Autokombi.ru

Авто-портал
19 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Устройство турбины на пальцах

Турбина. Устройство и принцип действия.

Практически для каждого человека, интересующегося автомобилем и его устройством, важно понимание основных принципов работы турбонаддува. Тем более, что в настоящее время появляется все больше и больше серийных образцов автомобилей, оснащенных турбонагнетателями.

Даже Mercedes, традиционно преданный механическим нагнетателям, осознав плюсы турбонаддува, оснащает этой системой все больше и больше моделей, не говоря уже о BMW, Японских автопроизводителях!

Можно сколько угодно повторяться в статьях про турбины, но это все будет не более чем своя трактовка общеизвестных фактов. Я не буду изобретать велосипед, и в этой заметке буду отталкиваться от информации "из уст" одного из ведущих производителей турбин — фирмы Garrett, однако внесу немного дополнительной информации.

Каков принцип работы системы турбонаддува?

Мощность двигателя пропорциональна объему воздуха и топлива, способного войти в цилиндры. При прочих равных, бОльшие двигатели потребляют бОльший поток воздуха и как результат, дают бОльшую мощность. Если мы хотим чтобы наш крошка-мотор работал также как двигатель-богатырь, либо если нам надо, чтобы уже не маленький двигатель выдавал еще бОльшую мощность, наша цель — "впихнуть" больше воздуха в цилиндр. Установив турбонагнетатель мы сможем резко увеличить характеристики двигателя.

Так каким-же образом турбонагнетатель "запихивает" больше воздуха в двигатель? Давайте для начала обратимся к схеме ниже:

1. Входное отверстие "холодной части" турбокомпрессора (она же — compressor)

2. Выход "холодной части" турбокомпрессора (она же — compressor)

3. Промежуточный охрадитель воздуха (интеркулер — intercooler)

4. Впускной клапан ГБЦ

5. Выпускной клапан ГБЦ

6. Входное отверстие "горячей части" турбокомпрессора (она же — turbine)

7. Выход "горячей части" турбокомпрессора (она же — turbine)

Компоненты, составляющие типичную систему турбонаддува

* Воздушный фильтр (не показан), через который атмосферный воздух проходит прежде чем попасть в турбокомпрессор (1)

* Воздух который превышает величину плотности атмосферного воздуха (масса/еденица объема) является сжатым. (2)

* У большинства современных оснащенных турбонаддувом, есть промежуточный охладитель воздуха (интеркулер) (3), который охлаждает сжатый воздух, дабы далее увеличить его плотность и уменьшить склонность к детонации

* После прохождения через впускной коллектор (4), воздух входит в цилиндры двигателя, которые содержат фиксированный объем. Так как вошедший воздух большей плотности, каждый цилиндр может работать с большим массовым расходом воздуха. В свою очередь, более высокий массовый расход воздуха позволяет загнать в цилиндр больше топлива (с неизменным коэффициентом воздух/топливо — air/fuel). Воспламеняясь, воздушно — топливная смесь большего объема приводит к увеличению мощности, производимой данным размером, или по другому — объемом цилиндра

* Объем газов, полученный в результате сожжения топлива в цилиндре, выходит, в такте выхлопа, в выпускной коллектор (5)

* Газ высокой температуры на большей скорости направляется прямиком в "горячую часть" турбокомпрессора — турбине (6) и давят на крыльчатку. Турбина создает противодавление на двигателе, что означает что давление выхлопных газов двигателя выше чем атмосферное давление

* Снижение давления и температуры происходит во время прохождения через турбину (7), которая (как и все гениальное) просто использует бесплатную энергию выхлопных газов для привода компрессора и нагнетания давления

Компоненты, составляющие конструкцию турбокомпрессора

В дополнение нужно отметить что температура выхлопных газов бензиновых двигателей гораздо выше этого параметра у дизелей, а как следствие — турбокомпрессоры для дизельных двигателей, при схожей конструкции сделаны из более дешевых, но менее жаропрочных материалов. Так что использование дизельных турбокомпрессоров на бензиновом двигателе мы не рекомендуем — выкинете деньги…

Другие компоненты системы турбонаддува

Клапаны Блоуофф (Байпас)

Описание данных компонентов вы сможете найти в материале Как читать турбокарты

Вестгейты (Wastegates)

Вестгейт, также как и блоуофф, является средством управления наддувом, только со стороны выхлопа. Некоторые коммерческие дизельные системы турбонаддува вовсе обходятся без оного (т.н. система свободно плавающего турбонагнетателя). Однако, использование турбонаддува на бензиновых двигателях требует применения этого компонента.

