Турбина компрессора: Турбина или компрессор что лучше. И в чем между ними разница? Простыми словами + видео

Устройство ТКР | kamturbo

УСТРОЙСТВО ТУРБОКОМПРЕССОРА ДЛЯ ДИЗЕЛЬНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

ТУРБОКОМПРЕССОР

 

Это лопастная машина, позволяющая использовать энергию выхлопных газов для нагнетания воздуха или топливовоздушной смеси в двигатель внутреннего сгорания — наддува.

Наддув позволяет увеличить количество подаваемого в цилиндры двигателя воздуха, что позволяет сжигать в том же рабочем объёме цилиндра больше топлива. Т. е. при том же рабочем объёме двигателя увеличивается его мощность.

Также при повышении давления в цилиндре улучшаются условия сгорания топлива, растёт экономичность двигателя и уменьшается токсичность выхлопных газов.

Дополнительное снижение расхода топлива обусловлено использованием для привода компрессора избыточной энергии выхлопных газов.

Поэтому турбонаддув сегодня всё шире применяется в двигателестроении.

 

Конструктивно турбокомпрессор состоит из 3-х основных элементов:

ТУРБИНА

 

Турбина также состоит из корпуса и рабочего колеса.

Колесо турбины жёстко связано с колесом компрессора валом. В автотракторном двигателестроении наиболее распространены радиально-осевые турбины.

Отработавшие газы из двигателя подаются во входной патрубок турбины, а затем в спиральный канал корпуса турбины (улитку), который обеспечивает равномерный вход газа в рабочее колесо. Проходя через межлопаточные каналы колеса, от его периферии к центру, за счёт специального профиля лопаток, газ расширяется и охлаждается, при этом тепловая энергия газа преобразуется в механическую работу вращения колеса. Мощность, развиваемая на турбине, передаётся на колесо компрессора и обеспечивает его работу.
          
Размеры всех элементов турбины и её рабочего колеса определяются исходя из необходимой мощности на привод компрессора и на основании анализа располагаемой энергии отработавшего газа в выхлопном коллекторе двигателя. Для каждого двигателя параметры турбины подбираются индивидуально. Так, например: при уменьшении проходного сечения канала улитки увеличивается скорость движения потока газа в ней, что способствует увеличению частоты вращения рабочего колеса и мощности турбины.

          
Различают турбины, работающие при постоянном давлении газа перед турбиной, и импульсные. В первом случае на двигателе применяются сравнительно простые выпускные коллектора относительно большого сечения. Во втором случае в турбине используется энергия импульсов газового потока, обусловленная импульсным характером выхода газов из цилиндров, что способствует повышению эффективности работы турбины. При этом выхлопной коллектор имеет относительно небольшое сечение и состоит из двух коллекторов, каждый из которых соединён с определённой группой цилиндров. Этим обеспечивается равномерное чередование импульсов давления и отсутствие их взаимного наложения. Улитка импульсной турбины делится перегородкой на два канала, каждый из которых соединён со своим коллектором.
          
С учётом высоких температур газа в турбине (до 800…9000С) корпуса турбин отливаются из чугуна специального состава. Рабочие колёса отливаются из жаропрочного сплава.
Рабочее колесо турбины соединяется со стальным валом сваркой трением и в сборе называются ротором. В месте сварки вал ротора имеет внутреннюю полость, препятствующую теплопередаче от колеса в вал.
          
Частота вращения ротора достигает, в зависимости от размерности ТКР и условий его работы на данном двигателе 90000…200000 об/мин и выше. Поэтому вращающиеся детали ТКР требуют очень точной балансировки. Это достигается балансировкой в три этапа:
— балансировка ротора и колеса компрессора отдельно,
— балансировка ротора в сборе с колесом компрессора,
— проверка дисбаланса картриджа в сборе (ротор с колесом компрессора в сборе с корпусом подшипников), дополнительная балансировка при необходимости.
          
Не допускается самостоятельная разборка ТКР в эксплуатации, т. к. при этом нарушается взаимное положение деталей ротора и балансировка

КОМПРЕССОР

 

Компрессор состоит из корпуса и колеса компрессора. В автотракторных двигателях самое широкое распространение получили компрессоры центробежного типа. При вращении колеса компрессора воздух засасывается лопатками через входной патрубок, расположенный в средней части корпуса компрессора. При прохождении через межлопаточные каналы колеса аэродинамическими и центробежными силами поток воздуха ускоряется. За колесом воздух проходит через кольцевую щель (диффузор) и через спиральный канал (улитку) корпуса компрессора, где постепенно тормозится. При этом повышается давление, достигая максимального значения на выходе из улитки.

 

 

Необходимые параметры наддува, т. е. давление и расход воздуха на входе в двигатель, определяются исходя из рабочего объёма двигателя, необходимой мощности и частоты вращения. Геометрические размеры всех элементов компрессора выбираются на основании сложных газодинамических расчётов для достижения заданных параметров наддува. Поэтому для каждого двигателя выбор компрессора индивидуален.

 

Как правило, колесо и корпус компрессора отливаются из алюминиевых сплавов.

КОРПУС ПОДШИПНИКОВ

         

Корпус подшипников служит для крепления корпусов компрессора и турбины и для размещения подшипников ротора. Ротор вращается в подшипниках скольжения (чаще всего бронзовые или алюминиевые втулки). Между наружной поверхностью подшипников и посадочной поверхностью подшипников в корпусе также имеется зазор, заполненный маслом. Этот зазор играет роль демпфера при радиальных смещениях ротора в подшипниках. Подшипники могут свободно вращаться в корпусе подшипников или зафиксированы в нём от вращения специальным элементом — фиксатором.

 

Осевое перемещение ротора ограничивается упорным подшипником, состоящим из собственно упорного подшипника, закреплённого в задней стенке компрессора, и двух стальных упорных шайб, закреплённых на валу ротора. Упорный подшипник изготавливается из бронзы или из спечённого материала на основе бронзографита.
Масло в подшипники подаётся под давлением из системы смазки двигателя через штуцер на корпусе подшипников и сливается через специальное отверстие в картер двигателя.
 

Недостаточное поступление масла в подшипники ротора приводит к мгновенному задиру подшипников.

Затруднённый слив масла из корпуса подшипников приводит к заполнению внутренней полости корпуса маслом и выдавливанию его через уплотнения ротора в компрессор и турбину.
 

Попаданию масла из корпуса подшипников в компрессор и турбину препятствуют специальные уплотнения ротора, представляющие собой разрезные чугунные кольца, вставленные в канавки кольцедержателей на роторе. Кольца наружной поверхностью плотно, без просветов, прижимаются к уплотняемым поверхностям в задней стенке корпуса компрессора и корпуса подшипников со стороны турбины. При этом в замке колец выдерживается минимальный, по условиям собираемости, зазор. Боковые стенки колец и канавок кольцедержателей обрабатываются с высоким качеством. Между кольцами и стенками канавок также выдерживаются минимальные зазоры.

Уплотнение ротора обеспечивается за счёт гидродинамических взаимодействий между боковыми поверхностями колец и стенками канавок, а также за счёт того, что давление воздуха и газа со стороны компрессора и турбины на большинстве режимов работы двигателя больше, чем в корпусе подшипников.

 

На режиме холостого хода двигателя, возможно, что давление в корпусе подшипников окажется больше, чем давление перед уплотнением со стороны компрессора. В этом случае вероятна утечка масла из корпуса подшипников через уплотнение в компрессор. Поэтому не рекомендуется длительная (более 5 мин) работа двигателя на холостом ходу.
 

Помимо уплотнений ротора в корпусе подшипников, перед уплотнением ротора со стороны компрессора, размещён маслоотражающий экран. Экран препятствует прямому попаданию масла, сливаемого через торцы радиального подшипника ротора, на колечное уплотнение и снижает вероятность утечки масла в компрессор. Для этой же цели на роторе перед уплотнением компрессора расположен маслоотражатель, выполненный в виде диска. Масло, попадая на маслоотражатель, сбрасывается с него под действием центробежных сил.

 

При работе турбокомпрессора имеет место теплообмен между горячей турбиной и относительно холодным компрессором. И охлаждение турбин, и нагрев компрессора одинаково отрицательно влияют на эффективность турбокомпрессора в целом. Для снижения теплопередачи служит теплоизолирующий экран, расположенный между корпусом турбины и корпусом подшипников. Этой же цели служит конструкция крепления корпуса турбины на корпусе подшипников. В некоторых случаях используются специальные термоизолирующие прокладки между корпусами. Уменьшению тепла, передаваемого в компрессор, также способствует охлаждение корпуса подшипников маслом.

Тюнинг двигателя: турбина или компрессор, что лучше установить?

Профессионалы автомобильного мира, и простые автолюбители знают о том, что двигатель с большим рабочим объёмом, выдает б

ольшую мощность по сравнению с малолитражными движками. Двигатель с малой кубатурой, не может дать автомобилю большой прирост мощности в силу своей слабости :).

Над тем, что сделать, чтобы малокубатурный двигатель давал мощности больше, задумывались давно. И вот, на заре развития авто-тюнинга, изобретатели придумали установку в двигатель дополнительного агрегата – компрессора.

Появилась возможность, задувать в камеру сгорания малокубатурного двигателя больше воздуха, что в свою очередь влечёт к обогащению топливной смеси кислородом и, как следствие, к увеличению мощности двигателя. Практически одновременно с компрессором стали использовать и турбину, все с той же целью — задуть в камеру сгорания больше кислорода и обогатить топливную смесь.

То есть цель использования турбины и компрессора одна и та же.

Забегая вперед, сразу оговоримся, что и турбина, и компрессор впоследствии зарекомендовали себя очень хорошо. Наибольшее распространение получила все же турбина, поскольку имеет более высокий КПД (коэффициент полезного действия) и позволяет экономить топливо, но и компрессоры так же используются на современных автомобилях.

Особенно эффективна турбина на дизельных двигателях, поэтому почти все современные дизельные движки имеют приставку «турбо».

В чем основное отличие турбины от компрессора?

Главное отличие турбины от компрессора в том, что в этих устройствах используются разные источники привода. Компрессор работает от вала двигателя и представляет собой отдельную, самостоятельную механическую единицу, а турбина приводится в работу энергией выхлопных газов и жестко привязана к двигателю.

Турбина, весьма эффективна для обогащения топливной смеси кислородом, но в ней, есть существенные неудобство – она стационарное устройство, требующее плотной привязки к двигателю (подвода масла под давлением). Турбина — сложное и дорогое устройство.

Компрессор гораздо проще в эксплуатации, требует минимальных усилий по обслуживанию – он независимый агрегат и этим все сказано.

Турбонаддув, весьма заманчив, но не стоит забывать, что любые турбины дорогие, из-за своих технологических характеристик: устройство сделано так, что требует дополнительных механизмов, например выпускной коллектор. В настройке она под силу только специалисту высокого уровня, который в состоянии чутко настроить работу для обеспечения оптимального состава топливной смеси.

Компрессор же удобен тем, что его настройка по силам любому человеку мало-мальски разбирающемуся в карбюраторах. Он достаточно легко настраивается посредством топливных жиклеров.

