Турбина устройство и принцип работы: Принцип работы турбины – как она работает

Принцип работы турбины – как она работает


Турбокомпрессор или попросту турбина – это дополнительное устройство двигателя, которое для своей работы использует энергию отработавших газов. Что позволяет увеличить мощность двигателя на величину от 25% до 100%. Прежде чем понять, как работает турбокомпрессор, стоит рассмотреть функционирование двигателя внутреннего сгорания.

Принцип работы ДВС

Любой двигатель внутреннего сгорания, дизельный или бензиновый, работает на принципе получения энергии, образующейся от воспламенения топливовоздушной смеси в камерах сгорания. Через впускные клапаны в цилиндр подается отфильтрованный внешний воздух и впрыскивается топливо, причем при пассивной подаче воздуха, в цилиндр подается дозированное количество топлива. Именно эта смесь сгорает в цилиндре и заставляет двигаться поршень, который передает свою кинетическую энергию на ходовую систему автомобиля. Чем больше такой смеси подается и сгорает в цилиндрах, тем больше выходной крутящий момент и соответственно выше общая мощность мотора.

Принцип работы турбины

Для увеличения подачи воздуха в цилиндр, без изменения объема самого цилиндра, используют турбокомпрессор. При работе турбины используются продукты сгорания топливной смеси, которые приводят в действие роторный механизм турбокомпрессора, с помощью которого атмосферный воздух принудительно нагнетается в цилиндры (турбонаддув). И, благодаря этому, в цилиндр подается и большая дозировка топлива. Во время нагнетания, воздух может нагреваться, из-за чего уменьшается его плотность и масса в цилиндрах. Для подачи большего количества воздуха, его необходимо охладить. Для лучшего охлаждения используется радиаторное устройство, называемое интеркулером, который устанавливается на выходе из холодной части турбокомпрессора и через который проходит воздух перед попаданием в цилиндры. На следующем этапе поршень всасывает этот охлажденный воздух через впускные клапаны и одновременно в камеру сгорания подается топливо, образуется топливовоздушная смесь. Возгорание топливной смеси происходит от искры (бензиновые двигатели), либо от сжатия (дизельные двигатели). После того, как произошло сгорание порции смеси, продукты горения выбрасываются через выпускной клапан и попадают снова в турбину, на ее ротор. Таким образом, она работает без участия движущих частей двигателя, используя энергию потока выхлопных газов.

Для каждого двигателя турбокомпрессор подбирается индивидуально, исходя из его собственной мощности и объема. Причем величина наддува зависит от геометрических параметров (размеров) улиток, компрессорного колеса, ротора турбины. Некоторые конструкции двигателей оборудуют не одной турбиной, а двумя: одинакового размера – би-турбо, разного размера – твин-турбо. В последнее время широкое распространение получили турбокомпрессоры с механизмом изменяемой геометрии. Стоит отметить, что сложность, а соответственно и стоимость ремонта турбины зависит от ее конструктивных особенностей и модификации.

Механизм изменяемой геометрии

Такой механизм позволяет дозировать подачу отработавших газов на колесо в турбине (ротор). Тем самым, позволяет оптимизировать работу турбокомпрессора на различных оборотах.

Это достигается за счет движения специальных лопаток, смонтированных на кольце геометрии. Они синхронно передвигаются, получая движение от вакуумного актуатора или электронного сервопривода в определенный момент, и контролируют наддув. Как правило, устанавливаются они на дизельных ДВС, потому как температура выхлопных газов у бензиновых моторов выше, чем у дизеля, соответственно лопатки геометрии могут деформироваться. Такие турбины позволяют оптимизировать процесс турбонаддува, что приводит к уменьшению расхода топлива и вредных выбросов при одновременном повышении мощности и крутящего момента.

Многие автомобилисты ошибочно полагают, что турбокомпрессор начинает включаться в работу с оборотов мотора от 1500-2000 об/мин. На самом деле, он запускается сразу после заводки автомобиля и работает на холостом ходу. А оптимальных оборотов достигает в диапазоне свыше 1500 об/мин.

Турбокомпрессор достаточно надежный агрегат, однако если Вы столкнулись с его поломкой, решить проблему Вам помогут специалисты ТурбоМикрон. Мы производим замену турбины на автомобиле, а также ремонт снятых с авто турбокомпрессоров.

Принцип работы турбины, как работает турбина на дизельном двигателе

Если вам интересно, каков принцип работы турбины на дизельном двигателе, значит вы попали по адресу. О том, что такое дизельный турбокомпрессор и как он работает, вы узнаете в данной статье.

Как работает турбина на дизеле? Как работает турбина в дизельном двигателе?

Итак, турбокомпрессор — это небольшой воздушный насос, которых осуществляет работу всех элементов турбины. Как известно, турбина вращается с помощью особого тока, получаемого от собранных в процессе езды автомобиля газов. Учитывая тот факт, что скорость лопаток турбины разгоняются почти до скорости света, маневренность во время езды на автомобиле с турбиной значительно выше, чем в автомобилях без неё. Во время “зажигания”, турбина соединяется с жесткой осью и подает его в коллектор двигателя. Чем больше воздуха — тем выше мощность двигателя. Такие воздушные подушки позволяют сделать каждую поезду максимально комфортной, эффектной и маневренной. Именно эти причины вынуждают автолюбителей со всего мира покупать турбины высокого класса за доступную цену. Качество работы турбины на дизеле определяется уровнем всасываемого воздуха, уровнем сжатие этого воздуха, соотношении входа и выхода отработанных газов, мощность компрессора и турбины.

Как проверить работает ли турбина на дизеле? Как проверить справность турбины?

Турбина — штука непростая, но стоит всего лишь из корпуса и ротора. Газы, о которых мы говорили выше, попадают в специальных патрубок, проходят по небольшому каналу, ускоряются и приводят в движения лопатки турбокомпрессора. Как видите, принцип работы дизельного двигателя с турбиной заключается в скорости вращения турбины, благодаря переработанному воздуху. Что логично, скорость вращения лопаток напрямую зависит от размеров “улитки” турбины. К примеру, устройство грузовика может в несколько раз превышать размеры устройства легкового автомобиля, так как для полноценной работы турбины в большом агрегате, её корпус должен быть разделен на два отельных канала, которые поочередно перерабатывают воздух. Чтобы максимально облегчить давление воздушного потока, специалисты советуют устанавливать на турбине специальное кольцо. Компрессор, в свою очередь, производится из ротора и корпуса. Лопатки ротора, как правило, изготавливают из надежного алюминия, а форму имеют особую — улиточную. Это необходимо для того, чтобы воздух направлялся строго в центр ротора. Обычный режим работы турбокомпрессора включает в себя большое давление, которое регулярно сжимается. Важно знать, что все динамические прибора работают по принципу разности давлений.

СТО “Центр Турбин” предлагает вашему вниманию услуги по установке, реставрации и ремонту автомобильных турбин. Все наши специалисты имеют колоссальные знания и стаж работы с автомобильными турбинами. Именно поэтому качество наших услуг находится на высоком уровне. Если вы не знаете, какая турбина подходит именно вам, обратите внимание на мобильный номер, указанный на нашем сайте. Наши консультанты с радостью помогут вам выбрать модель турбины, удовлетворяющую все ваши запросы.

Эксплуатация и принцип работы турбины на дизельном двигателе

Гениальная идея использования выхлопных газов для разгона ротора позволила создать турбированный дизельный двигатель внутреннего сгорания и увеличить его мощность на 40–50%. Это притом, что во время работы в обычном режиме выброс газов сопровождается снижением коэффициента полезного действия в пределах 30 — 40%.