Существуют две разновидности вестгейтов — внутренний и внешний. И тот и другой обеспечивают обход выхлопных газов мимо колеса турбины. Обход газов колеса, как вы уже понимаете, уменьшает мощность турбокомпрессора, позволяя турбине соответствовать мощности, требуемой для данного уровня наддува. Аналогично блоуоффам, вестгейты используют в своей конструкции силу пружины, для регулировки потока, проходящего в обход турбины.

Внутренние вестгейты встроены в корпус турбины и состоят из клапана "хлопушки", тяги, наконечника, и пневматического привода (актюатора).

Очень важно подсоединить актюатор исключительно к давлению наддува, т.к. механизм не работает с вакуумом и не может относиться к впускному коллектору.

Внешние вестгейты монтируются на специально изготавливаемом для них приливе на коллекторе. Преимущество внешнего вестгейта заключается в том, что обойдя турбину, поток воздуха может быть повторно включен в поток газов, идущий ниже по течению турбины. Это позволяет улучшить производительность турбины. Для гоночной техники, этот поток может быть выведен прямиком в атмосферу.

Втулки против шариковых подшипников

Втулки долгое время были основой для турбокомпрессоров. Они дешевы, практичны, но шарикоподшипник является новой вехой в постройке турбокомпрессоров и несет с собой существенное улучшение их характеристик.

Массовое появление турбин на шарикоподшипниках началось в результате участия группы Garrett Motorsports в нескольких гоночных сериях, где получило название "картридж подшипник"

Читайте так же:
Как рассчитывается тепловой баланс ДВС

Картридж — одинарная втулка, которая содержит ряд шарикоподшипников с каждой стороны, в то время как традиционная система подшипника содержит набор втулок и подшипник осевого давления

Использование шарикоподшипников положительно сказывается на отклике турбины, что в свою очередь благоприятно сказывается на динамике автомобиля

Устройство турбины на пальцах

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.

Устройство турбины на пальцах

    Корпус подшипников в сборе (картридж турбины).Турбинное колесо горячей части.Клапан Bypass.Корпус турбины (горячая часть нагнетателя).Каналы для подвода масла к подшипникам скольжения вала ротора.Вал ротора.Уплотнительные шайбы.Компрессорное колесо.Корпус компрессора (холодная часть нагнетателя).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.

Устройство турбины на пальцах

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.

Устройство турбины на пальцах

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.

Читайте так же:
Как не продешевить, продавая авто

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.

Паровые турбины: как горячий пар превращается в электричество

Учёные до сих пор бьются над поиском самых эффективных способов по выработке тока — прогресс устремился от гальванических элементов к первым динамо-машинам, паровым, атомным, а теперь солнечным, ветряным и водородным электростанциям. В наше время самым массовым и удобным способом получения электричества остаётся генератор, приводимый в действие паровой турбиной.

Паровые турбины были изобретены задолго до того, как человек понял природу электричества. В этом посте мы упрощённо расскажем об устройстве и работе паровой турбины, а заодно вспомним, как древнегреческий учёный опередил своё время на пятнадцать веков, как произошёл переворот в деле турбиностроения и почему Toshiba считает, что тридцатиметровую турбину надо изготавливать с точностью до 0,005 мм.

Как устроена паровая турбина

Принцип работы паровой турбины относительно прост, а её внутреннее устройство принципиально не менялось уже больше века. Чтобы понять принцип работы турбины, рассмотрим, как работает теплоэлектростанция — место, где ископаемое топливо (газ, уголь, мазут) превращается в электричество.

Сама по себе паровая турбина не работает, для функционирования ей нужен пар. Поэтому электростанция начинается с котла, в котором горит топливо, отдавая жар трубам с дистиллированной водой, пронизывающим котел. В этих тонких трубах вода превращается в пар.


Понятная схема работы ТЭЦ, вырабатывающей и электричество, и тепло для отопления домов. Источник: Мосэнерго

Турбина представляет собой вал (ротор) с радиально расположенными лопатками, словно у большого вентилятора. За каждым таким диском установлен статор — похожий диск с лопатками другой формы, который закреплён не на валу, а на корпусе самой турбины и потому остающийся неподвижным (отсюда и название — статор).