Для сравнения ещё один пункт: турбина вместе с установкой в двигатель Вам обойдётся не меньше 500 условных единиц, когда как компрессор стоит всего 150 условных единиц. Прирост мощности от такого тюнинга составляет в районе 20-30 % от начальной мощности двигателя.

Есть и еще одна очень существенная разница в работе этих устройств, которая так же может оказать влияние на выбор, что установить на автомобиль, турбину или компрессор…

Эта разница в том, в каком диапазоне оборотов двигателя работает устройство. И тут очевидно, что в этом компоненте компрессор будет выигрывать у турбины, поскольку компрессор может выполнять свою функцию даже на низких оборотах двигателя.

Турбине же требуется высокое давление выхлопных газов, которые образовываются только после достижения двигателем определенных оборотов. Раньше турбины начинали свою работу только с 4000 об/мин, но современные турбины значительно эффективнее и могут работать эффективно при более низких оборотах.

Что означает эта разница в работе компрессора и турбины? Автомобиль с компрессором будет значительно эффективнее разгоняться с самого старта. Автомобиль же с турбиной начинает разгон не очень шустро (наблюдается эффект турбоямы), но при достижении определенных оборотов следует резкий подхват и ускорение.

Какие из всего этого можно сделать выводы? Если Вы большой любитель скорости – а, вероятно, таких авто владельцев большинство, – смело устанавливайте компрессор в двигатель вашего авто, если у вас бензиновый двигатель. Если же у вас дизель, то, пожалуй, лучше использовать турбину.

Турбокомпрессор: сердце системы наддува воздуха

Турбокомпрессор: сердце системы наддува воздуха

Для повышения мощности двигателей внутреннего сгорания широкое применение находят специальные агрегаты — турбокомпрессоры. О том, что такое турбокомпрессор, каких типов бывают эти агрегаты, как они устроены и на каких принципах основана их работа, а также об их обслуживании и ремонте читайте в статье.

Что такое турбокомпрессор?

Турбокомпрессор — основной компонент системы агрегатного наддува двигателей внутреннего сгорания, агрегат для повышения давления во впускном тракте двигателя за счет энергии отработавших газов.

Турбокомпрессор применяется для повышения мощности двигателя внутреннего сгорания без коренного вмешательства в его конструкцию. Данный агрегат повышает давление во впускном тракте двигателя, обеспечивая подачу в камеры сгорания увеличенного количества топливно-воздушной смеси. В этом случае сгорание происходит при более высокой температуре с образованием большего объема газов, что приводит к повышению давления на поршень и, как следствие, к росту крутящего момента и мощностных характеристик двигателя.

Применение турбокомпрессора позволяет увеличить мощность двигателя на 20-50% с минимальным увеличением его стоимости (а при более значительных доработках рост мощности может достигать 100-120%). Благодаря своей простоте, надежности и эффективности системы наддува на основе турбокомпрессоров находят самое широкое применение на всех типах транспортных средств с ДВС.

Типы и характеристики турбокомпрессоров

Сегодня существует большое разнообразие турбокомпрессоров, но их можно разделить на группы по назначению и применимости, типу используемой турбины и дополнительному функционалу.

По назначению турбокомпрессоры можно разделить на несколько типов:

• Для одноступенчатых систем наддува — один турбокомпрессор на двигатель, либо два и более агрегатов, работающих на несколько цилиндров;
• Для последовательных и последовательно-параллельных систем надува (различные варианты Twin Turbo) — два одинаковых или разных по характеристикам агрегата, работающих на общую группу цилиндров;
• Для двухступенчатых систем наддува — два турбокомпрессора с различными характеристиками, которые работают в паре (последовательно друг за другом) на одну группу цилиндров.

Наиболее широкое применение находят одноступенчатые системы наддува, построенные на основе одного турбокомпрессора. Однако такой системе может присутствовать два или четыре одинаковых агрегата — например, в V-образных двигателях используются отдельные турбокомпрессоры на каждый ряд цилиндров, в многоцилиндровых моторах (более 8) могут применяться четыре турбокомпрессора, каждый из которых работает на 2, 4 или более цилиндров. Меньшее распространение получили двухступенчатые системы наддува и различные вариации Twin-Turbo, в них используется два турбокомпрессора с различными характеристиками, которые могут работать только в паре.

По применимости турбокомпрессоры можно условно разделить на несколько групп:

• По типу двигателя — для бензиновых, дизельных и газовых силовых агрегатов;
• По объему и мощности двигателя — для силовых агрегатов малой, средней и большой мощности; для высокооборотистых двигателей, и т.д.

Турбокомпрессоры могут оснащаться турбиной одного из двух типов:

• Радиальной (радиально-осевой, центростремительной) — поток отработавших газов подается на периферию крыльчатки турбины, движется к ее центру и выводится в осевом направлении;
• Осевой — поток отработавших газов подается вдоль оси (к центру) крыльчатки турбины и выводится с ее периферии.

Сегодня применяются обе схемы, но на двигателях небольшого объема чаще можно встретить турбокомпрессоры с радиально-осевой турбиной, а на мощных силовых агрегатах предпочтение отдается осевым турбинам (хотя это и не является правилом). Независимо от типа турбины, все турбокомпрессоры оснащаются центробежным компрессором — в нем воздух подается к центру крыльчатки и отводится от ее периферии.

Современные турбокомпрессоры могут иметь различный функционал:

• Двойной вход — турбина имеет два входа, на каждый из них поступают отработавшие газы от одной группы цилиндров, такое решение снижает перепады давления в системе и улучшает стабильность наддува;
• Изменяемая геометрия — турбина имеет подвижные лопасти или скользящее кольцо, посредством которых можно изменять поток отработавших газов на рабочее колесо, это позволяет изменять характеристики турбокомпрессора в зависимости от режима работы двигателя.

Наконец, турбокомпрессоры отличаются основными эксплуатационными характеристиками и возможностями. Из основных характеристик этих агрегатов следует выделить:

• Степень повышения давления — отношение давления воздуха на выходе компрессора к давлению воздуха на входе, лежит в пределах 1,5-3;
• Подача компрессора (расход воздуха через компрессор) — масса воздуха, проходящая через компрессор за единицу времени (секунду), лежит в пределах 0,5-2 кг/с;
• Рабочий диапазон оборотов — лежит в пределах от нескольких сотен (для мощных тепловозных, промышленных и иных дизелей) до десятков тысяч (для современных форсированных двигателей) оборотов в секунду. Максимальная скорость ограничена прочностью рабочих колес турбины и компрессора, при слишком высокой скорости вращения за счет центробежных сил колесо может разрушиться. В современных турбокомпрессорах периферийные точки колес могут вращаться со скоростями 500-600 и более м/с, то есть — в 1,5-2 раза быстрее скорости звука, это и обуславливает возникновение характерного свиста турбины;
• Рабочая/максимальная температура отработавших газов на входе в турбину — лежит в пределах 650-700°С, в отдельных случаях достигает 1000°С;
• КПД турбины/компрессора — обычно составляет 0,7-0,8, в одном агрегате КПД турбины обычно меньше КПД компрессора.

Типовая схема системы агрегатного наддува воздуха ДВС

Также агрегаты отличаются размерами, типом монтажа, необходимостью применять вспомогательные компоненты и т.д.

Конструкция турбокомпрессора

В общем случае турбокомпрессор состоит из трех основных узлов:

1. Турбина;
2. Компрессор;
3. Корпус подшипников (центральный корпус).

Турбина — агрегат, преобразующий кинетическую энергию отработавших газов в механическую энергию (в крутящий момент колеса), которая обеспечивает работу компрессора. Компрессор — агрегат для нагнетания воздуха. Корпус подшипников связывает оба агрегата в единую конструкцию, а расположенный в нем вал ротора обеспечивает передачу крутящего момента от колеса турбины на колесо компрессора.

Разрез турбокомпрессора

Турбина и компрессор имеют схожую конструкцию. Основой каждого из этих агрегатов выступает корпус-улитка, в периферийной и центральной части которого расположены патрубки для соединения с системой наддува. У компрессора впускной патрубок всегда находится в центре, выпускной (нагнетательный) — на периферии. Такое же расположение патрубков у осевых турбин, у радиально-осевых турбин расположение патрубков обратное (на периферии — впускной, в центре — выпускной).

Внутри корпуса располагается колесо с лопатками специальной формы. Оба колеса — турбинное и компрессорное — удерживаются общим валом, который проходит через корпус подшипников. Колеса — цельнолитые или составные, форма лопаток турбинного колеса обеспечивает максимально эффективное использование энергии отработавших газов, форма лопаток компрессорного колеса обеспечивает максимальный центробежный эффект. В современных турбинах высокого класса могут использоваться составные колеса с керамическими лопатками, которые имеют низкую массу и обладают лучшими характеристиками. Размер колес турбокомпрессоров автомобильных двигателей — 50-180 мм, мощных тепловозных, промышленных и иных дизелей — 220-500 и более мм.

Оба корпуса монтируются на корпус подшипников с помощью болтов через уплотнения. Здесь располагаются подшипники скольжения (реже — подшипники качения специальной конструкции) и уплотнительные кольца. Также в центральном корпусе выполняются масляные каналы для смазки подшипников и вала, а в некоторых турбокомпрессорах и полости водяной рубашки охлаждения. При монтаже агрегат соединяется с системами смазки и охлаждения двигателя.

В конструкции турбокомпрессора могут быть предусмотрены и различные вспомогательные компоненты, в том числе детали системы рециркуляции отработавших газов, масляные клапаны, элементы для улучшения смазки деталей и их охлаждения, регулировочные клапаны и т. д.

Детали турбокомпрессора изготавливаются из специальных марок стали, для колеса турбины применяются жаропрочные стали. Материалы тщательно подбираются по коэффициенту температурного расширения, что обеспечивает надежность конструкции на различных режимах работы.

Турбокомпрессор включается в систему наддува воздуха, в которую также входят впускной и выпускной коллекторы, а в более сложных системах — интеркулер (радиатор охлаждения наддувного воздуха), различные клапаны, датчики, заслонки и трубопроводы.

Принцип работы турбокомпрессора

Принцип работы турбокомпрессора

Функционирование турбокомпрессора сводится к простым принципам. Турбина агрегата внедряется в выпускную систему двигателя, компрессор — во впускной тракт. Во время работы мотора выхлопные газы поступают в турбину, ударяются о лопатки колеса, отдавая ему часть своей кинетической энергии и заставляя ее вращаться. Крутящий момент от турбины посредством вала напрямую передается на колеса компрессора. При вращении колесо компрессора отбрасывает воздух на периферию, повышая его давление — этот воздух подается во впускной коллектор.

Одиночный турбокомпрессор имеет ряд недостатков, основной из которых — турбозадержка или турбояма. Колеса агрегата имеют массу и некоторую инерцию, поэтому не могут мгновенно раскручиваться при повышении оборотов силового агрегата. Поэтому при резком нажатии на педаль газа турбированный двигатель разгоняется не сразу — возникает короткая пауза, провал мощности. Решением этой проблемы служат специальные системы управления турбиной, турбокомпрессоры с изменяемой геометрией, последовательно-параллельные и двухступенчатые системы наддува, и другие.

Вопросы обслуживания и ремонта турбокомпрессоров

Турбокомпрессор нуждается в минимальном техническом обслуживании. Главное — вовремя производить замену масла и масляного фильтра двигателя. Если мотор еще может какое-то время работать на старом масле, то для турбокомпрессора оно может стать смертельно опасным — даже незначительное ухудшение качества смазочного материала на высоких нагрузках может привести к заклиниванию и разрушению агрегата. Также рекомендуется периодически очищать детали турбины от нагара, что требует ее разбора, однако эту работу следует выполнять только с применением специального инструмента и оборудования.

Неисправный турбокомпрессор в большинстве случаев проще заменить, чем ремонтировать. Для замены необходимо использовать агрегат того же типа и модели, что был установлен на двигателе ранее. Монтаж турбокомпрессора с иными характеристиками может нарушить работу силового агрегата. Подбор, монтаж и настройку агрегата лучше доверять специалистам — это гарантирует правильное выполнение работ и нормальную работу двигателя. При правильной замене турбокомпрессора двигатель снова обретет высокую мощность и сможет решать самые сложные задачи.

Другие статьи

#Бачок ГЦС

Бачок ГЦС: надежная работа гидропривода сцепления

14. 10.2020 | Статьи о запасных частях

Многие современные автомобили, особенно грузовые, оснащаются гидравлическим приводом выключения сцепления. Достаточный запас жидкости для работы главного цилиндра сцепления хранится в специальном бачке. Все о бачках ГЦС, их типах и конструкции, а также о выборе и замене этих деталей читайте в статье.

Устройство турбокомпрессора (турбины) двигателя. Принцип работы — ЭнергоТехСтрой, Челябинск

Современная сельскохозяйственная техника оснащается турбокомпрессором. Он направляет воздух в цилиндры посредством газов, которые выходят из двигателя. Вследствие такого наддува воздух попадает в цилиндры под высоким давлением в больших объемах. Устройство турбокомпрессора позволяет повысить мощность техники, а расход топлива наоборот снизить.

Устройство турбокомпрессора

Турбина двигателя (турбокомпрессор двигателя) состоят из нескольких элементов:

• Газовая турбина;
• Компрессор;
• Крыльчатка и улитка;
• Подшипники, клапаны, гайки и другие крепежные элементы;
• Насос;
• Связующая ось.

Колеса турбокомпрессора двигателя крепко фиксируются на одном валу и помещаются в корпуса. У компрессора корпус изготовлен из алюминия, а у турбины – из сплава чугуна.

Принцип работы турбины двигателя

Устройство турбокомпрессора позволяет газам стремительно направляться через трубопровод в газовую турбину. Оттуда при помощи высокого давления по сопловому аппарату газы переходят на лопатки колеса, благодаря чему газовая турбина вращается с огромной скоростью. И только после всех этих действий газы выводятся в атмосферу сквозь глушитель.

Когда колесо турбокомпрессора двигателя (турбины двигателя) крутится, оно захватывает воздух, который поступает из атмосферы при помощи воздухоочистителя. Вследствие чего воздух направляется на лопасти компрессора, стремительно раскручивается и сжимается. После этого он под сильным давлением попадает в цилиндры. Из-за постоянного избыточного давления в трубопроводе важно смазывать его дизельным топливом.

Чем больше будет плотность воздуха, подаваемого в цилиндры, тем выше мощность турбины двигателя (турбокомпрессора двигателя), а удельный расход топлива намного меньше. Повысить плотность воздуха можно охлаждая воздух, который выходит из компрессора в цилиндры.

Получить более подробную информацию об устройстве турбокомпрессора вы можете у наших специалистов.

Методика оценочного расчета удельного расхода топлива двухконтурного турбореактивного двигателя | Кузнецов

Определение предельно достижимого уровня технического совершенства для дви­гателя с выбранной конструктивной схемой на начальном этапе проектирования позволяет заранее оценить его конкурентоспособность по сравнению с аналогами. Для оценки уровня технического совершенства силовой установ­ки летательного аппарата (ЛА) используются два параметра: удельный расход топлива C_R и удельный вес двигателя γ_дв [1]. Определение удельных параметров проектируемого двигате­ля начинается с термодинамического расчета «исходного» режима работы. При этом КПД основных узлов и уровень потерь по газовоз­душному тракту двигателя задаются из пред­шествующего опыта проектирования (данные аналогов или предшествующих модификаций) или определяются в ходе отдельных расче­тов компрессора, турбины и камеры сгора­ния. Прямая аналитическая взаимосвязь па­раметров термодинамического цикла и КПД основных узлов для конкретного двигателя невозможна. Поэтому процесс выбора термо­динамических параметров, таких как температура газа в камере сгорания Т_г*, суммарнаястепень сжатия π_Σ*, степень двухконтурности y и последующий анализ зависимостей C_R = f(Т_г*, π_Σ*, y,…), выполняется при постоянных значениях потерь и КПД узлов.

При определении предельно возможного технического уровня двигателя связь между параметрами Т_г*, π_Σ*, y и максимально возможным КПД узлов может быть установлена.
Основой метода является использование зависимостей максимально возможного политропного КПД ступени компрессора или турбины  от величины нагрузки на ступень, предварительно полученных на основе стати­стических данных. Далее выполняется расчет адиабатического КПД всего компрессора η_к* или турбины η_т* с использованием параметров термодинамического цикла. Подробно метод расчета максимально возможного КПД основ­ных узлов двигателя изложен в [2].

Для рассматриваемой методики расчета установлены следующие допущения и огра­ничения:

• процесс в двигателе рассматривается как термодинамически равновесный и адиа­батический;
• приняты постоянные гидравлические потери по газовоздушному тракту;
• принято равномерное распределение нагрузки (напорности) между ступенями ком­прессора;
• область применения методики огра­ничивается малоразмерными ТРДД, которые устанавливаются в основном на беспилотные летательные аппараты.

Исходными данными для определения максимально возможного η_к* осевого ком­прессора являются следующие параметры: приведенный расход воздуха G_{ВПР 0}, пол­ная температура на входе в компрессор Т_вх, а также степень повышения полного давле­ния в компрессоре π_к* и выбранное количе­ство ступеней компрессора z. В начале рас­чета определяется величина нагрузки на одну ступень Δi*_ст0 и степень повышения давления в ступени π*_ст0 в первом приближении с ис­пользованием равенств:

где Δi_к*_ад, ккал/кг — адиабатическое измене­ние энтальпии за компрессором, определяе­мое с помощью термодинамических функций по величинам π_к* и Т_вх*; Δi_ад* _ст, кДж/кг — адиа­батическое изменение энтальпии ступени. За­висимость для максимально возможного КПД осевой ступени компрессора от измене­ния энтальпии Δi_ст* представлена на рисунке 1.

Для каждой ступени компрессора с по­рядковым номером s может быть определена напорность Δi_ст*(s) и максимальный политропный КПД  (s):

Здесь k_α — поправка на потери напорно- сти в ступенях, а k_н(s) — коэффициент, опреде­ляющий изменение напорности по ступеням. Для малоразмерных ТРДД число осевых сту­пеней в компрессоре обычно не более 2. В этом случае, в отличие от многоступенчатых ком­прессоров с заданным распределением напор- ности, можно принять k_н(1) = k_н(2) = 1.

Политропный КПД с учетом поправки на размерность ступени определяется урав­нениями:

где G_ВПР(s), кг/с — приведенный расход воздуха на входе в ступень s, Δη_пол* — поправка на полит- ропный КПД, определяемая по графической зависимости, представленной на рисунке 2. Графические зависимости для  и Δη_пол* представленные на рисунках 1 и 2, получены путем обработки статистических эксперимен­тальных данных по осевым и центробежным ступеням компрессоров на основе данных, за­имствованных из [1, 3, 4].

Адиабатический КПД ступени

Параметры воздуха на выходе из ступени:

где i*_вх(s), S*_вх(s) — энтальпия и энтропия возду­ха на входе в ступень; Δi_ст*_ад(s) — адиабатиче­ский напор ступени; i_ст*_ад(s), T*_ст*_ад(s), S*_ст*_ад(s) — энтальпия, температура и энтропия воздуха на выходе из ступени, рассчитанные с помо­щью термодинамических функций.

Общие параметры осевого компрессора определяются по соотношениям:

Совместное решение уравнений (1)-(11) позволяет определить адиабатический КПД, напорность каждой ступени компрессора и об­щий КПД компрессора.

Аналогичным образом, на основе при­веденных выше зависимостей, может быть составлена методика расчета для компрессо­ра, состоящего из нескольких центробежных или диагональных ступеней. В большинстве современных малоразмерных ТРДД приме­няется одиночная центробежная ступень. Для центробежной ступени следует исполь­зовать зависимость , представ­ленную на рисунке 1. Дополнительными исходными данными для расчета являются приведенный расход воздуха G_{в прц} и температура торможения Т_вх* на входе в ступень. Для одноступенчатого центробежного ком­прессора G_{в прц} = G_{в прц0}, Т_вх * — задано. Для за­мыкающей ступени осецентробежного ком­прессора G_{в прц} = G_{в пр}(z), Т_вх*= Т_ст*(z). При этом расчет адиабатического КПД ступени суще­ственно упрощается:

Изменение энтальпии и параметры воз­духа на выходе из центробежной ступени:

где i*_вх, S*_вх — энтальпия и энтропия воздуха на входе в ступень, определяемые по Т_вх*; Δi_ц*_ад — адиабатический напор ступени; i_{ц ад}, T_ц*_ад, S_ц*_ад — энтальпия, температура и энтропия воздуха на выходе из центробежной ступени.

Для одноступенчатого центробежного компрессора параметры ступени одновремен­но являются параметрами компрессора. Общие параметры осецентробежного компрессора определяются с учетом параметров осевой части:

Методика определения максимально воз­можного адиабатического КПД для турбины компрессора составлена с учетом отбора воз­духа на охлаждение соплового аппарата (СА) и рабочего колеса (РК) для одной или несколь­ких ступеней. В качестве исходных данных используются следующие параметры из рас­чета исходного режима: изменение энталь­пии в компрессоре Δi_к*, приведенный расход воздуха G_{в пр0}, температура торможения Т*_г и полное давление Р_г* газа на входе в турбину, энтальпия воздуха за компрессором i_к*, отно­сительный расход топлива в камере сгорания q_т кс = G_т / (3600 · G_{в кс}). Зависимости для опре­деления механического КПД η_mK = f(G_{в пр0}) на валу турбины компрессора с учетом при­вода агрегатов и зависимость для определе­ния относительной величины отбора воздуха Δ _{охл ст}(s) = f (Т_вх*) на охлаждение одной ступе­ни турбины приведены в [2]. Относительный отбор воздуха на охлаждение диска корпуса и дисков турбины Δ _охл к = 0,005…0,01.

Коэффициенты расхода воздуха и газа на входе в турбину компрессора:

Величины μ_в, μ_г, Δ _охл Σ в начале расчета задаются в первом приближении.

Для определения изменения энтальпии газа в турбине компрессора Δi*_тк и в отдельной ступени Δi*_ст при заданном числе ступеней z (в соответствии с вариантом схемы на рис. 5) используются соотношения:

В сечениях за CA и РК турбины для каж­дой ступени s выполняется пересчет коэффици­ентов расхода с использованием соотношений:

Здесь j — 1 обозначает сечение на вхо­де в CA или РК; j — сечение на выходе из CA или РК; ψ_са, ψ_ρκ — долевой коэффициент от­носительного расхода воздуха, расходуемого на охлаждение соответственно CA и РК.

Термодинамические параметры на выхо­де из CA определяются с помощью термоди­намических функций:

где i_вх*'(s), Т_вх*'(s), S_вх*'(s) — соответственно эн­тальпия, полная температура и энтропия газа за CA, т.е. на входе в РК; а c_p, R_r, к_г — соот­ветственно теплоемкость, газовая постоянная и показатель адиабаты этого же газа.

Политропный КПД ступени η*_пол(s) опре­деляется с использованием зависимостей:

Δη*_пол = f(А_ст), если А_ст ≤ 40, Δη*_пол = 0, если А_ст > 40.

Здесь η*^max_пол — максимально возмож­ный политропный КПД, определяемый по зависимости, представленной на рисун­ке 3, Δη*_пол — поправка на политропный КПД ступени в зависимости от величины пропуск­ной способности А_ст, определяемая по зависи­мости на рисунке 4, P*_вх(S) — полное давление газа на входе в рабочее колесо ступени. Зависи­мости для η*^max_пол получены при обработке стати­стических данных, взятых из [3]. Зависимость для η*_пол заимствована из работы [4].

 

Рис. 3. Максимально возможный политропный КПД ступени турбины компрессора

 

 

Рис. 4. Поправка на политропный КПД ступени турбины

 

Aдиабатические параметры за РК и адиа­батический КПД ступени η*_ад(s) определяются с использованием уравнений:

где i*_{ст ад}(s), T*_{ст ад}(s), S*_{ст ад}(s) — соответственно адиабатическая энтальпия, полная температу­ра и энтропия газа на входе из РК, определя­емые с помощью термодинамических функ­ций; Δi*_{ст ад}(s) — адиабатический перепад на РК ступени; π*_ст (s) — степень понижения полного давления в РК.

Энтальпия газа на выходе из ступени определяется по теплоперепаду в РК и величи­не расхода охлаждающего воздуха

где i*_ст (s)- энтальпия газа на выходе из РК.

Рис. 5. Охемы ТРДД: а) первая конструктивная схема, б) вторая конструктивная схема 1 — вентилятор (вар. а), двухступенчатый вентилятор (вар. б), 2 — осевая ступень компрессо­ра ВД (вар. а), двухступенчатая подпорная осевая ступень (вар. б), 3 — центробежная ступень компрессора ВД, 4 — камера сгорания, 5 — турбина ВД, 6 — турбина НД (вар. а), двухступен­чатая турбина НД (вар. б), 7 — сопло второго контура, 8 — сопло первого контура, CA — сече­ние на выходе из соплового аппарата, РК — сечение на выходе из рабочего колеса

Полная температура и давление газа на выходе из ступени турбины:

T_ст*(s) = f (q_т(j), i_ст*(s), P_ст*(s) = P_вх*(s) / π_ст*(s) .      (32)

Поскольку для многоступенчатой тур­бины имеют место равенства i*_вх (s + 1) = i_ст*(s) и P_вх*(s + 1) = P_ст*(s), приведенные выше урав­нения позволяют выполнить расчет основных параметров для каждой из z ступеней турбины при их совместном решении.

Далее определяются общие параметры турбины компрессора — степень понижения полного давления в турбине π*_тк и адиабатиче­ский КПД η*_тк:

Турбина низкого давления, связанная вентилятором, рассчитывается аналогичным образом, при этом для определения величин η*^max_пол и Δη*_пол используются зависимости на ри­сунках 3, 4. В случае если температура на вхо­де в турбину или ступень T*_вх(s) < 1200 К, при­нимается Δ_охлс(s) = 0.

Предложенные процедуры расчета адиа­батического КПД компрессора и турбины ис­пользуются в данном случае как составные части термодинамического расчета исходно­го режима двигателя, выполненные в виде отдельных подпрограмм.

Остальные параметры, характеризующие потери по газовоздушному тракту и полноту сгорания топлива в камере, имеют, как прави­ло, узкие интервалы возможных значений. Их количество и численные значения определяют­ся типом двигателя (ТРД, ТРДД и др. ), могут быть заимствованы из [5, 7]. При определе­нии предельно достижимого уровня техниче­ского совершенства двигателя с минимально возможным C_R параметры, характеризующие потери по газовоздушному тракту, могут быть заданы в виде постоянных величин. Методи­ка термодинамического расчета исходного ре­жима является общеизвестной, поэтому она исключается из рассмотрения. Для расчета термодинамических функций воздуха и газа в диапазоне температур от минус 50 до 1500 °С используются данные [6], для температур свы­ше 1500 °С — аппроксимирующие зависимости по стандарту NASA sp-273.

Для апробации разработанной методики были выполнены расчеты минимально воз­можных C_R применительно к малоразмерным ТРДД. Расчеты выполнены для стандартных атмосферных условий на входе в двигатель Н = 0, М = 0, T_H = 288,15 К. Диапазон варьи­руемых основных параметров термодинами­ческого цикла выбран исходя из статистических данных для ТРДД производства Teledyne CAE, Williams International [8]: π_Σ* = 10-13,8, Т_г* = 1150-1400 К, у = 1. Во всех случаях при­веденный расход воздуха через первый контур был задан равным С_{ВПР 0} = 2,5 кг/с. Исходя из постановки задачи, вместо значений тяги двигателя для всех вариантов рассчитана ве­личина усредненной удельной тяги двигателя I = (R_уд1 + R_уд2 · y)/ (1 + У), где R_уд1 R_уд2 — удель­ная тяга сопел первого и второго контура со­ответственно.

Результаты вариативных расчетов исход­ного режима ТРДД с максимально возможны­ми КПД узлов представлены на рисунках 6, 7. На рисунке 6 представлены расчетные зави­симости C_R = (Т_г*, π_Σ*, I) для первой конструк­тивной схемы ТРДД с одноступенчатым вен­тилятором, компрессором высокого давления (ВД), состоящим из осевой и центробежной ступени, кольцевой прямоточной камерой сгорания, одноступенчатой турбиной высо­кого и низкого давления (НД). Первая схема представлена на рисунке 5 а. Нанесенные ли­нии представляют собой результаты расче­тов множества вариантов исходного режима ТРДД при выбранных постоянных величи­нах термодинамического цикла Т_г* = const или π_Σ* = const. Каждая точка диаграммы представляет собой минимально возможное значение C_r, достижимое при заданных T_г* , π_Σ*, у и внешних условиях.

 

 

Аналогичные зависимости по C_R пред­ставлены на рисунке 7 для второй схемы ТРДД с двухступенчатым вентилятором, двумя под­порными ступенями каскада НД, компрессо­ром ВД, состоящим из центробежной ступени, кольцевой прямоточной камерой сгорания, од­ноступенчатой турбиной ВД и двухступенча­той турбиной НД. Вторая схема представлена на рисунке 5б. Дополнительно на рисунке 7 на­несены данные по двигателям семейства мало­размерных ТРДД WR-19 компании Williams In­ternational и расчетные данные этих двигателей, полученные при тех же параметрах термодина­мического цикла с максимально возможными величинами КПД ступеней компрессоров и тур­бин (точки отмечены одинаковыми маркерами). Анализ представленных данных показывает возможность снижения C_R для данных двига­телей на 7-10 % при увеличении политропного КПД составляющих ступеней до максималь­но возможного современного уровня (данные на рис. 1, 3). Необходимо учесть, что линия совместной работы в поле характеристик ком­прессора, с учетом обеспечения достаточного уровня запасов газодинамической устойчиво­сти, может быть смещена в область, где КПД на 1-2 % ниже линии максимальных значений. Поэтому максимальный потенциал снижения C_r для окончательно спроектированного и изго­товленного двигателя в данном случае следует уменьшить до 5-8 %.

Из опыта проектирования известно, что при модернизации существующего дви­гателя без существенных изменений газовоз­душного тракта технические риски успешного завершения ОКР считаются минимальными. Однако заказчик может поставить перед раз­работчиком ТРДД задачу снизить удельный расход топлива на величину δC_R > 7-10 % с условием сохранения параметров термоди-намического цикла y, T_г*, π*_Σ и неизменны­ми габаритно-массовыми характеристиками. В рассмотренном случае задача будет практи­чески не выполнимой, так как существующие методы проектирования и технологические возможности производства не позволят до­стичь требуемого уровня политропного КПД компрессора и турбины. Потребуются дли­тельные НИР по улучшению характеристик основных узлов двигателя. Таким образом, результаты расчета по данной методике мо­гут быть важным дополнительным критерием оценки задаваемых в ТЗ требований по эконо­мичности ТРДД при выполнении поисковых НИР для перспективных ЛА.

Методика может также использоваться для сравнения ТРДД различных схем и с раз­личными параметрами термодинамического цикла. Зависимости, показанные на рисунках 6 и 7, могут быть представлены в виде области с ограничивающими линиями для фиксирован­ного диапазона значений T_г*, π*_Σ. В этом случае наложение двух таких областей, полученных для ТРДД первой и второй схемы с одинаковы­ми диапазонами значений T_г*, π*_Σ, у, позволяет наглядно их сопоставить по минимально дости­жимым значениям C_r, как показано на рисунке 8.

Может быть выполнен также количе­ственный анализ. Например переход от первой ко второй схеме ТРДД (см. рис. 8) при одина­ковых значениях Т_г* = 1300 К, π_Σ* = 12,25, у = 1 позволяет снизить удельный расход топлива на величину δC_R = -1,2 % с одновременным увеличением суммарного удельного импульса δΐ = 1,0 %. Снижение C_r связано в основном с увеличением КПД турбины НД при переходе от одноступенчатой к двухступенчатой схеме.

Другим примером может быть сравнение ТРДД одной схемы (первая схема), но с раз­личной степенью двухконтурности у, пред­ставленное на рисунке 9. Увеличение степе­ни двухконтурности на 35 % при одинаковых значениях Т_г* = 1300 К, π_Σ* = 12,25 позволяет снизить минимально достижимый уровень удельного расхода топлива на величину δC_R = -6,8 %. Однако данное снижение величины C_r сопровождается значительным снижением суммарного удельного импульса δI = -8,6 %.

Такое изменение оправдано в случае оптимиза­ции двигателя на крейсерский режим работы при снижении числа М полета. Примером ис­пользования ТРДД с увеличенной степенью двухконтурности можно считать JT15D-5C с у = 2 производства Pratt&Whitney, устанавли­ваемый на БПЛA “Barracuda” и X-47A. В обо­их случаях можно заранее оценить, насколько потенциал снижения δC_r оправдывает затраты, необходимые на проведение ОКР по разра­ботке двигателя новой конструктивной схемы.