Принцип работы турбины дизельного двигателя основан на увеличении количества воздуха, смешиваемого с топливом и поступающего в камеру сгорания. За один и тот же период времени и при равных объемах цилиндров, двигатель с турбонаддувом может сжечь большее количество топлива, чем движок, не оснащенный таким устройством. А значит, его мощность и КПД в единицу времени значительно возрастет.

Рассмотрим устройство турбины дизельного двигателя, как работает, и каким образом достигаются такие показатели.

Конструктивные элементы системы

Для осуществления возложенных функций, система турбонаддува состоит из двух основных частей:

  1. Компрессор;
  2. Турбина.

Компрессор служит для нагнетания атмосферного воздуха в систему подачи топлива. Он состоит из корпуса и расположенной в нем крыльчатки, которая, вращаясь, всасывает воздух. Чем выше ее скорость вращения, тем больше объем принятого воздуха. Увеличению скорости способствует работа турбины.

Она также состоит из корпуса с крыльчаткой (ротором), которая приводится в движение выхлопными газами. В корпусе газы проходят через специальный канал, имеющий форму улитки, что позволяет им увеличить скорость.

Как работает турбонаддув дизельного двигателя

Ротор турбины и крыльчатка компрессора жестко закреплены на одном валу. Таким образом, скорость вращения ротора передается крыльчатке. Круг замыкается:

  • Через компрессор воздух из атмосферы, смешиваясь с топливом, подается в цилиндры двигателя;
  • Смесь сгорает, приводя в движение поршни, и образовавшиеся в результате газы поступают в выпускной коллектор;
  • Здесь они принимаются в корпус турбины, разгоняются в канале и на выходе взаимодействуют с ротором, заставляя его вращаться;
  • Ротор через вал передает вращение крыльчатке компрессора, которая всасывает в корпус атмосферный воздух.

Получается взаимосвязанная схема работы, когда количество всасываемого воздуха зависит от скорости вращения крыльчатки и, наоборот, крыльчатка вращается быстрее при большем количестве забираемого воздуха.

Принцип работы турбонаддува имеет два момента, называемые турбоямой и турбоподхватом.

Первый момент характеризуется задержкой в работе турбины после увеличения подачи топлива нажатием на педаль газа, так как для разгона ротора выхлопными газами требуется время.

Вслед за турбоямой наступает момент турбоподхвата, когда разогнавшийся ротор резко увеличивает подачу воздуха в цилиндры, повышая мощность двигателя.

Регулировка давления наддува

Турбонаддув дизельного двигателя повышает его мощность за счет возрастания давления выхлопных газов, являющихся результатом увеличения числа оборотов и интенсивности работы мотора. Этот же процесс повышает давление наддува. Если его не регулировать, то на самых высоких оборотах оно может достичь опасных значений, приводящих к поломкам и механическим повреждениям.

Регулировка давления производится с помощью выпускного предохранительного клапана, а контроль максимально допустимого значения — с помощью мембраны и пружины определенной жесткости.

Суть работы: при достижении предельного значения давления, мембрана, установленная в корпусе компрессора, преодолевает воздействие пружины и открывает регулировочный клапан.

Давление регулируют как на стороне компрессора, так и на стороне турбины:

  1. Работающий турбокомпрессор сбрасывает в атмосферу через выпускной клапан излишки забранного воздуха, тем самым снижая давление.
  2. В турбине клапан выпускает отработанные газы под воздействием мембраны компрессора, когда давление всасываемого воздуха достигает максимального уровня. Благодаря этому, ротор вращается с установленной скоростью, а компрессор не забирает лишний воздух и не увеличивает давление.

Второй вариант расположения клапана позволяет изготавливать системы меньших габаритов. Кроме того, турбонагнетатель с клапаном в компрессоре подвержен чрезмерному нагреву из-за повышенной температуры выпускаемого воздуха, что негативно сказывается на эффективности его работы.

Поэтому турбонаддув дизельного двигателя чаще оснащают регулировочным клапаном в турбине, а регулировку в компрессоре используют в качестве дополнения.

Система смазки

Смазка вала турбонагнетателя осуществляется смазочной системой двигателя.

На вал устанавливают уплотнительные кольца, предотвращающие проникновение масла в полости корпусов компрессора и турбины. Они же предохраняют корпуса от перегрева. Но герметичность обеспечивается не столько уплотнениями, сколько разностью величины давления в различных частях агрегата. Эту разницу давлений создает турбинная ось (вал), имеющая неравномерный диаметр.

Особая форма литья корпуса, в котором расположен вал, также способствует удержанию масла.

Если мотор не развивает требуемую мощность, это может быть симптомом неисправности турбонаддува. Наиболее часто встречающиеся проблемы — загрязнение воздушного фильтра или потеря герметичности впускного коллектора. Кроме потери мощности, их можно диагностировать по несвойственному для исправной машины цвету и количеству дыма, выходящего из выхлопной трубы.

Недостатки турбокомпрессоров

Принцип работы турбины на дизельном двигателе создает и негативные факторы:

  • Повышенный расход горючего. Возможность сжечь большее количество солярки за счет увеличенного объема подачи воздуха, вместе с мощностью повышает и «прожорливость» машины. Уменьшить аппетит до разумных пределов позволяет правильная регулировка системы.
  • Положительные стороны наддува приводят к многократному повышению температуры во время такта сжатия, что может вызвать детонацию в двигателе. Решается эта проблема установкой охладителей, регуляторов и прочих элементов.

Правила эксплуатации

Чтобы в полной мере использовать ресурс турбины дизельного мотора и продлить ее срок службы, необходимо выполнять ряд условий:

  • Регулярно менять масло в системе, чтобы не допустить попадания абразива в маслопровод и его засорения.
  • Применять только качественное масло, имеющее сертификат, той марки, которая соответствует указанной в паспортных данных двигателя.
  • Прогревать мотор перед началом движения и не давать холодному двигателю высоких нагрузок.
  • Никогда резко не отключать движок, а после остановки автомобиля давать ему возможность поработать несколько секунд на холостых оборотах.

Устройство и принцип работы турбины

Турбина (турбокомпрессор) стала определяющим агрегатом в деле увеличения мощности моторов.

Что такое турбина и для чего она нужна?

Турбина — устройство в автомобиле, которое направлено на увеличение давления во впускном коллекторе автомобиля для того, чтобы обеспечить большее поступление воздуха, а значит и кислорода, в камеру сгорания.
Главное назначение турбины –  с ее помощью можно значительно увеличить мощность автомобиля. При увеличении давления во впускном коллекторе на 1 атмосферу в камеру сгорания попадет в два раза больше кислорода, а значит от небольшого турбового двигателя можно ожидать мощности как от атмосферника с объемом в два раза больше — грубая теоретическая арифметика не лишенная смысла…

Принцип работы турбокомпрессора

Принцип работы турбины несложен: горячие выхлопные газы через выпускной коллектор поступают в горячую часть турбины, проходят через крыльчатку горячей части приводя ее и вал на который она крепится в движение. На этом же вале закреплена крыльчатка самого компрессора в холодной части турбины, эта крыльчатка при вращении создает давление во впускном тракте и впускном коллекторе, что обеспечивает большее поступление воздуха в камеру сгорания.

Устройство турбины

 

Турбина состоит из двух улиток — улитки компрессора, через которую всасывается воздух и нагнетается во впускной коллектор, и улитки горячей части, через которую проходят выхлопные газы вращая колесо турбины и выходят в выхлопной тракт. Из крыльчатки компрессора и крыльчатки горячей части. Из шарикоподшипникового картриджа. Из корпуса, который соединяет обе улитки, держит подшипники, так же в корпусе находится охлаждающий контур.

