Турбина автомобильная принцип работы: Устройство и принцип действия турбокомпрессора авто

Устройство и принцип действия турбокомпрессора авто

Устройство и принцип действия турбокомпрессора направлены на увеличение давления топлива в коллекторе впуска для обеспечения максимального поступление кислорода в камеру, где происходит сгорание. Основное назначение турбины – значительное увеличение мощности двигателя. Даже увеличение давления на 1 атмосферу в коллекторе приводит к попаданию в двигатель двойной порции кислорода. Это позволяет даже небольшому двигателю отдавать такую мощность, как вдвое больший его аналог, но не оснащенный турбонаддувом.

Турбонаддув – принцип работы

Рассмотрим, принцип работы турбины на авто. Поток выхлопных газов поступает из выпускного коллектора в горячую часть турбины, там воздействует на лопасти крыльчатки, приводя ее в движение вместе с валом. На нем закреплена также крыльчатка компрессора, расположенного в холодном отсеке турбины. Она при вращении повышает давление в системе впуска, обеспечивая увеличенное поступление в камеру сжигания топлива и воздуха.

Устройство турбины автомобиля не сложное, она состоит из:

• Улитки компрессора, которая всасывает воздух, а затем нагнетает его в коллектор впуска;
• Улитки, расположенной в горячей части – здесь выхлопные газы заставляют вращать турбину, после чего выбрасываются в систему отработанных газов на выход;
• Крыльчатки компрессора, а также ее аналога в горячей части;
• Шарикоподшипникового картриджа;
• Корпуса, соединяющего улитки, имеющего систему охлаждения и системы подшипников.

Во время работы устройство подвергается значительным термодинамическим нагрузкам. Попадающие в турбину выхлопные газы достигают температуры 900°С, из-за чего ее корпус делают чугунным, причем для отливки используется особая технология. Обороты турбинного вала могут достигать показателя 200 000 об/мин, поэтому в конструкцию устанавливают высокоточные детали, которые тщательно подгоняют и затем балансируют. Также для турбины предъявляются высокие требования к смазочным материалам. Отдельные турбонагнетатели оборудованы так, что система смазки является одновременно охлаждением узла подшипников.

Система охлаждения и устройство турбокомпрессора автомобиля

Охлаждающая система турбокомпрессоров необходима для улучшения передачи тепла от его механизмов и частей. Наиболее распространенные варианты охлаждения деталей — масляный способ и комплексное охлаждение антифризом и маслом. Оба типа имеют свои преимущества, но не лишены и недостатков.

Охлаждение маслом

Достоинства:

• Простая конструкция;
• Удешевление турбокомпрессора.

Недостатки:

• Меньшая эффективность в сравнении с системой, где выполняется использование антифриза с маслом;
  Высокая требовательность к составу масла;
• Необходимость часто его менять;
• Требовательность к контролированию температурного режима.

Изначально устройство турбокомпрессора имело только масляное охлаждение, которое быстро достигало высоких температур, проходя через подшипники. Такое масло начинает сразу закипать, возникает эффект коксования, из-за которого забиваются каналы, существенно ограничивая доступ охлаждения и смазки к подшипникам.

В результате подшипники изнашиваются, их заклинивает, необходим дорогостоящий ремонт. У такой неполадки имеется несколько причин:

• Некачественное или не то, которое рекомендовано для двигателя масло;
• Превышение сроков замены масла;
• Неисправности смазочной системы двигателя автомобиля.

Комплексное охлаждение турбины антифризом и маслом

Преимуществом этого варианта становится большая эффективность получаемого охлаждения. Существенный недостаток – усложнение конструкции турбонагнетателей, что повышает их стоимость.

Устройство турбонаддува в варианте охлаждения турбин антифризом и маслом более сложное, поскольку в нем имеется отдельный масляный контур, а также система с охлаждающей жидкостью. Зато повышается эффективность работы, устраняются проблемы закипания масла.

Для такого турбонагнетателя масло служит, как и прежде, для охлаждения и смазки подшипников, а антифриз, подаваемый из общей цепи охлаждения двигателя, предотвращает перегрев и не дает закипать маслу. Из-за такой сложности увеличивается цена турбонагнетателя.

Что такое интеркулер на авто?

При работе горячей турбины воздух, нагнетаемый компрессором в ее корпусе, сильно сжимается, отчего происходит его нагрев. Это вызывает нежелательные последствия, поскольку при высокой температуре в воздухе меньше кислорода. Значит, эффективность наддува также снижается. Для борьбы с подобным явлением начали, используя рекомендации ученых, устанавливать в турбину интеркулер – вспомогательный охладитель воздуха.

Конструкторы устройства отмечают, что нагрев воздуха далеко не единственная задача, которую им приходится решать при проектировании турбины. Насущной проблемой также становится ее инерционность – задержка реакции двигателя на открытие в коллекторе дроссельной заслонки.

Турбина максимально эффективна, когда достигаются определенные обороты вращения коленчатого вала. Среди автолюбителей даже распространено мнение, что турбонаддув включается только тогда, когда скорость автомобиля достигает определенного значения. Хотя турбина работает постоянно, а значение числа оборотов, при которых ее действие наиболее эффективно, для каждого двигателя индивидуальное.

Отличия твин турбо и битурбо

Решая проблемы устройства турбин, конструкторами была разработана схема, в которой соединились нагнетатели двух компрессоров. Эта конструкция получила название twin-turbo.

Твинтурбо – это система, в которой несколько одинаковых турбин соединены параллельно. Их задача – повысить давление и объем поступающего воздуха. Система управления включает твин-турбо в момент, когда необходимо получить на повышенных оборотах максимальную мощность.

Подобный компрессор реализован в прославленном японском авто бренда Nissan, который получил имя Skyline Gt-R.

В нем установлен мотор rb26-dett. Аналогичная система, однако, оснащенная одинаковыми небольшими турбинами позволяет получить заметный прирост мощности даже при малых оборотах, при этом поддерживать турбонаддув постоянно.

Последовательное соединение разных турбин получило название «битурбо».

Конструкция сделана так, что при невысоких оборотах функционирует лишь маленькая турбина, которая обеспечивает «отзывчивость» при плавно изменяемой скорости. Если обороты резко возрастают, включается «крупная» турбина». Это позволяет машине получить значительный прирост производительности, причем в любом диапазоне функционирования двигателя. Подобная система реализована в моделях BMW biturbo, тюнинг которых вызывает восхищение.

Инновационные разработки

В числе современных разработок, уже радующих автовладельцев, турбина VGT, у которой лопатки крыльчатки изменяют свой угол наклона, направляя ее в сторону, куда направлены выхлопные газы.

Когда обороты двигателя небольшие, становится более узким пропускное сечение выхода в турбину выхлопных газов, поэтому «выхлоп» получается более быстрым. Чаще эту систему применяют для дизельных агрегатов, но есть разработки и для бензиновых двигателей.

Также к инновационным разработкам относится система twinscroll, где благодаря двойному контуру, по которому совершают обход выхлопные газы, получается, что их энергия вращает общий ротор с компрессором и крыльчаткой.

При этом имеется два варианта реализации:

1. Выхлопные газы проходят одновременно оба контура и система функционирует как twinturbo.
2. Второй тип работает наподобие схемы biturbo – имеется два контура, у которых разная геометрия. Когда обороты невысокие, выхлопные газы идут по краткому контуру, увеличивающему энергию и скорость благодаря небольшому диаметру. Если обороты повышаются, выхлопные газы поступают в контур, имеющий больший диаметр – при этом рабочее давление сохраняется во впускной системе и отсутствует запор для выхлопных газов. Распределение регулируют механические элементы — клапаны, переключающие потоки.

Сейчас  выпускают усовершенствованные турбины, поэтому их популярность возрастает все больше . Турбокомпрессоры перспективны как в плане форсирования моторов, так и потому, что повышают экономичность двигателя, чистоту его выхлопа.

Принцип работы турбокомпрессора автомобиля — ПроТурбо

Принцип работы турбокомпрессора

Турбокомпрессор – важнейшая составляющая часть двигателя современного автомобиля. Благодаря ему достигается существенный прирост мощности при незначительной массе самой детали. Как известно, принцип работы турбокомпрессора заключается в сильном сжатии подаваемого в двигатель воздуха и, соответственно, создании высокой мощности взрыва в цилиндрах двигателя. Благодаря турбокомпрессору в двигатель поступает на 50% больше объема воздуха, таким образом, сжигается больший объем топлива, что увеличивает мощность двигателя на 30-40% при тех же затратах топлива. Мотор, который имеет турбину, вырабатывает намного больше полезной энергии, чем не оснащенный ею.

Механизм состоит из таких основных элементов:

• корпус турбины, в которой выхлопные газы вращают ротор;
• корпус компрессора, который всасывает воздух, а затем с помощью ротора нагнетает его в систему впуска;
• картридж между турбиной и компрессором, содержащий вал с крыльчатками ротора;
• интеркулер, который охлаждает воздух перед нагнетанием его в цилиндры двигателя.

Принцип действия автомобильной турбины

Турбокомпрессор на двигатель крепится к выпускному коллектору.  Система турбокомпрессора заключается в том, что турбина при помощи вала соединяется с компрессором, который установлен между воздушным фильтром и впускным коллектором.

Принцип действия автомобильной турбины заключается в сжатии воздуха, который поступает в цилиндры двигателя. Так возникает давление турбокомпрессора. Выхлопные газы из цилиндров вращают лопатки ротора и выходят через боковое отверстие в корпусе турбины в глушитель. Благодаря устройству турбины автомобиля ее ротор, находясь в специальном теплоустойчивом корпусе, превращает энергию потока отработавших газов в энергию вращения и перенаправляет её на компрессорный ротор.

С другой стороны вала ротор компрессора всасывает чистый атмосферный воздух из впускного тракта и направляет его под сильным давлением дальше во впускной тракт к цилиндрам мотора. Когда ротор компрессора вращается, воздух втягивается внутрь и сжимается, так как лопасти ротора вращаются с высокой скоростью. Корпус компрессора разработан таким образом, чтобы превращать поток воздуха, обладающий высокой скоростью и низким давлением, в поток воздуха с высоким давлением и низкой скоростью с помощью процесса, называемого диффузией. В этом и заключается принцип действия автомобильной турбины.

Особенности функционирования

Оба эти ротора, турбинный и компрессорный, жестко закреплены на роторном валу, вращающемся на гидростатических подшипниках. Они поддерживают вал на тонком слое масла, которое постоянно подается для снижения трения и охлаждения вала. Для правильной работы подшипники скольжения должны быть покрыты пленкой масла. Зазоры подшипников очень малы, меньше толщины человеческого волоса.

В турбомоторах воздух, который поступает в цилиндры, приходится дополнительно охлаждать – тогда его сжатие можно будет сделать еще сильнее, закачав в цилиндры двигателя больше кислорода. Ведь сжать холодный воздух легче, чем горячий. Воздух, проходящий через турбину, нагревается от сжатия, от деталей турбонаддува. Поэтому перед попаданием в цилиндры двигателя сжатый воздух охлаждается в интеркулере. Интеркулер – это радиатор жидкостного или водяного охлаждения, установленный на пути воздуха от компрессора к цилиндрам двигателя. За счет охлаждения увеличивается плотность воздуха и, соответственно, закачать в цилиндры его можно больше.

Мощность турбины автомобиля такова, что ротор турбокомпрессора вращается со скоростью до 150 тыс. оборотов в минуту, что примерно в 30 раз быстрее, чем скорость вращения автомобильного двигателя. Так как она соединена с выхлопной системой, температура в турбине также очень высокая. Работа турбокомпрессора заключается в том, что воздух поступает в компрессор при температуре окружающей среды, но при сжатии температура растет и на выходе из компрессора достигает 200°С.

На «самообслуживание» системы наддува тратится немного энергии от двигателя – всего лишь около 1,5%. Это происходит потому, что ротор турбины получает энергию от выхлопных газов за счет их охлаждения. Кроме этого, затрачиваемая на сжатие воздуха даровая энергия повышает КПД двигателя. Да и возможность снять с меньшего рабочего объема большую мощность означает меньшие потери на трение, меньший вес двигателя (и машины в целом). Все это делает автомобили с турбонаддувом более экономичными в сравнении с их атмосферными аналогами такой же мощности.

В последнее время популярность турбокомпрессоров резко возросла. Они оказалось перспективнее не только в смысле форсирования моторов, но и с точки зрения повышения экономичности и чистоты выхлопа. Если вы хотите купить турбокомпрессор с доставкой – вы обратились по адресу. На нашем сайте можно сделать заказ, а также узнать характеристики турбокомпрессора и характеристики турбины для модели своего автомобиля.

