаря оптимизации структуры топливно-воздушной смеси и более эффективному процессу горения снижается расход горючего, если сравнивать с обеспечением таких же лошадиных сил на атмосферном моторе.
• Экологичность – в выхлопе машин с турбинами меньше вредных веществ, поскольку в цилиндрах происходит практически 100 % сгорание смеси. С утверждением новых Евро норм выпуск автомобилей с бензиновыми турбодвигателями увеличился на 25 %.
• Низкий уровень шума – во время движения автомобиля нет никаких вибраций. Исправная турбина работает очень тихо.

Недостатки турбины:

• Уменьшение ресурса двигателя – работа в режиме форсирования и повышенного давления провоцирует более быстрый износ деталей и узлов силовой установки.
• Чувствительность к топливу – бензиновые турбодвигатели требуют горючего с высоким октановым числом. Если заливать АИ-92, мотор быстро выйдет из строя.
• Турбины требуют частой замены масла – в смазке нуждается не только двигатель, но и узлы турбины. Поэтому масло быстрее израсходуется и загрязняется. К тому же, использовать нужно только дорогую качественную синтетику. Нарушение регламента замены смазочных материалов приводит к быстрой поломке турбокомпрессора.
• Дорогой ремонт – капремонт мотора необходим на пробеге от 200 тыс. км. Качественно починить двигатель с турбиной смогут не в каждой автомастерской. Чтобы проводить такой ремонт требуются вложения в специализированное оборудование, потому цена не может быть низкой.
• Заморочки с эксплуатацией – нужно правильно заводить авто, нельзя сразу глушить мотор после остановки и т. д.
• Эффект «турбоямы» — при резком нажатии на педаль газа автомобиль слабо реагирует, случаются так называемые провалы. То есть на низких оборотах машине с турбиной резко тронуться проблематично.

Турбины имеют много достоинств, но и минусов предостаточно. Хотя при правильной эксплуатации растраты на ремонт системы наддува будут минимальными. А от эффекта «турбоямы» помогают избавиться турбокомпрессоры с изменяемой геометрией и модели Biturbo/Twin-turbo.

Как работает турбина | carakoom.com

Раз разговор зашел о турбо, то стоит поговорить о том, как работает турбина. Некоторые, как и Джереми Кларксон, считают, что воздух попадает в турбину, она крутится, происходит магия и машина движется быстрее. Разберемся подробнее в том, как работает турбина, турбонаддув и турбосистема целиком.

Когда люди начинают говорить о гоночных автомобилях, автоспорте или спорткарах, то речь обязательно заходит о турбонаддуве. Системы турбонаддува устанавливаются как на бензиновые, так и на дизельные двигатели. Системы турбонаддува могут значительно повысить мощность автомобиля без серьезного увеличения веса двигателя. Этот фактор и делает системы турбонаддува такими популярными!

Турбина в разрезе

В этой записи мы разберем с вами как работает турбина, каким образом турбонаддув увеличивает мощность двигателя и как тот переживает такие сильные нагрузки. Также я расскажу вам как работают вестгейты, керамические крыльчатки и шариковые подшипники, которые помогают турбине справляться с работой еще лучше.

Препарированная турбина. Крыльчатка

Турбонагнетатели – тип форсировки двигателя. Они сжимают воздух, который поступает в камеры сгорания. Преимущество сжатия воздуха заключается в том, что в цилиндры поступает больше воздуха, а значит и больше топлива. Тем самым можно получить больше мощности из каждого взрыва в цилиндрах. Двигатель с турбиной выдает больше мощности, чем тот же самый двигатель, но без нагнетателя. Примерно поняли, как работает турбина и система турбонаддува? Тогда едем дальше.

Наглядное видео как работает турбина

Чтобы достичь нужное давление, турбина использует энергию выхлопных газов, которые вращают крыльчатку турбины, которая в свою очередь затягивает воздух. Турбина вращается со скоростью 150.000 оборотов в минуту (rpm), что в 30 раз больше, чем обороты двигателей большинства автомобилей. Поскольку турбина устанавливается после выхлопного коллектора, то и рабочие температуры в турбине очень высоки.

В следующей записи я расскажу вам о принципах работы турбины подробнее. А еще поговорим о том, сколько мощности вы сможете извлечь при установке турбонагнетателя на свой автомобиль.
Продолжение

Подпишись на наш Telegram-канал

Как турбина влияет на мощность двигателя. Система турбонаддува и как она работает

Выбор правильного автомобиля как средства передвижения является важным решением. Здесь необходимо учитывать цену, потребление, комфорт, но есть и другие незаменимые факторы. Одним из таких факторов, который привлекает внимание к авто, является двигатель с турбонаддувом (турбина). Данная система помогает повысить мощность двигателя и предлагает экономию потребления топлива. Что такое турбонаддув, как турбина влияет мощность двигателя и общую производительность автомобиля – об этом расскажем в данном посте.

Содержание

1. Турбонаддув – что это простыми словами.
2. Работа турбонаддува в машине.
3. Влияние турбины на двигатель и производительность авто.

Что такое турбонаддув

Тот, кто работает за рулем, даже если он не очень осведомлен в механике, имеет острое представление о том, как работает машина. Мощность, измеряемая в лошадиных силах, является способностью двигателя превращать топливо в движение и скорость. А это и есть тот значимый элемент, когда речь идет об эффективной, качественной и экономичной работе автомобиля.

На практике это выглядит так: каждая быстрая машина – мощная, но не всякая мощная – быстрая. Это связано с тем, что чем тяжелее транспортное средство, тем больше силы оно использует для движения.

Турбонаддув (система двигателя внутреннего сгорания на основе турбокомпрессора, или турбины) – это способ повысить мощность двигателя, используя компрессор для вытягивания и сжатия большего количества воздуха в камеру сгорания, увеличивая мощность сгорания топлива и, следовательно, увеличивая скорость передвижения авто, вне зависимости от его веса.

Как работает турбонаддув в машине

Двигатель с турбонаддувом состоит из двух частей – выпускного коллектора и турбокомпрессора. Первый отвечает за сбор газов из каждого цилиндра, которые будут поступать в выхлопную систему и выбрасываться в атмосферу.

Турбина собирает воздух, который, в свою очередь, приводит в движение винт, производя прохладный, чистый воздух. Этот воздух передается в компрессор, который уплотняет его и направляет в радиатор промежуточного охладителя, тем самым, охлаждая воздух. Таким образом, большее количество воздуха проходит через цилиндры и попадает в зону сгорания.

Схема работы турбонаддува

Двигатель работает на взрыве, а это значит, что ему нужен огонь, верно? То есть: тепло + топливо + кислород (газы, собираемые из выхлопных газов). Чем больше воздуха в системе, тем больше возможностей сжигать бензин и вырабатывать больше энергии. Прелесть в том, что он создает действенный круг, в котором тот самый газ, генерируемый двигателем (посредством взрывов), становится силой, приводящей в движение турбо систему.

Как турбина влияет на производительность автомобиля

После теоретической части следует объяснить, как турбина влияет на мощность двигателя и производительность автомобиля. Самым большим преимуществом турбины является экономный расход топлива. Но чтобы добиться такой экономии, водителю также необходимо внести свой вклад, научившись управлять своим транспортным средством безопасно, с наименьшим количеством тормозов и внезапным ускорением.

Помимо экономного расхода топлива, турбина помогает снизить выбросы загрязняющих веществ в окружающую среду. И, конечно же, с турбиной производительность авто будет на высоте (из-за нехватки кислорода транспортные средства теряют около 25% своей мощности). Двигатели с турбонаддувом повторно используют выхлопные газы.

Турбонаддув сегодня признан самым действенным механизмом усиления мощности двигателя внутреннего сгорания без увеличения частоты оборота его коленчатого вала и рабочего объема цилиндров. Система с турбонаддувом используется на бензиновых и дизельных двигателях, однако её максимальная действенность доказана на дизельных двигателях за счет высокой степени сжатия в двигателе и относительно невысокой частоты оборота коленчатого вала. В бензиновом двигателе турбонаддув может вызвать эффект детонации по причине резкого увеличения частоты оборотов двигателя, а также высокой температуры отработанных газов и сильного нагрева турбины.