В процессе работы турбина подвергается очень большим термодинамическим нагрузкам. В горячую часть турбины попадают выхлопные газы очень большой температуры 800-9000 °С, поэтому корпус турбины изготавливают из чугуна особого состава и особого способа отливки.

Частота вращения вала турбины достигает 200 000 об/мин и более, поэтому изготовление деталей требует большой точности, подгонки и балансировки. Помимо этого в турбине высокие требования к используемым смазочным материалам. В некоторых турбинах система смазки служит так е системой охлаждения подшипниковой части турбины.

Система охлаждения турбин

Система охлаждения турбин двигателя служит для улучшения теплоотдачи частей и механизмов турбокомпрессора.
Существует два  самых распространенных способа охлаждения деталей турбокомпрессора — охлаждение маслом, которое используется для смазки подшипников и комплексное охлаждение маслом и антифризом из общей системы охлаждения автомобилем.

Оба способа имеют ряд преимуществ и недостатков.
Охлаждение маслом.
Преимущества:

  • Более простая конструкция
  • Меньшая стоимость изготовления самой турбины

Недостатки:

  • Меньшая эффективность охлаждения по сравнению с комплексной системой
  • Более требовательна к качеству масла и к его более частой смене
  • Более требовательна к контролю за температурным режимом масла

Изначально, большинство серийных двигателей с турбонаддувом оснащались тубинами с масляным охлаждением. При прохождении через шарикоподшипниковую часть масло сильно нагревалось. Тогда, когда температура выходила за пределы нормального рабочего температурного диапазона, масло начинало закипать, коксоваться забивая каналы и ограничивая доступ смазки и охлаждения к подшипникам. Это приводило к быстрому износу, заклиниванию  и дорогостоящему ремонту. Причин у неполадки могло быть несколько — некачественной масло или не рекомендованное для данного типа двигателей, превышение рекомендованы сроков замены масла, неисправности в системе смазки двигателя и пр.

Комплексное охлаждение маслом и антифризом
Преимущества:

  • Большая эффективность охлаждения

Недостатки:

  • Более сложная конструкция самого турбокомпрессора, как следствие большая стоимость

При охлаждении турбины маслом и антифризом повышается эффективность и такие проблемы, как закипание и коксование масла, практически не встречаются. Но данная систем охлаждения имеет более сложную конструкцию т.к. имеет раздельные масляный контур и контур охлаждающей жидкости. Масло как и прежде служит для смазки подшипников и для охлаждения, а антифриз, который используется из общей системы охлаждения двигателя, не дает перегреться и закипеть маслу. Как следствие увеличивается стоимость самой конструкции.

При работе турбины воздух под действием компрессора сжимается и, как следствие, очень сильно греется, что приводит к нежелательным последствиям т.к. чем выше температура воздуха, тем меньшее количество кислорода в нем содержится — тем меньше эффективность наддува. С этим явлением призван бороться интеркулер — промежуточный охладитель воздуха.

Нагрев воздуха не единственная проблема, с которой пытаются справиться конструкторы при проектировании турбодвигателя. Насущной проблемой является инерционность турбины (лаг турбины, турбояма) — задержка в реакции мотора на открытие дроссельной заслонки. Турбина  выходит на пик своих возможностей при определенных оборотах двигателя, отсюда и появилось мнение, что турбина включается при определенных оборотах. Турбина в большинстве случаев, работает всегда, а значение оборотов при которых ее эффективность максимальная у каждого двигателя и у каждой турбины разные. В погоне за решением этой проблемы появились системы их двух турбин (твин-турбо, twin-turbo, би-турбо, biturbo), твин-скрол (twin-scroll) турбины, турбины с изменяемой геометрией сопла и изменяемым углом наклона крыльчатки (VGT),  изменяются материалы частей чтобы повысить прочность и увеличить вес (керамические лопатки крыльчатки) и пр.

Twin-turbo (твин-турбо) — система при которой используются две одинаковые турбины. Задача данной системы повысить объем или давление поступающего воздуха. Используется когда необходима максимальная мощность на высоких оборотах, например в драг-рейсинге. Такая система реализована на легендарном японском автомобиле Nissan Skyline Gt-R с двигателем rb26-dett.

Такая же система, но с маленькими одинаковыми турбинами позволяет добиться прироста мощности при небольших оборотах и держать наддув постоянным до красной зоны.

Biturbo (би-турбо) — систем а с двумя разными турбинами, которые соединены последовательно. Система устроена таким образом, что при низких оборотах работает маленькая турбина, обеспечивая хороший отклик на малых оборотах, при определенных условиях «включается» большая турбина и обеспечивает наддув при высоких оборотах. Это позволяет автомобилю уменьшить лаг двигателя и получить хороший прирост производительности во всем диапазоне работы двигателя.

Такая систем турбонаддува используется в автомобилях BMW biturbo.

Турбина с изменяемой геометрией (VGT) — система при которой лопатки крыльчатки в горячей части могут изменять угол наклона к потоку выхлопных газов.

При малых оборотах двигателя пропускное сечение прохода выхлопных газов становится более узкое и  «выхлоп» проходит с большей скоростью и большей отдачей энергии. Когда обороты двигателя увеличиваются проходное сечение становится шире и и уменьшается сопротивление движению выхлопных газов, но при этом достаточно энергии для создания необходимого давления компрессором. Чаще систему VGT используют на дизельных двигателях т.к. там меньше тепловые нагрузки, меньшая скорость вращения ротора турбины.

Twin-scroll ( двойная улитка) — система состоит из двойного контура движения выхлопных газов энергия которых вращает один ротор с крыльчаткой и компрессором. При этом существует два типа реализации когда выхлопные газы идут по обоим контурам сразу, при этом система работает как twin-turbo в одном корпусе — выхлопные газы делятся на два потока каждый из которых идут в свой контур горячей части раскручивая ротор турбины. Второй тип реализации работает на подобии системы biturbo — горячая часть имеет два контура с разной геометрией, при низких оборотах выхлопные газы направляются по меньшему контуру, который увеличивает скорость и энергию прохождения за счет небольшого диаметра, при повышении оборотов двигателя выхлопные газы двигаются по контуру диаметр которого больше — тем самым сохраняется рабочее давление в системе впуска и не создается запора на пути выхлопных газов. Это все регулируется клапанами, которые переключают поток из одного контура в другой.

Принцип работы турбины. Как работает турбонаддув в автомобиле

Для более ясного представления о том, как работает турбина в автомобиле, прежде всего необходимо ознакомится с принципом работы двигателя внутреннего сгорания. Сегодня, основная масса грузовых и легковых автомобилей оснащаются 4-х тактными силовыми агрегатами, работа которых контролируется впускными и выпускными клапанами.

Каждый из рабочих циклов такого двигателя состоит из 4 тактов, при которых коленвал делает 2 полных оборота

 

Впуск — при этом такте осуществляется движение поршня вниз, при этом в камеру сгорания поступает смесь топлива и воздуха (если это бензиновый двигатель) или только воздуха в случае если это дизельный агрегат.

Компрессия — при этом такте происходит сжатие горючей смеси.

Расширение — на этом этапе происходит воспламенение горючей смеси при помощи искры, вырабатываемой свечами. В случае с дизельным двигателем, воспламенение осуществляется произвольно под действием высокого давления впрыска.

Выпуск — поршень двигается вверх, при этом освобождаются выхлопные газы.

Такой принцип работы двигателя определяет следующие способы повышения его эффективности:

— Установка турбонаддува
— Увеличение рабочего объёма двигателя
— Увеличение числа оборотов коленчатого вала двигателя

Как работает турбина в автомобиле?