Принципы работы автомобильной турбины — описание, механизм, схемы

Турбокомпрессор, турбонаддув, или турбина с постоянным наддувом представляет собой механическое устройство, функция которого состоит в перегрузе эндотермического двигателя, улучшая его характеристики. Чтобы правильно понять функционирование агрегата, необходимо ввести понятие количества поглощаемого воздуха. Существуют различные способы увеличения количества воздуха, поступающего в двигатель, например, увеличение его смещения или увеличение скорости вращения. Однако самый простой способ – в буквальном смысле «залить» камеру сгорания воздухом. Именно в этой гипотезе турбокомпрессор вступает в игру. Целью турбокомпрессора на практике является увеличение плотности поступаемого воздуха, условие, которое позволяет двигателю пропорционально увеличивать его эффективную мощность. В этой статье рассмотрим принципы работы автомобильной турбины в следующем порядке:

1. Как увеличивается плотность воздуха в турбине.
2. Как работает автомобильная турбина с наддувом.

Увеличение плотности воздуха в турбине

Для увеличения плотности воздуха используется турбина (турбокомпрессор с наддувом) с промежуточным охладителем, который выполняет функцию охлаждения сжатого воздуха. Эта конфигурация позволяет вводить большее количество кислорода в камеру сгорания, что, в свою очередь, позволяет заливать большую массу топлива. Так увеличивается мощность двигателя авто.

Но важно понять пошаговые принципы работы автомобильной турбины. Итак, турбокомпрессор состоит из двух основных элементов: компрессора и турбины. Они состоят из рабочего колеса, заключенного в корпус в форме улитки, который может вращаться на значительном числе оборотов. Компрессор и турбина вращаются с одинаковой угловой скоростью, поскольку они выполнены как одно целое через шпиндель.

Принцип работы автомобильной турбины – схема

Турбина здесь в роли интеллектуального устройства, поскольку оно восстанавливает кинетическую энергию выхлопных газов (в противном случае они будут потеряны), превращая их в механическую энергию, полезную для привода крыльчатки компрессора. Следовательно, сжатый воздух вводится во впускной коллектор, обеспечивая невозможный (в противном случае) объем воздуха для безнаддувного двигателя. Не менее важной является функция, выполняемая интеркулером, поскольку сжатый воздух имеет тенденцию повышать свою температуру, а теплообменник (интеркулер) позволяет снизить её и увеличить плотность воздуха.

Принципы работы автомобильной турбины с постоянным наддувом

Внедрение турбокомпрессоров в автопромышленности высветило некоторые проблемы, которые пытались решить в течение многих лет. Например, явление детонации из-за слишком высоких или недостаточных коэффициентов сжатия для надлежащего функционирования системы. Решение было найдено путем установки клапанов, называемых перепускной и отводной, предназначенных для поступления или отвода всасываемого воздуха или выхлопных газов наружу системы.

Клапан перепускной заслонки установлен в выпускном коллекторе, и его отверстие прямо пропорционально давлению наддува. Его функция заключается в ограничении оборотов двух рабочих колес, чтобы двигатель не подвергался чрезмерному напряжению из-за избыточного давления. При превышении пределов, установленных на этапе проектирования, избыточное давление преодолевает сопротивление пружины, помещенной внутрь клапана, отводя выхлопные газы наружу, позволяя компрессору замедляться, снижая следствие наддува.

Турбины компрессора с постоянным наддувом работают только под давлением потока выхлопного газа, который сначала собирается в контейнере, пока не будет создано достаточно высокое давление. При импульсном усилении используется импульс движения выхлопных газов. Поток выхлопных газов поступает непосредственно в турбину через наименьшую возможную трубу выхлопных газов при её перемещении.

Современные турбокомпрессоры развивают скорость до 300 000 оборотов/мин, и требуют экстремальных технических требований для строительства и охлаждения. Гидродинамический подшипник скольжения, который позволяет непрерывной масляной пленке минимизировать трение вала в турбине, является требованием для таких высоких оборотов. Кроме того, в современных турбокомпрессорах используются керамические элементы, что делает устройство более прочным.

Принципы работы турбины в автомобиле, видео:

Основным преимуществом турбокомпрессора является увеличение мощности и оборотов. В результате, значительно снижается расход топлива. Основным недостатком является повышение температуры, вызванное элементами двигателя, что требует более сложной системы охлаждения. В старых турбодвигателях также существует проблема так называемой «задержки турбонаддува», которая при низких оборотах не может создавать достаточно высокое давление и, следовательно, приводит к снижению производительности авто.

Читайте также: История возникновения автомобильной турбины.

устройство и принцип работы. – Турбобаланс

Обычная турбина представляет собой 2 крыльчатки, соединенные осью. Располагаются крыльчатки в разных камерах. Одну крыльчатку вращают выхлопные газы, а вторая вращается за счет первой, тем самым подводя новый воздух в систему.

Общее устройство турбины с изменяемой геометрией ( турбокомпрессора )крыльчатки и принцип нагнетания дополнительного воздуха не отличается от обычных турбокомпрессоров. Основная особенность в поворотных лопатках, механизме управления и вакуумном приводе.

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

При движении на маленькой скорости, турбина крутится медленно. Однако блок управления выставляет лепестки так, чтобы расстояние между ними было минимальным. При малом объеме, газу тяжело поступить через маленькое отверстие, что вынуждает его передвигаться с большей скоростью. В ходе перекрывания, обороты турбины увеличиваются, а значит повышается давление наддува.

 

С помощью таких лепестков, можно поднять скорость вращения турбины не изменяя объем поступающих газов. На высокой скорости компрессор наоборот раздвигает лепестки. Это предусмотрено для поддержания безопасного давления внутри системы и исключения перегрева.

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.

Изменение расстояния между направляющими элементами, в зависимости от типа и модели турбодвигателя управляться как давлением компрессора (или его отсутствием), так и вакуумным приводом, а в некоторых случаях — шаговым электромотором  

Преимущества данной турбины можно выделить следующие:

• авто с изменяемой геометрией турбонаддува могут выдавать большую мощность уже с самих низких оборотов.
• снижение расхода топлива и количества вредных выбросов в атмосферу
• из-за отсутствующего клапана wastegate в «горячей» части уменьшается количество разнонаправленных потоков газов, что улучшает прохождение газов через турбину.
• улучшение эластичности двигателя

Настройка и регулировка турбины с изменяемой геометрией.

Эфективная и правильная настройка и регулировка турбины важна и для эффективности ее работы, и для снижения темпа износа деталей всего механизма, и даже для экономии денег на топливе.

Связано это с тем, что неправильные параметры настройки работы или неправильное (несвоевременное) проведение регулировки турбины непосредственно влияют на весь автомобиль и удобство его управления.

В то время как о некоторых действиях, обычно упоминаемых в инструкции к обслуживанию авто и его механизмов, владелец способен позаботиться самостоятельно, даже без специальных инструментов, опыта и знаний — для большинства из них потребуется внимание профессионала  

Каждый разумный и заботливый автовладелец должен помнить о таких принципах как: своевременная профилактика и обслуживание, а также уклонение от вреда своими действиями. Это верно и для бензинового двигателя, и для дизельного.

Предназначение турбокомпрессора, как он устроен и принцип его работы

Мощность, развиваемая двигателем внутреннего сгорания, зависит от количества топлива и воздуха, поступающего в двигатель. Мощность двигателя возможно повысить за счет увеличения объема этих составляющих.

Но увеличение подачи топлива бессмысленно, если не увеличивается поступление воздуха, необходимого для его сгорания. Поэтому воздух, поступающий в цилиндры двигателя, приходится сжимать. Система принудительной подачи воздуха может работать, используя энергию отработанных газов или с применением механического привода.

Турбокомпрессор или турбонагнетатель — устройство, предназначенное для нагнетания воздуха в двигатель с помощью энергии выхлопных газов. Основные части турбокомпрессора — турбина и центробежный насос, которые связывает между собой общая жесткая ось. Эти элементы вращаются со скоростью — около 100.000 об/мин, приводя в действие компрессор.

Устройство турбокомпрессора

Устройство турбокомпрессора:
1 — корпус компрессора; 2 — вал ротора; 3 — корпус турбины; 4 — турбинное колесо; 5 — уплотнительные кольца; 6 — подшипники скольжения; 7 — корпус подшипников; 8 — компрессорное колесо.

Турбинное колесо вращается в корпусе, имеющем специальную форму. Оно выполняет функцию передачи энергии отработавших газов компрессору. Турбинное колесо и корпус турбины изготавливают из жаропрочных материалов (керамика, сплавы).

Компрессорное колесо засасывает воздух, сжимает его и затем нагнетает его в цилиндры двигателя. Оно также находится в специальном корпусе.

Компрессорное и турбинное колеса установлены на валу ротора. Вращение вала происходит в подшипниках скольжения. Используются подшипники плавающего типа, то есть зазор имеют со стороны корпуса и вала. Моторное масло для смазки подшипников поступает через каналы в корпусе подшипников. Для герметизации на валу устанавливаются уплотнительные кольца.

Для лучшего охлаждения турбонагнетателей в некоторых бензиновых двигателях применяется дополнительное жидкостное охлаждение.

Для охлаждения сжимаемого воздуха предназначен интеркулер — радиатор жидкостного или воздушного типа. За счет охлаждения увеличивается плотность и соответственно давление воздуха.

В управлении системой турбонаддува основным элементом является регулятор давления. Это перепускной клапан, который ограничивает поток отработавших газов, перенаправляя часть его мимо турбинного колеса, обеспечивая нормальное давление наддува.

Принцип работы

В своей работе турбокомпрессор использует энергию отработавших газов. Эта энергия вращает турбинное колесо. Затем это вращение через вал ротора передается компрессорному колесу. Компрессорное колесо нагнетает воздух в систему, предварительно сжав его. Охлажденный в интеркулере воздух подается в цилиндры двигателя.

Принцип работы турбокомпрессора

Хотя у турбокомпрессора нет жесткой связи с валом двигателя, эффективность работы турбонаддува зависит от частоты его вращения. Чем больше число оборотов двигателя, тем сильнее поток отработавших газов. Соответственно увеличивается скорость вращения турбины и количество поступающего в цилиндры воздуха.

При работе системы турбонаддува возникают некоторые негативные моменты.

1. Задерживается увеличение мощности при резком надавливании на педаль газа («турбояма»).
2. После выхода из «турбоямы» резко повышается давление наддува («турбоподхват»).

Явление «турбоямы» обусловлено инерционностью системы. Это влечет за собой несоответствие между производительностью турбокомпрессора и требуемой мощностью двигателя. Для решения этой проблемы существуют следующие способы:

• использование турбины с изменяемой геометрией;
• применение двух параллельных или последовательных компрессоров;
• комбинированный наддув.

Турбина с изменяемой геометрией оптимизирует поток отработавших газов, изменяя площадь входного канала. Широко применяется в дизельных двигателях.

Турбина с изменяемой геометрией:
1 — направляющие лопатки; 2 — кольцо; 3 — рычаг; 4 — тяга вакуумного привода; 5 — турбинное колесо.

Параллельно работающие турбокомпрессоры применяют для мощных V-образных двигателей (по одному на ряд цилиндров). Эта схема помогает решить проблему за счет того, что у двух маленьких турбин инерция меньше, чем у одной большой.

Установка 2-х последовательных турбин позволяет достичь максимальной производительности, используя разные компрессоры при разных оборотах двигателя.

При комбинированном наддуве применяется и механический, и турбонаддув. При работе двигателя на низких оборотах работает механический нагнетатель. При увеличении оборотов включается турбокомпрессор, а механический нагнетатель останавливается.

Преимущества и недостатки применения турбонаддува

1. Турбокомпрессор широко используется ввиду простоты конструкции и хороших эксплуатационных параметров. Турбонаддув позволяет увеличить мощность двигателя на 20-35%. Двигатель, вырабатывая повышенные крутящие моменты на средних и высоких оборотах, увеличивает скорость и экономичность автомобиля.

2. Турбокомпрессор в большинстве случаев не может быть причиной неисправностей двигателя, так как его работа зависит от работоспособности газораспределительной, воздушной и топливной систем.

3. Двигатель с турбокомпрессором имеет меньший выброс вредных газов в атмосферу, так как вырабатываются дополнительные выхлопные газы в двигатель. У сгораемого топлива становится меньше отходов.

4. Происходит экономия топлива на 5-20%. В небольших двигателях энергия сжигаемого топлива используется эффективней, увеличивается КПД.

5. На высокогорных дорогах такие двигатели работают более стабильно и с меньшими потерями мощности, чем их атмосферные аналоги.

6. Турбокомпрессор сам по себе является глушителем шума в системе выпуска.

Как работает турбина — видео:

О недостатках

У турбированных двигателей кроме возникновения явлений «турбояма» и «турбоподхват» есть и другие недостатки.

Обслуживание их дороже в сравнении с «классическими». При эксплуатации приходится применять моторное масло специального назначения — его приходится регулярно менять. Двигатель с турбокомпрессором перед пуском должен несколько минут проработать на холостых оборотах. Также сразу не рекомендуется глушить мотор до остывания турбины.

Загрузка…

Принцип работы турбины. Принцип работы турбокомпрессора.

Турбокомпрессоры состоят из турбины и колеса центробежного нагнетателя (компрессора), установленных на общем валу. Для вращения турбины используется энергия отработавших газов, воздействующих на ее лопатки. Вращение турбины приводит в действие компрессор, который, в свою очередь, засасывает окружающий воздух, сжимает его и подает в цилиндры двигателя. Частота вращения ротора турбокомпрессора не зависит от частоты вращения коленчатого вала двигателя, но она в значительной степени определяется балансом энергии, получаемой турбиной и отдаваемой компрессору.

