Принцип работы турбины на бензиновом: Принцип работы турбины на бензиновом двигателе

назначение, принцип действия и работы

Турбина – специальный узел, который агрегатируется (соединяется) с двигателем внутреннего сгорания в единую систему, с целью повышения его мощности. Применение турбонаддува позволяет существенно улучшить динамические характеристики силовых установок без необходимости увеличения скорости вращения коленвала, объема камер сгорания или их количества. Турбина может эффективно использоваться, как на бензиновых, так и дизельных ДВС, обеспечивая более полное сгорания топлива и уменьшая при этом токсичность выхлопных газов.    

Корпус турбины состоит из двух конструктивных элементов: улитки выпускного коллектора (горячей части) и улитки турбокомпрессора. В улитке выпускного коллектора располагается колесо с крыльчаткой, которое приводится в действие выхлопными газами двигателя. В улитке компрессора находится колесо с крыльчаткой, обеспечивающее затягивание воздуха. Оба рабочих колеса установлены на одном валу, который помещен в картридж с подшипниками.

Недорогие турбины имеют только масляное охлаждение трущихся частей. В более совершенных моделях картридж с подшипниками также подсоединен к отдельному контуру охлаждения с антифризом.

Конструкции турбин для бензиновых и дизельных ДВС не имеют существенных отличий. Но бензиновому турбонагнетателю приходится работать под воздействием более горячей газовой среды, чем дизельному. Поэтому для его создания применяются более жаростойкие и жаропрочные материалы.

Назначение турбины

Главное назначение турбины заключается в повышении мощности двигателя автомобиля за счет использования энергии выхлопных газов. Турбированные силовые установки имеют меньший расход топлива, чем аналогичные по мощности обычные моторы. Турбодвигатели обладают лучшими показатели соотношения веса к развиваемой мощности. Кроме этого они работают значительно тише. Применение турбокомпрессоров позволяет увеличить крутящий момент двигателя, и, как следствие, повысить его скорость набора максимальной мощности, что положительно отражается на динамических характеристиках автомобиля.              

Принцип действия турбины

Технология турбонаддува основа на использовании энергии выхлопных газов для нагнетания воздуха под определенным давлением в камеры сгорания, что позволяет увеличить объем воздушно-капельной смеси и улучшить ее качество.

Газообразные продукты сгорания топлива не выбрасываются сразу в атмосферу. По специальной магистрали они направляются на турбинное колесо, приводя в движение последнее, после чего выводятся из системы. Турбинное колесо через роторный вал вращает компрессорное колесо, засасывающее воздух. В корпусе компрессора высокоскоростной воздушный поток с низким давлением преобразуется в низкоскоростной поток с высоким давлением.

Сжатый воздушный поток направляется в охладитель (интеркуллер), где происходит его охлаждение, после чего он направляется в камеры сгорания ДВС. Эффективность работы турбонаддува напрямую связана с интенсивностью вращения коленчатого вала. Чем она выше, тем быстрее будет работать турбина, обеспечивая поступление сжатого воздуха в цилиндры.     

Конструкционные узлы турбины постоянно испытывают интенсивные термодинамические нагрузки, поэтому к ее материалам предъявляются особые требования. Они должны быть устойчивы к критически высоким температурам, не бояться температурных перепадов, обладать высокой прочностью. Для изготовления турбо-систем используют легированную сталь, чугун, жаропрочные сплавы алюминия. В случае поломки основных узлов турбины, они практически не поддаются ремонту и требуют полной замены.   

Компания ReSTART предлагает купить на самых выгодных условиях оригинальные запчасти Melett (Англия) для ремонта турбин различных производителей. Свой заказ вы можете оформить в любой удобный для себя момент. Наши специалисты предоставят квалифицированную консультацию и помогут подобрать наиболее подходящий вид комплектующих.  