Преимуществом разработанной методи­ки, в сравнении с традиционным термодинами­ческим расчетом исходного режима, является возможность выполнять расчет минимально достижимых значений C_r двигателя с учетом взаимосвязи между изменением основных па­раметров термодинамического цикла π*_Σ и T*_г , изменением КПД узлов и величины отбирае­мого на охлаждение воздуха. Методика позво­ляет выполнить оценку имеющегося потенциа­ла улучшения экономичности существующего ТРДД, ограниченного достигнутыми техни­ческими характеристиками основных узлов. Для двигателя новой конструктивной схемы на начальном этапе проектирования можно вы­явить наличие или отсутствие преимущества по величине минимально возможного удельно­го расхода топлива с двигателями-аналогами в ожидаемых условиях эксплуатации.

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».

Турбина или компрессор: плюсы и минусы |

Я, субъект персональных данных, в соответствии с Федеральным законом от 27 июля 2006 года № 152 «О персональных данных» предоставляю ООО «Мега групп» (далее — Оператор), расположенному по адресу 115191, г. Москва, Духовской переулок, дом 17, стр. 15, согласие на обработку персональных данных, указанных мной в форме веб-чата и/или в форме заказа обратного звонка на сайте в сети «Интернет», владельцем которого является Оператор.

Состав предоставляемых мной персональных данных является следующим: ФИО, адрес электронной почты и номер телефона.
Целями обработки моих персональных данных являются: обеспечение обмена короткими текстовыми сообщениями в режиме онлайн-диалога и обеспечение функционирования обратного звонка.
Согласие предоставляется на совершение следующих действий (операций) с указанными в настоящем согласии персональными данными: сбор, систематизацию, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), использование, передачу (предоставление, доступ), блокирование, удаление, уничтожение, осуществляемых как с использованием средств автоматизации (автоматизированная обработка), так и без использования таких средств (неавтоматизированная обработка).
Я понимаю и соглашаюсь с тем, что предоставление Оператору какой-либо информации о себе, не являющейся контактной и не относящейся к целям настоящего согласия, а равно предоставление информации, относящейся к государственной, банковской и/или коммерческой тайне, информации о расовой и/или национальной принадлежности, политических взглядах, религиозных или философских убеждениях, состоянии здоровья, интимной жизни запрещено.
В случае принятия мной решения о предоставлении Оператору какой-либо информации (каких-либо данных), я обязуюсь предоставлять исключительно достоверную и актуальную информацию и не вправе вводить Оператора в заблуждение в отношении своей личности, сообщать ложную или недостоверную информацию о себе.
Я понимаю и соглашаюсь с тем, что Оператор не проверяет достоверность персональных данных, предоставляемых мной, и не имеет возможности оценивать мою дееспособность и исходит из того, что я предоставляю достоверные персональные данные и поддерживаю такие данные в актуальном состоянии.
Согласие действует по достижении целей обработки или в случае утраты необходимости в достижении этих целей, если иное не предусмотрено федеральным законом.
Согласие может быть отозвано мною в любое время на основании моего письменного заявления.

Компрессоры

Эта страница предназначена для учащихся колледжей, старших и средних школ. Для младших школьников более простое объяснение информации на этой странице: доступно на Детская страница.

---

Большинство современных пассажирских и военных самолетов оснащены двигателями газотурбинные двигатели, также называемые реактивными двигатели.Есть несколько разных типы газотурбинных двигателей, но все газотурбинные двигатели имеют некоторые общие детали. Все турбины двигатели имеют компрессор для повышения давления поступающий воздух до того, как он попадет в камеру сгорания. Производительность компрессора имеет большое влияние на общий двигатель представление.

Как показано на рисунке выше, существует два основных типа компрессоры: осевой и центробежный .На картинке компрессор слева называется осевым компрессором, потому что поток через компрессор проходит параллельно оси вращения. В компрессор справа называется центробежным компрессор, потому что поток через этот компрессор повернут перпендикулярно оси вращения. Центробежные компрессоры, которые использовались в первых реактивных двигателях, до сих пор используются на малых турбореактивных двигателях а также турбовальный двигатели и как насосы на ракета двигатели.Современный большой турбореактивный и турбовентилятор в двигателях обычно используются осевые компрессоры.

Почему переход на осевые компрессоры? Средняя, ​​одноступенчатая, центробежный компрессор может увеличить давление в 4 раза. аналогичный средний, одноступенчатый осевой компрессор увеличивает давление только на коэффициент 1,2. Но связать вместе несколько ступеней и изготовить многоступенчатый осевой компрессор . в многоступенчатый компрессор, давление перемножается из ряда в ряд (8 ступеней на 1.2 на ступень дает коэффициент 4,3). Это намного больше сложно изготовить эффективный многоступенчатый центробежный компрессор потому что на каждом этапе поток должен возвращаться к оси. Поскольку поток направлен перпендикулярно оси, двигатель с центробежный компрессор, как правило, шире, имеет большее поперечное сечение площадь, чем соответствующая осевая. Это создает дополнительные нежелательные сопротивление самолета. По этим причинам наиболее высокая производительность, высокое сжатие В турбинных двигателях используются многоступенчатые осевые компрессоры.Но если бы только требуется умеренное сжатие, центробежный компрессор намного проще в использовании.

---

Действия:

---

Экскурсии с гидом

---

Навигация . .

Руководство для начинающих Домашняя страница

Сопряжение компрессора и турбины

Самые современные пассажирские и военные самолеты оснащены двигателями газотурбинные двигатели, также называемые реактивными двигатели.Первый и самый простой вид газовая турбина — турбореактивный. в турбореактивный двигатель, большое количество окружающего воздуха подводится в двигатель через впуск. Воздух давление и температура увеличиваются компрессором, который выполняет работу над потоком. В горелке воздух смешивается с небольшим количеством топлива и воспламеняется. Горячий выхлоп затем проходит через турбину. Турбина забирает немного энергии из горячего выхлопа, чтобы повернуть вал, приводящий в действие компрессор.Но есть достаточно энергии, чтобы обеспечить тягу реактивного двигателя за счет увеличение скорости через сопло.

На отдельных страницах описываются аспекты термодинамики и производительности. впуска, компрессора, горелка, турбина, и насадка. ((gam — 1) / gam) — 1) / nc

Где cp — это коэффициент удельной теплоемкости при постоянном давлении, gam — коэффициент удельной теплоемкости, а nc — КПД компрессора.((гамма -1) / гамма) — 1) / (nc * nt * Tt4)

Мы можем использовать это уравнение двумя способами. Мы можем указать давление увеличения компрессора, чтобы определить потерю давления через турбина. Или, если мы знаем потерю давления в турбине, мы может решить проблему повышения давления через компрессор. Первое использование уравнения используется в предварительном проектировании двигателя, в то время как второе использование используется для определения характеристик «вне конструкции».

Каждый двигатель разработан с учетом определенного набора желаемых условий.Те условия могут включать размер двигателя, тягу на взлет, или максимальная тяга на некоторой заданной высоте. На расчетного условия, мы можем выбрать значения важных термодинамических переменные: максимальная температура горелки, CPR и форсунка область. Все остальные условия полета, скорость и высота, а также дроссельная заслонка. установка будет «не по дизайну». Для существующего двигателя давление потери через турбину можно определить по потоку воздуха через форсунка и дроссельная заслонка Tt4 , как показано на отдельной горка.Из приведенного выше уравнения мы можем определить компрессор степень сжатия.

---

Действия:

---

Экскурсии с гидом

• EngineSim — Симулятор двигателя:

---

Навигация ..

Руководство для начинающих Домашняя страница

Газовая турбина — Energy Education

Рис. 1. Газовая турбина с реактивным двигателем. Схема идет слева направо, детали обозначены на рисунке 2. ^[1]

Газовая турбина — это тип турбины, в которой используется сжатый газ для вращения с целью выработки электроэнергии или обеспечения кинетической энергии самолету или реактивному двигателю. Этот процесс называется циклом Брайтона. Во всех современных газовых турбинах сжатый газ создается путем сжигания такого топлива, как природный газ, керосин, пропан или реактивное топливо. Тепло, выделяемое этим топливом, расширяет воздух, который проходит через турбину, чтобы обеспечить полезную энергию. ^[2]

Операция

Газовые турбины теоретически просты и состоят из трех основных частей, как показано на рисунке 2: ^[2]

1. Компрессор — Забирает воздух снаружи турбины и увеличивает его давление.
2. Камера сгорания — сжигает топливо и производит газ под высоким давлением и высокой скоростью.
3. Турбина — извлекает энергию из газа, поступающего из камеры сгорания.

Рисунок 2. Схема газотурбинного двигателя. ^[3]

Компрессор

На Рисунке 2 воздух всасывается слева и поступает в компрессор, который состоит из множества рядов лопастей вентилятора. В некоторых турбинах давление воздуха может увеличиваться в 30 раз. ^[2]

Камера сгорания

Воздух под высоким давлением поступает в эту зону, куда подается топливо.Топливо постоянно впрыскивается в эту часть, чтобы энергия, проходящая через турбину, была постоянной.

Турбина

Турбина соединена валом с лопатками компрессора, и они вращаются отдельно. Компрессор соединяется с турбиной, которая соединена с выходным валом, и поскольку турбина вращается отдельно, она может развивать огромные скорости из-за протекающего через нее горячего газа. Этот последний вал генерирует огромных лошадиных сил, при этом большие турбины самолета вырабатывают почти 110000 л.с. — в два раза больше мощности, генерируемой Титаником. ^[4]

Список литературы

Основы турбокомпрессора

Основы турбокомпрессора

Hannu Jääskeläinen, Magdi K. Khair

Это предварительный просмотр статьи, ограниченный некоторым исходным содержанием. Для полного доступа требуется подписка DieselNet.
Пожалуйста, войдите в систему , чтобы просмотреть полную версию этого документа.

Abstract : Турбокомпрессоры — это центробежные компрессоры, приводимые в действие турбиной выхлопного газа и используемые в двигателях для повышения давления наддувочного воздуха.Производительность турбокомпрессора влияет на все важные параметры двигателя, такие как экономия топлива, мощность и выбросы. Прежде чем перейти к более подробному обсуждению специфики турбокомпрессора, важно понять ряд фундаментальных концепций.

Конструкция турбокомпрессора

Турбокомпрессор состоит из крыльчатки компрессора и колеса турбины выхлопного газа, соединенных сплошным валом и используемого для повышения давления всасываемого воздуха двигателя внутреннего сгорания.Турбина выхлопного газа извлекает энергию из выхлопного газа и использует ее для привода компрессора и преодоления трения. В большинстве автомобильных применений и компрессор, и турбинное колесо являются радиальными. В некоторых приложениях, таких как средне- и низкооборотные дизельные двигатели, можно использовать колесо турбины с осевым потоком вместо турбины с радиальным потоком. Поток газов через типичный турбокомпрессор с радиальным компрессором и турбинными колесами показан на Рисунке 1 [482] .

Рисунок 1 .Конструкция турбокомпрессора и расход газов

(Источник: Schwitzer)

Центр-Жилье. Общий вал турбина-компрессор поддерживается системой подшипников в центральном корпусе (корпусе подшипника), расположенном между компрессором и турбиной (Рисунок 2). Узел колеса вала (SWA) относится к валу с прикрепленными колесами компрессора и турбины, то есть к вращающемуся узлу. Узел вращения центрального корпуса (CHRA) относится к SWA, установленному в центральном корпусе, но без корпусов компрессора и турбины.Центральный корпус обычно отлит из серого чугуна, но в некоторых случаях может использоваться и алюминий. Уплотнения предотвращают попадание масла в компрессор и турбину. Турбокомпрессоры для систем с высокой температурой выхлопных газов, таких как двигатели с искровым зажиганием, также могут иметь охлаждающие каналы в центральном корпусе.

Рисунок 2 . Турбонагнетатель в разрезе

Турбонагнетатель отработавших газов бензинового двигателя, вид в разрезе, показывающий колесо компрессора (слева) и колесо турбины (справа).Подшипниковая система состоит из упорного подшипника и двух полностью плавающих опорных подшипников. Обратите внимание на охлаждающие каналы.

(Источник: BorgWarner)

Подшипники турбокомпрессора

Подшипники. Система подшипников турбонагнетателя выглядит простой по конструкции, но она играет ключевую роль в ряде важных функций. К наиболее важным из них относятся: контроль радиального и осевого движения вала и колес и минимизация потерь на трение в подшипниковой системе.Подшипниковым системам уделяется значительное внимание из-за их влияния на трение турбокомпрессора и его влияние на топливную экономичность двигателя.

За исключением некоторых крупных турбонагнетателей для тихоходных двигателей, подшипники, поддерживающие вал, обычно расположены между колесами в выступе. Эта гибкая конструкция ротора гарантирует, что турбокомпрессор будет работать выше своей первой и, возможно, второй критических скоростей, и, следовательно, может подвергаться динамическим условиям ротора, таким как завихрение и синхронная вибрация.

Уплотнения. Уплотнения расположены на обоих концах корпуса подшипника. Эти уплотнения представляют собой сложную конструктивную проблему из-за необходимости поддерживать низкие потери на трение, относительно больших перемещений вала из-за зазора в подшипниках и неблагоприятных градиентов давления в некоторых условиях.

Эти уплотнения в первую очередь служат для предотвращения попадания всасываемого воздуха и выхлопных газов в центральный корпус. Давление во впускной и выпускной системах обычно выше, чем в центральном корпусе турбокомпрессора, который обычно находится на уровне давления в картере двигателя. По существу, они в первую очередь предназначены для уплотнения центрального корпуса, когда давление в центральном корпусе ниже, чем во впускной и выпускной системах. Эти уплотнения не предназначены для использования в качестве основного средства предотвращения утечки масла из центрального корпуса в выхлопную и воздушную системы. Попадание масла в контакт с этими уплотнениями обычно предотвращается с помощью других средств, таких как масляные дефлекторы и вращающиеся пальцы.

Уплотнения турбокомпрессора отличаются от уплотнений с мягкой кромкой, которые обычно используются во вращающемся оборудовании, работающем при гораздо более низких скоростях и температурах.Уплотнение с поршневым кольцом — это один из наиболее часто используемых типов уплотнений. Он состоит из металлического кольца, внешне похожего на поршневое кольцо. Уплотнение остается неподвижным при вращении вала. Иногда используются уплотнения лабиринтного типа. Обычно уплотнения вала турбокомпрессора не предотвращают утечку масла, если перепад давления меняется на противоположный, так что давление в центральном корпусе выше, чем во впускной или выпускной системах.

###

Лопатка компрессора

— обзор

5.10 ступеней компрессора с высоким числом Маха

Как было сказано в главе 3, рабочие характеристики лопаток компрессора ухудшаются, когда относительное число Маха на входе превышает примерно 0,7, поскольку относительные числа Маха в каналах лопаток превышают единицу, а дополнительные потери возникают из-за ударных волн и более толстые пограничные слои. Кроме того, высокие числа Маха сокращают рабочий диапазон компрессора, поскольку поток становится более чувствительным к изменениям угла входа.

Однако есть два ключевых преимущества ступеней компрессора с высоким числом Маха.Во-первых, высокие относительные числа Маха в компрессоре подразумевают высокий массовый расход на единицу площади, что приводит к более компактной (меньшего диаметра) машине для данного массового расхода. Во-вторых, высокие числа Маха вызваны высокими скоростями лопастей, которые обеспечивают больший вклад работы в поток и, следовательно, более высокие отношения давлений. Используя определения ступенчатой ​​нагрузки и политропного КПД, степень сжатия ступени для компрессора может быть записана как

(5.27) p03p01 = [ψU2CpT01 + 1] γηp / (γ − 1).

Это показывает, что высокие отношения давлений на ступенях могут быть достигнуты за счет высоких скоростей лопастей в сочетании с высокой нагрузкой на ступени и эффективностью.В современных трансзвуковых компрессорах теперь используются относительные числа Маха на входе ротора до 1,7 и возможны одноступенчатые отношения давлений более 2.

Калверт и Гиндер (1999) подробно описывают конструкцию ступеней трансзвукового компрессора. Они также описывают эволюцию современных трансзвуковых компрессоров и основные достижения, которые были сделаны. Ступени трансзвукового компрессора в настоящее время используются в одноступенчатых вентиляторах реактивных двигателей с высокой степенью двухконтурности, в многоступенчатых вентиляторах двигателей с низкой степенью двухконтурности и в передних ступенях многоступенчатых компрессоров. Вентилятор гражданского реактивного двигателя является особенно важным компонентом, поскольку он производит более 80% тяги двигателя современного гражданского самолета. Для минимизации размера двигателя необходим высокий массовый расход на единицу площади, а относительные числа Маха на впуске составляют около 1,4 на конце. Типичный политропный КПД превышает 90%, а текущие расчетные отношения давления составляют от 1,6 до 1,8.

Чтобы уменьшить влияние высоких относительных чисел Маха в околозвуковых компрессорах, используются очень тонкие лопатки, чтобы уменьшить их засорение, и обычно отношение толщины лопаток к хорде составляет всего несколько процентов.Кроме того, чтобы уменьшить пиковое число Маха на поверхности лопасти, лопасти имеют очень низкий изгиб, с поворотом всего на несколько градусов. В результате секции лопастей по направлению к кончику высокоскоростного компрессора напоминают острые, тонкие и почти плоские пластины.

На рисунке 5.11 показана структура потока в лопатке ротора высокоскоростного компрессора со сверхзвуковым входным относительным числом Маха. При изменении рабочей точки компрессора положение скачка уплотнения меняется. Когда поток полностью перекрывается, амортизатор движется назад, так что он полностью поглощается каналом для лезвия.При более низких массовых расходах, когда компрессор приближается к остановке, амортизатор выталкивается из передней части лопаточного канала. Рабочая точка, соответствующая пиковому КПД, обычно возникает, когда ударная волна приближается к передней кромке лопасти.

Рисунок 5.11. Поток через ротор сверхзвукового компрессора

Интересно понять, как рисунок удара, показанный на рис. 5.11, приводит к очень высокому входу работы в поток, проходящий через компрессор. Рассмотрим треугольники скорости на входе и выходе из ротора компрессора.Поперек проходящей ударной волны, как показано на рис. 5.11, поток существенно не поворачивается, но плотность резко возрастает. Следовательно, относительная скорость ниже по потоку от скачка уплотнения будет намного ниже, чем выше по потоку. Если предположить, что скорость лопасти и относительные углы потока одинаковы на входе и выходе ротора, треугольники скорости показывают, что поворот потока в абсолютной системе отсчета является исключительно результатом замедления потока в относительной системе отсчета. Напротив, ротор низкоскоростного компрессора обеспечивает входную работу в поток, поворачивая поток как в относительной, так и в абсолютной системе отсчета.Ударная волна приводит к увеличению энтропии в потоке, но это не обязательно приводит к чрезмерным потерям, если поток на лопастях не разделяется. Как доказано высокой эффективностью трансзвуковых компрессоров, ударная волна может быть очень эффективным способом сжатия потока.

Отзыв: мойка компрессора газовой турбины

---

Промывка компрессора, как в оперативном, так и в автономном режиме, жизненно важна для поддержания производительности газовой турбины. Но какое чистящее средство лучше и как часто его нужно делать? Мехерван Бойс, Boyce Consulting Group, и Франсиско Гонсалес, Cheniere LNG O&M Services, рассматривают методы и представляют результаты недавних полевых испытаний.Оказывается, обычная деминерализованная вода работает не хуже мыльных растворов.

---

В связи с тем, что в компрессорах газовых турбин используются все более высокие коэффициенты давления, очистка лопаток компрессора путем промывки водой в потоке становится все более важным эксплуатационным требованием. На многих заводах эта операционная процедура принесла буквально сотни тысяч долларов в чистую прибыль предприятия.

Обычно в газовых турбинах используется компрессор осевого типа с регулируемыми лопатками на ранних стадиях.В случае компрессора, показанного на Рисунке 1, IGV, за которым следуют следующие три ряда, имеет регулируемые лопатки.

Однако промывка водой в режиме онлайн не является полным ответом, поскольку после каждой стирки полная мощность не восстанавливается, поэтому наступает время, когда устройство необходимо очистить в автономном режиме, как показано на Рисунке 2.

Эффект Загрязнение компрессора также очень важно с точки зрения общей производительности газовой турбины, поскольку компрессор использует почти 60% работы, производимой газовой турбиной.Загрязнение компрессора снижает эффективность компрессора и приводит к снижению общей эффективности. Чем выше степень сжатия, тем больше отрицательное влияние загрязнения компрессора на тепловой КПД, как показано на рисунке 3.

Первоначальной защитой газовой турбины является хорошая система фильтрации воздуха, которую необходимо использовать до того, как воздух попадет в турбину. . Однако часть соли, содержащейся в воздухе, всегда проходит через фильтр. Метод, рекомендуемый для определения наличия у загрязнителей значительной солевой основы, заключается в промывании турбины мылом и сборе воды из всех имеющихся дренажных отверстий.Затем можно проанализировать растворенные в воде соли.

Оптимальное время для выполнения автономной очистки необходимо определить с учетом потери дохода из-за упущенной продажи электроэнергии, затрат на рабочую силу для автономной очистки и дополнительных доходов от повышения производительности.

Два подхода к очистке компрессора: абразивная очистка и очистка растворителем. Использование абразивной очистки уменьшилось из-за проблем с эрозией, и теперь в основном используется жидкая промывка.Новые компрессоры высокого давления очень восприимчивы к загрязнению лопастей, что не только может привести к снижению производительности, но также может вызвать помпаж компрессора. Эффективность промывки зависит от конкретного участка из-за различных условий окружающей среды на каждом предприятии. Существует множество отличных техник и систем для мытья водой. Операторы часто должны определять лучший подход для своих газовых турбин. Сюда входит рассмотрение того, какие растворители следует использовать, если таковые имеются, и частоты стирки.Это сложная технико-экономическая проблема, которая также зависит от службы, в которой находятся газовые турбины, и от окружающей среды завода.

Промывка водой в автономном режиме (с моющими средствами или без них) очищает за счет воздействия воды и удаления водорастворимых солей. Важно, чтобы используемая вода была деминерализованной. Соотношение моющее средство / вода также является другим важным параметром. Мытье водой с использованием водно-мыльной смеси — эффективный метод очистки. Эта очистка наиболее эффективна, если проводится в несколько этапов, которые включают нанесение мыльного раствора с последующими несколькими циклами полоскания. Каждый цикл ополаскивания включает ускорение машины примерно до 20% -50% от начальной скорости, после чего машине дают возможность остановиться по инерции. Затем следует период замачивания, в течение которого мыльный водный раствор может растворять соль.

Оперативная промывка широко используется как средство борьбы с обрастанием, в первую очередь не позволяя ему развиваться. Промывка может выполняться с использованием воды, растворителей на водной основе и растворителей или поверхностно-активных веществ на нефтяной основе.Растворители действуют путем растворения загрязняющих веществ, в то время как поверхностно-активные вещества действуют путем химической реакции с загрязняющими веществами. Растворители на водной основе эффективны против соли, но плохо против масляных отложений. Растворители на нефтяной основе плохо удаляют солевые отложения. При использовании растворителей существует вероятность повторного осаждения загрязняющих веществ на более поздних ступенях компрессора.

Как уже отмечалось, даже при хорошей фильтрации соль может скапливаться в компрессорной секции.

В процессе сбора как соли, так и других загрязняющих веществ быстро достигается состояние равновесия, после чего происходит повторное попадание в организм крупных частиц.Это повторное попадание необходимо предотвратить путем удаления соли из компрессора до насыщения. Скорость насыщения сильно зависит от качества фильтра. Как правило, соли могут безопасно проходить через турбину, когда температура газа и металла ниже 1000 ° F. Агрессивные атаки произойдут, если температура будет намного выше. Во время очистки фактическая мгновенная скорость прохождения соли очень высока вместе с сильно увеличенным размером частиц.

Некоторое ухудшение характеристик газовой турбины можно устранить путем очистки двигателя, в то время как ухудшение характеристик из-за внутреннего износа компонентов двигателя (рис. 4) можно устранить только путем проведения заводского осмотра и капитального ремонта двигателя.

Основными факторами, влияющими на ухудшение характеристик газовой турбины, которое можно устранить путем очистки, являются количество загрязняющих веществ, попадающих в турбину (через входные воздушные фильтры и каналы, воду из испарительных охладителей и из топлива), а также частота, а также тщательность очистки. промывка двигателя водой. Иногда необычные условия на площадке могут ускорить деградацию газовой турбины. Необычные загрязняющие вещества в воздухе от технологических туманов, дыма (например, от сжигания сахарного тростника), масла, выбросов химических веществ и пыльных бурь, например, были задокументированы как причины ускоренной деградации двигателя.

Поэтому необходимо провести программу испытаний для конкретного объекта, чтобы оптимизировать эффективность программы промывки турбины водой. По мере ухудшения характеристик газовой турбины обычно проявляются следующие условия: медленный разгон двигателя; склонность компрессора к помпажу; пониженная выходная мощность; потеря давления нагнетания компрессора двигателя; повышение температуры нагнетания компрессора двигателя; и снижение давления нагнетания компрессора.

Опции промывки

Существует три основных типа систем промывки газотурбинного компрессора: система промывки в реальном времени; автономная система промывки кривошипа; и ручная ручная система мойки кривошипа.

По большей части, онлайн-системы промывки предназначены как дополнение к автономным системам промывки кривошипа, а не в качестве замены. В общем, чрезвычайно важно реализовать программу промывки кривошипа турбины, чтобы восстановить большую часть возмещаемого ухудшения рабочих характеристик.

Иногда, когда промывка кривошипа турбины откладывается из-за рабочих ограничений, может возникнуть необходимость вручную очистить лопатки компрессора турбины, чтобы удалить большие скопления грязи на лопатках.

Испытания показали, что дополнительные пять точек эффективности были восстановлены в турбине Mars при выполнении промывки водой в автономном режиме.

Оперативная промывка применяется при стабильных рабочих параметрах турбины. Систему можно использовать, не нарушая работу агрегата, и не имеет значения, работает ли турбина с частичной или полной нагрузкой. Оперативная мойка должна быть регулярной и плановой функцией технического обслуживания.

Оперативная промывка обычно включает в себя впрыскивание распыленной чистящей жидкости, что позволяет избежать любых проблем, которые могут быть связаны с методами абразивной очистки, которые могут вызвать эрозию лезвий и повреждение покрытий компонентов.

Для промывки кривошипа в автономном режиме турбина запускается вручную стартером двигателя с отключенными топливом и системой зажигания. Как уже отмечалось, этот тип стирки более эффективен для устранения ухудшения рабочих характеристик. Перед выполнением промывки кривошипа в автономном режиме большая часть трубопровода низкого дренажа вместе с воспламенителем, горелкой, системами запального газа и т. Д. Снимается во избежание образования жидких карманов в трубопроводе воспламенителя турбинного топлива. Производители рекомендуют различные моющие жидкости на основе воды и растворителей, а технические специалисты испробовали множество различных комбинаций относительно широко доступных бытовых чистящих средств.

Предпочтительным методом для выполнения промывки кривошипа является использование ручной моющей трубки. Необходимо снять несколько смотровых люков воздухозаборника турбины, чтобы получить доступ к впускному отверстию компрессора. Затем ручная трубка вращается вокруг входного экрана турбины для равномерного распыления воздуха на входе компрессора.

Ручная чистка лопаток компрессора — еще один метод восстановления производительности компрессора двигателя. Это очень трудоемко, но помогает восстановить дополнительный уровень производительности.Не все компрессоры газовых турбин можно проверить в полевых условиях, и необходимо тщательно оценить затраты и выгоды, прежде чем применять этот метод. В настоящее время мы выполняем этот тип очистки на турбине Solar Mars 15000 SoLoNox, которая должна непрерывно работать от 11 до 12 месяцев без остановок, сводя к минимуму потери мощности. В результате ожидаемое повышение политропной эффективности компрессора двигателя составляет примерно от 0,5 до 1,0 пункта эффективности. В двигателе, который должен проработать 11 месяцев без промывки кривошипа, эта дополнительная эффективность обеспечивает существенное увеличение экономии топлива и передаваемой мощности.

Качество воды для промывки как в режиме онлайн, так и в автономном режиме должно строго контролироваться, чтобы исключить попадание примесей. В приведенной ниже таблице приведены типичные характеристики качества воды, необходимые для успешной мойки водой:

Проверка качества воды крайне важна перед выполнением обычной промывки водой в режиме онлайн. Общей проблемой источников деминерализованной воды является случайное попадание жидкости в слои катализатора.Для промывки турбинной водой рекомендуется установка для полировки деминерализованной водой, чтобы обеспечить хорошее качество воды.

Эффективность промывки водой в режиме онлайн значительно повышается, если уделять внимание проверке качества воды. Детальный анализ воды при каждой промывке водой требует времени и затрат, но в качестве альтернативы можно использовать ручной измеритель для измерения проводимости, общего содержания растворенных твердых веществ и pH. Показания счетчика должны указывать на проводимость воды <0.5 мкм, общее количество растворенных твердых веществ <1,0 ppmw и pH от 7 до 9.

Самые популярные растворители на водной основе для промывки компрессоров в оперативном и автономном режиме имеют низкое содержание металлов и получены из высокоактивных природных масел и поверхностно-активных веществ. . Агенты на водной основе безвредны для окружающей среды и не содержат растворителей, способных растворять и удалять отложения в двигателе, которые накапливаются со временем. Известно, что другие промышленные чистящие средства, такие как Mr Clean, хорошо работают в сочетании с реагентами на водной основе и средствами на основе растворителей.Большинство производителей турбин предлагают пользователям утвержденный список мыла, которое можно использовать с их турбинами.

Многие различные типы растворителей на основе растворителей также используются для промывки турбин на линии и в автономном режиме. Большинство растворителей получают из углеводородных базовых компонентов и содержат очень мало металла. Считается, что большинство из этих растворителей не совсем безвредны для окружающей среды, но при соблюдении соответствующих процедур эти агенты можно использовать безопасным образом. Эти растворители преимущественно используются во время промывки кривошипа в автономном режиме.

Самым распространенным средством для мытья воды является деминерализованная вода. Системы деминерализованной воды очень эффективны, если система фильтрации эффективно отфильтровывает большинство взвешенных в воздухе частиц и маслянистых веществ.

Испытания

Чтобы помочь определить оптимальные процедуры промывки компрессора, было проведено исследование трех турбин на предприятии, в котором задействовано 36 газовых турбин различного назначения, 28 — для механических приводов и восемь — для выработки электроэнергии.Объект был выбран потому, что все турбины были одинаковыми, от одного производителя, Solar, и, находясь на одном участке, условия атмосферного загрязнения и загрязнения воздуха были одинаковыми для каждого блока.

Тесты были направлены на определение наиболее эффективных растворителей и оптимальной частоты промывок.

Турбины используются в режиме комбинированного цикла горячего масла с рекуперацией энергии из отходящего тепла. Большинство газовых турбин имеют мощность 4000 л.с., в то время как самая большая из них — это установка Mars мощностью 15000 л. с., приводящая в движение осевой компрессор технологического газа.Тридцать три из тридцати шести газовых турбин были оборудованы возможностью промывки водой в оперативном режиме.

Турбины, использованные для всех тестов на промывку водой в режиме реального времени, принадлежали к машинам Solar T4702S Centaur. Все турбины имеют одинаковую конфигурацию, и все турбины имеют примерно одинаковое количество часов работы.

Турбины оснащены фильтрами предварительной очистки воздуха на входе и фильтрами предварительной очистки производства Donaldson. Фильтры сконфигурированы с цилиндрическим / коническим фильтрующим материалом из синтетического материала.Система фильтрации представляет собой систему фильтрации по принципу «напор и затяжка». Эффективность фильтрации составляет 99,5% для частиц размером 1-3 мкм. Среднее падение давления на фильтрах составляет 2,4 дюйма вод. Ст.

Двигатели Centaur, соединенные с коробкой передач редуктора и генератором, способны производить 3 МВт. Выхлоп турбины направляется в блок рекуперации тепла, который нагревает горячую масляную среду, которая используется в технологических целях. Типичная температура выхлопных газов составляет около 950 ° F перед змеевиками с горячим маслом и 200 ° F после змеевиков.

Все газовые турбины оборудованы системой промывки водой в режиме онлайн, см. Рис. 5. Система промывки в режиме онлайн состоит из промывочного кольца, расположенного за пределами впускного коллектора воздуха турбины, с несколькими косичками, соединенными с восемью форсунками распылительного типа. , которые нацелены на входные направляющие лопатки, как показано на рисунке 6.

Рисунок 7 показывает вид изнутри впускной воздушной камеры турбины, показывающий автономное кольцо для промывки водой и сопла для промывки водой в режиме онлайн. Промывочные форсунки рассчитаны на выпуск 0.24 галлона промывочной жидкости при 100 фунтах на квадратный дюйм. Промывочная жидкость хранится в сборном баке из нержавеющей стали на 26 галлонов. Бак оборудован напорным патрубком, используемым для повышения давления в баке с целью нагнетания промывочной жидкости в промывочное кольцо через трубопровод из нержавеющей стали. Система портативна и перемещается от турбины к турбине.

Турбины также оснащены промывочным кольцом кривошипа с форсунками, которые не распыляют воду.

Четыре испытания были проведены на трех идентичных газотурбинных генераторных установках, установленных рядом друг с другом, как показано на Рисунке 8.

Первый тест: деминерализованная вода с мылом от разных поставщиков

На рисунке 9 показаны результаты промывки только водой и мыла с использованием мыла от двух разных поставщиков один раз в неделю на трех идентичных соседних газовых турбинах. На этом участке промывка кривошипа была проведена 19 июля. 23 июля качество воды не контролировалось, и турбины были ошибочно промыты некондиционной водой. Было отмечено большое падение производительности компрессора, что свидетельствует о загрязнении компрессора загрязняющими веществами в воде. Затем турбины были снова промыты водой, соответствующей спецификациям, приведенным в таблице на стр. 39, и водно-мыльным раствором с использованием мыла от двух разных поставщиков. 25 июля рабочие характеристики турбины улучшились на всех трех блоках. Как видно, стирка только водой была ничем не хуже мыльных растворов.

Второй тест: деминерализованная вода, мыло на водной основе и мыло на основе растворителя

Целью этого теста было определить, какое мыло лучше, мыло на основе растворителя или мыло на водной основе.Деминерализованная вода использовалась в качестве третьего агента. На Рисунке 10 обратите внимание на вертикальный зазор между водой и мыльным раствором, полученный в результате более ранней части теста. Со временем вертикальный разрыв между мылом и водой сократился почти до нуля. Это говорит о том, что растворители были более эффективными в течение первой недели, но через некоторое время эффективность растворителей снизилась до такой степени, что они были не более эффективными, чем обычная деминерализованная вода.

Испытание третье: разные растворители на водной основе

Целью этого испытания было определить, есть ли какие-либо различия между мылами на водной основе, поставляемыми разными поставщиками.

Мыла на водной основе считаются более экологически чистыми, чем варианты на основе растворителей, но каждый поставщик заявляет, что их мыло на водной основе имеет разный химический состав и другую «философию» в отношении того, как мыло очищает лопатки компрессора.

В ходе испытаний мыла использовались два раза в неделю с ополаскиванием деминерализованной водой.

На рис. 11 показаны результаты этих тестов и показано, что все мыла работали одинаково.

Тест четвертый: разные частоты промывки деминерализованной водой и растворителями на водной основе

Целью этого теста было определение оптимальной частоты для выполнения тестов на промывку водой в режиме онлайн.Испытания включали ежедневную промывку деминерализованной водой на одной газовой турбине и промывку деминерализованной водой два раза в неделю на второй газовой турбине. Третью газовую турбину промывали ежедневно деминерализованной водой, смешанной с растворителем на водной основе.

Рисунок 12 показывает результаты и показывает, что с течением времени промывка деминерализованной водой два раза в неделю оказывается наиболее эффективной.

Анализ затрат

Средний расход топлива для типичной турбины Centaur составляет около 36 MMBtu / h. Нередко можно встретить пользователей, которые выполняют промывку кривошипа на основе потери мощности, а не общей потери тепловой эффективности или потери эффективности компрессора, которая редко измеряется.Потери мощности в газовой турбине простого цикла вызываются многими факторами, такими как увеличение падения давления в системе фильтрации воздуха, засорение компрессора, изменения теплотворной способности топлива, засорение камеры сгорания, засорение расширителя турбины и увеличение противодавления турбины. Таким образом, 10% -ная потеря выходной мощности, что соответствует 10% -ной потере теплового КПД, может иметь как часть своих потерь потеря КПД компрессора на 6-8%, что приводит к потере 3% -4% общего теплового КПД. .

В турбине Centaur экономия топлива на 3% в течение одного года составляет 29 171 доллар только для одной турбины, исходя из стоимости 5 долларов за миллион БТЕ для природного газа.Для парка из 30 турбин это составляет 875 124 долларов в год.

При планировании эффективной программы промывки водой необходимо учитывать потери топлива, необходимые материалы и рабочую силу, а также производственные потери. Как правило, вода в режиме онлайн, рассматриваемая здесь, может быть выполнена одним человеком за час. Поскольку каждое применение турбины отличается, пользователь должен сравнить затраты, связанные с потерей производительности, с экономией топлива, связанной с автономной программой промывки водой.

Вода не менее эффективна, чем мыло

То, что составляет лучшую комбинацию водной промывки в режиме онлайн и промывки кривошипа, будет варьироваться от места к месту. Контролируя производительность и выполняя несколько тестов на промывку водой, любой объект может определить лучшую комбинацию промывки водой. Результаты описанных выше испытаний показали, что в большинстве рабочих условий промывка деминерализованной водой, проводимая два раза в неделю, так же эффективна, как и использование водно-мыльных смесей. Еще несколько замечаний, касающихся очистки компрессора:

• Хорошая фильтрация воздуха — ключ к продлению срока службы и предотвращению загрязнения компрессора.
• Используемая вода должна быть деминерализованной. Использование недеминерализованной воды может повредить турбину.
• В тестах использовалась деминерализованная вода, а также мыльные растворы.
• После всех промывок водой с растворителем следует ополаскивание водой.
• После многочисленных промывок водой производительность компрессора ухудшится, и потребуется промывка кривошипа в автономном режиме.
• Промывка в автономном режиме должна выполняться всякий раз, когда производительность компрессора снижается на 3–4%.
• Неосмотрительно допускать накопление загрязняющих веществ до начала режима промывки водой, поскольку загрязняющие вещества будут смываться вниз по потоку, вызывая закупорки на последних стадиях.
• Для баков, форсунок и коллекторов следует использовать низкоуглеродистую нержавеющую сталь, чтобы уменьшить проблемы с коррозией.
• Форсунки следует размещать там, где происходит адекватное запотевание воды, сводя к минимуму возмущение потока ниже по потоку.

Причины и последствия деградации газовой турбины

Эта статья содержит выдержки из доклада «Эксплуатационные характеристики газовой турбины и техническое обслуживание», представленного на Азиатском симпозиуме турбомашиностроения в 2018 году Райнером Курцем из компании Solar Turbines и Клаусом Бруном, который сейчас работает в Elliott Turbomachinery. .

Работа газовой турбины — результат отлаженного взаимодействия множества различных компонентов. Любая из этих частей может изнашиваться в течение всего срока службы упаковки и, таким образом, может отрицательно повлиять на работу системы. В частности, аэродинамические компоненты, такие как компрессор двигателя, турбины, приводной насос или компрессор, должны работать в среде, которая неизменно ухудшает их характеристики.

Представляет интерес понимание механизмов, вызывающих деградацию, а также влияние деградации определенных компонентов на всю систему.Несколько механизмов вызывают деградацию двигателей: Загрязнение вызвано прилипанием частиц к аэродинамическим профилям и поверхностям кольцевого пространства. Прилипание вызвано масляным или водяным туманом. В результате нарост материала вызывает повышенную шероховатость поверхности и до некоторой степени изменяет форму аэродинамического профиля (если нарост материала образует более толстые слои отложений). Многие из загрязняющих веществ имеют размер менее 2 мкм.

Загрязнения обычно можно устранить очисткой. Горячая коррозия — это потеря материала из компонентов проточного тракта, вызванная химическими реакциями между компонентом и определенными загрязнителями, такими как соли, минеральные кислоты или химически активные газы.Продукты этих химических реакций могут налипать на компоненты аэро в виде накипи. С другой стороны, высокотемпературное окисление представляет собой химическую реакцию между атомами металла компонентов и кислородом из окружающей горячей газовой среды. Защита от окалины, в свою очередь, будет снижена из-за любых механических повреждений, таких как растрескивание или скалывание, например, во время тепловых циклов.

Эрозия — это абразивное удаление материала с пути потока твердыми частицами, попадающими на поверхности потока.Эти частицы обычно должны быть больше 20 мкм в диаметре, чтобы вызвать эрозию при ударе. Эрозия, вероятно, является более серьезной проблемой для авиационных двигателей, потому что современные системы фильтрации, используемые для промышленных применений, обычно удаляют большую часть более крупных частиц. Эрозия также может стать проблемой для приводных компрессоров или насосов, в которых технологический газ или жидкость содержат твердые материалы.

Повреждения часто возникают из-за попадания крупных посторонних предметов на компоненты проточного тракта.Эти объекты могут попасть в двигатель с впускаемым воздухом или в газовый компрессор с потоком газа, или являются результатом отломанных частей самого двигателя. Кусочки льда, отколовшиеся от впускного отверстия, или нагар, отколовшийся от топливных форсунок, также могут вызвать повреждение. Истирание возникает, когда вращающаяся поверхность трется о неподвижную поверхность.

Во многих двигателях используются истираемые поверхности, на которых допускается некоторое трение во время обкатки двигателя, чтобы обеспечить надлежащие зазоры.Удаление материала обычно увеличивает зазоры между уплотнениями или наконечниками. Некоторые из этих эффектов можно устранить путем очистки или промывки двигателя, другие требуют регулировки, ремонта или замены компонентов. Следует отметить, что определение точной степени снижения производительности в полевых условиях довольно сложно.

Неопределенности испытаний обычно значительны, особенно если используется комплектная аппаратура, а не откалиброванная испытательная установка. Даже определение тенденций связано со значительной неопределенностью, потому что во всех случаях характеристики двигателя должны быть скорректированы с исходных условий на исходные условия.Три основных эффекта определяют ухудшение характеристик компрессора: увеличенные зазоры на концах; · изменения геометрии аэродинамического профиля; · изменения качества поверхности аэродинамического профиля; · хотя первые два эффекта обычно приводят к неустранимой деградации, последний эффект можно, по крайней мере, частично нейтрализовать путем промывки. компрессор.

Общий эффект деградации компрессора двигателя приводит к дополнительным потерям и снижению производительного напора. Как правило, неисправный компрессор также будет иметь уменьшенный запас по помпажу или остановке.Это не окажет какого-либо существенного влияния на работу в установившемся режиме, пока не будут устранены другие эффекты, которые снижают предел остановки (например, нагнетание воды или пара). Для данной скорости ухудшенного компрессора каждая последующая ступень будет иметь более низкие числа Маха (из-за более высокой температуры) и увеличенную компоненту осевой скорости (поскольку ρ = p / RT, где p уменьшается, T увеличивается, таким образом, плотность уменьшается).