Пару из одного вращающегося диска с лопатками и статора называют ступенью. В одной паровой турбине десятки ступеней — пропустив пар всего через одну ступень тяжёлый вал турбины с массой от 3 до 150 тонн не раскрутить, поэтому ступени последовательно группируются, чтобы извлечь максимум потенциальной энергии пара.

На вход в турбину подаётся пар с очень высокой температурой и под большим давлением. По давлению пара различают турбины низкого (до 1,2 МПа), среднего (до 5 МПа), высокого (до 15 МПа), сверхвысокого (15—22,5 МПа) и сверхкритического (свыше 22,5 МПа) давления. Для сравнения, давление внутри бутылки шампанского составляет порядка 0,63 МПа, в автомобильной шине легковушки — 0,2 МПа.

Чем выше давление, тем выше температура кипения воды, а значит, температура пара. На вход турбины подается пар, перегретый до 550-560 °C! Зачем так много? По мере прохождения сквозь турбину пар расширяется, чтобы сохранять скорость потока, и теряет температуру, поэтому нужно иметь запас. Почему бы не перегреть пар выше? До недавних пор это считалось чрезвычайно сложным и бессмысленным —нагрузка на турбину и котел становилась критической.

Паровые турбины для электростанций традиционно имеют несколько цилиндров с лопатками, в которые подается пар высокого, среднего и низкого давления. Сперва пар проходит через цилиндр высокого давления, раскручивает турбину, а заодно меняет свои параметры на выходе (снижается давление и температура), после чего уходит в цилиндр среднего давления, а оттуда — низкого. Дело в том, что ступени для пара с разными параметрами имеют разные размеры и форму лопаток, чтобы эффективней извлекать энергию пара.

Но есть проблема — при падении температуры до точки насыщения пар начинает насыщаться, а это уменьшает КПД турбины. Для предотвращения этого на электростанциях после цилиндра высокого и перед попаданием в цилиндр низкого давления пар вновь подогревают в котле. Этот процесс называется промежуточным перегревом (промперегрев).

Цилиндров среднего и низкого давления в одной турбине может быть несколько. Пар на них может подаваться как с края цилиндра, проходя все лопатки последовательно, так и по центру, расходясь к краям, что выравнивает нагрузку на вал.

Вращающийся вал турбины соединён с электрогенератором. Чтобы электричество в сети имело необходимую частоту, валы генератора и турбины должны вращаться со строго определённой скоростью — в России ток в сети имеет частоту 50 Гц, а турбины работают на 1500 или 3000 об/мин.

Читайте так же:
Как облегчить замену тормозных барабанов

Упрощённо говоря, чем выше потребление электроэнергии, производимой электростанцией, тем сильнее генератор сопротивляется вращению, поэтому на турбину приходится подавать бо́льший поток пара. Регуляторы частоты вращения турбин мгновенно реагируют на изменения нагрузки и управляют потоком пара, чтобы турбина сохраняла постоянные обороты. Если в сети произойдет падение нагрузки, а регулятор не уменьшит объём подаваемого пара, турбина стремительно нарастит обороты и разрушится — в случае такой аварии лопатки легко пробивают корпус турбины, крышу ТЭС и разлетаются на расстояние в несколько километров.

Как появились паровые турбины

Примерно в XVIII веке до нашей эры человечество уже укротило энергию стихии, превратив её в механическую энергию для совершения полезной работы — то были вавилонские ветряные мельницы. К II веку до н. э. в Римской империи появились водяные мельницы, чьи колёса приводились в движение нескончаемым потоком воды рек и ручьёв. И уже в I веке н. э. человек укротил потенциальную энергию водяного пара, с его помощью приведя в движение рукотворную систему.


Эолипил Герона Александрийского — первая и единственная на следующие 15 веков реактивная паровая турбина. Источник: American Mechanical Dictionary / Wikimedia

Греческий математик и механик Герон Александрийский описал причудливый механизм эолипил, представляющий собой закреплённый на оси шар с исходящими из него под углом трубками. Подававшийся в шар из кипящего котла водяной пар с силой выходил из трубок, заставляя шар вращаться. Придуманная Героном машина в те времена казалась бесполезной игрушкой, но на самом деле античный учёный сконструировал первую паровую реактивную турбину, оценить потенциал которой удалось только через пятнадцать веков. Современная реплика эолипила развивает скорость до 1500 оборотов в минуту.