описание, устройство, особенности :: SYL.ru

Для того, чтобы увеличить мощность и крутящий момент двигателя, человечество придумало массу устройств и агрегатов. Самый простой метод – пойти на увеличение объема камеры сгорания. Чем больше топлива попадет в цилиндр, тем больше произведется полезной работы. Но здесь возникают проблемы. Во-первых, размеры такого мотора могут быть запредельными, а во-вторых, эксплуатация такого ДВС ввиду высокого расхода топлива будет нерентабельной. Поэтому в последнее время все чаще автопроизводители оснащают свои машины турбиной. Что это за элемент. и в чем заключается принцип работы турбины? Узнаем подробно в нашей статье.

Характеристика

Турбина – это элемент впускной системы двигателя, который служит для увеличения давления воздуха за счет применения энергии отработавших газов. Благодаря ее работе, возрастает масса воздуха в камере сгорания.

Это позволяет ускорить такты работы двигателя и увеличить его крутящий момент. Также отметим, что первые турбины имели механический привод. Принцип работы такой турбины заключался в преобразовании энергии от коленчатого вала. С последним элемент соединялся путем ременной передачи. Но вскоре такие агрегаты перестали использоваться. Сейчас все производители применяют газовую турбину, принцип работы которой позволяет увеличить КПД двигателя на 80 процентов вместо 30.

Где используется

В основном, такой агрегат можно встретить на современных автомобилях. Но используется данный нагнетатель не на всех ДВС. Сдерживающим фактором применения турбины на бензиновых моторах является высокая степень детонации. Она связана с увеличением частоты вращения ДВС и огромной температурой выхлопных газов (до тысячи градусов). Ввиду этого часто используется турбина на дизельном двигателе. Принцип работы такого ДВС несколько иной. Здесь меньший риск детонации, а температура газов не превышает 600 градусов. Особенно часто компрессоры встречаются на коммерческом транспорте. Невозможно представить современный автобус или магистральный тягач, не оснащенный такой турбиной. Если говорить о марках, то турбина устанавливается на следующие авто:

• «Фольксваген».
• «Мерседес».
• «Вольво».
• «Мазда».
• «Ауди».
• «Рено».
• «Тойота».

Есть и другие сферы, где применяется подобный элемент. Например, это электростанции и ДВС кораблей. Но здесь используется уже паровая турбина, принцип работы которой мы рассмотрим немного позже.

Недостатки

Почему данный элемент присутствует не на всех двигателях внутреннего сгорания? В первую очередь, применение турбины увеличивает себестоимость производства авто. Помимо самой улитки, требуется еще ряд других элементов.

К тому же, для работы с турбиной двигателю нужна другая более крепкая поршневая система и блок. Это тоже влечет за собой дополнительные расходы. Также среди недостатков можно отметить так называемую турбояму (когда мотор не может набрать обороты за нужное время). Причинами данного явления является инерционность компрессора.

Конструкция

Итак, давайте рассмотрим устройство и принцип работы турбины. А состоит данный элемент из трех основных составляющих:

• Центрального корпуса.
• Центробежного компрессора.
• Улитки.

В конструкцию последней входит турбинное и компрессорное колеса, вал ротора, подшипники скольжения и уплотнительные кольца. Все это заключено в крепкий металлический термостойкий корпус. Поскольку принцип работы турбины двигателя основан на использовании энергии выхлопных газов, горячая часть улитки может раскаляться до тысячи и более градусов Цельсия.

Вспомогательные элементы

Поскольку турбина входит в состав впускной системы, ее работа невозможна без использования воздушного фильтра, дроссельной заслонки, а также интеркулера.

Последний призван охладить кислород, который нагнетается в камеру под давлением. Чем холоднее воздух в интеркулере, тем лучше сгорает смесь в цилиндрах. Также в конструкции не обходится без соединительных и масляных шлангов.

Как работает

Стоит отметить, что принцип работы турбины на бензиновом двигателе такой же, как и на дизельном. Во время работы ДВС вырабатываются выхлопные газы. Они поступают в корпус (горячую часть улитки), где двигаются по лопаткам турбинного колеса. Последнее раскручивается до невероятных скоростей – 100 и более тысяч оборотов в минуту. Поскольку турбинное колесо жестко соединено с валом, крутящий момент передается на вторую холодную часть турбины. Та, в свою очередь, начинает захватывать кислород из атмосферы. Он проникает внутрь после того, как пройдет через фильтр. Далее воздух под давлением попадает во впускной коллектор, где смешивается с топливом и проникает в камеру сгорания. В качестве материалов для корпуса турбины используются жаропрочные марки стали и железоникелевый сплав.

Производительность компрессора зависит от ее формы и габаритных размеров. Чем больше ее диаметр, тем больше воздуха засасывается во впускной коллектор. Но нельзя постоянно увеличивать размеры компрессора. Это может привести к турбозадержке. Малая турбина раскручивается значительно быстрее до номинальной скорости. Но на пике имеет меньшую производительность. Поэтому размеры и форма элемента подбираются строго индивидуально для каждого ДВС. Нельзя установить агрегат от бензинового авто на дизельный, и наоборот. Хоть и имеет одинаковый принцип работы турбина, действовать она будет иначе на разных авто.

Важный момент: для регулирования давления наддува в конструкции предусмотрен специальный перепускной клапан. Он имеет пневматический привод, а управляется ЭБУ двигателя.

Система смазки

Это неотъемлемая составляющая любой турбины. Принцип работы системы смазки простой. Масло подается между подшипником и корпусом компрессора через множество каналов под давлением. Но не стоит думать, что эта система нужна только для смазки. Также она охлаждает нагретые детали компрессора. На некоторых двигателях турбина сопряжена с общей системой охлаждения. Благодаря этому, достигается лучшее охлаждение, но такая конструкция значительно сложнее и дороже в производстве.

Дабы избавиться от турбоямы, производители постоянно совершенствуют конструкцию турбины на дизеле. Принцип работы ее остается прежним, но меняются следующие моменты:

• Масса компрессора. Турбина изготавливается из одновременно легких и прочных материалов (например, из керамики).
• Конструкция подшипников. Чем меньше потери на трение, тем выше производительность турбины. Колесо легче раскручивается до номинальных значений.

Типы турбин

На данный момент существует несколько популярных типов компрессоров:

• Раздельный. Он имеет два сопла для каждой пары цилиндров и два входа для отработавших газов. Первое сопло предназначено для быстрого реагирования, второе служит для максимальной производительности. В конструкции есть разделенные выпускные каналы. Сделано это для предотвращения перекрытия каналов при выпуске выхлопных газов.
• Компрессор с переменным соплом. Также он известен, как турбина с изменяемой геометрией. Применяется на моторах с маркировкой TDI от «Фольксваген». Здесь в конструкции имеется 9 подвижных лопастей. Они могут регулировать поток выхлопных газов, что идут к турбине. Угол наклона лопастей – регулируемый, что позволяет согласовать давление нагнетаемого воздуха и скорость движения газов с оборотами ДВС.

Для большей производительности на автомобиль может быть установлено два компрессора. Такие системы получили маркировку «Твин-турбо».

Устанавливаются данные механизмы последовательно. При этом первая турбина работает на низких оборотах, а вторая на высоких. На V-образных моторах нагнетатели устанавливаются параллельно (на каждый ряд по одной турбине). Как показывает практика, установка двух небольших компрессоров значительно эффективнее, чем применение одного, но большого.

Паровая турбина

Принцип работы ее немного иной. Пар, который образуется в котле, под давлением попадает на крыльчатку турбины. Последняя совершает обороты, тем самым, вырабатывая механическую энергию. Обычно такая турбина соединена с генератором и применяется на электростанциях. Благодаря механической энергии, генератор производит электричество. Мощность таких агрегатов может достигать 1000 МВт.