 

 

 

Увеличение рабочего объёма двигателя

Увеличение объёма двигателя возможно двумя путями: либо увеличением объема камер сгорания, либо — увеличением количества цилиндров в силовом агрегате. Однако такой способ повышения мощности не совсем оправдан, так как имеет ряд недостатков, среди которых: повышенный расход топлива.

Увеличение числа оборотов коленчатого вала двигателя

Еще один возможный способ повышения производительности двигателя заключается в увеличении числа оборотов коленчатого вала. Это достигается путем увеличения количества ходов поршня за единицу времени. Но использование такого способа имеет жесткие ограничения, которые обусловлены техническими возможностями двигателя. Кроме этого, такая модернизация приводит к падению эффективности работы силового агрегата из-за потерь при впуске и других операциях.

Турбонаддув

В двух предыдущих способах двигатель использует воздух, который поступает благодаря собственному нагнетанию. При использовании турбокомпрессора в цилиндр поступает тот же объем воздуха но с предварительным его сжатием. Это дает возможность поступлению большего количества воздуха в цилиндр, благодаря чему появляется возможность сжигания большего объема топлива. При использовании такой технологии, мощность двигателя возрастает по отношению к количеству потребляемого топлива и объему двигателя.

Охлаждение воздуха

В процессе компрессии воздух может нагреваться вплоть до 180 С. Однако воздух имеет свойство увеличения плотности при охлаждении, что дает возможность значительно увеличить объем воздуха, попадающего в цилиндр. Кроме этого, увеличение плотности воздуха существенно снижает расход топлива и количество выбросов продуктов сгорания.

Также существует два разных типа турбонаддува: турбокомпрессор, основанный на использовании энергии выхлопных газов и турбонагнетатель с механическим приводом.

Турбонагнетатель с механическим приводом

В случае использования такого типа компрессии, воздух сжимается благодаря специальному компрессору, который работает от привода двигателя. Но такой метод имеет один большой недостаток. Все дело в том, что при использовании механического турбокомпрессора часть мощность двигателя уходит на обеспечение работы самого компрессора, по этому двигатель, оборудован таким нагнетателем, имеет больший расход топлива чем обычный двигатель такой же мощности.

Турбокомпрессор основанный на использовании энергии выхлопных газов

Такой метод основан на использовании энергии выхлопных газов, которая направлена на привод турбины. При использовании такого способа отсутствует механическое соединение с двигателем, благодаря чему потери мощности не происходит.

Основные преимущества двигателей с турбонаддувом

1) Турбодвигатель имеет меньшее показатели по расходу топлива нежели двигатель без турбины той же мощности и при прочих равных условиях.

2) Силовой агрегат с с турбонаддувом имеет заметно лучшие показатели соотношения веса двигателя к развиваемой им мощности.

3) Использование турбокомпрессора открывает новые возможности по оптимизации других параметров и характеристик двигателя, а также улучшения крутящего момента, что позволит избежать очень часто переключения передач при езде в пробках или гористой местности.

4) Турбодвигатели работают тише чем агрегаты такой же мощности без турбонаддува.

Как работает турбина двигателя, принцип работы турбины двигателя

 

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

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

 

Устройство и принцип работы турбины

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

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

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

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

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

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

 


Условия нормальной работы турбонаддува

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

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

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

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

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

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

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

 


Диагностика нагнетателя воздуха

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

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


Устройство турбины двигателя автомобиля, принцип работы

Принцип работы турбонаддува позволяет значительно увеличивать мощностью автомобильных двигателей. Для лучшего понимания работы системы подробно рассмотрим устройство турбины и клапана избыточного давления (вестгейт, от англ. Wastegate). В зависимости от принципа работы клапан называют: байпас (Bypass) либо блоу-офф (Blow-off).

Устройство «улитки»

Устройство турбокомпрессора газового вида.

  1. Корпус подшипников в сборе (картридж турбины).
  2. Турбинное колесо горячей части.
  3. Клапан Bypass.
  4. Корпус турбины (горячая часть нагнетателя).
  5. Каналы для подвода масла к подшипникам скольжения вала ротора.
  6. Вал ротора.
  7. Уплотнительные шайбы.
  8. Компрессорное колесо.
  9. Корпус компрессора (холодная часть нагнетателя).
  10. Привод срабатывания клапана Bypass.

Именно турбокомпрессоры такого типа чаще всего устанавливаются на дизельные и бензиновые двигатели. Устройство простейшей газовой турбины отличается отсутствием клапана Bypass. Некоторые турбонагнетатели газового типа имеют каналы для циркуляции антифриза, что избавляет систему от необходимости установки турботаймера для предотвращения пригорания масла вследствие высоких температур.

Конструктивные особенности

Цельнолитой корпус турбины, ввиду больших термических нагрузок, изготавливается из чугуна либо жаропрочного сплава чугуна и никеля. Также из чугуна изготавливается центральная часть корпуса. Корпус компрессора цельнолитой, но изготавливается из алюминия. Важнейшим элементом турбины является ротор, который состоит из вала и приваренного к нему турбинного колеса. Компрессорное колесо имеет свободную либо переходную посадку, привинчивается к валу ротора гайкой.

Раскручиваясь потоком выхлопных газов, вал ротора вместе с турбинным и компрессорным колесами вращается на очень большой скорости. Для нормальной работы вала в конструкции предусмотрены:

  • опорные подшипники, в качестве которых чаще всего выступают подшипники скольжения. Конструкции с обычными шариковыми подшипниками позволяют уменьшить потери на трение, но обладают меньшим ресурсом, поэтому устанавливаются преимущественно на авто для автоспортивных гонок. Главное предназначение опорных подшипников – создание точек опоры для вращения в центральной части корпуса. Обратите внимание, что на одном из видео показана конструкция турбонагнетателя, в которой раздельные опорные подшипники установлены на роторном валу. На втором видео описание устройства происходит на модели, у которой опорный подшипник выполнен в виде втулки, фиксируемой болтом;
  • упорные подшипники, которые предназначены для предотвращения осевого люфта вала турбины.


Опорные и упорные подшипники работают на масляном клине. Попадание моторного масла нежелательно как в горячую, так и в холодную часть турбонагнетателя. Для предотвращения этого на валу ротора устанавливаются уплотнительные кольца. Смазка к ним не подается напрямую, как в случае с опорными и радиальными подшипниками. Предотвращение ускоренного износа трущихся поверхностей достигается работой на масляном тумане (мелкодисперсные частицы моторного масла, разбрызгивающиеся в процессе вращения вала ротора).

Значение и работа системы смазки

Турбированные дизельные и бензиновые двигатели требуют более качественного масла в сравнении с атмосферными ДВС.

Объясняется это в первую очередь необходимостью качественной смазки подшипников вала ротора турбины. Масло к подшипникам подается под высоким давлением через специальные каналы в картридже, соответственно в корпусе имеется специальный штуцер, через который масло поступает из общей системы смазки двигателя.

Открытие эффекта масляного клина в свое время дало огромный толчок практическому применению гидродинамических принципов смазки. Суть эффекта в том, чтобы в процессе работы между трущимися поверхностями создать масляную пленку, практически полностью исключающую трение между движущимися поверхностями. Важно, чтобы между трущимися поверхностями устанавливалось давление, удерживающее детали при вращении на относительном удалении друг от друга. Достигается это двумя путями:

  • большим давлением в системе смазки;
  • точной подгонкой трущихся пар. Это значит, что между валом и подшипниками скольжения должен быть ровно такой зазор, который бы позволил создать надежный масляный клин. Именно поэтому для ресурса работы турбины жизненно необходим незначительный осевой и радиальный люфт вала ротора.
Основная причина поломки

Одной из причин повышенного расхода масла является неисправность турбины, в случае которой масло просачивается через уплотнения в компрессорную либо турбинную часть корпуса (в таких случаях обычно говорят, что турбина кидает масло). Причина этой неисправности в чрезмерном осевом и радиальном люфте, из-за которого уплотнительные кольца больше не могут справиться со своей задачей.