Различные области применения турбокомпрессоров требуют применения различных вариантов их конструкций. Однако практически все турбокомпрессоры имеют одни и те же элементы: ротор в сборе, который в сочетании с корпусом подшипника образует так называемый сердечник (картридж), а также кожух компрессора.

Турбокомпрессор, приводимый в действие отработавшими газами: 1 — кожух компрессора; 2 — колесо компрессора; 3 — кожух турбины; 4 — ротор; 5 — корпус подшипника; 6 — поступление отработавших газов; 7 — выход отработавших газов; 8 — вход атмосферного воздуха; 9 — выход сжатого воздуха; 10 — подача масла; 11 — выход масла

Уплотнительные кольца, устанавливаемые со стороны входа и выхода, служат для герметизации масляной камеры, расположенной вне корпуса подшипника. В особых случаях качество уплотнения может быть улучшено установкой воздухоуловителя или торцевого уплотнения с графитовыми прижимными элементами (со стороны компрессора). В основном применяются подшипники скольжения, которые установлены радиально и имеют двойные гладкие вкладыши плавающего типа или неподвижные гладкие вкладыши, в то время как для обеспечения осевой опоры используются вкладыши с клинообразной поверхностью. Подшипники турбокомпрессора смазываются моторным маслом системы смазки двигателя. Корпус подшипника не имеет дополнительных охлаждающих устройств. Поддержание температур ниже критических значений осуществляется применением теплового экрана и теплоизоляцией корпуса подшипника.

Жидкостное охлаждение корпусов подшипников применяется в том случае, если температура отработавших газов превышает 850°С.

Кожух компрессора обычно изготавливается методом литья из алюминия. В кожух может быть вмонтирован перепускной воздушный клапан. Такие клапаны используются исключительно в наддувных двигателях с искровым зажиганием для предотвращения повышения давления компрессором, когда происходит быстрый сброс нагрузки двигателя.

Для изготовления кожухов турбин используются сплавы сортов от GGG 40 до NiResist Д5 (в зависимости от температуры отработавших газов). Турбокомпрессоры, используемые на двигателях грузовых автомобилей, содержат кожух турбины, в котором два газовых потока объединяются непосредственно перед попаданием на лопатки турбины. Эта конструкция кожуха применяется при организации получения импульсного наддува, когда давление отработавших газов дополняется их кинетической энергией.

При работе турбокомпрессора с постоянным давлением на турбину поступает только энергия отработавших газов и поэтому может быть применена турбина, кожух которой имеет окно для впуска отработавших газов. Такая конструкция особенно распространена на судовых двигателях при использовании турбин с жидкостным охлаждением. Турбокомпрессоры мощных двигателей часто имеют перед турбиной кольцевое сопло. Такое сопло обеспечивает получение равномерного и неразрывного потока газа, поступающего на лопатки турбины с одновременной возможностью проведения тонкой регулировки расхода газа.

Турбокомпрессоры этого типа, устанавливаемые на легковых автомобилях, обычно имеют однопоточные кожухи турбин. Если двигатель такого автомобиля работает в широком диапазоне частот вращения, то необходимы механизмы управления турбокомпрессором, поддерживающие давление наддува на относительно постоянном уровне во всем рабочем диапазоне. Обычно направляют часть отработавших газов от двигателя в обход турбины компрессора посредством управляющего механизма, выполненного в виде перепускного клапана или заслонки.

Такой механизм имеет пневматический привод. При использовании средств микроэлектроники управление давлением наддува может выполняться в функции программируемых режимов работы двигателя. Перспективные управляющие механизмы будут электро-или электронноприводными.

Энергия отработавших газов может быть использована более эффективно при применении управляющих систем, например, турбины с изменяемой геометрией лопаток.

Такие конструкции получили наибольшее признание, т. к. они сочетают в себе широкий диапазон управляющих функций и высокий к.п.д.

Установку угла расположения лопаток осуществляет поворотное регулировочное кольцо. Лопатки могут поворачиваться на требуемый угол специальными кулачками или рычагами. Пневматические исполнительные устройства могут работать как от источника отрицательного (вакуум), так и положительного давления. Микроэлектронная система управления обеспечивает оптимальное давление наддува на всем рабочем диапазоне ДВС.

В двигателях легковых автомобилей небольшой мощности нашли применение турбины с золотниковым регулированием (VST). Турбина VST работает аналогично турбине с неизменной геометрией, с той разницей что первоначально открывается один из двух каналов золотника. При достижении максимально допустимого давления наддува золотник, непрерывно перемещаясь в осевом направлении, открывает второй канал. Каналы выполнены так, чтобы наибольшая часть потока отработавших газов направлялась к турбине. Оставшаяся часть отработавших газов, за счет дальнейшего перемещения регулирующего золотника, направляется в обход крыльчатки компрессора внутри турбонагнетателя.

О новейших технологиях турбонаддува, последовательном и параллельном наддуве и турбинах с изменяемой геометрией читайте в нашей статье «системы турбонаддува Ауди и Фольксваген» в разделе «технологии».

Принцип работы турбины в автомобиле

Привет, в этой статье я рассмотрю для вас принцип работы турбины в автомобиле, а так же для чего нужна турбина в автомобиле вообще.

Наверно все слышали, что если в автомобиле установлена турбина то автомобиль становится «круче» такого же, но без турбины. Но на самом деле это не так.

Дело в том, что автомобильная турбина предназначена всего лишь для увеличения мощности и все, а ее полезность и без того в мощных автомобильных двигателях очень спорная.

Так происходит и с автомобильной турбиной, если двигатель физически мал, то и мощности в нем будет мало, а при наличии турбины мощность значительно увеличится.

А вот большому и мощному двигателю, зачем нужна турбина, остается лично для меня вопросом. Я имею в виду обычные автомобили, двигающиеся по обычным дорогам, а не по гоночным трассам или двигатели для поездов, где мощность всегда приветствуется.

На мой взгляд, это обычное удорожание автомобиля, а ну да, про «понты» забыл. Ведь не всегда, тот кто управляет автомобилем, знает что такое турбонаддув в автомобиле, зато точно знает о его наличии в своем автомобиле.

Работа турбины в автомобиле

Принцип работы турбины в автомобиле основан на раскручивании крыльчатки турбины выхлопными газами автомобиля, которая соединена с валом, а на другой стороне вала находится крыльчатка компрессора турбины.

Крыльчатка компрессора в свою очередь нагнетает воздух в цилиндры двигателя, что увеличивает его количество, при том же количестве поступающего в цилиндры топлива. Вот такой достаточно простой принцип работы турбины в автомобиле.

Автомобильная турбина предназначена для максимального увеличения мощности двигателя.

Ведь если при увеличении давления воздуха на 1 атмосферу прибавляется двойная порция кислорода, то это позволит даже маломощному двигателю отдавать мощность равную, мощности большого двигателя не имеющего турбонаддув.

Конструктивные особенности

Выхлопные газы проходящие через лопасти крыльчатки турбины зачастую достигают 900°С, поэтому эту часть корпуса турбины находящуюся в выхлопной системе изготавливают чугунной.

Вращение турбинного вала зачастую достигает показателей 240 000 об/мин, поэтому конструкция изготовления требует точности при сборке с использованием хорошо сбалансированных деталей.

В процессе эксплуатации автомобильная турбина должна смазываться и охлаждаться, и во многих легковых автомобилях для этого используют масло, залитое в двигатель, которое подается на вал турбины под давлением, создаваемым механическим насосом двигателя.

Но так же используется и комплексное охлаждение антифризом и маслом.

Вот теперь и вы знаете, как работает турбина в автомобиле, в этом нет ни чего сложного.

Интеркулер и турбина

При работе турбины воздух во впускном коллекторе автомобиля сильно сжимается, из-за чего происходит его нагрев, который уменьшает в нем кислород.

Для снижения температуры воздуха и был придуман интеркулер, который представляет собой обычный радиатор, только этот радиатор охлаждает воздух.

Ну, раз принцип работы турбины в автомобиле я надеюсь вам понятен, то у меня на сегодня все.

Тем, кому интересно разобраться в топливной системе автомобиля могу порекомендовать статью «Как устроена форсунка автомобиля» и другие из раздела блога «Топливная система».

Всем удачи на дороге.

C уважением автор блога: Doctor Shmi

Как работает турбина Тесла

Тесла, а также многие современные ученые и промышленники считали свою новую турбину революционной по ряду характеристик. Он был маленьким и простым в изготовлении. У него была только одна движущаяся часть. И это было обратимо.

Чтобы продемонстрировать эти преимущества, Tesla построила несколько машин. Юилус Чито, сын давнего машиниста Теслы, построил несколько версий. Первый, построенный в 1906 году, состоял из восьми дисков, каждый по шесть дюймов (15.2 сантиметра) в диаметре. Машина весила менее 10 фунтов (4,5 кг) и развивала 30 лошадиных сил. Он также выявил недостаток, который затруднил дальнейшее развитие машины. Ротор развивал такие высокие скорости — 35 000 оборотов в минуту (об / мин) — что металлические диски значительно растягивались, снижая эффективность.

В 1910 году Чито и Тесла построили более крупную модель с дисками диаметром 12 дюймов (30,5 см). Он вращался со скоростью 10 000 об / мин и развивал 100 лошадиных сил.Затем, в 1911 году, пара построила модель с дисками диаметром 9,75 дюйма (24,8 сантиметра). Это снизило скорость до 9000 об / мин, но увеличило выходную мощность до 110 лошадиных сил.

Воодушевленный этими успехами в небольшом масштабе, Тесла построил более крупный двойной блок, который он планировал испытать с помощью пара в главной электростанции нью-йоркской компании Эдисон. Каждая турбина имела опорные диски ротора диаметром 18 дюймов (45,7 см). Две турбины были размещены в линию на едином основании.Во время теста Tesla смогла достичь 9000 оборотов в минуту и ​​выработать 200 лошадиных сил. Однако некоторые из присутствовавших на испытаниях инженеров, лояльных Эдисону, утверждали, что турбина вышла из строя из-за непонимания того, как измерить крутящий момент в новой машине. Эта плохая пресса в сочетании с тем фактом, что крупные электрические компании уже вложили значительные средства в лопаточные турбины, затрудняла для Tesla привлечение инвесторов.

В последней попытке Тесла коммерциализировать свое изобретение он убедил производственную компанию Allis-Chalmers в Милуоки построить три турбины.Два из них имели 20 дисков диаметром 18 дюймов и развивали скорость 12 000 и 10 000 об / мин соответственно. Третий имел 15 дисков диаметром 60 дюймов (1,5 метра) и был рассчитан на работу со скоростью 3600 об / мин, вырабатывая 675 лошадиных сил. Во время испытаний инженеры Allis-Chalmers обеспокоились как механической эффективностью турбин, так и их способностью выдерживать длительное использование. Они обнаружили, что диски сильно деформированы, и пришли к выводу, что турбина в конечном итоге вышла из строя.

Даже в конце 1970-х исследователям было трудно воспроизвести результаты, о которых сообщил Тесла. Уоррен Райс, профессор инженерии в Университете штата Аризона, создал версию турбины Тесла, которая работала с КПД 41%. Некоторые утверждали, что модель Райс отклонялась от точных спецификаций Теслы. Но Райс, эксперт по гидродинамике и турбине Тесла, провела обзор литературы об исследованиях еще в 1990-х годах и обнаружила, что ни одна современная версия изобретения Теслы не превышает КПД от 30 до 40 процентов.

Это больше всего помешало турбине Тесла получить более широкое распространение.

Как прямо заявило Управление военно-морских исследований в Вашингтоне, округ Колумбия: «Турбина Парсонса существует уже долгое время, и целые отрасли промышленности построены вокруг нее и поддерживают ее. Если турбина Тесла не на порядок лучше, тогда это будет проливать деньги в дыру, потому что отрасль не перевернется так легко… »[источник: Чейни].

Итак, что же остается с турбиной Tesla сегодня? Как мы увидим в следующем разделе, инженеры и автомобильные дизайнеры снова обращают свое внимание на эту 100-летнюю технологию.

Конструкция и принцип действия турбокомпрессора — турбина

Турбонагнетатель основные функции принципиально не изменились со времен Альфреда Бюхи. Турбокомпрессор состоит из компрессора и турбины, соединенных общим валом. Турбина с приводом от выхлопных газов обеспечивает приводную энергию для компрессора.

Дизайн и принцип действия

Турбина турбонагнетателя, состоящая из турбинного колеса и корпуса турбины, преобразует выхлопные газы двигателя в механическую энергию для привода компрессора.Газ, который ограничен площадью поперечного сечения потока турбины, приводит к при перепаде давления и температуры между входом и выходом. Это падение давления преобразуется турбиной в кинетическую энергию для привода турбинного колеса.

Есть два основных типа турбин: осевые и радиальные. В осевом типе, поток через колесо идет только в осевом направлении. В радиальных турбинах приток газа центростремительный, т.е.е. в радиальном направлении снаружи внутрь, а газ отток в осевом направлении.