Однако данный показатель существенно зависит от перепада давления пара на входе и выходе. Также подобные турбины применяются для привода питательного насоса, на кораблях и судах с ядерной установкой. Что касается военных кораблей, здесь применяется газовая турбина. Принцип работы ее заключается в следующем. Газ поступает через сопловой аппарат компрессора в область низкого давления. При этом он расширяется и ускоряется. Затем поток газа двигает лопатки турбины. Последние передают усилия на вал через диски. Таким образом создается полезный крутящий момент.

В заключение

Итак, мы выяснили принцип работы дизельной турбины, а также бензиновой и паровой. Как видите, данные элементы устанавливаются с единой целью – выработать полезный крутящий момент. В случае с автомобилями он тратится на подачу воздуха под давлением во впуск. А на электростанциях турбина необходима для работы генератора, что вырабатывает ток.

Принципы работы авиационного газотурбинного двигателя

Преобразование энергии

Газотурбинный двигатель представляет собой разновидность теплового двигателя, преобразующего химическую энергию топлива в тепловую энергию. Тепловая энергия вызывает увеличение давления газа, которое преобразуется в кинетическую энергию в виде высокоскоростного потока воздуха. Кинетическая энергия преобразуется в механическую энергию, когда газы вращают ряд турбинных колес, приводя в действие компрессор и аксессуары. В случае турбовинтовых или турбовальных двигателей расширяющиеся газы могут также приводить в действие вторую силовую турбину, приводящую в движение воздушный винт или редуктор.

Цикл преобразования энергии

Цикл преобразования энергии в газотурбинном двигателе известен как цикл Брайтона (или цикл постоянного давления). Подобно четырехтактному циклу Отто, цикл Брайтона имеет процессы впуска, сжатия, сгорания и выпуска. Однако, в отличие от поршневого двигателя, в газотурбинном двигателе все четыре события происходят одновременно и непрерывно. Газотурбинный двигатель способен непрерывно производить энергию. Чтобы поддерживать непрерывное производство энергии, газотурбинный двигатель должен сжигать большое количество топлива. [Рисунок 1]

Рис. 1. В газотурбинном двигателе воздух всасывается через воздухозаборник, сжимается в компрессоре, смешивается с топливом и воспламеняется в камерах сгорания, выбрасывается через турбины и выхлопное сопло . ГТД выполняет те же функции, что и цилиндр и поршень в поршневом двигателе. В газотурбинном двигателе эти четыре события происходят непрерывно

Непрерывное всасывание в газотурбинном двигателе всасывает окружающий воздух в двигатель через впускной канал к первой ступени компрессора. Каждая ступень компрессора увеличивает статическое давление воздуха. В камере сгорания топливо впрыскивается в поток входящего воздуха и воспламеняется, что приводит к непрерывному горению. В результате высвобождения тепловой энергии увеличивается объем воздуха при сохранении относительно постоянного давления.

Когда выхлопной воздух выходит из камеры сгорания, он проходит через турбину, где статическое давление воздуха падает, а объем воздуха продолжает увеличиваться. Поскольку поток расширяющихся газов относительно беспрепятственный, скорость резко возрастает. [Рис. 2]

Рисунок 2 . На этой диаграмме показаны изменения давления и объема во время работы двигателя. Точка А представляет состояние воздуха непосредственно перед входом в компрессор. После того, как он попадает в компрессор, его давление увеличивается, а объем уменьшается. Точка B представляет собой давление и объем воздуха на выходе из компрессора. В точке C тепловая энергия расширяет объем воздушной массы практически без изменения давления. После нагрева воздух расширяется и теряет давление по мере прохождения через секцию турбины к точке D

Принципы работы

Принцип работы газотурбинного двигателя, обеспечивающего движение самолета, основан на законе импульса Ньютона. Этот закон гласит, что на каждое действие есть равное и противоположное противодействие; поэтому, если двигатель ускоряет массу воздуха (действие), он прикладывает силу к самолету (реакция). ТРДД создает тягу, придавая относительно медленное ускорение большому количеству воздуха. Старый чисто турбореактивный двигатель достигает тяги, сообщая большее ускорение меньшему количеству воздуха. Это была его основная проблема с расходом топлива и шумом.

