Паровые и газовые турбины: назначение, принцип действия, конструкции, технические характеристики, особенности эксплуатации.

Турбокомпрессор является одним из самых эффективных средств для увеличения мощности двигателя. Последняя зависит от количества подаваемого воздуха и топлива в цилиндр, а функция турбокомпрессора и состоит в подаче достаточного количества сжатого воздуха, соответствующего количеству топлива, которое необходимо сжечь.

Основными частями турбокомпрессора являются турбина и насос, объединенные жесткой осью. Их вращение, в одном направлении, с большой, но одинаковой скоростью, происходит в результате крутящего момента, преобразованного из энергии потока отработанных газов и воздействующего на крыльчатку турбины, в то время как компрессор затягивает свежий воздух.

Управление турбиной с изменяемой геометрией крыльчатки: принцип работы

Турбина с изменяемой геометрией крыльчатки придумана как средство компенсации таких последствий конструктивных недостатков турбокомпрессора как турбояма, в то же время снижая расход топлива и уменьшая токсичность выхлопных газов.

Турбояма возникает в следствие специфики работы турбины — чем больше газов воздействует на крыльчатку, тем быстрее ее вращение, что в свою очередь приводит к наддуву большего количества воздуха.

С этой последовательностью и связана проблема, так как водитель ожидает от турбодвигателя ускорения в любой момент, в то время как при низкой скорости неоткуда взяться достаточному количеству газа и его напору для мгновенного увеличения скорости вращения крыльчатки и соответственно увеличения мощности.

Эта задержка, возникающая из-за того, что необходимо увеличение впрыска топливо, его сгорание и поступление в виде отработанных газов, прежде чем начнется увеличение скорости вращения крыльчатки и называется турбоямой. Ее устранение стало возможно именно благодаря турбине с изменяемой геометрией.

Принцип работы такой турбины не слишком отличается от оригинала, кроме изменения сечения между направляющими лепестками, что влияет на скорость движения отработанных газов.

На малых оборотах двигателя поток газов тоже не велик, что не позволяет быстро ускориться, поэтому в момент инициации водителем ускорения сигнал блока управления турбокомпрессора уменьшает расстояние между лепестками крыльчатки.

Хоть количество газов и не меняется, но меньше пространство для хода при том же давлении увеличивает их напор, что ускоряет обороты турбины. При прекращении ускорения лепестки снова раздвигаются.

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

Помимо выполнения основной идеи, такая турбина обладает другими преимуществами перед обычной:

• Большая мощность.
• Экономия топлива.
• Снижения токсичности выхлопных газов.

Какой нужен размер турбины? Выбор турбины.

Раз выбор режимов является приоритетным, то вопреки правилу, устоявшемуся у составителей учебных программ, описание поиска оптимальных размеров турбо компрессора стоит начать с его турбинной части, но перед этим рассмотрим некоторые общие положения.

Турбина призвана раскручивать компрессорную часть до тех скоростей, которые смогут обеспечить в ней желательные величины потока воздуха и давления наддува. Маленькая турбина будет раскручиваться быстрее, чем большая, при той же самой энергии выхлопных газов. Потом, правда, такая турбина создаст большее ограничение потоку выхлопа, а оно вызовет противодавление в выпускном коллекторе – неприятный побочный эффект. Это не означает поиск компромисса. Размер турбинной части, даже когда основной целью выбора является обеспечение максимально возможной скорости раскрутки, должен сохранять уровень противодавления на минимуме.

Давление в выпускном коллекторе служит хорошим показателем успешности того насколько хорошо турбинная часть подобрана для конкретного двигателя. Чем меньше показания манометра, установленного в выпускном коллекторе, тем больше мощности мотора. Давление в выпускном коллекторе не должно превышать давление наддува приблизительно в 2,5 раза.

Резвый отклик турбины на педаль газа, ранний подхват, и, как следствие, ощутимые показатели избытка на впуске, которые расхваливает какой-нибудь производитель турбин малого размера, порадуют только владельцев тихоходных пикапов для перевозки печатной продукции от склада до торгового ларька. Для легкового автомобиля даже при обычном городском режиме с рваным ритмом передвижения такие турбо-малютки становятся проблемой, отбирая уже на оборотах чуть выше средних до 20% мощности.

Процесс выбора турбинной части во многом заключается в оценке двух параметров: размера турбины и отношения A/R. Размер турбины вообще можно оценивать по диаметру ее выходного отверстия (рис.1). Хотя такой подход, конечно же, грубоват, но все же дает представление о потенциале потока выхлопных газов, пропускаемых турбиной. Выбор турбины, в отличие от компрессора, в большей степени основывается не на прямых вычислениях, а на результатах измерений (как самостоятельных, так и накопленных предшественниками и инженерами в лабораториях).

По графику зависимости расхода воздуха в компрессоре от размера выходного диаметра турбинной части (рис.2), построенного по усредненным статистическим результатам тестирования и испытаний существующих турбодвигателей, можно начать рассмотрение группы чарджеров, подпадающих под интересующий диапазон расхода. Более простая формула для вычисления расхода (в сравнении с приведенной выше) будет приведена в главе, посвященной подбору компрессоров. у производителей турбо-китов имеются собственные графики подобных зависимостей, лучше характеризующие их продукцию. Но в любом случае оценка по этому показателю очень приблизительна.

Настройка и регулировка турбины на Фольксвагене

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

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

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

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

Дополнительные элементы системы

Стоит отдельно рассмотреть несколько дополнительных элементов. Они тоже входят в конструкцию компрессоров и регулируют определенные процессы.

Клапан Blow-off

Блоу-офф клапан по-другому еще называют перепускным. Установка этого клапана осуществляется в воздушной системе, обычно между дизельной заслонкой и выходным отверстием компрессора. Цель клапана — устранение аварийных ситуаций при работе агрегата. Например, в процессе эксплуатации агрегат может перейти в нежелательный режим surge, если вовремя это не остановить.

Данный режим возникает из-за высокой скорости воздушного потока. В этом случае компрессор старается перекрыть дроссель и хочет сделать это как можно резче. Объясняется возникновение режима тем, что скорость воздушного потока вследствие выхода газов и сам расход воздуха начинают резко снижаться. Турбина же, ввиду силы инерции продолжает быстрое вращение.

Если не уменьшить вращения, последствия могут быть печальными. Один из признаков подобного скачка воздуха – неприятный звук, который прорывается через компрессор. Дальнейшее игнорирование проблемы приведет к поломке подшипников турбины, которые вынуждены принимать большие нагрузки из-за возникших скачков.

Блоу-офф клапан следит за величиной давления внутри коллектора и включается в работу, если оно начинает сильно скакать. Обеспечивает работоспособность клапана установленная внутри пружина, с помощью которой удается предотвратить изменение положения дросселя и наладить работу компрессора.

Если же клапан не успел, и дроссель закрылся, то блоу-офф начинает стравливание в атмосферу избытка давления. Благодаря подобной работе удается снизить риск аварии и уберечь турбокомпрессор от больших нагрузок, способных вызвать его поломку.

Клапан Wastegate

Механический клапан Wastegate устанавливают на турбине или на конструкции выпускного коллетора. Основная задача этой детали заключается в регулировании уровня давления, которое постепенно нарастает внутри компрессора.

Конструкции некоторых дизельных двигателей не содержат вейстгейт, а вот в случае бензиновых агрегатов наличие подобного клапана – обязательное требование для его надежной эксплуатации.

Благодаря работе вейстгейта удается обеспечить беспроблемный и беспрепятственный выход для выхлопных газов из системы. При этом отработавшие газы обходят работающую турбину. С помощью подобного распределения газов осуществляется контроль за нужны количеством энергии.

Подобная предусмотрительность позволяет организовать эффективное управление давлением наддува внутри компрессора. Осуществление контроля обеспечивается за счет встроенной пружины, которая создает противодавление. Именно эта конструкция контролирует обходной поток отработавших газов.

Клапан по виду может быть:

1. Встроенным. Конструкция подразумевает наличие заслонки, которая встраивается в хаузинг. Хаузинг также называют «улиткой» основной турбины агрегата. Также этот элемент содержит пневматический актуатор.
2. Внешний. Гейт такого типа представляет стандартный клапан, устанавливаемый на выпускной коллектор. У этого клапана есть преимущество, которое делает его более востребованным нежели встроенный. При необходимости клапан позволяет вернуть сброшенных обходной поток. В случае спортивных автомобилей сброс клапан сбрасывает газы прямо в атмосферу, предотвращая их попадание внутрь турбины.

Оба дополнительных элемента способствуют равномерной работе автомобильного турбокомпрессора и предотвращают возникновение неприятных ситуаций, способных повлечь за собой различные аварии.

Где купить и какая цена

Приобрести турбину с изменяемой геометрией можно как в автосалоне или с рук у другого автовладельца, так и через интернет. У каждого варианта есть свои преимущества и недостатки, но успешный результат относительно соотношения цены/качества возможен в каждом случае, отличается лишь затраченное время на поиски предложения.

Цена конкретно изменяемых крыльчаток варьируется от 4000 до 25000 рублей, в зависимости от марки автомобиля, модели турбокомпрессора, бренда и качества (в плане надежности и долговечности) самого товара. Одной из самых заслуженно популярных моделей является турбина Garrett, благодаря своему качеству и доступности в разных ценовых диапазонах.

Стоимость турбокомпрессора с изменяемой геометрией не сильно превышает, а иногда и вовсе не превышает, вариант с ее отсутствием, так как по популярности и распространенности турбина с изменяемой геометрией выше.

Привод

Вам будет интересно:Особенности конструкции и ремонта стартера ВАЗ-2114

Среди приводов наиболее распространены пневматические варианты, где управление механизмом осуществляется поршнем, перемещаемым внутри цилиндра воздухом.

Положение лопастей регулируется мембранным приводом, связанным штоком с лопастным кольцом управления, поэтому горловина может постоянно изменяться. Актуатор приводит шток в зависимости от уровня вакуума, противодействуя пружине. Модуляция вакуума контролирует электрический клапан, подающий линейный ток в зависимости от параметров вакуума. Вакуум может создаваться вакуумным насосом усилителя тормозов. Ток подается от аккумулятора и модулирует ЭБУ.

Основной недостаток таких приводов обусловлен сложно предсказуемым состоянием газа после сжатия, особенно при нагреве. Поэтому более совершенными являются гидравлические и электрические приводы.

Гидравлические приводы функционируют по тому же принципу, что и пневматические, но вместо воздуха в цилиндре используется жидкость, которая может быть представлена моторным маслом. К тому же она не сжимается, вследствие чего такая система обеспечивает лучший контроль.

Для перемещения кольца электромагнитный клапан использует давление масла и сигнал ЭБУ. Гидравлический поршень перемещает зубчато-реечный механизм, вращающий зубчатую шестерню, вследствие чего лопасти шарнирно соединяются. Для передачи положения лопасти БУД по кулачку ее привода перемещается аналоговый датчик положения. При малом давлении масла лопасти открыты и закрываются с его возрастанием.

Электрический привод является наиболее точным, так как напряжение может обеспечить очень тонкий контроль. Однако он требует дополнительного охлаждения, которое обеспечивают трубками с охлаждающей жидкостью (в пневматических и гидравлических вариантах для удаления тепла используется жидкость).

Для привода устройства изменения геометрии служит селекторный механизм.

В некоторых моделях турбин используется вращающийся электрический привод с прямым шаговым двигателем. В данном случае положение лопастей регулируется электронным клапаном обратной связи через механизм реечной передачи. Для обратной связи с БУД служит прикрепленный к шестерне кулачок с магниторезистивным датчиком.

При необходимости поворота лопаток ЭБУ обеспечивает подачу тока в определенном диапазоне для перехода их в заданное положение, после чего, получив сигнал от датчика, обесточивает клапан обратной связи.

Чистка турбины с геометрией своими руками

Механизм, сталкивающейся с непрерывной нагрузкой и подверженный воздействию продуктов горения топлива и масел, естественно нуждается в периодической чистке для предупреждения поломок и сохранения эффективности работы.

В некоторых случаях достаточно лишь залить специальное средство и прогнать его через турбину, чтобы очистить ее, но чаще потребуется поработать руками. В то же время нужно помнить, что при обычных обстоятельствах чистка — очень редкая необходимость, и если турбина требует ежемесячной чистки от нагара, значит есть нарушения в ее работе. Причины могут быть следующими:

1. Превышение нормы давления газов.
2. Bзнос втулок крыльчаток турбины.
3. Износ прокладок.
4. Превышение рекомендуемого срока эксплуатации поршневого отсека.
5. Засор сапуна.

В связи с этим каждый автовладелец должен помнить, что хоть самостоятельная чистка возможна, но не всегда ее результат положительно влияет на работу турбины, а иногда и вовсе может ухудшить ситуацию.

Отсутствие опыта, специальных инструментов, чистящих средств может негативно сказаться на геометрии или вовсе «убить» ее, с чем часто сталкиваются в ремонтных салонах — наждачка, соляра и молоток не всегда полезен для этого механизма. Помните, что для чистки в «кустарных» условиях вы должны четко осознавать что, с чем и зачем делаете, предоставив адекватную замену навыкам и оборудованию профессионалов.

Принцип работы паровых турбин

Паровые турбины имеют следующий принцип работы: в паровом котле образуется пар и далее проходит через лопатки турбины под высоким давлением. В результате происходит вращение установки, которая производит механическую энергию. Эта энергия поступает в генератор и используется для выработки электричества. Мощность системы будет зависеть от того, какой перепад давления пара образуется на входе и выходе оборудования. подберет паровую турбину исходя из принципа работы вашего предприятия и поставленных задач.

Чтобы паровая турбина была эффективной и работала с минимальными потерями, пар должен подаваться с высокой температурой и давлением. Поэтому к котельному оборудованию предъявляются повышенные требования. Преимущества данной технологии производства электроэнергии заключаются в том, что есть возможность использовать любой спектр топлива, в том числе и твердое. Однако стоит учесть, что твердое топливо и нефтяные фракции способны снизить экологические показатели системы.

Преимущества паровых турбин:

Одно из преимуществ паровых турбин, что можно использовать разные виды топлива, для получения пара. Ведь главная задача – это обеспечение его бесперебойной подачи, согласно ТУ. поможет подобрать паровую турбину по вашему техническому заданию. Паровые турбины заслуженно заняли свое место в российской промышленности, их хорошая эффективность определяется следующими преимуществами:

• широкий выбор теплоносителя;
• использование различных видов топлива: твердого, газообразного, жидкого;
• большой диапазон мощностей;
• высокая мощность;
• долгий ресурс установки.

Ремонт турбины с изменяемой геометрией

Частично, как и в случае с самостоятельной чисткой турбины — гораздо проще предупреждать возникновение ситуации когда ей необходим ремонт, при помощи компетентного и регулярного обслуживания, чем пытаться исправить ситуацию самостоятельно.

Многих автовладельцев пугает цена ремонта, но они забывают что его самостоятельное проведение тоже не бесплатно, в то время как забирает в разы больше времени, чем потратит профессионал, и к тому же может иметь негативные последствия на механизм или вовсе оказаться безуспешным.

Поэтому не обладая соответствующими знаниями, навыками и оборудованием, лучше не пытаться ремонтировать турбину самостоятельно.

В то же время вам будет полезно узнать о наиболее распространенных проблемах турбокомпрессора и их причин:

• Моторное масло, загрязненное большими или мелкими абразивными частицами.
• Происходит в результате изначально масла низкого качества, с составом отличного от оригинала или изначально неподходящего для использования с конкретной моделью турбокомпрессора. Помимо этого, грязь может попасть в масло с неправильно очищенных деталей турбины или загрязненных во время ремонта, регулировки.
• Длительная или постоянная работа турбины на предельных параметрах. Превышение пределов относится как к температуре, так и скорости вращения отдельных деталей. Возникает в результате повреждения отдельных деталей, их износа или в результате неправильной настройки/регулировки/ремонта турбокомпрессора, из-за чего нарушается работа отдельных элементов, и увеличивается нагрузка на остальные.
• Недостаток смазки или ее качества. Может возникнуть по вине водителя, низкого качества смазки или механических повреждений элементов турбокомпрессора, препятствующих нормальному действию смазки.

Конечно, вариантов поломок и их причин гораздо больше, но водителю не обязательно знать их все, чтобы правильно заботиться о своем авто — главное качественно делать всё что зависит от него, и вовремя отдавать авто в руки профессионалов для техосмотра. Гораздо быстрее, дешевле и проще предупреждать проблемы с турбокомпрессором, чем решать их.

Принципиальная схема

Чтобы понимать, как работает турбина, следует ознакомиться с порядком функционирования ДВС.

Как правило, большинство моторов четырехтактные поршневые, их работа всегда под контролем клапанов впускной и выпускной групп. Один цикл работы составляет четыре такта, которые проходят за два полных оборота коленчатого вала. Принцип работы турбины на дизельном двигателе довольно прост и состоит из следующих действий:

• впуск – поршень идет вниз, давая возможность проникать воздуху через впускной клапан;
• компрессия – в этот момент горючая смесь сжимается;
• процесс расширения – горючее входит под давлением и загорается;
• выпуск – поршень идет вверх, выпуская газ.