Последствия развалившейся турбины

Актуатор турбины

Клапан избыточного давления в системе турбонаддува предназначен для сбрасывания избыточного давление на впуске, а также для уменьшения сопротивления выходу выхлопных газов на высоких оборотах. Производительность турбины определяется в основном углом атаки лопастей турбинного колеса, а также проходным сечением канала горячей части и размером колеса турбины. Чем меньшее проходное сечение канала подвода выхлопных газов, тем раньше в «улитке» горячей части будет достигнуто нужное для раскручивания турбины давление.

Соответственно, на низких оборотах больший прирост мощности даст маленькая турбина, тогда как на высоких оборотах небольшое проходное сечение горячей части приведет к значительному противодействию выхлопным газам. Также у каждой турбины имеется граничное давление, превышение которого ведет к «срыву» воздушного потока с лопастей и потере производительности. О том, как актуатор турбины позволяет избежать помпажа во впускной системе в момент резкого закрытия дроссельной заслонки, увеличить степень компромисса между производительностью на высоких и низких оборотах, рекомендуем прочитать в статье «Турбонаддув в теории и на практике». Наша цель – рассмотреть устройство клапанов избыточного давления разных видов.

Bypass

Применяется конструкция двух видов:

  • замкнутого цикла. Через специальный канал избыточное давление подается в горячую часть турбины, что уменьшает инерционные потери на раскручивание турбинного колеса при последующем разгоне. Система состоит из клапана, воздушных магистралей и регулятора актуатора турбины, который передвигает шток клапана. Регулятор имеет вакуумную систему управления и совмещен с впускным коллектором через диафрагму. При создании определенного давления на впуске диафрагма выгибается, преодолевая усилие возвратной пружины, и открывает через систему тяг байпасный клапан;
  • открытого цикла. Принципиальная разница в том, что при открытии клапана поток воздуха идет в обиход турбинного колеса и направляется непосредственно в выпускную трубу.

Blow-off

Разновидностью системы открытого цикла является система блоу-офф. В работе используется все тот же принцип – специальный клапан сбрасывает избыточное давление с впускной системы. Разница лишь в том, что сброс происходит непосредственно в атмосферу, а сам выход газов на больших оборотах сопровождается характерным звуком.

Турбина — Энергетическое образование

Рисунок 1. Турбины могут быть довольно большими, паровая турбина выше представлена ​​в масштабе человека. [1]

Турбина — это устройство, которое использует кинетическую энергию некоторой жидкости, такой как вода, пар, воздух или дымовые газы, и превращает ее во вращательное движение самого устройства. [2] Турбины обычно используются в производстве электроэнергии, двигателях и двигательных установках. Турбины — это машины (в частности, турбомашины), потому что турбины передают и изменяют энергию.Простая турбина состоит из ряда лопастей — в настоящее время сталь является одним из наиболее распространенных материалов — и позволяет жидкости поступать в турбину, толкая лопасти. Эти лопасти вращаются, пока жидкость проходит через них, захватывая часть энергии в виде вращательного движения. Жидкость, протекающая через турбину, теряет кинетическую энергию и выходит из турбины с меньшей энергией, чем в начале. [2]

Турбины используются во многих различных областях, и каждый тип турбины имеет немного отличающуюся конструкцию для правильного выполнения своей работы.Турбины используются в ветроэнергетике, гидроэнергетике, в тепловых двигателях и для движения. Турбины чрезвычайно важны из-за того факта, что почти вся электроэнергия производится путем преобразования механической энергии турбины в электрическую энергию с помощью генератора. [2]

Тепловые двигатели

основной артикул

Тепловые двигатели используют турбины (а также поршни), поскольку они могут эффективно извлекать энергию из жидкостей.Кроме того, турбины требуют довольно небольшого обслуживания.

Газовые турбины часто используются в тепловых двигателях, поскольку они являются одним из наиболее гибких типов турбин. Одним из конкретных применений этих газовых турбин являются реактивные двигатели. [2] В этих газовых турбинах сжатый воздух нагревается и смешивается с некоторым количеством топлива. Когда эта смесь воспламеняется, она подвергается быстрому расширению. Расширяющийся воздух нагнетается в турбину, заставляя ее вращаться. Поскольку они используют сжатый воздух, большие высоты не влияют на эффективность турбин, что делает их идеальными для использования в самолетах. [3] . Схема газовой турбины показана на рисунке 2 ниже.

Рис. 2. Схема газотурбинного двигателя. [4]

Эти турбины используются не только в самолетах, но и для выработки электроэнергии на электростанциях, работающих на природном газе. Дымовые газы в этом случае возникают в результате сжигания природного газа. [3]

Производство электроэнергии

Гидроэнергетика

основной артикул и | 3D модель
Рисунок 3.Схема гидроэлектростанции. [5]

На гидроэлектростанции вода удерживается за плотиной и сбрасывается через водовод. Вода, обладающая кинетической и потенциальной энергией, попадает на турбину, которая вращает вал, соединенный с генератором, вырабатывая таким образом электричество. Эти турбины необходимы в области гидроэнергетики — процесса получения энергии из воды.

Конструкция гидротурбин одинакова для разных типов гидроэлектростанций (для получения дополнительной информации см. Русловые гидроэлектростанции и водохранилища).Ряд лопастей прикреплен к некоторому вращающемуся валу или пластине. Затем вода проходит через турбину по лопастям, заставляя внутренний вал вращаться. Затем это вращательное движение передается на генератор, где вырабатывается электричество. Существует множество различных типов турбин, которые лучше всего использовать в различных ситуациях. Каждый тип турбин создан для обеспечения максимальной мощности в той ситуации, в которой он используется (примеры различных типов гидроэнергетических турбин включают турбины Фрэнсиса, турбины Каплана и турбины Пельтона).Есть много факторов, которые необходимо изучить, чтобы определить, какую турбину следует использовать. Эти факторы включают гидравлический напор, гидроэлектрический расход и стоимость. [6]

На этих сооружениях обычно используются два типа турбин, выбор которых зависит от характеристик гидроэлектростанции. Это реактивные турбины и импульсные турбины. Для получения дополнительной информации о том, как работают эти турбины, и более подробной информации о других турбинах, нажмите здесь.