Масса воздуха ускоряется в двигателе за счет использования непрерывного цикла. Окружающий воздух поступает во впускной диффузор, где он подвергается изменениям температуры, давления и скорости из-за эффекта набегания. Затем компрессор механически увеличивает давление и температуру воздуха. Воздух под постоянным давлением поступает в секцию горелки, где его температура повышается за счет сжигания топлива. Энергия берется из горячего газа за счет расширения через турбину, которая приводит в действие компрессор, и за счет расширения через выхлопное сопло, предназначенное для выпуска выхлопных газов с высокой скоростью для создания тяги.

Высокоскоростные газы из двигателя можно считать непрерывными, поскольку они передают эту силу воздушному судну, в котором он установлен, тем самым создавая тягу. Формулу тяги можно вывести из второго закона Ньютона, который гласит, что сила пропорциональна произведению массы на ускорение. Этот закон выражается формулой:

F = M × A

где;
F = сила в фунтах
M = масса в фунтах в секунду
A = ускорение в футах в секунду

В приведенной выше формуле масса аналогична весу, но фактически является другой величиной. Масса относится к количеству материи, а вес относится к силе тяжести на это количество материи. На уровне моря при стандартных условиях 1 фунт массы имеет вес 1 фунт. Для расчета ускорения данной массы в качестве единицы сравнения используется гравитационная постоянная. Сила тяжести составляет 32,2 фута в секунду в квадрате (фут/сек2). Это означает, что свободно падающий объект массой 1 фунт ускоряется со скоростью 32,2 фута в секунду каждую секунду, когда на него действует сила тяжести. Поскольку масса объекта составляет 1 фунт, что также является фактической силой, действующей на него под действием силы тяжести, можно предположить, что сила в 1 фунт ускоряет объект 1-1 со скоростью 32,2 фута/сек2.

Кроме того, сила в 10 фунтов ускоряет массу в 10 фунтов со скоростью 32,2 фута в секунду2. Это предполагает отсутствие трения или другого сопротивления, которое необходимо преодолеть. Теперь очевидно, что отношение силы (в фунтах) равно массе (в фунтах), поскольку ускорение в футах/с2 равно 32,2. Используя M для представления массы в фунтах, формула может быть выражена следующим образом:

В любой формуле, включающей работу, необходимо учитывать фактор времени. Все временные коэффициенты удобно указывать в эквивалентных единицах (например, в секундах, минутах или часах). При расчете реактивной тяги удобен термин «фунты воздуха в секунду», так как секунда — это та же единица времени, что и для силы тяжести.

Связанные посты

• Двигатели газовых турбин и строительство
• Воздушный вход
• Секция сгорания
• Турбинные участки
• ГАЗИННЫЕ ТУРБИНСКИ

  Теория газовых турбин: эксплуатация и повышение мощности

  Знаете ли вы, что технология газовых турбин является наиболее популярной для производства электроэнергии? Если оглянуться на историю, то сразу становится ясно, что экспериментальная стадия этой технологии присутствовала еще в 19 веке. 00с. Хотя первые турбины предназначались для самолетов, в 1939 году была представлена ​​ первая система электроснабжения на основе газовой турбины

  . Благодаря исследованиям и разработкам экономические преимущества и надежность газовой турбины не имеют себе равных. Но какая теория газовых турбин стоит за этой мощной машиной, применяемой в авиации, промышленности и других сферах? Следующее обсуждение предназначено для того, чтобы помочь людям, которые плохо знакомы с этим оборудованием, получить общее представление о его компонентах, работе и увеличении мощности. Если тебе 9Если вы хотите приобрести газовую турбину или просто заинтересованы в том, чтобы узнать больше о тех, которые у вас уже есть, этот пост подготовит вас к более откровенному обсуждению с поставщиком или производителем и поможет вам изучить основы теории газовых турбин.