До диаметра колеса около 160 мм используются только радиальные турбины. Этот соответствует мощности двигателя около 1000 кВт на турбокомпрессор. От 300 мм и более используются только осевые турбины. Между этими двумя значениями оба варианта возможны.

Поскольку турбина с радиальным потоком является наиболее популярным типом для автомобильной промышленности, следующее описание ограничено конструкцией и функциями этой турбины. тип.В улитке таких радиальных или центростремительных турбин давление выхлопных газов преобразуется в кинетическую энергию и выхлопные газы по окружности колеса направлен с постоянной скоростью к турбинному колесу. Передача энергии от кинетической энергия на валу происходит в турбинном колесе, которое сконструировано таким образом, чтобы почти вся кинетическая энергия преобразуется к тому времени, когда газ достигает колеса торговая точка.

Рабочие характеристики

Производительность турбины увеличивается по мере падения давления между входом и выходом. увеличивается, т.е.е. когда больше выхлопных газов забивается перед турбиной в результате более высоких оборотов двигателя, или в случае повышения температуры выхлопных газов из-за к более высокой энергии выхлопных газов.

Характерное поведение турбины определяется удельным поперечным сечением потока, поперечное сечение горловины в зоне перехода впускного канала к спиральной камере. За счет уменьшения поперечного сечения горловины больше выхлопных газов задерживается перед турбина и производительность турбины увеличивается в результате более высокого давления соотношение.Таким образом, меньшее поперечное сечение потока приводит к более высокому давлению наддува.
Площадь поперечного сечения потока турбины может быть легко изменена путем замены турбины. Корпус.

Помимо площади проточного сечения корпуса турбины, площадь выхода на колесо Впуск также влияет на пропускную способность турбины по массе. Обработка турбины Литой контур колеса допускает площадь поперечного сечения и, следовательно, давление наддува, быть отрегулированным.Увеличение контура приводит к увеличению площади поперечного сечения потока. турбины.

Турбины с изменяемой геометрией турбины изменяют поперечное сечение потока между улитками. канал и вход колеса. Площадь выхода на турбинное колесо изменяется на переменную направляющие лопатки или регулируемое скользящее кольцо, закрывающее часть поперечного сечения.

На практике рабочие характеристики турбин турбонагнетателя отработавших газов описываются картами, показывающими параметры потока в зависимости от давления в турбине. соотношение.Карта турбины показывает кривые массового расхода и КПД турбины для различные скорости. Чтобы упростить карту, кривые массового расхода, а также КПД, можно показать средней кривой

Для высокой общей эффективности турбокомпрессора согласование компрессора и Диаметр турбинного колеса имеет жизненно важное значение. Положение рабочей точки на карте компрессора определяет частоту вращения турбокомпрессора. Диаметр турбинного колеса должен быть таким, чтобы КПД турбины был максимальным в этом рабочем диапазоне.

Турбины двухступенчатые

Турбина редко подвергается постоянному давлению выхлопных газов. В импульсном режиме с турбонаддувом коммерческие дизельные двигатели, турбины с двойным входом позволяют снизить пульсации выхлопных газов. оптимизирован, поскольку более высокий коэффициент давления турбины достигается за более короткое время. Таким образом, за счет увеличения степени сжатия эффективность повышается, улучшая очень важный временной интервал, когда через него проходит высокий, более эффективный массовый расход турбина.В результате этого улучшенного использования энергии выхлопных газов двигатель характеристики давления наддува и, следовательно, характеристики крутящего момента улучшаются, особенно при низких оборотах двигателя.

Турбокомпрессор с двухкамерной турбиной

Чтобы различные цилиндры не мешали друг другу во время зарядки В циклах обмена три цилиндра соединены в один выпускной коллектор.Двойной вход Затем турбины позволяют отдельно пропускать поток выхлопных газов через турбину.

Кожухи турбины с водяным охлаждением

Турбокомпрессор с корпусом турбины с водяным охлаждением для морского применения

При проектировании турбокомпрессора необходимо также учитывать аспекты безопасности. На корабле Например, в машинном отделении следует избегать горячих поверхностей из-за опасности возгорания.Таким образом, корпуса турбин с водяным охлаждением или корпуса турбин, покрытые изоляционным материалом. материал используется для морских применений.

Micro Turbine — обзор

17.3.8 Выработка электроэнергии в микрогазовой турбине

Микро (газовые) турбины — это небольшие высокоскоростные газовые турбины сгорания с номинальной мощностью 25–500 кВт (Chambers and Potter, 2002). Считается, что микротурбины просты в обращении и обладают относительно низким уровнем шума и отсутствием вибрации.Они могут использовать различные виды топлива, включая природный газ, биогаз, попутный газ, биодизель и керосин. Микротурбины все чаще используются для производства биогаза, особенно в когенерации на очистных сооружениях, заводах по переработке отходов, фермах и свалках.

Микротурбины обычно состоят из воздушного компрессора, камеры сгорания, турбины, генератора переменного тока, рекуператора и генератора (рис. 17.5). Микротурбины имеют один вал, на котором закреплены компрессор, турбина и генератор. Газовые турбины представляют собой одноступенчатые устройства с радиальным потоком и скоростью вращения от 90 000 до 1 20000 об / мин (Chambers and Potter, 2002).Турбина приводит в движение компрессор, который сжимает воздух и одновременно генератор (Deublein and Steinhause, 2008). В микротурбинах компрессор втягивает воздух в рекуператор, который действует как теплообменник воздух-воздух, рекуперируя тепло выхлопных газов. Нагрев воздуха для горения увеличивает электрический КПД микротурбины. Нагретый воздух поступает в камеру сгорания, в которую также впрыскивается топливо. Для биогазовых применений минимальное содержание метана в биогазе должно составлять 30%.В камере сгорания сгоревшая смесь расширяется, что, в свою очередь, заставляет турбину и вал вращаться и, таким образом, вырабатывать электричество.

17,5. Микрогазотурбинный процесс с рекуперацией тепла.

(адаптировано из Deublein and Steinhause, 2008, с разрешения Wiley-VCH Verlag GmbH & amp; Co. KGaA, Германия)

Микротурбины обычно регулируются путем изменения подачи топлива. Электрический КПД микротурбин обычно составляет 15–30%; более высокий КПД достигается при использовании предварительно нагретого воздуха для горения (Chambers and Potter, 2002; Deublein and Steinhause, 2008).Температура выхлопных газов микротурбин относительно низка (около 200–300 ° C), а отходящее тепло можно использовать только для производства пара низкого давления и / или горячей воды (Chambers and Potter, 2002). Электрический КПД достигает 50%, когда микротурбина соединена с паровой микротурбиной.

Микротурбины более дорогие, чем традиционные газовые двигатели, но их требования к техническому обслуживанию намного меньше и, следовательно, снижаются затраты на техническое обслуживание. Срок их жизни также относительно велик. Интервал технического обслуживания составляет от 2000 до 8000 часов, но может быть больше, если турбина эксплуатируется при температуре выше нормальной рабочей температуры, составляющей примерно 10 ° C (Deublein and Steinhause, 2008).Как и большие газовые турбины, микротурбины толерантны к влажности и агрессивным газам в топливном газе до тех пор, пока предотвращается конденсация в системе подачи топлива. Они также имеют лучшую стойкость к соединениям серы и более низкие выбросы выхлопных газов.

Микротурбины | WBDG — Руководство по проектированию всего здания

Введение

Микротурбины — это относительно новая технология распределенной генерации, используемая для стационарных приложений генерации энергии. Они представляют собой тип турбины внутреннего сгорания, которая производит тепло и электричество в относительно небольших масштабах.

Микротурбины

обладают рядом потенциальных преимуществ по сравнению с другими технологиями для маломасштабной выработки электроэнергии, в том числе: небольшое количество движущихся частей, компактный размер, легкий вес, большая эффективность, меньшие выбросы, более низкие затраты на электроэнергию и возможности использования отработанного топлива. В этих системах также можно использовать рекуперацию отходящего тепла для достижения эффективности более 80%.

Ожидается, что микротурбины из-за своего небольшого размера, относительно низких капитальных затрат, ожидаемых низких затрат на эксплуатацию и техническое обслуживание, а также автоматического электронного управления займут значительную долю рынка распределенной генерации.Кроме того, микротурбины предлагают эффективное и чистое решение для рынков с прямым механическим приводом, таких как компрессор и кондиционирование воздуха.

Микротурбины работают как реактивные двигатели, но вырабатывают электричество вместо тяги.
Фото: Capstone Turbine Corp.

Описание

A. Что такое микротурбина?

Обзор микротурбины
Имеется в продаже	Да (ограничено)
Диапазон размеров	25-500 кВт
Топливо	Природный газ, водород, пропан, дизельное топливо
КПД	20-30% (рекуперация)
Окружающая среда	Низкий (<9–50 частей на миллион) NOx
Другие функции	Когенерация (вода 50–80 ° C)
Коммерческий статус	Мелкосерийное производство, коммерческие прототипы.

(любезно предоставлено Калифорнийским справочником по распределенным энергетическим ресурсам на микротурбинах)

Микротурбины — это небольшие турбины внутреннего сгорания размером примерно с холодильник мощностью от 25 до 500 кВт. Они произошли от турбонагнетателей для автомобилей и грузовиков, вспомогательных силовых агрегатов (ВСУ) для самолетов и небольших реактивных двигателей. Большинство микротурбин состоит из компрессора, камеры сгорания, турбины, генератора переменного тока, рекуператора (устройства, улавливающего отходящее тепло для повышения эффективности ступени компрессора) и генератора.На рисунке ниже показано, как работает микротурбина.

B. Типы микротурбин

Микротурбины классифицируются по физическому расположению составных частей: одно- или двухвальные, простой цикл или с рекуперацией, с промежуточным охлаждением и с повторным нагревом. Машины обычно вращаются со скоростью более 40 000 оборотов в минуту. Выбор подшипника — масляный или воздушный — зависит от использования. Одновальная микротурбина с высокими скоростями вращения от 90 000 до 120 000 оборотов в минуту является более распространенной конструкцией, поскольку ее проще и дешевле построить.И наоборот, разъемный вал необходим для приводов машин, для которых не требуется инвертор для изменения частоты переменного тока.

Генераторы микротурбин

также можно разделить на два общих класса:

• Микротурбины без рекуперации (или простого цикла) —В турбине простого цикла или без рекуперации сжатый воздух смешивается с топливом и сжигается в условиях постоянного давления. Полученный горячий газ расширяется через турбину для выполнения работы.Микротурбины простого цикла имеют более низкий КПД (около 15%), но также более низкие капитальные затраты, более высокую надежность и больше тепла, доступного для когенерационных приложений, чем блоки с рекуперацией.

• Рекуперируемые микротурбины — Рекуперируемые блоки используют теплообменник из листового металла, который утилизирует часть тепла от выхлопного потока и передает его входящему воздушному потоку, повышая температуру воздушного потока, подаваемого в камеру сгорания. Дальнейшая рекуперация тепла выхлопных газов может быть использована в конфигурации когенерации.На рисунках ниже показана рекуперированная микротурбинная система. Эффективность преобразования топливной энергии в электрическую находится в диапазоне от 20 до 30%. Кроме того, агрегаты с рекуперацией могут обеспечить экономию топлива от 30 до 40% за счет предварительного нагрева.

Рекуперированная микротурбина
Фото: Capstone

Когенерация — это вариант во многих случаях, поскольку микротурбина находится в точке использования электроэнергии. Комбинированный теплоэлектрический КПД микротурбин в таких приложениях когенерации может достигать 85% в зависимости от требований теплового процесса.

КПД микротурбины
Конфигурация	КПД
без ремонта	15%
Восстановленный	20–30%
с рекуперацией тепла	до 85%

(любезно предоставлено Калифорнийским справочником по распределенным энергетическим ресурсам на микротурбинах)

Современные материалы, такие как керамика и термобарьерные покрытия, являются одними из ключевых технологий, позволяющих улучшить микротурбины.Повышение эффективности может быть достигнуто с помощью таких материалов, как керамика, которые позволяют значительно повысить рабочую температуру двигателя.

C. Характеристики микротурбин

Некоторые из основных приложений для микротурбин включают:

• Распределенное поколение — автономные локальные приложения, удаленные от электросетей
• Качественная мощность и надежность — пониженные колебания частоты, скачки напряжения, скачки, провалы или другие сбои
• Резервное питание — используется в случае сбоя в работе в качестве резервной электросети
• Снижение пиков — использование микротурбин в периоды, когда потребление электроэнергии и плата за потребление высоки
• Повышение мощности — увеличение локальных генерирующих мощностей и в более удаленных сетях
• Дешевая энергия — использование микротурбин в качестве базовой нагрузки или основного источника энергии, которое дешевле производить на месте, чем приобретать в электроэнергетике
• Комбинированное производство тепла и электроэнергии (когенерация) — повышает эффективность местного производства электроэнергии за счет использования отходящего тепла для существующего теплового процесса.

Микротурбины предлагают множество потенциальных преимуществ для распределенного производства электроэнергии. Избранные сильные и слабые стороны технологии микротурбин перечислены в следующей таблице из Калифорнийского руководства по распределенным энергетическим ресурсам для микротурбин.