В XVI веке забытое изобретение Герона частично повторил сирийский астроном Такиюддин аш-Шами, только вместо шара в движение приводилось колесо, на которое пар дул прямо из котла. В 1629 году схожую идею предложил итальянский архитектор Джованни Бранка: струя пара вращала лопастное колесо, которое можно было приспособить для механизации лесопилки.


Активная паровая турбина Бранка совершала хоть какую-то полезную работу — «автоматизировала» две ступки.

Несмотря на описание несколькими изобретателями машин, преобразующих энергию пара в работу, до полезной реализации было еще далеко — технологии того времени не позволяли создать паровую турбину с практически применимой мощностью.

Турбинная революция

Шведский изобретатель Густаф Лаваль много лет вынашивал идею создания некоего двигателя, который смог бы вращать ось с огромной скоростью — это требовалось для функционирования сепаратора молока Лаваля. Пока сепаратор работал от «ручного привода»: система с зубчатой передачей превращала 40 оборотов в минуту на рукоятке в 7000 оборотов в сепараторе. В 1883 году Лавалю удалось адаптировать эолипил Герона, снабдив-таки молочный сепаратор двигателем. Идея была хорошая, но вибрации, жуткая дороговизна и неэкономичность паровой турбины заставили изобретателя вернуться к расчетам.

Турбинное колесо Лаваля появилось в 1889 году, но его конструкция дошла до наших дней почти в неизменном виде.

Спустя годы мучительных испытаний Лаваль смог создать активную паровую турбину с одним диском. На диск с лопатками из четырех труб с соплами под давлением подавался пар. Расширяясь и ускоряясь в соплах, пар ударял в лопатки диска и тем самым приводил диск в движение. Впоследствии изобретатель выпустил первые коммерчески доступные турбины с мощностью 3,6 кВт, соединял турбины с динамо-машинами для выработки электричества, а также запатентовал множество новшеств в конструкции турбин, включая такую их неотъемлемую в наше время часть, как конденсатор пара. Несмотря на тяжёлый старт, позже дела у Густафа Лаваля пошли хорошо: оставив свою прошлую компанию по производству сепараторов, он основал акционерное общество и приступил к наращиванию мощности агрегатов.

Параллельно с Лавалем свои исследования в области паровых турбин вёл англичанин cэр Чарлз Парсонс, который смог переосмыслить и удачно дополнить идеи Лаваля. Если первый использовал в своей турбине один диск с лопатками, то Парсонс запатентовал многоступенчатую турбину с несколькими последовательно расположенными дисками, а чуть позже добавил в конструкцию статоры для выравнивания потока.

Турбина Парсонса имела три последовательных цилиндра для пара высокого, среднего и низкого давления с разной геометрией лопаток. Если Лаваль опирался на активные турбины, то Парсонс создал реактивные группы.

В 1889 году Парсонс продал несколько сотен своих турбин для электрификации городов, а еще пять лет спустя было построено опытное судно «Турбиния», развивавшее недостижимую для паровых машин прежде скорость 63 км/ч. К началу XX века паровые турбины стали одним из главных двигателей стремительной электрификации планеты.


Сейчас «Турбиния» выставляется в музее в Ньюкасле. Обратите внимание на количество винтов. Источник: TWAMWIR / Wikimedia

Турбины Toshiba — путь длиной в век

Стремительное развитие электрифицированных железных дорог и текстильной промышленности в Японии заставило государство ответить на возросшее электропотребление строительством новых электростанций. Вместе с тем начались работы по проектированию и производству японских паровых турбин, первые из которых были поставлены на нужды страны уже в 1920-х годах. К делу подключилась и Toshiba (в те годы: Tokyo Denki и Shibaura Seisaku-sho).

Читайте так же:
Когда менять масло в АКПП – правда и вымыслы

Первая турбина Toshiba была выпущена в 1927 году, она имела скромную мощность в 23 кВт. Уже через два года все производимые в Японии паровые турбины выходили из фабрик Toshiba, были запущены агрегаты с общей мощностью 7500 кВт. Кстати, и для первой японской геотермальной станции, открытой в 1966 году, паровые турбины также поставляла Toshiba. К 1997 году все турбины Toshiba имели суммарную мощность 100000 МВт, а к 2017 поставки настолько возросли, что эквивалентная мощность составила 200000 МВт.