Рисунок 4. Схема ветряной турбины. [7]

Ветер

основной артикул и | 3D-модель

Ветряные турбины работают путем преобразования кинетической энергии ветра в механическую энергию, которая используется для выработки электроэнергии путем вращения генератора. Эти турбины могут быть наземными или морскими ветряными турбинами. Эти турбины состоят из трех основных компонентов. Первыми из них являются лопасти несущего винта, которые имеют форму крыльев самолета, чтобы ловить воздух, заставляя лопасти вращаться.Второй компонент — гондола, набор шестерен и генератор, преобразующий вращение лопасти в электрическую энергию. Наконец, башня представляет собой большую подставку, на которой установлены лопасти и гондола. [8]

Для дальнейшего чтения

Каталожные номера

  1. ↑ Викисклад. (2 сентября 2015 г.). Турбина Philippsburg [Онлайн]. Доступно: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/c/c2/Turbine_Philippsburg-1.jpg
  2. 2.0 2.1 2.2 2.3 Словарь энергии, под редакцией Катлера Дж. Кливленда и Кристофера Г. Морриса, Elsevier, 2014. ProQuest Ebook Central, https://ebookcentral-proquest-com.ezproxy.lib. ucalgary.ca/lib/ucalgary-ebooks/detail.action?docID=1821967.
  3. 3.0 3.1 Energy.gov. (2 сентября 2015 г.). Как работают газовые турбины [Онлайн]. Доступно: http://energy.gov/fe/how-gas-turbine-power-plants-work
  4. ↑ Wikimedia Commons [в сети], доступно: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/4/4c/Jet_engine.svg
  5. ↑ Викисклад. (2 сентября 2015 г.). Водяная турбина [Онлайн]. Доступно: http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Water_turbine.svg.
  6. ↑ BrightHub Engineering. (2 сентября 2015 г.). Что такое гидравлические турбины? [Онлайн]. Доступно: http://www.brighthubengineering.com/fluid-mechanics-hydraulics/26551-hydraulic-turbines-definition-and-basics/
  7. ↑ Викисклад. Схема ветрогенератора [Онлайн].Доступно: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Wind_turbine_diagram.svg
  8. ↑ Энергетический центр Висконсина. (2 сентября 2015 г.). Части турбины [Онлайн]. Доступно: http://www.ecw.org/windpower/web/cat2a.html

Авторы и редакторы

Бетел Эфворк, Итан Бохлер, Джордан Ханания, Брейден Хеффернан, Джеймс Дженден, Джафер Хани, Кайлин Стенхаус, Луиза Варгас Суарес, Дайна Вибе, Джейсон Донев
Последнее обновление: 20 декабря 2021 г. Работа — обзор

Наземная газовая турбина

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

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

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

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

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

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

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

Турбина — обзор | ScienceDirect Topics

9.2.1 Гидротурбина

Гидротурбина представляет собой гидравлическую машину, используемую для преобразования гидропотенциала, имеющегося в воде, в механическую энергию, приводящую в действие электрический генератор на электростанции для выработки электроэнергии. Турбины в основном двух типов реактивные или импульсные (рис. 19). Тип турбин указывает, как вода из водовода приводит в движение рабочее колесо турбины, чтобы вращать и преобразовывать гидравлическую энергию в механическую. Рабочие колеса реактивной турбины заполнены водой и развивают крутящий момент за счет реакции давления воды на рабочее колесо.

Рис. 19. Классификация гидротурбин.

IEC 61116 (1992) Руководство по электромеханическому оборудованию для малых гидроэлектростанций .

Реакционные турбины подразделяются на два типа: турбины Фрэнсиса (смешанного потока) и турбины с осевым потоком. Осевые турбины представляют собой турбины с фиксированными лопастями (пропеллер) или с лопастями переменного шага (каплан). Оба типа турбин с осевым потоком (Propeller & Kaplan) и турбины Фрэнсиса могут быть установлены горизонтально или вертикально. Кроме того, пропеллерные турбины могут быть установлены наклонно.Турбины с осевым потоком применяются в системах с низким напором в конфигурации открытых трубчатых, колбовых, шахтных, матричных и турбин с очень низким напором. Большинство малых гидроэлектростанций мощностью до 6–8 МВт монтируются с горизонтальной установкой, а другие — с вертикальной.

Турбина Фрэнсиса имеет рабочее колесо с неподвижными лопастями (лопастями), обычно с девятью или более, на которые вода поступает в турбину в радиальном направлении по отношению к валу и выходит в осевом направлении.Основными компонентами турбин Фрэнсиса являются рабочее колесо, кожух подачи воды для подачи воды к рабочему колесу, калитки для контроля количества воды и ее равномерного распределения на рабочее колесо и отводящая труба для отвода воды от турбины.

Эти агрегаты работают с генераторными агрегатами серии Micro hydro (до 100 кВт) с электронным регулятором нагрузки или параллельными регуляторами нагрузки. Пуск и останов турбин без калитки обычно осуществляется с помощью запорной арматуры на входе в турбину.Синхронизация осуществляется ручным управлением нагрузкой для регулировки скорости.

Вертикальная установка занимает меньшую площадь в плане, но требует более глубокой установки турбины по отношению к уровню нижнего бьефа. Стоимость турбины для вертикальных агрегатов выше по сравнению с горизонтальными агрегатами из-за необходимости использования упорного подшипника большего размера. Горизонтальные блоки более экономичны для небольших блоков мощностью до 8 МВт с более высокими скоростями, где доступны стандартные горизонтальные генераторы.

Турбины с осевым потоком – это турбины, в которых поток через рабочее колесо совпадает с осью вращения.Трубчатые турбины (S-типа) используются ниже 30 м напора и мощностью 8 МВт. Ламповые блоки можно использовать для низкого напора, если диаметр рабочего колеса более 1 м. Конкретные механические конструкции, строительные конструкции и экономические факторы должны быть полностью учтены при выборе одной из этих трех компоновок осевой турбины. Винтовая турбина имеет рабочее колесо с четырьмя, пятью или шестью лопастями, в котором вода проходит через рабочее колесо в осевом направлении по отношению к валу. Шаг лопастей может быть фиксированным или подвижным.Основными составными частями осевой турбины являются корпус подачи воды, калитки, рабочее колесо и отсасывающая труба.

Трубчатые или трубчатые турбины представляют собой горизонтально или наклонно установленные агрегаты с рабочими колесами. Генераторы расположены за пределами водного прохода. Трубчатые турбины могут быть оснащены рабочими колесами с фиксированным или переменным шагом, а также с узлами калитки или без них.

Требуемые гражданские характеристики для горизонтальных блоков отличаются от вертикальных. Горизонтально установленные трубчатые турбины требуют большей площади пола, чем вертикально установленные агрегаты.Требуемая площадь может быть уменьшена за счет наклонного монтажа, однако возникают дополнительные затраты на турбину, поскольку требуется большой осевой упорный подшипник. Высота земляных работ и машинного зала для горизонтальной установки меньше, чем требуется для вертикальной установки.

Ламповые турбины имеют пропеллерные рабочие колеса, непосредственно соединенные с генератором и установленные горизонтально. Генератор заключен в водонепроницаемую оболочку (колбу), расположенную в водяном канале турбины. Колбовая турбина доступна с лопастями с фиксированным или переменным шагом и с механизмом калитки или без него.Рабочие характеристики аналогичны турбинам вертикального и трубчатого типа, но на 1–2 % эффективнее. Благодаря компактной конструкции площадь пола и высота электростанции для установки турбин с лампой минимизированы. Однако время обслуживания из-за доступности может быть больше, чем для турбин вертикального или трубчатого типа. Эти турбины рекомендуется устанавливать со стабильной и прочной сетью.

Низкая удельная скорость Вертикальная пропеллерная турбина, установленная над максимальным уровнем нижнего бьефа, с сифонным всасыванием, регулируемой рабочей лопаткой и фиксированным направляющим аппаратом.Как следует из названия, вертикальная турбина с сифонным всасыванием работает по сифонному принципу, т. е. клапан приемной камеры лотка закрыт и герметизирован, а вакуум создается вакуумным насосом, который позволяет воде поступать в камеру лотка и приводит в действие рабочее колесо. Отключение производится в обратном порядке, т. е. путем нарушения вакуума. Так как турбина работает по принципу сифона, нет необходимости иметь всасывающие и вытяжные заслонки, что снижает стоимость. Было установлено, что этот тип турбины наиболее экономичен при обрывах каналов (напор до 3–4 м).Турбина установлена ​​выше максимального уровня нижнего бьефа и, следовательно, имеет более низкую удельную скорость.