Микротурбины
Сильные стороны	Слабые стороны
Малое количество движущихся частей	Низкое соотношение топлива к электроэнергии
Компактный размер	Потеря выходной мощности и КПД при более высоких температурах окружающей среды и возвышении
Легкий
Высокая эффективность когенерации
Низкие выбросы
Можно утилизировать отработанное топливо
Увеличенные интервалы технического обслуживания
Без вибрации
Меньше шума, чем поршневые двигатели
Повышает энергетическую безопасность

Доступный : N / A

Эстетика :

• Улучшает обзор и обзор с автономными системами, что устраняет необходимость в воздушных линиях электропередачи

Рентабельность : (См. Раздел F: Экономика микротурбин)

• Позволяет снизить затраты за счет снижения пикового спроса на объекте и, следовательно, снижения платы за спрос

Функциональный :

• Обеспечивает лучшую надежность и качество электропитания, особенно для тех, кто работает в зонах с отключениями, скачками напряжения и т. Д.являются обычными или электроснабжение менее надежно
• Обеспечивает питание удаленных приложений, где традиционные линии передачи и распределения не подходят, такие как строительные площадки и морские объекты
• Может быть альтернативой дизельным генераторам для локального энергоснабжения критически важных функций (например, центров связи)
• Обладает комбинированными теплоэнергетическими возможностями
• Снижает перегрузку передающих линий
• Оптимизирует использование существующих сетевых активов, включая возможность высвобождения передающих активов для увеличения пропускной способности
• Повышает надежность сети
• Облегчает более быструю выдачу разрешений, чем модернизация линии электропередачи
• Может размещаться на площадках с ограничениями по производству электроэнергии

Производственные :

• Обеспечивает высококачественное питание чувствительных приложений
• Быстрее реагирует на новые потребности в электроэнергии — так как увеличение мощности может производиться быстрее
• Способствует сокращению капиталовложений в непроизводительные активы, поскольку модульная природа микротурбин означает, что увеличение и уменьшение мощности может производиться небольшими приращениями, в точности согласованными со спросом, вместо строительства центральных электростанций, размер которых соответствует предполагаемому будущему (а не текущему) спросу.
• Энергия в режиме ожидания сокращает время простоя, позволяя сотрудникам возобновить работу
• Производит меньше шума, чем поршневые двигатели

Надежно / Сейф :

• Повышает энергетическую безопасность
• Резервное питание обеспечивает быстрое восстановление после события

Устойчивое развитие :

• Производит самые низкие выбросы среди всех систем сжигания некаталитического ископаемого топлива
• Имеет небольшую занимаемую площадь, что сводит к минимуму неудобства на рабочем месте
• Уменьшает или откладывает модернизацию инфраструктуры (линии и подстанции)
• Для микротурбин с рекуперацией энергии обладает более высокой эффективностью преобразования энергии, чем центральное поколение.
• Обеспечивает более эффективное управление энергопотреблением и нагрузкой

Д.Экономика микротурбин

Капитальные затраты на микротурбину колеблются от 700 до 1100 долларов США / кВт. Эти затраты включают все оборудование, соответствующие руководства, программное обеспечение и начальное обучение. Добавление рекуперации тепла увеличивает стоимость на 75–350 долларов за кВт. Затраты на установку значительно различаются в зависимости от местоположения, но обычно добавляют 30-50% к общей стоимости установки.

Производители микротурбин нацелены на будущую стоимость ниже 650 долларов за кВт. Это представляется возможным, если рынок расширяется и объемы продаж увеличиваются.

С меньшим количеством движущихся частей поставщики микротурбин надеются, что эти устройства могут обеспечить более высокую надежность, чем традиционные технологии возвратно-поступательного движения. Производители ожидают, что начальные единицы потребуют более неожиданных посещений, но по мере того, как продукция созревает, будет хватать ежегодного графика технического обслуживания. Большинство производителей нацелены на интервалы обслуживания от 5 000 до 8 000 часов.

Затраты на техническое обслуживание микротурбинных установок по-прежнему основаны на прогнозах с минимальными реальными ситуациями.Оценки варьируются от 0,005 до 0,016 доллара за кВтч, что сопоставимо с оценкой для небольших систем поршневых двигателей.

Стоимость микротурбины
Капитальные затраты	700–1100 долл. США / кВт
Затраты на эксплуатацию и техническое обслуживание	0,005-0,016 $ / кВт
Интервал технического обслуживания	5000-8000 часов

(любезно предоставлено Калифорнийским справочником по распределенным энергетическим ресурсам на микротурбинах)

Приложение

Микротурбины

могут использоваться для резервного питания, обеспечения качества и надежности электроэнергии, снятия пиковых нагрузок и когенерации.Кроме того, поскольку микротурбины разрабатываются для использования различных видов топлива, они используются для извлечения ресурсов и использования свалочного газа. Микротурбины хорошо подходят для небольших коммерческих зданий, таких как рестораны, отели / мотели, небольшие офисы, магазины розничной торговли и многие другие.

Разнообразие потребителей энергии, которые уже используют микротурбины, велико и быстро растет. Например:

• Микротурбины, работающие на свалочном газе, установленные на полигоне Джамача в Спринг-Вэлли, Калифорния, обеспечивают электроэнергией на месте и обратно в сеть.Подробнее

• Ресторан McDonald’s в Чикаго, штат Иллинойс, получает большую часть электроэнергии от микротурбины, работающей на природном газе, что сокращает его ежемесячный счет за электроэнергию на 1500 долларов.

Энергетическая система с микротурбиной-генератором Parallon 75 в The Energy Efficient McDonald’s (TEEM) в Бенсенвилле, штат Иллинойс, может обеспечивать электроэнергией весь магазин, включая освещение, кухонное оборудование и системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха.
Фото: Новости потребителей энергии

• Текстильная фабрика в Лоуренсе, Массачусетс, обеспечивает непрерывную работу, получая энергию от микротурбин.

• В здании Chesapeake Building в кампусе Университета Мэриленда, Колледж-Парк, штат Мэриленд, есть система охлаждения, обогрева и электроснабжения (ТЭЦ), состоящая из микротурбин, чиллера и дымовой трубы, которая использует отработанное тепло для охлаждения и обогрева здания, что значительно повышает эффективность системы. .

Система когенерации Chesapeake Building, Мэрилендский университет — Колледж-Парк, Мэриленд

Также ведется разработка технологии микротурбин для транспортных средств.Автомобильные компании заинтересованы в микротурбинах как в легком и эффективном источнике энергии на основе ископаемого топлива для гибридных электромобилей, особенно автобусов.

Другие текущие разработки для улучшения конструкции микротурбины, снижения затрат и повышения производительности с целью производства конкурентоспособного продукта распределенной генерации включают рекуперацию тепла / когенерацию, гибкость топлива и гибридные системы (например, топливный элемент / микротурбина, маховик / микротурбина).

Дополнительные ресурсы

Государственные и федеральные агентства

Ассоциации и организации

• California Communities for Advanced Distributed Energy Resources (CADER) — Служит в качестве центра обмена информацией по эффективным технологиям и системам инфраструктуры, которые повышают качество, надежность и безопасность энергоснабжения местных сообществ, снижая при этом затраты на электроэнергию и воздействие на окружающую среду, связанное с производством электроэнергии.
• Ассоциация ТЭЦ — ассоциация, объединяющая интересы различных рынков для содействия росту чистых и эффективных ТЭЦ в Соединенных Штатах. Его миссия состоит в создании нормативной, институциональной и рыночной среды, которая способствует использованию чистых и эффективных ТЭЦ в качестве основного источника электроэнергии и тепловой энергии в США. (бывшая Ассоциация чистого тепла и энергии США (USCHPA))
• Всемирный альянс за децентрализованную энергетику (WADE) — запущен группой крупных компаний и национальных промышленных ассоциаций для ускорения разработки высокоэффективных систем когенерации и децентрализованной энергетики (DE), которые принесут существенные экономические и экологические выгоды во всем мире.

Производители

Во всем мире более двадцати компаний участвуют в разработке и коммерциализации микротурбин для приложений распределенной генерации. Ниже приведены ссылки на пять ведущих производителей микротурбин.

• Bowman Power Systems — британская компания, разрабатывающая микротурбинные системы выработки электроэнергии мощностью 80 кВт для устройств DER и мобильных систем электроснабжения.
• Calnetix Technologies — ведущий производитель микротурбин для использования в распределенной генерации, комбинированном производстве тепла и электроэнергии (ТЭЦ), биогазе и морских установках.
• Capstone Turbine Corporation. Компания Capstone, расположенная в Чатсуорте, Калифорния, является лидером в коммерциализации высоконадежных микротурбинных электрогенераторов с низким уровнем выбросов. Компания предлагает системы мощностью 30 и 60 кВт для приложений DER.
• Ansaldo Turbec — В конце 2012 года компания Ansaldo Energia приобрела Turbec. Компания предлагает микротурбинный электрогенератор мощностью 100 кВт для коммерческих приложений РЭД.

На турбинах смешанного потока для автомобильных турбонагнетателей

В связи с повышенными требованиями к повышению топливной экономичности легковых автомобилей, эксплуатационные характеристики при низких и частичных нагрузках имеют ключевое значение для конструкции турбин автомобильных турбонагнетателей.В автомобильном приводном цикле желательна турбина, которая может извлекать больше энергии при высоких соотношениях давлений и более низких скоростях вращения. В литературе обычно обнаруживается, что радиальные турбины обеспечивают максимальную эффективность при передаточных числах 0,7, но при высоких степенях давления и низких скоростях вращения передаточное число лопастей будет низким, и ротор будет испытывать высокие значения положительного угла падения на входе. Основываясь на фундаментальных соображениях, показано, что турбины со смешанным потоком имеют существенные преимущества для таких применений.Кроме того, чтобы доказать эти соображения, представлена ​​экспериментальная оценка эффективности турбины со смешанным потоком и оптимального соотношения скоростей лопастей. Это было достигнуто с использованием нового полустационарного подхода к измерениям. Наконец, приведены доказательства преимуществ поведения турбины со смешанным потоком при работе двигателя. Что касается моделирования двигателя с турбонаддувом, показаны преимущества широкого диапазона данных измерений карты турбины, а также необходимость разумной экстраполяции карты турбины.

1.Введение

В соответствии с законодательством о выбросах, турбонаддув автомобильных двигателей внутреннего сгорания становится обычной практикой. Это касается не только дизельных двигателей, но и бензиновых двигателей. Турбонаддув двигателя внутреннего сгорания помогает достичь требуемых уровней выбросов при сохранении подходящих ходовых характеристик. Ключевыми требованиями к новым турбокомпрессорам являются улучшенные характеристики в широком рабочем диапазоне при соблюдении все более строгих требований к упаковке.

На сегодняшний день турбины с радиальным потоком (RFT) в основном используются в турбокомпрессорах для автомобильных двигателей. В этой статье описываются характеристики турбин со смешанным потоком (MFT), из которых можно сделать вывод, что такие турбины обеспечивают значительные преимущества для удовлетворения требований, предъявляемых к автомобильным турбокомпрессорам. На рисунке 1 проиллюстрировано определение геометрии турбины со смешанным потоком, используемое в этой статье.

Доминирующую роль для рабочих характеристик турбины играет угол падения, то есть разница между углом потока на входе в ротор и углом лопатки на передней кромке ротора.Согласно Джапиксе и Бейнсу [1], оптимальный угол падения для радиальных турбин находится в диапазоне от -20 ° до -40 °. В современных турбокомпрессорах очень важную роль играет внепроектная эксплуатация турбины. Из-за прерывистого импульса выхлопных газов от поршневого двигателя турбина турбонагнетателя работает с неустойчивой проводимостью. Это еще более заметно во время переходных процессов двигателя. То, как двигатель реагирует на эти переходные процессы, важно для удовлетворения водителя.Кроме того, по мере того, как вводятся комбинированные концепции снижения частоты вращения и уменьшения габаритов, амплитуды пульсаций выхлопных газов увеличиваются, а частота импульсов снижается [2]. Следовательно, все технологии, которые повышают эффективность в широком диапазоне, а также переходные характеристики турбины, полезны для турбонагнетателей. В этом отношении турбины со смешанным потоком, которые успешно применяются в современных бензиновых приложениях [3–6], обладают преимуществами. Эти преимущества включают в себя стабильную характеристику КПД в широком диапазоне, а также меньшую инерцию.Это исследование описывает основные свойства таких типов турбин, иллюстрирует метод оценки работы на широкой карте и предоставляет доказательства преимуществ турбин со смешанным потоком для турбин автомобильных турбонагнетателей. Что касается квазистационарного, а также переходного моделирования двигателя, показано преимущество данных широкомасштабных измерений. Более того, стандартных данных измерения стендов горячего газа обычно недостаточно для моделирования двигателя с турбонаддувом, и требуется экстраполяция.Отмечено стремление к разумным методам экстраполяции турбинных карт. Это тесно связано с правильным знанием передаточного числа лопастей для оптимального КПД турбины. Вывод этого параметра приведен в разделе 3.

2. Конструкция турбины турбонагнетателя

Общеизвестно, что радиальные турбины имеют оптимальный КПД при соотношении скоростей лопастей () около 0,7, тогда как пиковая эффективность для турбин со смешанным потоком находится при более низких передаточных числах лопастей (например, [7]).Для автомобильных турбонагнетателей максимальная мощность доступна при низкой, и, следовательно, КПД турбины в этом диапазоне имеет большое влияние на характеристики двигателя с турбонаддувом. Уменьшение угла атаки при низких передаточных числах может быть достигнуто за счет уменьшения относительного угла потока на входе в ротор и / или обратного смещения передней кромки лопасти [8].

Теоретически угол потока на входе в ротор можно уменьшить за счет увеличения спиральной камеры турбины. Однако в условиях пульсирующего потока, типичных для автомобильных турбонагнетателей, это может привести к чрезмерному рассеиванию кинетической энергии выхлопных газов.Это вызвано тем, что объем улитки турбины составляет значительную часть общего объема выпускного коллектора. Следовательно, увеличение отрицательно скажется на характеристиках турбокомпрессора. В результате в концепциях импульсного турбонаддува в легковых автомобилях обычно применяются минимально возможные спиральные улитки турбины, следовательно, допускается неблагоприятный угол впускного потока при низких передаточных числах для использования энергии импульса.

Большинство радиальных турбин, используемых в настоящее время, имеют радиальные волокна из-за механических ограничений.Угол входа лопасти равен нулю, а комбинация со спиральной камерой с малыми выводами приводит к неблагоприятному углу падения. Этого недостатка можно избежать, применяя турбины со смешанным потоком, которые позволяют изменять угол входа лопатки при сохранении радиального сечения лопаток (сравните рисунки 2 и 8). Следовательно, неблагоприятный угол впускного потока можно до некоторой степени компенсировать за счет обратного движения передней кромки, избегая вредного падения.

Турбины со смешанным потоком обладают преимуществом дополнительных степеней свободы для аэродинамической конструкции по сравнению с турбинами с радиальным притоком, которые обычно используют радиальный пакет из-за механических ограничений.Угол входа лопаток в турбины со смешанным потоком может быть отличным от нуля даже при радиальном сечении лопаток. Следовательно, с турбинами со смешанным потоком можно реализовать более благоприятные характеристики эффективности по сравнению с радиальными турбинами в отношении применения в автомобильных турбокомпрессорах. Турбины со смешанным потоком могут быть спроектированы с меньшей инерцией, что положительно влияет на переходные характеристики, но при этом сохраняет допустимые пределы напряжений. Уровни напряжения в заднем диске турбины ниже для конструкции со смешанным потоком, которая поддерживает более высокие допустимые скорости.

Оптимальный угол падения для турбин со смешанным потоком достигается при более низких передаточных числах лопастей . Подобный удар может быть достигнут путем движения назад передней кромки радиальной турбины. Однако из-за механических ограничений количество обратной стреловидности для радиальных турбин очень ограничено [8]. Таким образом, до сегодняшнего дня почти все радиальные турбины имеют радиальные волокна.

Вышеупомянутые соображения действительны для условий установившегося потока. Однако турбины для автомобильных турбонагнетателей подвержены сильно пульсирующим входным потокам.Концепция импульсного турбонаддува, которая становится все более популярной, направлена ​​на оптимальное использование импульсов выхлопных газов за счет минимального объема коллектора. Как следствие, мгновенные условия на входе в турбину меняются в широком диапазоне расходов. Поэтому основное внимание при разработке уделяется не достижению оптимальной проектной эффективности, а достижению такой характеристики турбины, которая обеспечивает высокий КПД в широком диапазоне условий потока.

Анализ эффективности в расчетных точках может привести к выводу, что радиальные турбины превосходят турбины со смешанным потоком для конкретных скоростей, актуальных для применения в автомобильных турбокомпрессорах (например.г., [9]). Для обеспечения высокой производительности в пульсирующих рабочих условиях КПД турбины должен быть высоким при низких передаточных числах лопастей. Для низких соотношений скоростей лопастей сочетание большого массового расхода с высоким КПД приводит к высокой мощности [10]. В Разделе 3 приведены основные соображения, подтверждающие вышеупомянутые утверждения о турбинах со смешанным потоком.

3. Основы простого турбомашинного оборудования

На протяжении всей этой работы используется номенклатура, показанная на рисунке 3. В автомобильной промышленности индекс или индекс 3 обычно используется для положения входа в турбину (вход ступени), а индекс 4 обозначает условия выхода из турбины.Для условий на входе в рабочее колесо турбины вводится индекс 3.5.

На рисунке 4 показаны треугольники скорости на входе и выходе турбинного колеса. Показан общий треугольник скоростей (с завихрением на входе) на входе в рабочее колесо. Кроме того, показаны два треугольника скорости на выходе из турбины — один без завихрения на выходе, а другой с завихрением на выходе.

Эквивалентный (входной) диаметр MFT определяется формулой (1). Это значение также используется для расчета окружной скорости колеса турбины со смешанным потоком: Полный статический КПД турбины определяется как: Изэнтропическая скорость истечения, которая может быть достигнута, если доступное падение полной статической энтальпии будет преобразовано в кинетическую энергию посредством изоэнтропического процесса, может быть выражена как Коэффициент нагрузки отвала определяется выражением Связь между коэффициентом изоэнтропической нагрузки лопасти и реальным коэффициентом нагрузки лопасти определяется по формуле Если закрутка на выходе одиночной турбины с радиальным или смешанным потоком мала и окружная скорость лопастей на входе в ротор сравнительно выше, чем на выходе из ротора, последним членом в (4) можно пренебречь, что приведет к Связь между нагрузкой ступени и треугольником скоростей на входе в ротор определяется выражением Зная это, общий статический КПД турбины можно записать как Термин в скобках обычно известен как передаточное число лопаток турбины, которое чаще всего используется для оценки рабочих характеристик турбины.Ключевое значение имеет соотношение скоростей лопастей, при котором достигается пиковая эффективность турбины.

Для идеального случая предполагается отсутствие потерь, отсутствие падения и незначительное завихрение на выходе из турбины. (I) При отсутствии потерь КПД турбины равен единице: (ii) Отсутствие падения, незначительное завихрение на выходе из турбины (треугольник скоростей) и идеальное вращение потока приводят к Тогда оптимальное значение передаточного числа лопастей определяется выражением Это значение 0,707 часто называют значением передаточного числа лопастей для оптимального КПД радиальной турбины.Фактически, как видно из этого вывода, значение само по себе является функцией максимального КПД турбины, даже если коэффициент нагрузки лопатки постоянен [11]. Кроме того, оптимальный КПД радиальной турбины достигается при коэффициенте нагрузки ниже единицы. Это означает, что поток приближается к лопастям ротора с положительным углом падения, как показано на рисунке 5.

Определение угла падения дается следующим образом: Комбинацией (6) и (7) нагрузка определяется выражением Предполагая, что постоянный коэффициент равен 0.5, изменяя угол падения от 0 ° до 25 °, нагрузка на лезвие для оптимального падения уменьшается до Кроме того, предполагая, что пиковая эффективность составляет 0,7, оптимальное передаточное число лопастей рассчитывается для Следовательно, для этих параметров, а также для радиальной турбины фактический оптимальный КПД достигается при передаточном числе лопастей ниже 0,707!

Если рассматривать турбины со смешанным потоком, последствия следующие. Для упрощения характеристики MFT объясняются в предположении RFT с обратной разверткой, как показано на рисунке 6.

Оптимальное вращение потока внутри обратного ротора достигается при отрицательном угле падения, что фактически означает почти радиальный приток. Таким образом . Следовательно, соответствующая нагрузка для оптимального падения рассчитывается как Предполагая тот же общий максимальный КПД турбины, увеличенная нагрузка на лопатки для оптимального КПД турбины приводит к сдвигу в соответствии с Эта взаимосвязь между передаточным числом лопастей и КПД турбины проиллюстрирована на Рисунке 7.Независимым параметром для двух построенных кривых является нагрузка на лопатку. Выделены два примера, полученные в предыдущем разделе, а также часто цитируемое значение.

О том, что оптимальный угол атаки достигается при более высокой нагрузке на лопатки для турбин со смешанным потоком, сообщалось несколькими авторами. Сообщалось даже об оптимальных значениях нагрузки на лопасти, превышающих единицу (например, [12, 13]). Причина, по которой турбины со смешанным потоком ведут себя как турбины с радиальным потоком и обратной стреловидностью, показана на рисунке 8.Когда к рабочему колесу турбины смешанного потока приближается вектор потока, перпендикулярный его входной кромке (зеленый вектор), можно нарисовать треугольник между радиальным и фактическим направлением потока (линии: зеленый, белый, красный). Другими словами, это означает, что поток не является чисто радиальным, а имеет осевую составляющую. При дополнительном наклоне лезвия с ненулевым передним углом этот треугольник поворачивается (линии: синий, белый, красный). Суть в том, что результирующий вектор потока, который приближается к лопасти, является нарисованным синим цветом.При сохранении ограничения радиального наложения эффективный угол потока радиального потока изменяется на нерадиальный путем добавления осевого компонента. Если к MFT приближается чисто радиальный вектор (красный вектор), описанного выше эффекта не происходит.

Для радиального ротора это означает, что из-за отсутствия осевой составляющей в векторе, приближающемся к ротору, поток по своей природе является чисто радиальным (красный вектор). Описанный выше векторный треугольник не устанавливается, и, таким образом, даже при разработке ненулевого переднего угла «эффект смешанного потока» недостижим.

Следует подчеркнуть, что в отношении ограничений механических напряжений явным преимуществом колеса со смешанным потоком перед колесом с радиальным потоком является то, что этот ненулевой угол впуска лопасти лопасти достигается без нарушения условия радиального набора. В дополнение к этому, турбинные колеса со смешанным потоком дают возможность конструировать турбинные колеса с уменьшенной инерцией. Одним из ключевых преимуществ является то, что задний диск значительно уменьшен в диаметре.

Аналитическая взаимосвязь между углом конуса (), передним углом (и углом лопасти (определяется как Эти теоретические соображения относительно характеристик турбины согласуются с измерениями и подтверждаются несколькими исследованиями (например,г., [7, 13]). Например, на рисунке 9 показано сравнение КПД турбины с радиальным и смешанным потоком в зависимости от соотношения скоростей лопастей. Отчетливо виден переход к более низким значениям передаточного числа лопастей.

Эта характеристика турбин со смешанным потоком особенно желательна для требований применения в автомобильных турбокомпрессорах. В условиях пульсации максимальная энтальпия выхлопных газов доступна для высоких отношений давления, возникающих сразу после открытия выпускного клапана.Поскольку скорость турбины изменяется лишь незначительно — если вообще изменяется — во время цикла двигателя, высокое отношение давлений приводит к низким значениям. Поэтому для этих условий важно иметь высокий КПД [10].

В данной работе принято энтальпийное определение степени реакции: Предполагая, что внутри статора, то есть от станции 3 до станции 3.5, потерь не происходит (например,), (19) можно преобразовать в Вместе с (4) треугольниками скоростей, показанными на рисунке 4, и предположениями, что исследуемая ступень турбины не имеет потерь (), пренебрежимо малую завихрение на выходе () и (нет диффузии, нет ускорения внутри радиального ротора), (20) может быть преобразован в Отсюда выводится взаимосвязь между и степенью реакции в зависимости от КПД турбины: На рисунке 10 показана взаимозависимость этих параметров.Выделенный символ на графике снова показывает часто цитируемое оптимальное значение 0,707, как описано ранее. Кроме того, график ясно показывает, что оптимальные значения в зависимости от степени реакции для неидеального КПД могут быть ниже в реальных конфигурациях турбин. В зависимости от степени реакции выбранной конструкции ступени турбины оптимальное передаточное число лопаток может быть изменено. Более того, в турбокомпрессорах, включая конфигурации турбин с фиксированной геометрией, необходимо учитывать, что изменение давления на входе во времени, вызванное прерывистыми импульсами выхлопа поршневого двигателя, действительно вызывает изменение степени реакции во время работы.Это означает, что не будет одного фиксированного значения оптимального передаточного числа лопастей, которое описывает поведение турбины на двигателе (сравните [14]).

На рис. 11 показаны измеренные параметры массового расхода и КПД в зависимости от степени расширения турбины со смешанным потоком в сравнении с эквивалентной радиальной турбиной. Данные были получены на стенде горячего газа в условиях квазистационарного потока и подвержены влиянию теплового потока, типичному для измерений малых турбин турбонагнетателя. Этот график уже указывает на полезные характеристики турбин со смешанным потоком.

Из проведенного выше теоретического анализа есть достаточные основания для более подробного исследования поведения турбин в очень широком рабочем диапазоне.

Возможная процедура для этого описана в следующем разделе.

4. Результаты устойчивого широкого картирования для турбины со смешанным потоком

Это исследование было проведено для небольшой турбины со смешанным потоком для автомобильного бензинового двигателя. В [15] был представлен новый простой метод широкого картирования путем изменения температуры на входе в турбину.Путем минимизации влияния тепловых потоков была оценена квазиадиабатическая карта турбины на основе данных измерений. Простая модель теплопередачи, введенная в [15], показала хорошее согласие с подходами других авторов [16]. Результирующая контурная карта после коррекции теплопередачи показана на рисунке 12. Эта карта не корректируется с учетом потерь на трение в системе подшипников.

График соотношения давлений в турбине и передаточного числа лопастей. Цвет и изолинии разделяют области одинакового общего и статического КПД турбины.Оптимальная эффективность достигается в диапазоне от 0,56 до 0,62, что намного ниже, чем обычно цитируется в литературе [9].

Кроме того, можно видеть, что согласно теории оптимальное передаточное число лопастей, при котором турбина обеспечивает наилучший КПД, увеличивается с увеличением степени сжатия.

может (среди прочего) интерпретироваться как коэффициент расхода и дает информацию о выходном динамическом напоре.

, а также связаны с несколькими механизмами потерь в статоре и роторе.Поэтому оценка сценической производительности (точнее, эффективности) по этим параметрам оправдана.

Для турбины с фиксированной геометрией (с вестгейтом) КПД зависит только от коэффициента расхода, коэффициента нагрузки и числа Рейнольдса. и степень сжатия сильно связаны. Поскольку давление на выходе из турбины обычно почти равно давлению окружающей среды для испытаний на стенде горячего газа, оно также дает прямую информацию о динамическом напоре на выходе, когда температура на входе в турбину фиксирована. Соотношение скоростей лопастей можно интерпретировать как коэффициент нагрузки.

5. Подход к полунестационному измерению КПД турбины для широкого картирования турбины со смешанным потоком

На основе результатов устойчивого широкого картирования, показанных выше, был разработан новый мгновенный метод измерения КПД при очень низких значениях. Так называемый высокоинерционный ротор (HIR) от IHI Charging Systems International (ICSI) основан на измерении ускорения ротора, который имеет значительно более высокую инерцию, чем стандартный ротор турбокомпрессора. Для этого компрессорное колесо было заменено на безлопастное, с нулевым рабочим колесом и с высоким моментом инерции, как показано на Рисунке 13.

Путем измерения мгновенной скорости и использования известной инерции ротора непосредственно оценивается мгновенная мощность ускорения турбины. Эта мгновенная мощность ускорения сравнивается с почти постоянной разницей изэнтропической энтальпии, создаваемой горелкой горячего газа испытательного стенда. Поскольку массовый расход измерялся и поддерживался постоянным, температуру на входе в турбину контролировали путем установки нагревательного блока на постоянную мощность. Это было повторно проверено измерением температуры.Однако применяемые термопары не обладали быстрым откликом и не могли точно определять температуру относительно времени из-за своей тепловой инерции. Измерения давления проводились с помощью датчиков давления с «быстрым откликом», чтобы контролировать, изменяется ли степень давления во время ускорения, и чтобы учесть фазовую коррекцию между давлением до и после турбины. Для этого использовались калиброванные пьезорезистивные преобразователи абсолютного давления [17]. Абсолютное значение давления быстрых датчиков было проверено перекрестно с сигналом стандартного сигнала датчика давления с «медленным откликом» до начала ускорения HIR.Изображение испытательного стенда показано на рисунке 14.

Корпус турбины, а также все трубы горячего газа и измерительные трубы изолированы для минимизации теплопередачи между турбонагнетателем и испытательной камерой. Кроме того, температура на входе в турбину, кондиционирование масла и водяное охлаждение были установлены на постоянные низкие значения, чтобы минимизировать теплопередачу. Первоначально HIR блокируется, и устанавливаются желаемое соотношение давления в турбине и температура на входе в турбину. После запуска системы измерения переходных процессов ротор отпускается и ускоряется.Процедура автоматического отключения применяется для предотвращения превышения скорости HIR.

Что касается максимальной скорости вращения, необходимо учитывать два основных аспекта: (i) Во-первых, нельзя превышать максимально допустимую скорость, чтобы избежать любого повреждения самого HIR, а также подшипниковой системы. Ясно, что динамика ротора такой системы HIR сильно отличается от ротора обычного турбокомпрессора. (Ii) Во-вторых, скорость должна быть достаточно низкой; то есть упругая деформация ротора не изменяет момент инерции.В противном случае сигнал скорости нельзя было бы использовать для измерения полезной мощности турбины во время разгона ротора.

Типичный результат мгновенных измерений для константы показан на рисунке 15.

Расчетные значения крутящего момента, мощности и КПД для очень низких значений ненадежны. Это указано в самой левой части графика. Опорные подшипники начинают вращаться, и масляная пленка развивается. Таким образом, значения ниже 0.08 следует опустить. Максимально возможное значение передаточного числа лопастей ограничено максимальной скоростью вращения HIR и зависит от применяемого коэффициента давления турбины. Чем выше желаемое, тем ниже максимальное значение, которое может быть достигнуто из-за ограничений по напряжению.

Процедура оценки мгновенного крутящего момента, мощности и эффективности приведена ниже.

Ускорение ротора рассчитывается по формуле Затем можно рассчитать мгновенный крутящий момент, если известна инерция ротора.Инерция ротора HIR примерно в 28 раз выше по сравнению с ротором обычного турбокомпрессора: Затем мгновенную мощность турбины можно рассчитать в соответствии с Мгновенную мощность необходимо сравнить с почти постоянной мощностью горелки или идеальным потоком полной статической энтальпии: Мгновенный термомеханический КПД турбины от полного до статического определяется выражением Эти «полунестабильные» результаты сравниваются с результатами устойчивого широкого картирования.Для этого контурный график на Рисунке 12 пересекается при перепаде давлений 1,4. Затем была получена единая кривая КПД как функции от передаточного числа лопастей. Эта кривая сравнивается с результатами, уже показанными на рисунке 15. Кроме того, чтобы судить о качестве мгновенного измерения и экстраполяции, также была измерена так называемая скорость разгона (рисунок 16). Это было сделано, как описано Smiljanovski et al. [18], и соответствующее измеренное значение также показано на рисунке 17.Рабочее колесо с нулевым трением (ZFI) заменяет колесо компрессора, и результирующая скорость, которая измеряется для различных соотношений давлений турбины, является скоростью, при которой мощность турбины и мощность трения равны. Результаты измерений скорости разгона для двух различных температур на входе в турбину и нескольких отношений давлений представлены на рисунке 16. Можно видеть, что для отношений давлений выше 1,6 скорость разгона остается постоянной.

Для степени давления 1.4 и температуре на входе в турбину 20 ° C, было зарегистрировано передаточное число убегающей лопатки около 1,04.

Анализируя рисунок 17, можно констатировать, что устойчивые и нестабильные результаты дают согласованную картину характеристик КПД турбины. Это также подтверждает значения передаточного числа лопастей, при которых достигается оптимальный КПД.

Однако есть некоторые отклонения, которые можно объяснить. Устойчивые результаты были получены с помощью так называемого «подхода к полезному КПД турбины» [19], в котором измеренная мощность компрессора используется для расчета термомеханического КПД турбины.Эффекты теплопередачи были скорректированы с помощью простой модели теплопередачи [15], которая в целом дает очень разумные результаты в тенденции эффективности турбины. В отличие от этого, нестационарный подход не требует поправки на теплопередачу, поскольку измерения проводились при очень низких температурах турбины, а измерение мощности турбины выполняется путем измерения мощности ускорения. Но, как уже упоминалось, для этого подхода не существует крыльчатки компрессора, и, следовательно, осевое усилие отличается по сравнению с измерениями эффективности на широкой карте в установившемся режиме.Это влияет на потери в подшипниках и, следовательно, на термомеханический КПД турбины.

Что касается нестабильной работы турбины, следует отметить, что из-за почти постоянного перепада давлений турбины во время разгона не следует ожидать эффектов наполнения и опорожнения в спиральном корпусе турбины. Таким образом, несмотря на то, что это нестабильное измерение, проблемы, возникающие при измерении эффективности в импульсных условиях, устраняются. Таким образом, представленный здесь экспериментальный подход обозначен как «полустационарный».”

6. Эксплуатационные характеристики турбины в условиях пульсирующего потока

Из-за импульса выхлопных газов от прерывистой работы поршневого двигателя турбина турбонагнетателя работает с неустойчивой проводимостью. На рисунке 18 показана работа турбины во время типичного цикла двигателя. Зеленые закрашенные ромбы представляют собой доступные точки измерения. Сплошные синие линии показывают данные аппроксимированной экстраполяции, а красная линия показывает нестабильную работу турбины во время цикла двигателя.На рисунке показано, что обычно ограниченные данные измерений приходится экстраполировать далеко за пределы доступного диапазона, и подчеркивается важность точных методов экстраполяции, что согласуется с выводами [20, 21].

Таким образом, правильное прогнозирование устойчивой работы двигателя, а также неустойчивой работы или даже поведения автомобиля при ускорении сильно зависит от разумной и правильной экстраполяции.

Измерение данных турбины по широкой карте может помочь избежать необходимости экстраполяции.Однако обычно широкое измерение карты недоступно. Измерение широкой карты можно использовать для разработки улучшенных алгоритмов экстраполяции. Как правило, экстраполированные данные о КПД турбины не должны содержать влияния трения в системе подшипников. Трение связано не с аэродинамическими параметрами, а с реальной скоростью вала, а также с осевой нагрузкой.

Однако стандартные данные о КПД турбины стенда горячего газа обычно содержат данные о трении из-за метода измерения. Таким образом, моделирование трения подшипника в зависимости от скорости вала и осевой нагрузки также может быть источником ошибок для экстраполяции.

В этом разделе исследуется, как различные характеристики и конструкции турбин влияют на работу двигателя. Из приведенных выше разделов известно, что характеристики КПД турбин со смешанным потоком могут быть полезными для применения в автомобильных турбокомпрессорах.

На рисунке 19 показано рассчитанное увеличение давления наддува в зависимости от времени с использованием собственного кода моделирования двигателя ITES («Моделирование двигателя с турбонаддувом IHI») Ikeya et al. [22].

Эта программа моделирования позволяет прогнозировать работу двигателя с турбонаддувом в установившихся и переходных условиях.ITES ориентирована на подробное моделирование и численное описание турбокомпрессора. Исследование, показанное на Рисунке 19, направлено на определение конфигураций турбины, которые выгодны для работы в переходных режимах. Исследование проводилось на типичном четырехцилиндровом бензиновом двигателе для легковых автомобилей с шагом нагрузки 1500 об / мин. Как уже упоминалось, переходный режим имеет большое значение, поскольку стационарный режим турбокомпрессора практически отсутствует. Это еще более выражено, поскольку ускорение транспортного средства из неподвижного состояния, а также удовлетворительное ускорение во время движения транспортного средства являются наиболее важными факторами при оценке удовлетворенности водителя.Следовательно, все технологии, улучшающие переходные характеристики турбины, полезны для турбонагнетателей.

Все результаты сравниваются с ротором турбины со смешанным потоком, изготовленным из обычного сплава на основе никеля. Это называется базовой конфигурацией.

Исследовались эффекты инерции и КПД турбины. Явное преимущество можно увидеть при сравнении базовой конфигурации с вариантом турбины из гамма-алюминида титана ( γ -TiAl).Поскольку плотность этого материала намного ниже по сравнению со сплавами на основе никеля, инерция ротора уменьшается, и, следовательно, ускорение такой турбины заметно улучшается и помогает увеличить рост давления наддува. Следует отметить, что это преимущество может быть поставлено под угрозу из-за более жестких производственных ограничений. Из-за неблагоприятной литейной способности γ -TiAl и его более низкой пластичности он подвержен повреждению посторонними предметами. Это почти неизбежно ухудшает аэродинамический дизайн.Например, на рисунке 20 сравниваются две конструкции турбинных колес — одна для сплава на основе никеля и одна для γ -TiAl — с одинаковой поглощающей способностью. Серый круг представляет собой «стандартную» конструкцию из сплава на основе никеля, в то время как наложенная красная одинарная лопасть показывает конструкцию γ -TiAl, которая требует большей толщины материала. Для достижения той же пропускной способности необходимо изменить распределение угла лопастей для перенастройки площади горловины колеса.

Турбинное колесо γ -TiAl из этого сравнения по-прежнему имеет на 46% меньший полярный момент инерции по сравнению с колесом из сплава на основе никеля.Что касается узла ротора (колесо турбины и вал плюс колесо компрессора), это преимущество уменьшается, но все же составляет около 30%. В прогнозируемых значениях, показанных на фиг. 20, из-за вышеупомянутых конструктивных ограничений γ -TiAl предполагается снижение эффективности турбины в размере 5%. Любая выгода, достигаемая за счет уменьшения инерции, нивелируется падением эффективности. Кроме того, удельный расход топлива в установившемся режиме торможения двигателем ухудшится в результате снижения эффективности турбины. Следовательно, в зависимости от индивидуальных требований к конструкции, использование этого материала может быть нежелательным и нежелательным для определенных приложений.

Обратите внимание, что результаты моделирования также зависят от исследуемой ступени нагрузки двигателя и особенно от начальных условий ступени нагрузки, например, ускорение из неподвижного состояния больше выигрывает от уменьшенной инерции.

Эффект изменения характеристик карты турбины, основной темы данной работы, также был исследован. По сравнению с базовой конфигурацией был смоделирован вариант с уменьшенными значениями. Пиковая эффективность такой турбины (со смешанным потоком) не обязательно увеличивается, как показано на рисунке 7, но изменяется область карты, где достигается максимальная эффективность.Можно ясно отметить, что эта модификация поведения ступени турбины дает преимущество для обеспечения быстрого повышения давления наддува. Аналогичные результаты представлены в [23]. Конечно, вариант турбины, предлагающий как оптимизированную карту, так и низкую инерцию, показывает лучший переходный отклик.

7. Резюме и заключение

В связи с постоянно растущими требованиями к улучшенной экономии топлива легковых автомобилей, эксплуатационные характеристики на низком уровне и при частичной нагрузке имеют ключевое значение для проектирования турбин автомобильных турбонагнетателей.В автомобильном приводном цикле желательна турбина, которая может извлекать больше энергии при высоких соотношениях давлений и более низкой скорости вращения.

Обычно считается, что радиальная турбина обеспечивает максимальную эффективность при передаточных числах лопастей около 0,7, но при высоких степенях давления и низких скоростях вращения передаточное число лопастей будет низким, и ротор будет испытывать высокие значения положительного падения на входе. . Настоящее исследование показывает, что даже для радиальных турбин передаточное число лопастей, при котором достигается оптимальный КПД, обычно ниже, чем обычно указываемое передаточное число лопастей равное 0.7. Настоящая работа дает теоретическое обоснование и экспериментальное доказательство того, что для турбин со смешанным потоком оптимальный КПД может быть получен при еще более низких передаточных числах лопастей. Это можно объяснить более благоприятным углом впускной лопасти, поглощающей способностью и инерцией по сравнению с радиальной конструкцией.

Настоящее исследование показывает, что турбины со смешанным потоком имеют ключевые преимущества для применения в автомобильных турбокомпрессорах, поскольку они обладают улучшенными характеристиками при низких передаточных числах лопастей. Это означает, что можно использовать значительную часть энергии импульса, имеющейся в выхлопном газе.Поведение турбины турбонагнетателя со смешанным потоком было исследовано с помощью широкого картирования в установившемся режиме, а также с использованием нового, полунестабильного подхода к измерениям. Было обнаружено, что нестационарный подход показывает очень хорошее согласие с установившимися и убегающими измерениями. Теоретически было установлено, что передаточное число лопастей для оптимального КПД турбины со смешанным потоком намного ниже обычно цитируемого значения 0,7. Это тоже было доказано экспериментально. Наконец, было описано исследование того, как это может улучшить поведение на двигателе.Преимущества низкоинерционных турбинных колес смешанного потока были наглядно продемонстрированы.

Номенклатура

м 901 15 Скорость вращения (1 / с) Нм)

	Статическое давление (Па)
:	Давление застоя (Па)
:	Передаточное число лопастей85:	Степень давления (-)
:	Скорость в неподвижной раме (м / с)
:	Скорость вращения в относительной раме (м / с)
:	Скорость отвала (м / с)
	Разница энтальпии (Дж / кг)
:	Компрессор
:	Диаметр
:	Скорость изгиба
:	Степень реакции (-)
	Падение (градусы)
:	Массовый расход (кг / с)
:
	Разница во времени (с)
:	Время (с)
:	Мощность (Вт)
:
:	Энтальпия (Дж / (кг · К))
:	Энтропия (Дж / (кг · К)).

Сокращения Mixed

CFD:	Вычислительная гидродинамика
MFP:	Параметр массового расхода
RFT:	Турбина с радиальным потоком

Греческие символы угол (град.) 9011 / с).

	Угол конуса (град.)
	Угол граблей или развала (град.)
:	Угол лопастей (град.)
	Абсолютный угол потока (град.)
	Коэффициент нагрузки (-)
:	Упрощенный коэффициент нагрузки (-)

Индексы Радиальное 9011 9011 9011 9011 9011 905 вход ступени Ускорение.

opt:	Optimum
:	Статический
:	Всего
Радиальное
is:	Isentropic
:	Static to static
tt:	Total to total
ts:
3.5:	Входное отверстие колеса турбины
4:	Выход турбины (колеса)
:	Meridional
:

(PDF) Проектирование и реализация автомобильной ветряной турбины

VOL. 10, NO 19, ОКТЯБРЬ, 2015 ISSN 1819-6608

ARPN Журнал технических и прикладных наук

© Азиатская исследовательская издательская сеть (ARPN), 2006-2015.Все права защищены.

www.arpnjournals.com

8699

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И ВНЕДРЕНИЕ ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА

ВЕТРОВОЙ ТУРБИН

Md Rabiul Awal1, Muzammil Jusoh2, Md. Nazmus Chejid 4000, Al Md.

1 Группа радиотехнических исследований (RERG), Школа компьютерной и коммуникационной инженерии, Universiti Malaysia Perlis

(UniMAP), Кампус Па Путра, Арау, Перлис, Малайзия

2 Факультет информационных и коммуникационных технологий, Международный исламский университет Малайзии (IIUM ), Джалан Гомбак, Малайзия

3 Кафедра электротехники и электроники, Факультет современных наук, Международный исламский университет Читтагонга (IIUC),

Дакка, Бангладеш

4 Продвинутый инженер по коммуникациям ing Center (ACE), Школа компьютерной и коммуникационной инженерии, Университет Малайзии

Perlis (UniMAP), Kampus Pauh Putra, Arau, Perlis, Malaysia

Электронная почта: rabiulawal1 @ gmail.com

РЕФЕРАТ

Автомобильная ветровая турбина (VMWT) — это навесная ветряная турбина с горизонтальной осью для транспортных средств. В этом документе

представлена ​​разработка и реализация VMWT для выработки электроэнергии с помощью транспортных средств. VMWT имеет несколько интеллектуальных функций

, включая высокую частоту вращения турбины, удобный вес, практичную форму и портативность. Кроме того, в этой статье оценивается производительность

VMWT с точки зрения выработки электроэнергии.Показано, что при правильном проектировании VMWT может генерировать

мощностью около 200 Вт при скорости автомобиля 80 км / час. При проектировании VMWT был принят во внимание ряд проектных соображений

, чтобы обеспечить его надлежащую функциональность в практической среде.

Ключевые слова: автомобильные турбины, возобновляемые источники энергии, энергия ветра, VMWT, электричество.

ВВЕДЕНИЕ

Возобновляемые источники энергии предлагают безграничные

ресурсов и экологически безопасную работу по сравнению с

традиционных источников энергии.Существует несколько форм

возобновляемых источников энергии, таких как солнечная энергия, энергия ветра,

геотермальная энергия, энергия приливов, гидроэнергия и

биоэнергетика. Однако энергия ветра является наиболее ценным, безопасным и быстрорастущим возобновляемым источником энергии. По состоянию на конец

2013 г. ветроэнергетика обслуживала приблизительно 318,13 ГВт

(GWEC, 2013), что составляет 12% мирового спроса (Frede,

Zhe, Remus, and Florin, 2006).Кроме того, это низкая стоимость

(0,12 / кВтч) (Ravi et al., 2009), низкий уровень выбросов углерода (<

5CO2 / кВтч), минимальный уровень звукового давления (50-60 дБ

с расстояния 100 футов) и простая интеграция с другими источниками энергии

. Однако коммерческая ветряная турбина (WT)

не подходит для использования в малых масштабах, поскольку для нее требуется большая территория, высокая стоимость установки

, отсутствие накопителя энергии, а не портативность

.Кроме того, в некоторых местах скорость ветра

недостаточна для запуска коммерческого или домашнего БТ. Следовательно, необходима модифицированная система WT

, которая может быть эффективной при таких обстоятельствах. Следовательно, идея

мобильных БТ для транспортных средств пришла к нам для маломасштабного сбора энергии

(Кристиан, 1975).

Было предпринято несколько попыток производить электричество

с помощью транспортных средств, поскольку уже существует ряд литературных источников

(Sham, 2011; Ferdous et al., 2011). Однако эти предложения

никогда не соответствуют порогу практической реализации

. В большинстве случаев предлагаемые модели

либо слишком неэффективны, либо напрямую влияют на эстетическую привлекательность

транспортных средств (Жан, 1983; Хосе, 2013; Сесил, 2012;

,

Эндрю, 2013; Питер, 2013; Кит, 1979; Тран, 2011).

Таким образом, сбор электроэнергии с транспортных средств по-прежнему остается активной областью

для изучения.

Исходя из этих соображений, в данной статье предлагается модифицированная, переносная и распределенная система ветряных турбин

для

транспортных средств. Можно искусственно увеличить скорость набегающего ветра

для установленного БТ за счет использования скорости транспортного средства

. Следовательно, WT устанавливается с транспортным средством для использования преимущества

от измененной скорости, поэтому он называется Vehicle

Mounted Wind Turbine (VMWT). Для мест, где скорость ветра

незначительна для работы автономной ветряной турбины

, VMWT также может быть хорошим решением для производства электроэнергии

.Кроме того, VMWT

может эксплуатироваться в домашних условиях для мелкосерийного производства

.

В этом документе VMWT представлен как распределенный

возобновляемый источник энергии. Для VMWT используется ветряная турбина с горизонтальной осью

(HAWT). В предыдущей литературе, найденной на

, эта проекция использовала ветряную турбину с вертикальной осью

(VAWT). Использование VAWT для установки на автомобиль является привлекательным, но

не выгодно с точки зрения эффективности.Область столкновения

VAWT намного меньше, чем HAWT.

Более того, размер VAWT не может быть увеличен из-за

физических ограничений транспортных средств, что увеличивает вес,

стоимости и очень низкую производительность. И наоборот, для HAWT,

с тем же весом и стоимостью, площадь столкновения

увеличивается с большей площадью охвата. В результате увеличились крутящий момент и вращение на

, т.е. улучшилась производительность.

Напоминание в этом документе организовано следующим образом:

, раздел 2 описывает преобразование энергии ветра

Газовая турбина с радиальным потоком | SwRI

Современные небольшие промышленные газовые турбины — это технически сложные машины, состоящие из множества вращающихся частей, подшипников, уплотнений, систем смазки и сложных электронных устройств управления. Большинство конструкций газовых турбин оптимизированы для достижения максимальной эффективности, но, как правило, не допускают мобильности и не могут работать в суровых условиях окружающей среды; следовательно, надежность часто приносится в жертву эффективности.Хотя это может быть желательно для большинства постоянно установленных приложений большой электростанции, это непрактично для небольших портативных приложений для выработки электроэнергии.

Для ряда применений клиентам нужны простые и недорогие газовые турбины, которые могут:

• Функционировать в очень суровых условиях окружающей среды
• Легко ремонтировать или заменять
• Управлять необученным персоналом
• Легко перемещать

Многие из этих приложений относятся к добыче нефти или военному производству электроэнергии.

Газовая турбина с радиальным потоком

Юго-Западный научно-исследовательский институт (SwRI) разрабатывает новую конструкцию газовой турбины с радиальным потоком. Эта чрезвычайно легкая, маленькая и прочная газовая турбина может стать очень простой альтернативой выработке электроэнергии. Газовая турбина включает только одну вращающуюся часть и не требует смазочного масла или уплотнительного газа, что приводит к:

• Низким производственным затратам
• Низким затратам на обслуживание
• Низким затратам на ремонт
• Низким затратам на замену

Простая конструкция:

• Высокая портативность
• Способность работать с широким спектром видов топлива
• Устойчивость к попаданию внутрь частиц, таких как песок или грязь

Благодаря присущей конструкции камеры сгорания конструкции, газовая турбина с радиальным потоком может работать в широком диапазоне спектр видов топлива, включая:

• Природный газ
• Жидкие углеводороды
• Тяжелые нефти
• Чистый водород

Описание газовой турбины с радиальным потоком

Однодисковая газовая турбина с радиальным потоком основана на конструкции с прямым радиальным потоком и нет осевого вращения.Эта геометрия содержит только два основных элемента:

• Диск ротора — Состоит из центробежного компрессора и высокоимпульсной радиальной турбины с выходным потоком, соединенной с электрическим генератором (и стартером)
• Диск кожуха статора — Содержит камеру сгорания и сопла, топливопроводы прикреплены к диску кожуха статора и направляются непосредственно в камеру сгорания. лопатки центробежного компрессора.Поток выходит из компрессорной секции и попадает в секцию сгорания радиального потока диска статора. Затем поток на выходе из камеры сгорания расширяется в тангенциальном направлении соплами статора для приведения в действие импульсных лопаток турбины, установленных на диске ротора. Лопатки компрессора и турбины установлены на одном колесе.

  Преимущества конструкции с радиальным потоком

  • Один вращающийся компонент (например, механически простая и компактная газовая турбина)
  • Прочная и портативная
  • Короткий осевой диапазон
  • Простая двухдисковая конструкция
  • Низкие производственные затраты
  • Простота обслуживания и ремонта доступ
  • Высокая устойчивость к нагнетанию твердых частиц

  SwRI может предложить вам полный спектр возможностей и опыта в технологии газовых турбин, в том числе стать расширением вашего инженерного отдела.