Читайте также: Для чего в автомобиле нужна турбина. Правила эксплуатации турбины.

 

принцип работы, устройство, чистка (видео). Как проверить клапан управления, отрегулировать

Рассматривая принцип работы турбонаддува, мы затронули проблемы, ограничивающие эффективность газовых турбокомпрессоров. Турбина с изменяемой геометрией позволяет расширить зону действия турбонаддува и сделать двигатель более приемистым. Поговорим не только об устройстве системы, но и о симптомах неисправности клапана управления, чистке и регулировке VNT-турбонагнетателей.

Устройство VNT-турбины

На рисунке изображена турбина с изменяемой геометрией, устанавливаемая на автомобили Volkswagen, Skoda. Общее устройство турбокомпрессора и принцип нагнетания дополнительного воздуха не отличается от обычных турбокомпрессоров. Основная особенность в поворотных лопатках, механизме управления и вакуумном приводе.

Принцип работы

Поворотные лопатки вращаются на осях, установленных в опорном кольце. К оси каждой лопатки прикреплены тяги управления, которые при монтаже входят в зацепление с регулировочным кольцом. Направляющий рычаг соединяет регулировочное кольцо с рычагом тяги управления и осью вакуумного привода поворотных лопаток.

При изменении положения оси вакуумного привода регулировочное кольцо проворачивается на определенный угол. За счет этого происходит поворот оси лопаток в опорном кольце. Они синхронно меняют свое положение, изменяя тем самым сечение для потока выхлопных газов.

Принцип работы турбины с изменяемой геометрией основывается на регулировании потока отработавших газов, направляемых на колесо турбины. Регулировка позволяет подстраивать проходное сечение для потока отработавших газов под режим работы двигателя.

Как изменяется давление наддува?

Когда мы рассматривали принцип работы системы изменяемой геометрии впускного коллектора, то говорили о зависимости скорости потока газов от проходного сечения канала. При одинаковом давлении скорость потока газа будет выше в канале с суженым сечением.

Для быстрого выхода турбины в зону эффективной работы на низких оборотах двигателя необходимо высокое давление наддува. В таком режиме работы лопатки уменьшают сечение канала, по которому отработанные газы движутся к крыльчатке турбины. В итоге повышается давление наддува.

В зоне высоких оборотов двигателя увеличивается объем выхлопных газов. Небольшое сечение канал приведет к чрезмерному подпору выхлопных газов, что приведет к плохому наполнению цилиндров свежим зарядом ТПВС. Поэтому с повышением оборотов двигателя лопатки меняют свое положение, увеличивая сечение для прохождения выхлопных газов.

Принцип работы изменяемой геометрии позволяет отказаться от перепускного клапана (wastegate). Через крыльчатку «горячей» части проходит весь поток выхлопных газов. Предотвращение избыточного наддува осуществляется изменением положения поворотных лопаток.

Система в разрезе

1. Лопатки расположены перпендикулярно радиальным линиям, что равняется узкому сечению для потока выхлопных газов. Обеспечивается быстрое нарастание наддува и прибавка крутящего момента в зоне низких оборотов двигателя.
2. Ступенчатое расположение лопаток – большое сечение для потока выхлопных газов. Этот же режим используется в качестве аварийного, когда система самодиагностики регистрирует некорректную работу системы, отсутствует питание на электромагнитном клапане.

Управление геометрией

Изменение геометрии турбины осуществляется блоком управления двигателем. Принцип работы рассмотренной выше системы предполагает наличие электромагнитного клапана управления наддувом. Управляется клапан ШИМ-сигналом. Изменяя скважность сигнала, ЭБУ двигателя устанавливает необходимое разряжение в вакуумной среде привода поворотных лопаток. При таком управлении ЭБУ может плавно и точно управлять регулировочным кольцом, что обеспечивает эффективное сгорание ТПВС на всех режимах работы двигателя.

Когда электромагнитный клапан обесточен, в вакуумной среде атмосферное давление, лопатки установлены в ступенчатом положении. Для плавной регулировки давления наддува ЭБУ постоянно опрашивает датчиковую аппаратуру двигателя.

Принципиальное отличие

Автомобильные газовые турбины всех типов имеют 3 режима работы:

• выход в рабочую зону. Раскручивающийся вал турбины создает сопротивление потоку выхлопных газов, что снижает наполняемость цилиндров и, как следствие, КПД двигателя. Именно с режимом раскручивания турбинного колеса водители связывают явление «турбоямы»;
• зона эффективной работы. При достижении рабочей зоны скорость вращения компрессорного колеса позволяет нагнетать в цилиндры большее количество воздуха, что ощущается прибавкой в крутящем моменте;
• зона оверспина (от англ. over—spinning – избыточное вращение). Устройство турбокомпрессора предполагает зоны эффективности. Конструкция двигателя также рассчитывается на определенную величину наддува. Если скорость потока выхлопных газов превысит зону оптимальной эффективности и расчетную величину наддува, дальнейшее использование турбонаддува только снизит КПД двигателя. Также превышение расчетной скорости вращения крыльчатки ведет к срыву потока воздуха. Поэтому устройство большинства турбин предполагает наличие клапана Последний на определенных оборотах двигателя пускает поток выхлопных газов в обход турбинного колеса.

Устройство турбины с фиксированной геометрией – это всегда компромисс между скоростью выхода в зону эффективности, величиной наддува и границей пиковой мощности. На эти параметры влияет диаметр каналов для движения газов, соотношение площади индюсера и эксдюсера, Area/Radius хаузинга, конструкция клапана wastegate, blow-off. Но из-за того, что характеристики турбины закладываются еще на стадии проектирования, ее рабочая зона довольно узкая.

Преимущества

• Активное изменение сечения канала «горячей» части турбины позволяет расширить зону ее эффективной работы. Авто с изменяемой геометрией турбонаддува могут выдавать большую мощность уже с самих низких оборотов.

• Уменьшенный подпор выходу выхлопных газов на высоких оборотах. Из-за отсутствующего клапана wastegate в «горячей» части уменьшается количество разнонаправленных потоков газов, что улучшает прохождение газов через турбину.
• Улучшение эластичности двигателя.
• Снижение расхода топлива и количества вредных выбросов в атмосферу.

Возможные неисправности

Усложнение конструкции турбины неминуемо приводит к увеличению риска поломки. Но в случае с работой изменяемой геометрии ситуация не так плоха, как может показаться. У механизма лишь несколько основных проблем:

• движение лопаток с подклиниванием. Происходит из-за критического износа трущихся пар и при нагарообразовании. Углеродистые и масляные отложения препятствуют плавному перемещению регулировочного кольца;
• заклинивание лопаток в одном из положений. Из-за критического нагарообразования силы вакуума недостаточно для перемещения регулировочного кольца;
• неисправность вакуумного привода поворотных лопаток, клапана управления давлением турбонаддува.

Среди основных симптомов поломки – подергивания при разгоне, потеря мощности двигателя, увеличение расхода топлива и появление на панели приборов индикации Check Engine.

Конструкция и принцип работы газовой турбины

Газовая турбина представляет собой двигатель, совмещающий в себе конструкционные особенности ДВС и паровой турбины. В турбине тепловая энергия напрямую переходит в механическую. Это экономичный мотор с лучшим соотношением мощности к весу, поэтому его нередко применяют на судах и в промышленности.

По устройству газовые турбины делятся на установки с открытым и закрытым циклом работы. В первом случае используются продукты горения газа, во втором — сам газ или воздух.

Турбина с самой простой конструкцией состоит из:

• компрессора, который засасывает воздух;
• воздухопровода, по которому воздух направляется в камеру сгорания;
• форсунки, подающей топливо;
• камеры сгорания, где топливо и воздух смешиваются друг с другом и сгорают;
• неподвижных лопаток, куда поступают продукты горения, и где они расширяются;
• рабочих лопаток, куда продукты горения поступают с большой скоростью, тем самым приводя в движение вал;
• патрубка, из которого выходят отработанные газы;
• редуктора, который приводит в движение гребной винт.

Кроме того, используется пусковой двигатель. Он нужен, чтобы запустить компрессор и саму турбину. Далее компрессор начинает всасывать воздух, который подается в камеру сгорания, куда одновременно поступает газ. Газ и воздух образуют рабочую смесь, сгорают, затем продукты горения остужаются и расширяются в неподвижных лопатках, откуда с большой скоростью идут в рабочие лопатки и запускают вал, который приводит в движение сам компрессор и рабочий инструмент (например, гребной винт).

Таково устройство газовой турбины с открытым циклом работы, где газ и воздух постоянно поступают в турбину, а отработанные газы выбрасываются в атмосферу. Установки закрытого типа не подразумевают сгорание топлива.

Чтобы увеличить КПД газовой турбины открытого типа, используют несколько камер сгорания, расположенных по порядку, а также регенеративный подогрев воздуха. Нередко применяют дополнительные компрессоры для сжатия и охлаждения воздуха.

 

20 июня 2016

Поделитесь ссылкой со своими друзьями:

Как вращение турбины генерирует энергию?

Хотя электричество было открыто еще в 18 веке, с тех пор люди добились значительных успехов в производстве электроэнергии с помощью различных средств. Одним из наиболее распространенных способов получения энергии являются турбины различных типов, в том числе газовые и паровые турбины. В основе работы турбины по производству энергии лежит вращение ее роторов. Вот разбивка того, как это вращение генерирует большое количество электроэнергии.

Основы производства электроэнергии

Проще говоря, генераторы преобразуют кинетическую энергию, основанную на движении, в электрическую энергию. Однако существует ряд различных способов получения этой кинетической энергии. Чаще всего эта электрическая генерация создается с помощью электромагнитной индукции и использования механической энергии, которая заставляет генератор вращаться. Поэтому одной из самых основных операций генератора является создание кинетической энергии.

Как работают газовые турбины

Газовые турбины, также известные как турбины внутреннего сгорания, состоят из газового компрессора, расположенной ниже по потоку турбины и камеры сгорания, известной как камера сгорания. Воздух всасывается в компрессор, где встречается с топливом, чаще всего с природным газом. Это приводит к сгоранию, и газ с высокой температурой и высоким давлением затем вращает вращающиеся лопасти, которые втягивают больше сжатого воздуха в камеру сгорания и вращают генератор.

Как работают паровые турбины

Работая по тому же принципу, паровые турбины вместо этого используют чрезвычайно высокую температуру и пар высокого давления для извлечения тепловой энергии.При этом вода нагревается в котле для создания пара, который затем закачивается в турбину для вращения лопастей турбины. После этого пар часто снова охлаждают до жидкого состояния, а затем используют для создания большего количества пара. Как и в газовой турбине, вращающийся генератор имеет решающее значение для производства электроэнергии.

Как вращение создает электричество

Современные генераторы работают на тех же принципах электромагнитной индукции, которые были открыты в 1832 году. В этом году человек по имени Майкл Фарадей обнаружил, что электрические заряды могут создаваться при перемещении электрического проводника в магнитном поле.Это движение приводило к разнице напряжений между двумя концами провода или проводника, что приводило к потоку электрического заряда и, наконец, к электрическому току. В современных генераторах вращающиеся элементы окружены большим магнитом и катушками из медной проволоки. Магнит вращается за счет вращения колес, в результате чего возникает мощный поток электронов, превращающий механическую энергию в электрическую.

Эффективность турбин

Поскольку нефть и газ пользуются все большим спросом в глобальном масштабе, энергетические компании вынуждены учитывать эффективность турбин.Из-за множества факторов, участвующих в производстве энергии с помощью турбин, существует ряд стадий, на которых эффективность теряется. Хотя на этапе прядения вырабатывается само электричество, предыдущие этапы, требующие большого количества тепла и сгорания, могут привести к потере эффективности. В целом, паровые турбины являются более эффективной моделью, чем газовые турбины, поскольку в среднем они требуют меньше затрат на техническое обслуживание и оборудование. Кроме того, поскольку для них требуется источник постоянного тепла, операции обычно включают постоянный источник тепла, что приводит к более высокой эффективности.Однако они также требуют большого количества времени для достижения рабочего уровня. Процессы сгорания в газовых турбинах означают значительные колебания температуры, что приводит к снижению эффективности. Однако многие заводы компенсируют эту потерю эффективности, используя систему с комбинированным циклом. В этой системе горячий выхлопной газ из газовой турбины передается в паровую турбину, что значительно повышает эффективность операций в целом.

Поскольку стадия вращения турбины очень важна для выработки энергии, для электростанций важно иметь последовательные операции управления турбинами, роторами и оборудованием.Для получения дополнительной информации о том, как Petrotech предоставляет интеллектуальные системы управления для электростанций, изучите наши рекомендуемые официальные документы.

Как работают ветряные турбины? | Блог

Ball Corporation удовлетворяет половину своих текущих энергетических потребностей США за счет энергии ветра.

 

Что такое энергия ветра?

Люди использовали силу ветра тысячи лет. Ветер двигал лодки по реке Нил, перекачивал воду и перемалывал зерно, поддерживал производство продуктов питания и многое другое.Сегодня кинетическая энергия и мощность естественных воздушных потоков, называемых ветром, широко используются для производства электроэнергии. Одна современная оффшорная ветряная турбина может генерировать более 8 мегаватт (МВт) энергии, что достаточно для чистого питания почти шести домов в течение года. Береговые ветряные электростанции вырабатывают сотни мегаватт, что делает энергию ветра одним из самых рентабельных, чистых и доступных источников энергии на планете.

Энергия ветра является самым дешевым крупномасштабным возобновляемым источником энергии и крупнейшим источником возобновляемой энергии в США.С. сегодня. В стране насчитывается около 60 000 ветряных турбин общей мощностью 105 583 мегаватт (МВт). Этого достаточно для электроснабжения более 32 миллионов домов!

График совокупной ветровой мощности в США, данные предоставлены Американской ассоциацией ветроэнергетики (AWEA)

Помимо того, что они играют жизненно важную роль в нашем энергоснабжении, решения в области ветроэнергетики также помогают коммерческим компаниям выполнять задачи по возобновляемым источникам энергии и обеспечивать надежную и чистую энергию.

Преимущества энергии ветра:

1.  Ветряные турбины обычно возмещают выбросы углерода в течение всего срока службы, связанные с их развертыванием, менее чем за год, прежде чем обеспечить до 30 лет практически безуглеродного производства электроэнергии.
2. Энергия ветра помогает сократить выбросы углекислого газа — в 2018 году удалось избежать выбросов CO2 на 201 миллион метрических тонн.
3. Энергия ветра обеспечивает налоговые поступления сообществам, в которых реализуются проекты. Например, государственные и местные налоговые платежи от ветровых проектов в Техасе составили 237 миллионов долларов.
4. Ветроэнергетика способствует созданию рабочих мест, особенно во время строительства. В 2018 году в отрасли было создано 114 000 рабочих мест в США.
5. Энергия ветра обеспечивает стабильный дополнительный источник дохода: ежегодно проекты ветроэнергетики приносят более 1 миллиарда долларов правительствам штатов и местным органам власти, а также частным землевладельцам.

 

Как выглядит проект ветроэнергетики?

Ветроэнергетический проект или ферма относится к большому количеству ветряных турбин, которые построены близко друг к другу и функционируют так же, как электростанция, отправляя электроэнергию в сеть.

Фотография ветряных турбин в рамках проекта Frontier Windpower II в Оклахоме

Проект Frontier Windpower I в округе Кей, штат Оклахома, работает с 2016 года и расширяется за счет проекта Frontier Windpower II .После завершения строительства Frontier I и II будут генерировать в общей сложности 550 мегаватт энергии ветра — этого достаточно для питания 193 000 домов.

Как работают ветряные турбины?

Схема, показывающая компоненты стандартной ветряной турбины

Электроэнергия вырабатывается с помощью вращающихся ветряных турбин, использующих кинетическую энергию движущегося воздуха, которая преобразуется в электричество. Основная идея заключается в том, что ветряные турбины используют лопасти для сбора потенциальной и кинетической энергии ветра. Ветер вращает лопасти, которые раскручивают ротор, соединенный с генератором для выработки электроэнергии.

Большинство ветряных турбин состоят из четырех основных частей:

 

• Лезвия прикреплены к ступице, которая вращается вместе с лезвиями. Лопасти и ступица вместе образуют ротор.
• В гондоле находятся редуктор, генератор и электрические компоненты.\
• Башня удерживает лопасти ротора и генерирующее оборудование высоко над землей.
• Фундамент удерживает турбину на земле.

 

Типы ветряных турбин:

Большие и малые турбины делятся на две основные категории в зависимости от ориентации ротора: турбины с горизонтальной осью и турбины с вертикальной осью.

Турбины с горизонтальной осью на сегодняшний день являются наиболее часто используемым типом ветряных турбин. Этот тип турбины приходит на ум при представлении энергии ветра, с лопастями, очень похожими на пропеллер самолета. Большинство этих турбин имеют три лопасти, и чем выше турбина и длиннее лопасть, тем больше электроэнергии вырабатывается.

Турбины с вертикальной осью больше похожи на взбивалку, чем на пропеллер самолета. Лопасти этих турбин прикреплены как вверху, так и внизу вертикального ротора.Поскольку турбины с вертикальной осью работают не так хорошо, как их горизонтальные аналоги, сегодня они встречаются гораздо реже.

Сколько электроэнергии производит турбина?

Это зависит. Размер турбины и скорость ветра, проходящего через лопасти ротора, определяют количество производимой электроэнергии.

За последнее десятилетие ветряные турбины стали выше, что позволило использовать более длинные лопасти и получить возможность использовать лучшие ветровые ресурсы, доступные на больших высотах.

Для сравнения: ветряная турбина мощностью около 1 мегаватта может производить достаточно чистой энергии примерно для 300 домов в год. Ветряные турбины, используемые на наземных ветряных электростанциях, обычно генерируют от 1 до почти 5 мегаватт. Скорость ветра обычно должна составлять примерно 9 миль в час или более, чтобы большинство ветряных турбин коммунального назначения начали производить электроэнергию.

Каждый тип ветряной турбины способен генерировать максимальную электроэнергию в диапазоне скоростей ветра, часто между 30 и 55 милями в час.Однако, если ветер дует меньше, производство обычно уменьшается экспоненциально, а не останавливается полностью. Например, количество генерируемой энергии уменьшается в восемь раз, если скорость ветра падает вдвое.

Кто занимается обслуживанием ветряных турбин?

Высококвалифицированные специалисты по ветровой энергии из Duke Energy Renewables поднимаются на сотни футов, чтобы выполнить техническое обслуживание турбин

Что происходит, когда возникает неисправность в высокой ветровой турбине? Ветротехники, такие как Рене Лопес и его товарищи по команде Duke Energy Renewables, поднимаются на вершину, чтобы быстро и безопасно починить ее.

Рене говорит, что, неся около 45 фунтов снаряжения и инструментов, опытным техникам может потребоваться 20 или более минут, чтобы добраться до гондолы, которая находится на высоте 300 футов в верхней части ветряной турбины.

Рене Лопес, техник по ветру в Duke Energy Renewables

Техник по ветру отвечает за поиск и устранение неисправностей и ремонт электроники и механизмов, обеспечивающих вращение лопастей. Каждый технический специалист проходит как минимум двухлетнюю техническую программу для получения сертификата, а затем проходит более 50 часов обучения, прежде чем его назначают на должность в полевых условиях.Безопасность также является постоянным и ежедневным вниманием к работе, потому что подъем на гондолу турбины может быть опасным. В Duke Energy Renewables практикуется, документируется и анализируется строгий режим безопасности, чтобы гарантировать, что безопасность остается главным приоритетом.

При надлежащем обучении технические специалисты также могут использовать дроны, чтобы упростить и сделать более безопасным осмотр высотного оборудования. Дроны могут приближать оборудование, что облегчает обнаружение небольших дефектов, таких как трещины на ветряной турбине, и снижает необходимость для техников взбираться на турбины и спускаться по лопастям.Это может быть особенно полезно, когда дороги мокрые или непроходимые.

Стоит ли рассматривать решения для ветроэнергетики?

Ветроэнергетика остается одним из самых малых углеродных следов среди всех источников энергии. Он играет важную роль в будущем энергоснабжения нашей страны, поддерживая энергетический переход нашего мира и растущий спрос на устойчивые энергетические ресурсы.

Ветер также является одним из лучших способов для корпораций, университетов, городов, коммунальных служб и других организаций быстро перейти на безэмиссионную энергию в масштабе.Одно соглашение о покупке виртуальной энергии (VPPA) может обеспечить от десятков до сотен мегаватт чистой нулевой электроэнергии на срок от 10 до 25 лет. В большинстве соглашений также ставится отметка о дополнительности, что означает чистые новые источники экологически чистой энергии, замещающие потенциально старые источники энергии с более высоким уровнем выбросов.

Какое место лучше всего подходит для проекта ветроэнергетики?

Существует шесть основных соображений для проектов в области ветроэнергетики:

• Доступность ветра и желаемые местоположения
• Воздействие на окружающую среду
• Вклад сообщества и местные потребности в производстве возобновляемой энергии
• Благоприятная политика на уровне штатов и на федеральном уровне
• Доступность земли
• Возможность подключения к электросети

Как и в случае с коммерческими солнечными фотоэлектрическими проектами, перед запуском ветроэнергетической установки необходимо получить разрешения.Этот важный шаг поможет определить, является ли проект финансово жизнеспособным и имеет ли он благоприятный профиль рисков. В конце концов, цель состоит в том, чтобы коммерческие ветровые проекты доставляли электроны в сеть на десятилетия вперед. Обеспечение финансовой устойчивости строителя И проекта обеспечит успех для поколения или более.

Как работает ветряк?

Как энергия ветра преобразуется в электрическую энергию? Вы, наверное, когда-нибудь видели ветряную электростанцию: несколько ветряных турбин, похожих на старые ветряные мельницы, которые двигают лопасти, когда дует воздух.На первый взгляд это простой процесс, но, возможно, вы не знаете , что происходит внутри турбины для преобразования энергии ветра в электричество.

В приведенном ниже видео мы подробно покажем вам процесс, с помощью которого мы используем бесплатный и неисчерпаемый природный ресурс, такой как сила воздуха, чтобы привести электричество в города, дома, предприятия, больницы, школы и , в конечном счете, везде, где это необходимо.

В качестве примера мы будем использовать модель ветряной турбины AW3000 производства ACCIONA Windpower , хотя базовое функционирование всех современных ветряных турбин очень похоже.

Сколько электроэнергии производит ветряная турбина?

Мощность ветряных турбин варьируется от одной модели к другой. В случае ACCIONA Windpower используются две номинальные мощности: 1500 кВт и 3000 кВт. Номинальная мощность вырабатывается машиной при работе на максимальной мощности. Таким образом, турбина AW3000, работающая около 2 500 часов в год (учитывается средний ветровой потенциал, хотя есть участки, превышающие 4 000 часов), будет производить 7 500 МВтч электроэнергии, что 90 149 эквивалентно потреблению более двух тысяч домашних хозяйств 90 150.

Внедрение энергии ветра

Энергия ветра — это возобновляемая технология, которая получила дальнейшее развитие за последние десятилетия. По оценкам, к 2020 году в ней будет работать более 1 200 000 человек по всему миру. Его глобальная реализация постоянно растет, и сегодня представлены в 79 странах; 24 из них мощностью более 1000 мегаватт (МВт) установлены . По накоплению мегаватт пять основных рынков — это Китай, США, Германия, Испания и Индия.

Сколько электроэнергии вырабатывается энергией ветра?

Сегодня энергия ветра обеспечивает почти 3% мирового потребления электроэнергии (2.9%). Ожидания отрасли указывают на то, что к концу десятилетия мощность удвоится, что свидетельствует об уверенности экспертов в этом виде возобновляемой энергии как в двигателе завтрашнего мира.

Дополнительная информация о ветряных турбинах.

Как работает паровая турбина? (Диаграмма)

Добро пожаловать в блог Linquip. Сегодня мы рассмотрим принцип работы паровых турбин. Большая часть электроэнергии, используемой в Соединенных Штатах, производится с помощью паровых турбинных двигателей.по данным Министерства энергетики США, более 88 процентов энергии, производимой в США, производится с помощью паротурбинных генераторов на различных электростанциях. Чтобы ответить на вопрос «Как работает паровая турбина?» мы очень быстро подойдем к делу. Далее вы познакомитесь с паровой турбиной и принципом ее работы.

Что такое паровая турбина?

Как следует из названия, паровая турбина приводится в действие энергией горячего газообразного пара и работает как нечто среднее между ветряной и водяной турбинами.Он напоминает ветряную турбину, поскольку имеет вращающиеся лопасти, которые поворачиваются, когда мимо них проходит пар; и это похоже на водяную турбину, потому что лопасти плотно прилегают к герметичному внешнему контейнеру, поэтому пар сдерживается и проходит мимо них со скоростью. Паровые турбины используют пар высокого давления для вращения генераторов электроэнергии с невероятно высокой скоростью, поэтому они вращаются намного быстрее, чем ветряные или водяные турбины.

Паровая турбина на самом деле представляет собой разновидность теплового двигателя, термодинамический КПД которого во многом достигается за счет использования нескольких стадий расширения пара, что приводит к более близкому приближению к идеальному обратимому процессу расширения.

Подробнее о Linquip

Детали паровой турбины: всестороннее и понятное введение во все компоненты

Принцип работы паровых турбин

До сих пор мы знали, что паровая турбина фактически работает под давлением пара. Чтобы точно знать, через какой процесс проходит паровая турбина, лучше всего сначала взглянуть на структуру пара как на самую важную часть паровой турбины.

Как пар обеспечивает энергию в паровых машинах?

Если вы когда-нибудь видели старомодный паровоз, вы будете иметь некоторое представление о том, насколько мощным может быть пар.Паровоз построен вокруг парового двигателя, сложной машины, основанной на простой идее: вы можете сжигать топливо, такое как уголь, чтобы высвободить энергию, хранящуюся внутри него. В паровом двигателе уголь сгорает в печи и выделяет тепло, в результате чего вода кипит, как в чайнике, и образуется пар высокого давления. Пар подается по трубе в цилиндр с плотно прилегающим поршнем, который перемещается наружу по мере того, как пар втекает внутрь.

Когда пар расширяется, заполняя цилиндр, он охлаждается, теряет давление и отдает свою энергию поршень.Поршень толкает колеса локомотива, прежде чем вернуться обратно в цилиндр, чтобы весь процесс можно было повторить. Пар не является источником энергии: это жидкость, переносящая энергию, которая помогает преобразовывать энергию, заключенную внутри угля, в механическую энергию, приводящую в движение поезд.

Как работает паровая турбина?

В предыдущем разделе мы привели пример паровоза, показав роль пара в паровой машине. Но есть различия между характеристиками паровозов и сегодняшних паровых турбин, определяющих принцип работы паровой турбины.

Проще говоря, паровая турбина работает за счет использования источника тепла, такого как газ, уголь, ядерная энергия или солнечная энергия, для нагрева воды до чрезвычайно высоких температур, пока она не превратится в пар. Когда этот пар проходит мимо вращающихся лопастей турбины, он расширяется и охлаждается. Таким образом, потенциальная энергия пара превращается в кинетическую энергию вращающихся лопаток турбины. Поскольку паровые турбины генерируют вращательное движение, они особенно подходят для привода электрических генераторов для выработки электроэнергии.Турбины соединены с генератором с осью, которая, в свою очередь, производит энергию через магнитное поле, производящее электрический ток.

Как работают лопатки турбины?

Возможно, вторыми по важности после пара являются лопатки турбины. По этой причине лучше ознакомиться с работой именно их, которые выполняют большую часть работы паровых турбин.

Лопасти турбины предназначены для управления скоростью, направлением и давлением пара, проходящего через турбину.В крупных турбинах к ротору прикреплены десятки лопастей, обычно в разных наборах. Каждый набор лопастей помогает извлекать энергию из пара, сохраняя при этом оптимальное давление.

Этот многоступенчатый подход означает, что лопасти турбины уменьшают давление пара очень небольшими приращениями на каждой ступени. Это, в свою очередь, снижает усилия на них и значительно улучшает общую мощность турбины.

Заключение

Настоящая статья была попыткой предоставить всю необходимую информацию по вопросу «Как работает паровая турбина?».Паровые турбины являются наиболее важными машинами в области преобразования энергии. Их совокупная механическая и электрическая установленная мощность намного превышает мощность любого другого типа устройств. Их конструкция и операционные процедуры очень продвинуты, и их можно рассматривать как зрелые технологические компоненты. мы сначала привели основное определение паровой турбины, а затем сразу же перешли к разделу, обсуждающему принцип работы паровой турбины.

Если у вас есть опыт или опыт работы с паровыми турбинами и вы знаете о них больше, мы будем очень рады вашим отзывам в комментариях на нашем сайте Linquip.Более того, если у вас есть какие-либо вопросы по этой теме, вы можете зарегистрироваться на нашем сайте и дождаться ответа наших специалистов на ваши вопросы. Надеюсь, вам понравилось читать эту статью.

Паровая турбина — Конверсии — Студенческая энергия

Паровая турбина — это механическое устройство, извлекающее тепловую энергию из пара под давлением и преобразующее ее в механическую работу. Поскольку турбина генерирует вращательное движение, она особенно подходит для привода электрических генераторов: около 90% всего производства электроэнергии в США (1996 г.) приходится на паровые турбины ¹ .Сэр Чарльз А. Парсонс изобрел первую современную реактивную турбину в 1884 году. В соединении с динамо-машиной турбина производила 7,5 кВт электроэнергии. За время жизни Парсонса эта генерирующая мощность увеличилась в 10 000 раз. Паровые турбины имеют мощность от <0,75 кВт до 1,5 ГВт. Для выработки электроэнергии используются большие турбины.

Как следует из названия, паровая турбина приводится в действие паром. Когда горячий газообразный пар проходит мимо вращающихся лопастей турбины, пар расширяется и охлаждается, отдавая большую часть содержащейся в нем энергии.Этот пар непрерывно вращает лопасти. Таким образом, лопасти преобразуют большую часть потенциальной энергии пара в кинетическую энергию. Затем турбина используется для запуска генератора, вырабатывающего электроэнергию.

Основными частями ручных турбин являются лопатки и роторы. Набор лезвий известен как этап. У них также есть входы для пара (обычно набор форсунок) и выходы. Для обеспечения безопасной работы турбины используются два независимых механизма, называемых регуляторами.

Два основных типа паровых турбин

• Импульсная турбина : Вращающиеся лопасти похожи на глубокие ковши.Высокоскоростные струи входящего пара из сопел тщательной формы ударяют в лопасти, расталкивая их серией импульсов и отскакивая в другую сторону с таким же давлением, но со значительно меньшей скоростью ³ .
• Реакционная турбина : В реактивной турбине имеется второй набор стационарных лопастей, прикрепленных к внутренней части корпуса турбины. Они помогают ускорить и направить пар на вращающиеся лопасти под правильным углом, прежде чем пар рассеется при пониженной температуре и давлении. ²

Что такое паровая турбина | Как работает паровая турбина?

Турбины используются во всем мире для производства электроэнергии. Использование турбин растет день ото дня. Существует несколько типов турбин, которые используются в соответствии с требованиями приложения. Паровая турбина является наиболее распространенным типом турбины, которая также используется во всем мире для производства дешевой электроэнергии. По рабочему телу турбины бывают четырех основных типов:

1. Водяная турбина
2. Газовая турбина
3. Ветряная турбина
4. Паровая турбина

В предыдущих статьях мы обсуждали газовую турбину, гидротурбину и ветряк.Поэтому в этой статье я буду объяснять различные аспекты паровой турбины только с помощью диаграмм.

Что такое паровая турбина?

Паровая турбина представляет собой механическое устройство, которое преобразует тепловую мощность пара в механическую работу в виде энергии вращения . Эта турбина известна как паровая турбина, потому что она использует пар в качестве рабочего тела. В 1884 первая паровая турбина была открыта сэром Чарльзом А . Парсонс .

В этой турбине механическая работа производится с помощью вала турбины. Этот вал соединен с парогенератором, который преобразует механическую энергию вала в электрическую.

Пар имеет преимущество перед водой: объем пара очень быстро расширяется. Скорость паровой турбины прямо пропорциональна выходной мощности. Поэтому паровые турбины должны работать на максимальной скорости, если вы хотите добиться наибольшей производительности.Колесные турбины не могут вращаться с высокой скоростью, как паровая турбина.

Максимальная эффективность достигается за счет использования кинетической энергии пара. Эти турбины имеют много преимуществ перед другими типами турбин, например: они производят недорогую электроэнергию, а паровая энергия не загрязняет окружающую среду.

По этим причинам эти турбины заменили поршневые двигатели в качестве первичных двигателей на крупных электростанциях. Паровые турбины работают по основному принципу термодинамики.То есть, когда пар расширяется, его температура падает.

Принцип работы паровой турбины

Принцип работы паровой турбины очень прост. Паровая турбина работает по основному принципу цикла Ренкина .

Рис. Работа паровой турбины

Источник изображения: https://schoolworkhelper.net/

При работе паровой турбины в котельную часть с помощью насоса в первую очередь подается вода из внешнего источника (например, реки, моря или канала).Затем вода в котелке нагревается до очень высокой температуры, чтобы вода могла превратить ее в перенасыщенный пар.

В котле производство пара варьируется в зависимости от теплоты сгорания и скорости потока, а также используемой площади поверхности теплопередачи. Поскольку котел вырабатывает пар, пар направляется в зону турбины. Собственно, в этих турбинах энергия давления пара преобразуется в К.Э. после прохождения пара через сопло.

Когда пар ударяется о лопасти ротора, он создает динамическое давление на вал и лопасти ротора.По этой причине и вал, и лопасть начинают вращаться в одном направлении. Благодаря этому процессу тепловая энергия пара преобразуется в энергию вращения лопасти ротора, и ротор начинает вращаться.

Вал соединен с ротором турбины. Вал получает энергию вращения от ротора и начинает вращаться.

Генератор, называемый парогенератором, соединяется с валом через змеевик. Вал вращает катушку генератора в магнитном поле.Когда катушка вращается в магнитном поле, электричество генерируется и течет внутри проводов.

Благодаря простой конструкции этих турбин вибрация намного ниже, чем у других двигателей с такой же скоростью.

Читайте также: Работа газовой турбины

Типы паровых турбин

Существует несколько типов паровых турбин в зависимости от их различных операций и промышленного значения. Ниже приведены наиболее основные типы паровых турбин:

1) По месту входа пара

1. Турбина центрального впуска
2. Торцевая турбина

2) На основании заявки

1. Судовая турбина
2. Промышленная турбина
3. Турбина общего назначения

3) По давлению турбины

1. Турбина низкого давления
2. Турбина среднего давления
3. Турбина высокого давления

4) В зависимости от состояния выхлопа турбины

1. Вытяжная конденсационная турбина
2. Турбина экстракции
3. Турбина с противодавлением
4. Прямой конденсационный

5) По расходу пара

1. Радиальная турбина
2. Осевая турбина

6) На основе конструкции лезвия

1. Реакционные турбины
2. Импульсные турбины

1) В зависимости от состояния выхлопа турбины

В этой категории паровые турбины бывают следующих трех типов:

i) Конденсационные паровые турбины

В этих типах паровых турбин пар подается в турбину через регулирующий клапан.Поскольку название конденсационной турбины означает, что пар внутри турбины не может расширяться, потому что эта турбина предназначена для конденсации. Кроме того, на заключительном этапе лезвие намокнет.

Отработанный пар конденсируется в конденсаторе, а конденсатор превращает этот пар в воду. Эта конденсированная вода снова используется в котле для производства пара. Эти турбины наиболее распространены на гидроэлектростанциях.

ii) Паровая турбина с противодавлением

В этой турбине пар не расширяется полностью.После частичного использования тепловой энергии пара внутри турбины весь пар выделяется при определенной температуре и давлении.

Параметры пара на выходе определяются в соответствии с технологическими требованиями.

iii) Вытяжная и конденсационная турбина

Вытяжная конденсационная турбина имеет два впускных клапана. Первая ступень турбины известна как «ступень высокого давления (ВД)», а вторая ступень известна как «ступень низкого давления (НД)».

По завершении фазы высокого давления высвобождается некоторое количество пара. Оставшийся пар поступает в ступень низкого давления, где он далее конденсируется при низком давлении.

Читайте также: Работа ТРДД

2) Типы в зависимости от процесса теплоотвода

В этой категории паровые турбины бывают следующих типов:

i) Конденсационная турбина с генератором

В турбине этого типа пар подается в камеру конденсатора под давлением ниже атмосферного.

В этой турбине пар выходит из промежуточной ступени и используется для нагрева питательной воды. Скрытая теплота выхлопного пара в процессе конденсации полностью сбрасывается.

ii) Конденсационные турбины с различными промежуточными ступенями извлечения

В паровой турбине этого типа пар выпускается из промежуточной фазы и используется для промышленного отопления.

iii) Турбины с противодавлением

 В турбине с противодавлением выхлопной пар используется для отопления или промышленных целей.Также можно использовать турбину с пониженным вакуумом, в которой поток выхлопных газов можно использовать для нагрева и обработки. Эти турбины также известны как нерасширяющиеся турбины.

Механическая энергия турбины используется для работы механических или электрических устройств, таких как компрессоры, вентиляторы, насосы и т. д. Эти паровые турбины имеют простую конфигурацию. Им требуется очень мало охлаждающей воды или ее отсутствие.

Эти турбины имеют более низкую цену по сравнению с экстракционными паровыми турбинами.Паровая турбина с противодавлением не отводит тепло при конденсации; следовательно, он имеет высокую эффективность.

        Рис. Турбина противодавления

iv) Турбина топпинга

В топочной турбине отработавший пар используется в конденсационных турбинах низкого и среднего давления. Топливная турбина работает в условиях более высокой начальной температуры и давления пара и используется в основном для увеличения мощности электростанций.

        Рис. Цикл отбензинивания турбины

3) Типы в зависимости от состояния пара на входе в турбину

Паровая турбина имеет следующие типы в этой категории: 

i) Турбины сверхкритического давления

В этих турбинах используется пар с давлением более 225 атм.

ii) Турбина сверхвысокого давления

Он использует температуру 550°C или более и давление пара 170 атм или более.

iii) Турбина высокого давления

Используется пар с давлением более 40 атм.

iv) Турбина среднего давления

Эти турбины потребляют давление пара до 40 атм.

v) Турбины низкого давления

Эти типы паровых турбин используют пар с давлением 1.2 атм до 2 атм.

4) Типы паровых турбин в зависимости от промышленного использования

В зависимости от промышленного применения паровые турбины бывают следующих типов.

i) Стационарные турбины с постоянной частотой вращения

Эти турбины в основном используются для привода генераторов переменного тока.

ii) Стационарная турбина с переменной скоростью

Эти турбины используются для питания насосов, циркуляционных насосов, турбовентиляторных двигателей и многого другого.

iii) Переходная турбина с переменной скоростью

Эти турбины обычно используются на железнодорожных локомотивах, кораблях и пароходах.

5) Типы в зависимости от конструкции лопасти

По конструкции лопаток паровые турбины делятся на два основных типа.

1. Реакционная турбина
2. Импульсная турбина

i) Реакционная турбина

Основная статья: Реакционная турбина

В случае реактивной турбины пар проходит через лопатки.Затем он расширяется как на подвижных, так и на неподвижных лопатках турбины. Подвижные и неподвижные лопасти имеют постоянный перепад давления.

Реактивные турбины немного отличаются от импульсных турбин, которые состоят из неподвижных сопел и подвижных лопастей. По сравнению с импульсными турбинами реактивные турбины имеют более низкий перепад давления на ступень. Реактивная турбина обычно более эффективна.

Примером реактивной турбины является турбина Парсона. Реактивная турбина требует в два раза больше рядов лопаток, чем импульсная турбина, для преобразования той же тепловой энергии.Таким образом, реактивные турбины становятся тяжелее и длиннее.

ii) Импульсная турбина

Основная статья: Импульсная турбина

Включает известные типы паровых турбин. В случае импульсной турбины пар выходит из неподвижных сопел с очень высокой скоростью и ударяется о неподвижные лопасти вокруг ротора.

Лопасть отклоняет отклонение потока пара без изменения давления. Вал турбины вращается за счет изменения импульса.

В этих турбинах пар, который впрыскивается с очень высокой скоростью из неподвижного сопла, ударяется о лопасти, прикрепленные к ротору. Лопасть изменяет направление потока пара без изменения давления пара.

Сила, создаваемая изменением крутящего момента, заставляет вращаться вал турбины.

Компоненты паровой турбины

Паровая турбина состоит из следующих основных частей:

1. Корпус
2. Лопасти ротора
3. Ротор
4. Губернатор

1) Корпус :-

Корпус выдерживает все малые и высокие рабочие нагрузки.В корпусе есть ротор, лопасти, регулятор и множество других внутренних компонентов.

Он сконструирован таким образом, что минимизирует тепловую нагрузку. Он обеспечивает безопасность всех внутренних частей паровой турбины.

2) Ротор:- 

Ротор имеет несколько лопаток, которые вращаются вместе с ротором. У него есть вал. Одна сторона вала используется для подключения ведомого насоса, а другой конец вала используется для регулятора скорости и системы быстрого отключения.

Ключевая часть паровой турбины, преобразующая тепловую энергию пара в механическую энергию.

3) Лезвия:-

Эти лопасти используются для извлечения энергии высокоскоростного пара и передачи ее ротору. Конструкция этих лопаток играет важную роль в эффективности турбины.

4) Губернатор: —

Система регулятора представляет собой систему управления, зависящую от скорости, которая устанавливается в паровой турбине. Он также известен как контроллер .Он используется для управления скоростью вращения турбины.

Регулирующий клапан устанавливается для управления скоростью турбины путем изменения расхода пара турбиной. Он имеет систему серводвигателя, противовес с пружинным возвратом и паровой клапан.

Этот компонент турбины регистрирует скорость вала турбины посредством прямого узла или магнитного импульса от шестерни.

Изменение условий на выходе и входе паровой турбины и изменение мощности, требуемой от насоса, вызывает изменение скорости турбины.Это изменение скорости приводит к перестановке грузов регулятора, а затем и клапанов регулятора.

Эффективность паровой турбины

Многие аспекты влияют на эффективность паровой турбины, включая размер и тип турбины, а также температуру и давление пара на входе и выхлопе. Это также зависит от расхода пара.

Эти турбины лучше всего подходят для крупных тепловых электростанций. Существуют разные размеры турбин до 1.5 ГВт для выработки электроэнергии.

Читайте также: Эффективность газовой турбины

Как рассчитать КПД паровой турбины

Паровая турбина бывает двух типов:

1. Импульсная реактивная турбина
2. Реакционная паровая турбина

Эти оба типа паровых турбин работают на разных принципах, как обсуждалось выше. Следовательно, они имеют разный КПД, но по приведенной ниже формуле можно рассчитать КПД этих турбин:

В приведенном выше уравнении входная кинетическая энергия изменяется в зависимости от абсолютной скорости пара на входе в турбину.В то время как выполняемая работа зависит от многих факторов, таких как относительная скорость пара, уменьшение количества тепла пара в турбине, угол наклона лопасти и угол наклона направляющего аппарата на входе в турбину.

В некоторых случаях из-за этих факторов очень сложно рассчитать проделанную работу, а иногда невозможно точно рассчитать некоторые специфические характеристики, такие как давление пара, температура и скорость.

Ниже приведены два различных метода расчета паровой эффективности:

1. Эффективность лопатки (ɳb)
2. КПД ступени (ɳs)

Скорость пара используется для расчета КПД лопатки (ɳb).Напротив, изменение энтальпии пара используется для расчета эффективности ступени (ɳs). Энтальпия описывает теплоемкость пара.

В обоих случаях угол наклона направляющего аппарата на стороне впуска обозначается α1 , и он играет важную роль в эффективности турбины. Косинус этого угла выполняет центральную функцию в определении КПД импульсной и реактивной паровых турбин.

На приведенной ниже диаграмме показан КПД лопаток импульсной и реактивной турбин.

Рисунок: КПД лопаток реактивной и импульсной паровых турбин

Приведенная выше диаграмма ясно показывает, что импульсная турбина менее эффективна, чем реактивная паровая турбина.

Наивысшего КПД импульсной турбины можно добиться, установив угол входной лопасти равным нулю. Это связано с тем, что этот угол минимизирует трение за счет уменьшения площади поверхности лезвия.

Вы также можете соединить несколько турбин последовательно, чтобы максимизировать энергию пара, прежде чем пар будет возвращен в конденсатор.Метод расчета КПД ступени лучше всего работает в этом типе узла турбины.

Формула эффективности паровой турбины

Эффективность паровой турбины можно рассчитать по следующим формулам:

Изэнтропический КПД:- Это соотношение между фактической работой и изоэнтропической работой турбины.

Электрическая эффективность ТЭЦ :-   Это соотношение между чистой выработанной электроэнергии и общим количеством топлива в котле.Для его расчета используется следующее уравнение:

Электрическая эффективность ТЭЦ = Чистая выработанная электроэнергия/Общее количество топлива в котле

Общая эффективность ТЭЦ :-  Используется для измерения электроэнергии и пара, производимых общим топливом внутри котла. Общий КПД ТЭЦ можно рассчитать по следующей формуле.

Общая эффективность ТЭЦ = (Чистый пар для обработки + Чистая выработанная электроэнергия)/Общее количество топлива в котле

Как повысить эффективность паровой турбины

Существуют различные методы повышения эффективности паровой турбины, и некоторые из них приведены ниже:

• Полосы рассеивания также могут использоваться для уменьшения потерь при дросселировании.
• Потери на трение можно уменьшить, используя высокоэффективные лопасти/форсунки.
• Дефлектор выхлопного воздуха может использоваться для снижения давления в корпусе выхлопа.
• Конкретные свойства, используемые в конкретном приложении, обычно основаны на компромиссе между капитальными вложениями и стоимостью производства пара в течение срока службы турбины. Итак, это метод оптимизации.
• В подогревателе воды при определенных условиях расширенный пар вытягивается турбиной.После извлечения этот пар используется для нагрева воды непосредственно перед подачей на турбину. В системе водяного подогревателя энергия извлеченного пара возвращается в систему, а потери от источника холода намного меньше, чем в простом цикле Ренкина. Кроме того, этот процесс экстракции завершается в несколько этапов. Теоретически КПД электростанции прямо пропорционален количеству ступеней отбора пара. Чем больше ступеней отбора пара, тем выше КПД электростанции.

P-V схема паровой турбины

Паровая турбина работает по циклу Ренкина. Цикл Ренкина — это идеальный термодинамический цикл тепловой машины, преобразующей тепловую энергию в механическую работу при фазовом переходе.

Парогенератор работает следующим образом: —

• Изэнтропическое сжатие :- На приведенной выше диаграмме линия 1-2 соответствует изоэнтропическому сжатию. В этом цикле жидкость перекачивается от низкого давления к высокому давлению.Во время этого процесса насосу требуется очень малая мощность для перекачивания жидкости.
• Изобарическое теплоснабжение: —  Линия 2-3 представляет процесс изобарического теплоснабжения. Вода высокого давления поступает в котел, где нагревается от внешнего источника тепла при постоянном давлении для преобразования в сухой насыщенный пар.
• Изэнтропическое расширение: —  Линия 3-4 представляет процесс изоэнтропического расширения. Во время этого процесса сухой насыщенный пар расширяется турбиной для производства электроэнергии.В этом процессе конденсация происходит за счет снижения давления и температуры паров пара.
• Изобарический отвод тепла:- Строка 4-1 представляет процесс изобарического отвода тепла. В ходе этого процесса влажные водяные пары попадают в конденсатор, где конденсируются в насыщенную жидкость при постоянном давлении.

Преимущества и недостатки паровой турбины

Паровая турбина имеет следующие преимущества и недостатки:

Преимущества паровых турбин

1. Это тип вращающегося теплового двигателя, который особенно подходит для привода генераторов.
2. Поршневые двигатели имеют низкий тепловой КПД по сравнению с парогенератором.
3. Соотношение мощности к массе очень высокое по сравнению с поршневым двигателем.
4. Эти турбины имеют низкое количество вращающихся элементов по сравнению с поршневым двигателем.
5. Эти турбины лучше всего подходят для крупных тепловых электростанций. Существуют турбины различных размеров до 1,5 ГВт для выработки электроэнергии.
6. Как правило, пар содержит большое количество энтальпии (особенно в виде теплоты парообразования).Это означает, что пар имеет меньший массовый расход по сравнению с газовыми турбинами.
7. Паровые турбины более надежны, особенно в приложениях, требующих постоянной высокой производительности.
8. Электричество, производимое паровой турбиной, имеет относительно низкую стоимость.

Недостатки паровых турбин

1. Имеет высокую начальную стоимость.
2. В режиме частичной нагрузки эффективность этой турбины ниже, чем у поршневого двигателя.
3. Имеет большее время пуска по сравнению с газовой турбиной и больше, чем поршневой двигатель.
4. По сравнению с поршневым двигателем и газовой турбиной он меньше реагирует на изменения энергопотребления.

Применение паровых турбин

1. Эти турбины используются в производстве электроэнергии.
2. Используется в возобновляемых источниках энергии
3. Они также используются для производства электроэнергии с помощью пара.
4. Эти виды использования на заводах по переработке отходов.
5. Использование паровых турбин в нефтегазовых компаниях.
6. Эти генераторы также используются в обрабатывающей промышленности.
7. Эти турбины используются в ракетах, самолетах и ​​кораблях для создания движения.

Преимущества паровых турбин перед паровыми двигателями

1. Более высокая тепловая эффективность.
2. Отсутствие возвратно-поступательных компонентов для идеального баланса и отсутствие необходимости в тяжелом фундаменте.
3. С паровой турбиной возможен диапазон высоких скоростей.
4. Смазка очень проста, так как нет фрикционных компонентов.
5. Маховик не требуется, поскольку скорость выработки энергии одинакова.
6. В случае паровой турбины потребление пара невелико.
7. Во время работы паровые турбины требуют меньше внимания и более компактны.
8. Лучше всего подходит для крупных электростанций.
9. Отсутствие таких деталей, как шатуны, траверсы, поршневые штоки и поршни, значительно упрощает конструкцию и эксплуатацию, а также снижает затраты на техническое обслуживание.
10. Может возникнуть значительная перегрузка, но общая эффективность немного снижается.

Раздел часто задаваемых вопросов

какой обмен энергии происходит между парогенератором и турбиной?

Между турбиной и парогенератором тепловая энергия преобразуется в механическую энергию (энергию вращения).За счет этой энергии вращения ротор турбины начинает вращаться, что дополнительно вращает катушку генератора, а генератор преобразует механическую энергию в электрическую.

Паровая турбина работает по какому циклу

Паровая турбина работает по циклу Ренкина.

Кто изобрел паровую турбину?

В 1884 первая паровая турбина была открыта сэром Чарльзом А . Парсонс .

Мы подробно рассмотрим принцип работы паровой турбины и некоторые другие аспекты.Итак, я надеюсь, что вы усвоили все концепции, связанные с этой темой. Если вам нужна дополнительная помощь по этой теме, дайте мне знать в поле для комментариев. Я постараюсь дать вам хороший ответ.

Подробнее

1. Различные типы турбин
2. Работа газовой турбины

Работа турбины — обзор

Газовая турбина наземного базирования

Газовая турбина наземного базирования работает аналогично авиадвигателю, атмосферный воздух поступает через впускное отверстие, он одновременно сжимается, нагревается и расширяется.Работа, создаваемая расширением внутри секции турбины, делится между полезной работой вала (привод механического, электрического или морского силового оборудования) и собственным компрессором, который потребляет примерно 55–65% его общей энергии.

Самые маленькие наземные промышленные газовые турбины называются « микротурбины». ” Они имеют ограниченную выходную мощность, исчисляемую в киловаттах (кВт), а не в мегаваттах (МВт), как в случае более крупных газовых турбин. Они используются в основном в когенерационных установках (т.д., производство тепла и электроэнергии).

Малые и средние промышленные газовые турбины обычно имеют мощность от 2,5 до 20 МВт и в основном используются в качестве механических валов для привода компрессоров на нефтехимических заводах. Хотя они не являются производными от авиационных двигателей, они могут иметь архитектуру, сравнимую с авиационными производными.

Газовые турбины Aeroderivative имеют меньший вес и меньшую занимаемую площадь по сравнению с другими промышленными газовыми турбинами, обычно в десять раз меньше веса при той же выходной мощности примерно в 2 раза.5–50 МВт. Они были адаптированы из авиационных двигателей для поддержки более широкого спектра наземных и морских приложений. Сегодня авиационные производные в значительной степени способствуют работе газопроводов в качестве приводов компрессоров, кроме того, они обеспечивают пиковую и периодическую выработку электроэнергии для поддержки возобновляемых источников энергии. Как правило, они используются в устройствах с простым циклом из-за их низкой температуры выхлопных газов, что является ключевой характеристикой газовых турбин с высокой степенью сжатия. Оба они унаследованы от своих родительских авиадвигателей.В дополнение к тому, что они препятствуют их применению в комбинированном цикле, степень высокого давления не идеальна для приложений с низким давлением в трубопроводе и требует установки газового бустера.

Газовые турбины для тяжелых условий эксплуатации в основном используются для выработки электроэнергии, где требуется высокая выходная мощность. Последняя превысила 500 МВт в приложениях с простым циклом, где выходная мощность основана только на газовой турбине, например, классов H/HL/HA: Siemens SGT5-9000 HL мощностью 545 МВт и GE 9HA.02 на 544 МВт. Однако подавляющее большинство из них работает в сочетании с паровой турбиной (т. е. с комбинированным циклом, работающим на газе и паре), что обеспечивает выходную мощность около 774 МВт (класс J).

Вал газовой турбины большой мощности соединен с синхронным генератором переменного тока. Последний, имея равные частоты вращения и тока/напряжения (т. е. механическую и электрическую частоты), движется со скоростью, пропорциональной переменным токам в его якоре или катушках возбуждения, создавая электродвижущую силу (ЭДС) или напряжение.Преобразование механической (т. е. мощности на валу) в электрическую мощность (т. е. ватт) осуществляется в соответствии с «законом индукции Фарадея».

Выходная мощность генератора используется для оценки газовой турбины. В парогазовых электростанциях дополнительная мощность вырабатывается паровой турбиной. В этой конструкции выхлопной газ из газовой турбины вместо того, чтобы тратиться впустую, используется для производства пара из питательной воды и питания паровой турбины. Последний, в свою очередь, вносит свой вклад в общую механическую мощность на валу без дополнительного расхода топлива, обеспечивая высокоэффективную конфигурацию.