Рабочие колеса импульсной турбины работают на воздухе и вращаются за счет удара струи воды о рабочие лопатки для создания крутящего момента, таким образом преобразуя энергию давления воды в кинетическую энергию. Турбины Пельтона являются импульсными турбинами и устанавливаются с высоким напором. Импульсные турбины могут быть установлены горизонтально или вертикально. Вертикальные агрегаты требуют меньше места в машинном отделении и часто используются для многосопловых агрегатов большой мощности.Турбины с горизонтальным валом подходят для небольших гидроэлектростанций, где имеется меньше воды. При тех же условиях номинального напора и расхода увеличение количества форсунок приводит к уменьшению размера рабочего колеса и повышению рабочей скорости. Управление турбиной Пелтона осуществляется с помощью игольчатых форсунок с гидравлическим приводом в каждой струе. Кроме того, предусмотрен струйный дефлектор для аварийного отключения. Дефлектор отводит струю воды от ковшей на стенку приямка. Эта функция обеспечивает защиту от перенапряжения для водовода без необходимости в клапане давления, поскольку нагрузка может быть быстро снята с генератора без изменения расхода.

КПД различных гидравлических турбин можно увидеть на рис. 20.

Рис. 20. Типичный КПД для различных типов гидравлических турбин (Vinogg and Elstad, 2003).

Принцип работы ветряной турбины

Ветряная турбина — это устройство, которое использует энергию ветра для вращения лопастей, тем самым вырабатывая электричество. Ветрогенератор обычно состоит из ветряных турбин, генераторов, хвостовиков, башен, предохранительных механизмов ограничения скорости и накопителей энергии.Принцип работы ветряка относительно прост: ветроколесо вращается под действием ветра и преобразует кинетическую энергию ветра в механическую энергию вала ветряка. Генератор приводится в движение валом ветряной турбины для выработки электроэнергии.

Базовая комплектация ветрогенератора

Ветроколесо — это устройство для сбора ветра. Его функция заключается в преобразовании кинетической энергии потока воздуха в механическую энергию вращения ветрового колеса.

Эта специализированная лопасть пропеллера до сих пор используется в ветроэнергетике. Среди типов ветряных турбин приняты три типа, а именно генераторы постоянного тока, синхронные генераторы переменного тока и асинхронные генераторы переменного тока. В производстве маломощной ветровой энергии в основном используются синхронные или асинхронные генераторы переменного тока, а вырабатываемая мощность переменного тока преобразуется в мощность постоянного тока с помощью выпрямительных устройств.

Преимуществом синхронного генератора переменного тока является его низкий КПД и способность генерировать больше энергии, чем генератор постоянного тока при низких скоростях ветра, поэтому он может адаптироваться к широкому диапазону скоростей ветра.Синхронный генератор переменного тока может сам по себе обеспечивать ток магнитного поля, но его стоимость выше.

В ветряной турбине функция регулятора направления заключается в том, чтобы в любой момент ветряная турбина была направлена ​​в сторону ветра, чтобы максимально использовать энергию ветра. За исключением ветрогенераторов с подветренной стороны, почти все ветрогенераторы обычно используют хвост для управления наветренным направлением. Оперение обычно расположено на заднем конце ветроколеса, которое расположено в кильватерной зоне ветроколеса.Только когда оперение индивидуального ветродвигателя установлено на относительно высоком месте, можно избежать воздействия на него спутного потока ветродвигателя. В качестве материала хвостового оперения обычно используется оцинкованная листовая сталь.

Механизм безопасности ограничения скорости используется для обеспечения безопасной работы ветряной турбины. Скорость и мощность ветрового колеса ветряной турбины тесно связаны с энергией ветра. Скорость и мощность ветроколеса увеличиваются с увеличением скорости ветра. Если скорость ветра слишком высока, скорость ветроколеса будет слишком высока, и генератор будет перегружен.Чрезмерная скорость ветрогенератора и перегрузка генератора поставят под угрозу безопасность эксплуатации ветрогенератора. Настройка предохранительного механизма, ограничивающего скорость, может поддерживать скорость вращения ротора ветрогенератора практически постоянной в пределах определенного диапазона скоростей ветра. В дополнение к устройствам ограничения скорости ветряные турбины, как правило, оснащены специальными тормозными устройствами. Когда скорость ветра слишком высока, ветроколесо можно остановить, чтобы обеспечить безопасность ветроколеса при чрезвычайно высоких скоростях ветра.

Башня является опорным механизмом ветрогенератора, а также важным компонентом ветряной турбины. Принимая во внимание такие факторы, как простота перемещения, снижение затрат и т. д., в ветряных турбинах мощностью 100 Вт обычно используются трубчатые башни. Трубчатая башня в основном состоит из стальных труб, а натяжные тросы расположены в четырех направлениях. В больших башнях ветряных турбин обычно используются ферменные конструкции, состоящие из угловой или круглой стали.

Как работает паровая турбина?

Большая часть электроэнергии в Соединенных Штатах производится с помощью паровых турбинных двигателей — согласно У.По данным Министерства энергетики США, более 88 процентов энергии в США производится с помощью паровых турбин на центральных электростанциях, таких как солнечные теплоэлектростанции, угольные и атомные электростанции. Предлагая более высокую эффективность и низкую стоимость, паровые турбины стали неотъемлемой частью многих американских энергетических отраслей.

Первая паровая турбина

Первая современная паровая турбина была разработана сэром Чарльзом А. Парсонсом в 1884 году. Эта турбина использовалась для освещения выставки в Ньюкасле, Англия, и произвела всего 7 штук.5 кВт энергии. Теперь паротурбинные генераторы могут производить более 1000 МВт энергии на крупных электростанциях. Хотя со времен Parsons мощность генерации значительно увеличилась, конструкция осталась прежней. Но каким бы интуитивным ни был дизайн Парсонса, он не так прост, как движение пара по лопастям. Он был основан на втором законе термодинамики и теореме Карно (), которая утверждает, что чем выше температура пара, тем выше КПД электростанции. Давайте углубимся в то, как пар помогает питать большинство электростанций страны.

Как из пара получается так много энергии?

Возвращаясь к школьной физике, вода кипит при 100°C. В этот момент молекулы расширяются, и мы получаем испарившуюся воду — пар. Используя энергию, содержащуюся в быстро расширяющихся молекулах, пар обеспечивает поразительную эффективность производства энергии.

Учитывая высокую температуру и давление пара, неудивительно, что были случаи несчастных случаев из-за неправильного использования или установки предохранительных клапанов.Один из самых громких инцидентов произошел на АЭС «Три-Майл-Айленд». Все сводилось к нарастанию давления пара, когда перестали работать насосы, подающие воду к парогенераторам.

Как работает паровая турбина?

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

Как работают лопасти турбины?

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

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

Важность гибких средств управления вращающимся турбинным оборудованием

При таком большом количестве энергии, проходящей через паровые турбины, необходимы механизмы управления, которые могли бы регулировать их скорость, управлять потоком пара и изменять температуру внутри системы.Поскольку большинство паровых турбин используются на крупных электростанциях, требующих нагрузки по требованию, возможность регулировать поток пара и общую выработку энергии является необходимостью.

Как системы управления Petrotech могут повысить эффективность вашего паротурбинного генератора

Изобретение паровой турбины изменило нашу способность производить энергию в больших масштабах. И даже с таким, казалось бы, простым, как пар, проходящий через набор лопастей, легко увидеть, что эти механизмы довольно сложны.Таким образом, им нужна рефлексивная, интеллектуальная система управления паровой турбиной, в которой можно отслеживать и контролировать их работу. Усовершенствованные системы управления паровыми турбинами Petrotech для приводов компрессоров и генераторов имеют интегрированный пакет управления, обеспечивающий управление скоростью и мощностью. Наша продукция включает интегрированные системы управления газовыми и паровыми турбинами, генераторами, компрессорами, насосами и вспомогательным оборудованием. Чтобы узнать больше о наших системах управления паровыми турбинами, ознакомьтесь с нашими информационными документами по усовершенствованным системам управления паровыми турбинами для генераторов и механических приводов.

Принцип работы ветряной турбины

Как работает ветряная турбина?

Воздушная турбина с большими лопастями закреплена на вершине опорной башни достаточной высоты. Когда ветер ударяет в лопасти турбины, турбина вращается за счет конструкции и соосности лопастей ротора. Вал турбины соединен с электрическим генератором. Выход генератора собирается через электрические силовые кабели.

Работа ветряной турбины

Когда ветер ударяет в лопасти ротора, лопасти начинают вращаться.Ротор турбины соединен с быстроходным редуктором. Редуктор преобразует вращение ротора с низкой скорости на высокую скорость. Высокоскоростной вал редуктора соединен с ротором генератора, поэтому электрический генератор работает с более высокой скоростью. Возбудитель необходим для придания требуемого возбуждения магнитной катушке системы генератора поля, чтобы она могла генерировать требуемое электричество. Генерируемое напряжение на выходных клеммах генератора пропорционально как скорости, так и магнитному потоку генератора.Скорость регулируется силой ветра, которая вышла из-под контроля. Следовательно, чтобы поддерживать однородность выходной мощности генератора переменного тока, возбуждение должно регулироваться в зависимости от наличия естественной энергии ветра. Ток возбудителя контролируется контроллером турбины, который определяет скорость ветра. Затем выходное напряжение электрического генератора (альтернатора) подается на выпрямитель, где выход генератора переменного тока выпрямляется до постоянного тока. Затем этот выпрямленный выход постоянного тока передается блоку линейного преобразователя для преобразования его в стабилизированный выход переменного тока, который в конечном итоге подается либо в сеть электропередачи, либо в сеть передачи с помощью повышающего трансформатора.Дополнительные блоки используются для подачи питания на внутренние вспомогательные устройства ветряной турбины (например, двигатель, аккумулятор и т. д.), это называется блоком внутреннего питания.
К большому современному ветряку прикреплены еще два управляющих механизма.

  • Контроль ориентации лопатки турбины.
  • Контроль ориентации торца турбины.

Ориентация лопаток турбины регулируется от базовой втулки лопаток. Лопасти крепятся к центральной ступице с помощью вращающегося устройства через шестерни и небольшой электродвигатель или гидравлическую поворотную систему.Система может иметь электрическое или механическое управление в зависимости от ее конструкции. Лопасти поворачиваются в зависимости от скорости ветра. Эта техника называется контролем высоты тона. Он обеспечивает наилучшую возможную ориентацию лопастей турбины по направлению ветра для получения оптимальной мощности ветра.

Ориентация гондолы или всего корпуса турбины может соответствовать направлению изменения направления ветра для максимального извлечения механической энергии из ветра. Направление ветра вместе с его скоростью определяется анемометром (автоматические устройства измерения скорости) с флюгерами, прикрепленными к задней части гондолы.Сигнал возвращается в электронную систему управления на основе микропроцессора, которая управляет двигателем рыскания, который вращает всю гондолу с зубчатой ​​передачей, обращенной к воздушной турбине в направлении ветра.
Внутренняя блок-схема ветряной турбины

Каков принцип работы паровой турбины? – Rampfesthudson.com

Каков принцип работы паровой турбины?

Проще говоря, паровая турбина работает, используя источник тепла (газ, уголь, атомную энергию, солнечную энергию) для нагрева воды до чрезвычайно высоких температур, пока она не превратится в пар.Когда этот пар проходит мимо вращающихся лопастей турбины, он расширяется и охлаждается.

Каково применение паровой турбины?

Химическая промышленность: паровые турбины интегрируются в процесс производства энергии, обеспечивая тепло и электроэнергию для управления различными процессами в химической и фармацевтической промышленности. Заводы по переработке отходов: паровые турбины помогают вырабатывать энергию, необходимую для использования энергии из отходов.

Каков принцип работы импульсной турбины?

Импульсная турбина работает по основному принципу импульса.Когда струя воды ударяется о лопатку турбины на полной скорости, она создает большую силу, которая используется для вращения турбины. Сила зависит от интервала времени и скорости удара струи о лопасти.

Какие две части паровой турбины?

Основными частями паровой турбины являются (1) ротор, несущий лопатки для преобразования тепловой энергии пара во вращательное движение вала, (2) корпус, внутри которого вращается ротор, служащий сосуд высокого давления для содержания пара (в нем также предусмотрены стационарные патрубки или статор …

Что такое эффективность лезвия?

Эффективность лопастей — это отношение работы, выполняемой лопастями, к энергии, подводимой к жидкости.

Что такое принцип работы турбины?

Турбина представляет собой вращающееся механическое устройство, которое извлекает потенциальную энергию и кинетическую энергию жидкостей и преобразует их в механическую энергию. Когда жидкость направляется к ротору соплами, за счет формы лопастей, жидкость сообщает ротору импульс/энергию вращения.

Каковы основные компоненты паровой турбины?

ротор
Основными частями паровой турбины являются (1) ротор, несущий лопатки для преобразования тепловой энергии пара во вращательное движение вала, (2) корпус, внутри которого вращается ротор, который служит в качестве сосуда под давлением для содержания пара (он также имеет неподвижные каналы сопла или статор …

Каков принцип реактивной турбины?

Реактивная турбина Принцип работы: Эта реактивная сила вращает ротор с очень высокой скоростью.Точно так же при работе реактивной турбины сила реакции создается движущейся жидкостью над лопастями рабочего колеса. Силы реакции, возникающие в лопастях крыльчатки, заставляют крыльчатки вращаться.

Почему паровая турбина компаундирована?

Компаундирование паровой турбины используется для снижения частоты вращения ротора. Это процесс, при котором скорость вращения ротора достигает желаемого значения. Многочисленная система роторов последовательно соединена шпонкой с общим валом, и давление или скорость пара поглощаются поэтапно, когда он проходит через лопасти.

Что такое паровая турбина? По сути, принцип работы паровой турбины — это первоначальный двигатель, который полезен для преобразования существующей потенциальной энергии в кинетическую энергию. Затем эта кинетическая энергия преобразуется в механическую энергию, которая образуется при вращении вала турбины.

Как движутся лопасти импульсной паровой турбины?

В импульсной паровой турбине есть несколько неподвижных сопел и подвижные лопасти на диске, установленном на валу. Подвижные лопасти расположены в симметричном порядке.Пар поступает в корпус турбины под некоторым давлением. После этого он проходит через один или несколько нет. неподвижных сопел в турбину.

Почему пар выходит из сопел паровой турбины?

Пар повышенного давления, выходящий из форсунок, попадает на вращающиеся лопасти, плотно прилегающие к диску, надетому на вал. Так как из-за этой повышенной скорости в паре возникает энергетическое давление на лопасти устройства, после чего вал и лопасти начинают вращаться в одном направлении.

Как паровая турбина получила свое название?

Эта турбина известна как паровая турбина, поскольку в качестве рабочего тела она использует пар. В 1884 году сэр Чарльз А. Парсонс открыл первую паровую турбину. В этой турбине механическая работа производится с помощью вала турбины.

.

0 comments on “Турбина устройство и принцип работы: Принцип работы турбины – как она работает

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.