  
  Турбина может быть легкой и компактной, но она состоит как минимум из трех основных компонентов: компрессора, турбины и камеры сгорания .

  Компрессор повышает давление воздуха для горения, турбина извлекает энергию из газов, а камера сгорания служит для сжигания топливно-воздушной смеси.

  Рис. 1: Одновальная промышленная турбина Кроме того, теория газовых турбин включает различных категорий , некоторые из которых вы могли встретить:

  • Небольшие газовые турбины
  • Газовые микротурбины
  • Газовые турбины промышленного типа
  • Авиационные газовые турбины
  • Турбины для тяжелых условий эксплуатации

  Как работает турбина

  Согласно теории газовых турбин, работа этого оборудования составляет Преобразование топлива, такого как природный газ, в механическую энергию . Эта энергия приводит в действие генератор для производства электроэнергии. Все начинается с того, что окружающий воздух поступает в компрессор. Компрессор повышает температуру и давление воздуха перед направлением преобразованного воздуха в камеру сгорания. Здесь воздушно-топливная смесь нагревается при повышенных давлениях и температурах (более 2000°F) для создания чрезвычайно горячего газа. Этот газ проходит через лопасти турбины, разгоняя их до невероятно быстрого вращения. Другими словами, создает работу, заставляющую приводной вал бешено вращаться . Этот процесс производит электричество, которое можно подавать в сеть. Это так называемый открытый термодинамический цикл Брайтона .

  Теория мощности турбины: подходы к расширению эмпирического применения

  Несколько факторов могут повлиять на эффективность турбины, включая отработанное тепло. Эту проблему можно решить с помощью рекуператора, системы, которая восстанавливает энергию выхлопных газов. Кроме того, одним из крупнейших прорывов в области турбинной мощности является преодоление температурных ограничений в отношении окружающего воздуха на входе . Идеальные условия (ISO) для работы газовой турбины: относительная влажность 60 % и 15° C. Работа может ухудшиться, если температура окружающей среды выше температуры ISO. Это обычная проблема в жарком климате, где температура окружающей среды обычно превышает 30°C. Результатом является снижение мощности турбины и изменение свойств выхлопных газов . Для решения этой проблемы компания ARANER разработала TESTIAC, который представляет собой популярную комбинацию технологии охлаждения воздуха на входе в турбину (TIAC) ​​и накопления тепловой энергии (TES). Благодаря появлению подобных решений и разработке лучших материалов для турбин, 9Мощность турбины 0090 стала на ступень выше, чем у . Возможно, вам интересно сколько времени потребуется на создание такой системы . Еще одним преимуществом TIAC является короткое время поставки, что делает эту технологию идеальной для быстрого увеличения мощности. Проектирование и оптимизация системы охлаждения воздуха на входе в турбину является исчерпывающим процессом. Это связано с тем, что наряду с основами теории газовых турбин необходимо изучать условия окружающей среды. Кроме того, ключевую роль в процессе играют многие переменные: температура воздуха после охлаждения, температура охлажденной воды, метод конденсации. АРАНЕР опыт и в собственных инструментах моделирования может помочь вам в оптимизации системы TIAC.  

  Повышение мощности: как это возможно

  В течение многих лет акцент всегда делался на долговечности турбины, оставляя без внимания потребность в производительности. С появлением и внедрением технологий охлаждения воздуха на входе в турбину производительность газовых турбин теперь может быть улучшена владельцами объектов. Роль технологий охлаждения заключается в увеличении расхода воздуха для горения в компрессоре. Поскольку объемная мощность большинства турбин фиксирована,

  единственный способ увеличить массовый расход — увеличить плотность воздуха . Система ARANER TESTIAC помогает увеличить плотность воздуха. Это не только увеличивает мощность, вырабатываемую турбиной, но и снижает удельный расход топлива на единицу ватта.