Такой спрос обусловлен точностью изготовления. Ротор с массой до 150 тонн вращается со скоростью 3600 оборотов в минуту, любой дисбаланс приведёт к вибрациям и аварии. Ротор балансируется с точностью до 1 грамма, а геометрические отклонения не должны превышать 0,01 мм от целевых значений. Оборудование с ЧПУ помогает снизить отклонения при производстве турбины до 0,005 мм — именно такая разница с целевыми параметрами среди сотрудников Toshiba считается хорошим тоном, хотя допустимая безопасная погрешность на порядок больше. Также каждая турбина обязательно проходит стресс-тест при повышенных оборотах — для агрегатов на 3600 оборотов тест предусматривает разгон до 4320 оборотов.


Удачное фото для понимания размеров ступеней низкого давления паровой турбины. Перед вами коллектив лучших мастеров завода Toshiba Keihin Product Operations. Источник: Toshiba

Эффективность паровых турбин

Паровые турбины хороши тем, что при увеличении их размеров значительно растёт вырабатываемая мощность и КПД. Экономически гораздо выгодней установить один или несколько агрегатов на крупную ТЭС, от которой по магистральным сетям распределять электричество на большие расстояния, чем строить местные ТЭС с малыми турбинами, мощностью от сотен киловатт до нескольких мегаватт. Дело в том, что при уменьшении габаритов и мощности в разы растёт стоимость турбины в пересчёте на киловатт, а КПД падает вдвое-втрое.

Электрический КПД конденсационных турбин с промперегревом колеблется на уровне 35-40%. КПД современных ТЭС может достигать 45%.

Если сравнить эти показатели с результатами из таблицы, окажется, что паровая турбина — это один из лучших способов для покрытия больших потребностей в электричестве. Дизели — это «домашняя» история, ветряки — затратная и маломощная, ГЭС — очень затратная и привязанная к местности, а водородные топливные элементы, про которые мы уже писали — новый и, скорее, мобильный способ выработки электроэнергии.

Интересные факты

Самая мощная паровая турбина: такой титул могут по праву носить сразу два изделия — немецкая Siemens SST5-9000 и турбина производства ARABELLE, принадлежащей американской General Electric. Обе конденсационных турбины выдают до 1900 МВт мощности. Реализовать такой потенциал можно только на АЭС.


Рекордная турбина Siemens SST5-9000 с мощностью 1900 МВт. Рекорд, но спрос на такие мощности очень мал, поэтому Toshiba специализируется на агрегатах с вдвое меньшей мощностью. Источник: Siemens

Самая маленькая паровая турбина была создана в России всего пару лет назад инженерами Уральского федерального университета — ПТМ-30 всего полметра в диаметре, она имеет мощность 30 кВт. Малютку можно использовать для локальной выработки электроэнергии при помощи утилизации избыточного пара, остающегося от других процессов, чтобы извлекать из него экономическую выгоду, а не спускать в атмосферу.

/>
Российская ПТМ-30 — самая маленькая в мире паровая турбина для выработки электричества. Источник: УрФУ

Самым неудачным применением паровой турбины стоит считать паротурбовозы — паровозы, в которых пар из котла поступает в турбину, а затем локомотив движется на электродвигателях или за счет механической передачи. Теоретически паровая турбина обеспечивала в разы больший КПД, чем обычный паровоз. На деле оказалось, что свои преимущества, как то высокая скорость и надежность, паротурбовоз проявляет только на скоростях выше 60 км/ч. При меньшей скорости движения турбина потребляет чересчур много пара и топлива. США и европейские страны экспериментировали с паровыми турбинами на локомотивах, но ужасная надежность и сомнительная эффективность сократили жизнь паротурбовозов как класса до 10-20 лет.


Угольный паротурбовоз C&O 500 ломался почти каждую поездку, из-за чего уже спустя год после выпуска был отправлен на металлолом. Источник: Wikimedia

Устройство турбины на пальцах

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.

Устройство турбины на пальцах

    Корпус подшипников в сборе (картридж турбины).Турбинное колесо горячей части.Клапан Bypass.Корпус турбины (горячая часть нагнетателя).Каналы для подвода масла к подшипникам скольжения вала ротора.Вал ротора.Уплотнительные шайбы.Компрессорное колесо.Корпус компрессора (холодная часть нагнетателя).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.

Устройство турбины на пальцах

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.

Читайте так же:
Как получить максимальную скидку в автосалоне

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.

Устройство турбины на пальцах

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.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию