Устройство турбины дизеля: Система турбонаддува — принцип работы турбины, устройство турбокомпрессора автомобиля

---

Система турбонаддува — принцип работы турбины, устройство турбокомпрессора автомобиля

Мощность двигателя автомобиля напрямую зависит от того, какое количество топлива и какой объем воздуха поступают в двигатель. Чтобы повысить мощность двигателя, логично увеличить количество этих компонентов. 

Просто увеличить количество топлива недостаточно, если при этом не увеличить объем воздуха, необходимого для максимально полного сгорания топлива. Использование турбокомпрессора дает возможность доставить больший объем воздуха в цилиндры, предварительно сжав его.

​

Принцип работы турбины двигателя таков: в цилиндры под давлением отработанных газов подается сжатый воздух, который вращает крыльчатку. Компрессор, расположенный на одном валу с крыльчаткой, нагнетает давление в цилиндр.

Турбонаддув от выхлопных газов – наиболее эффективная система увеличения мощности двигателя. Использование турбонаддува не увеличивает объем цилиндров и не влияет на частоту вращения коленвала.

Таким образом, помимо увеличения мощности, турбонаддув позволяет рационально расходовать топливо и уменьшить токсичность отработанных газов благодаря тому, что топливо сгорает полностью. 

Устройство турбокомпрессора автомобиля

Система турбонаддува используется не только в дизельных, но и в бензиновых двигателях.

Система турбонадува состоит из следующих элементов:

• Турбокомпрессора;
• Интеркулера;
• Перепускного клапана;
• Регулировочного клапана;
• Выпускного коллектора.

 

Принцип работы турбины дизельного двигателя

Работа дизельной турбины также основана на использовании энергии выхлопных газов. 

В общих чертах принцип работы турбины дизеля выглядит так.

От выпускного коллектора выхлопные газы направляются в приемный патрубок турбины, после попадают на крыльчатку, принуждая ее двигаться.  С крыльчаткой на одном валу расположен компрессор, который нагнетает давление в цилиндрах.

Основное отличие турбокомпрессорных агрегатов от атмосферных дизелей в том, что  здесь в цилиндры воздух подается принудительно и под высоким давлением. Поэтому на цилиндр попадает значительно большее количество воздуха. В сочетании с большим объемом подающегося топлива мы получаем прирост мощности порядка 25%. При этом пропорции воздушно-топливной смеси остаются неизменными.

Чтобы еще больше увеличить объем поступающего в цилиндры воздуха, используется интеркулер – устройство, предназначенное для охлаждения атмосферного воздуха перед подачей его в двигатель. Это позволяет за один цикл подать в цилиндр еще больше воздуха, так как, холодный, он занимает меньше места.

Технология турбонаддува используется в случаях, когда необходимо увеличить мощность мотора и при этом оставить неизменными его размеры и габариты.

Более наглядно схема работы турбины показана в этом видео:

 

 

 

Принцип работы дизельной турбины несколько отличается от работы турбины на бензиновом двигателе. В чем отличие? Давайте рассмотрим подробнее.

 

Отличие работы турбины бензинового двигателя

Основное отличие турбин бензинового двигателя от турбин дизельного в том, что последние раскручиваются с помощью выхлопных газов, температура которых достигает 850 градусов.  А турбина бензинового двигателя раскручивается с помощью газов, имеющих температуру от 1000 градусов. Имея одинаковый принцип работы, бензиновая турбина изготовлена из более жароустойчивых сплавов, нежели турбина дизельная.

Само строение бензиновой турбины также имеет некоторые отличия, в частности угол входа, крутка лопаток и т.д. По этой причине не стоит использовать дизельные турбины для наддува бензинового двигателя, впрочем, как и наоборот (подробнее в статье).

 

 

 Вернутся к списку «Статьи и новости»

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.

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.

Турбина дизельного двигателя: устройство и ремонт механизма

Дизельный двигатель – это поршневой двигатель внутреннего сгорания, который работает соответственно с принципом самовоспламенения распыленного топлива, что получается в результате воздействия нагретого воздуха при предварительном сжатии.

Достаточно широким является разнообразие топлива для дизельного двигателя. Таким образом, сюда включаются практически все фракции от нефтеперегонной продукции: от самого простого керосина, и до мазуты, а также ряда других продуктов естественного происхождения – рапсового масла, фритюрного жира, пальмового масла и т.д.

Дизельный двигатель уникален, так как может даже работать на обычной, не переработанной сырой нефти.

Дизельные двигатели имеют несколько конструкций камер сгорания. В зависимости от этого существует и несколько типов дизельного двигателя:

1. Дизельный двигатель с неразделенной камерой. Данная камера сгорания выполнена в поршне. Само топливо впрыскивается непосредственно через надпоршневое пространство. Главной особенностью данного типа двигателя является минимальное потребление топлива.

Несущественным, но все же недостатком, является повышенная шумность данного двигателя, в сравнении с его собратом. Сейчас же ведутся также интенсивные работы во блага нововведений, чтобы вышеуказанный недостаток был устранен. Так, в некоторых системах дизельных двигателей было основано устройства предвпрыска топлива в камеру сгорания, что снижает жесткость работы всего агрегата.

2. Дизельный двигатель с разделенной камерой. В данном виде дизельного двигателя существует дополнительная камера, в которою, собственно, и впрыскивается топливо. Вихревая, предкамерная камера в большинстве дизельных двигателей имеет непосредственную связь с цилиндром через специальный канал так, чтобы воздух при его сжатии, когда попадал в оную камеры завихрялся более интенсивно. Это, в свою очередь, способствует тому, что начинается процесс отменного перемешивания воздуха с впрыскиваемым топливом, в результате чего происходит более полное сгорание топлива.

Именно данная схема очень долгий период считалась оптимальной для большинства легких двигателей и в основном использовалась на легковом типе автомобилей. Тем не менее, вследствие того, что экономичность не самая лучшая и оставляет желать лучшего, в последнее десятилетие происходит активное вытеснение этаких двигателей теми двигателями, которые имеют нераздельную камеру и иную систему подачи топлива.

1. Ремонт турбин дизельных двигателей – изучаем устройство механизма

Турбина являет собою крыльчатку, которая была насажена на вал. Через этот вал компрессор приводится в свою эффективную работу. Корпус его производится из жаропрочного сплава алюминия, а сам вал делают зачастую из стали среднелегированной. Именно эти детали практически не поддаются никакому ремонту и в том случае, если они выходят из строя, их необходимо заменять новыми.

Корпус самого турбонадува дизельного двигателя делается из чугуна. Весь процесс активной работы двигателя, по большей части, порождает износ постелей под подшипниками, а также гнезд уплотнительных колец. Сама улитка турбины отливается из чугуна, а уже за счет ее довольно не простой формы образуется определенный поток газов, который дает толчок к развитию и началу движения всего описанного агрегата.

Также, изготавливают алюминиевую отливку под улитку компрессора с небольшим местом для крыльчатки. В момент самого вращения через центральное отверстие компрессор затягивает воздух, после чего он сжимает его и нагнетает его в двигатель по кольцевому каналу.

Само устройство этого механизма не отличается особой сложностью. Тем не менее, для его изготовления нужна высокая точность литья, а также минимальные допуски при подборе деталей.

2. Ресурс турбины дизельного двигателя

Включение турбины дизельного двигателя происходит с самыми первыми его оборотами. Заканчивается же уже немного позже его первичной остановки. При непосредственном пуске мотора выхлопные газы сразу же попадают в турбинную улитку, а это, в свою очередь, приводит вал с крыльчатками в движение.

На самих холостых оборотах у выхлопных газов наблюдается маленькое давление, вследствие чего вращение турбины и ее скорость не влияет на весь объем воздух, который попадает непосредственно в двигатель.

Увеличение количества выхлопных газов сопутствуется ростом оборотов. Вследствие этого процесса обороты турбокомпрессора увеличиваются, а турбина начинает свою эксплуатацию в штатном режиме. В автомобильном «мифовом» мире существует теория, что ресурс турбины у дизельного двигателя очень невысок.

Миф этот нужно развеять, так как он не соответствует действительности. Сам ресурс турбины дизельного двигателя сравняется по долговечности ресурса мотора. Он немного меньше чем он, так как это вызвано его деятельностью и спецификой работы.

Зачастую ресурс турбокомпрессора, вследствие плохого эксплуатирования и несоблюдения всех правил и рекомендаций производителей, снижается. Сопутствуют этому следующие моменты:

1. Использование некачественной смазки.

2. Несвоевременная замена масла.

3. Резкий набор оборотов при холодном и непрогретом двигателе.

4. Остановка горячего двигателя, если он не выдерживается на холостом ходу.

5. Засор каналов масла. В результате этого перебои подачи смазки неизбежны.

Срок службы турбины никоим образов не является зависимым от уровня умения владения автомобилем водителя. Это миф. На практике же, эксплуатация турбины дизельного двигателя не имеет сложностей даже для новичков.

Для того, чтобы двигатель работал бесперебойно нужно соблюдать все те же правила, которые используются при использовании обычного мотора. Нужно лишь учитывать минимальные вышеуказанные нюансы.

3. Эксплуатация дизельного двигателя с турбиной

Нужна регулярная проверка состояния воздушного фильтра при эксплуатации дизельного двигателя и его турбины. Это нужно потому, что при загрязнении фильтра возникает большое давление на всасывании воздуха.

Это, в свою очередь, приводит к тому, что работоспособность и производительность компрессора снижается. Из-за того, что масло имеет высокую степень вязкости ощущается дефицит смазки при запуске холодного двигателя. Именно поэтому мотор с турбиной требует значительного прогрева перед началом полноценной работы.

Ниже указаны основные признаки при неисправностях турбин дизельного двигателя:

1. Двигатель не может набрать максимальные обороты, а также присутствует черный выхлоп. Это скорее всего вызвано из-за недостаточного поступления воздуха. Таким образом можно определить, что воздушный канал был загрязнен. Также, можно предположить, что выпускной коллектор разгерметизировался. Очень часто наблюдается утечка через слабые и неплотные соединения патрубков.

2. Также, о неисправности турбины может рассказывать синий цвет у выхлопного газа. Основной причиной этого может быть попадание масла в сам выхлопной коллектор. В данном случае нужно проверить целостность роторов, а также полное состояние всей сливной системы, которая идет от турбины непосредственно к двигателю. Иногда в ней могут образовываться засоры и сужения.

3. Громкая работа двигателя также свидетельствует о неисправности его турбины. Для того, чтобы определить причины этого нужно очень тщательно проверить всю герметичность трубопроводов и легкость вращения оси у компрессора. Может быть такое, что были повреждены роторы, или деформированы, или чересчур потерты. В таком случае необходим демонтаж всего узла для полного осмотра и дальнейшего ремонта.

Подписывайтесь на наши ленты в таких социальных сетях как, Facebook, Вконтакте, Instagram, Pinterest, Yandex Zen, Twitter и Telegram: все самые интересные автомобильные события собранные в одном месте.

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 на дизельном двигателе

Турбонаддув обязан свои появлением пресловутой немецкой рачительности и практичности во всём. Ещё Рудольфу Дизелю и Готлибу Даймлеру, в конце XIX века, не давал покоя такой вопрос. Как же так: выхлопные газы просто так выбрасываются в трубу, а энергия, которой они обладают, не приносит никакой пользы? Непорядок… В веке двадцать первом, двигатели, оснащённые турбиной, давно перестали быть экзотикой и используются повсеместно, на самой разной технике. Почему турбины получили распространение прежде всего на дизельных двигателях и каков принцип работы этих полезных агрегатов, разберём далее – в строго научно-популярной, но наглядной и понятной каждому форме.

Об истории изобретения и внедрения турбонаддува

Итак, идея «пустить в дело» энергию отработанных выхлопных газов появилась уже вскоре после изобретения и успешных опытов применения двигателей внутреннего сгорания. Немецкие инженеры и первопроходцы автомобиле- и тракторостроения, во главе с Дизелем и Даймлером, провели первые опыты по повышению мощности двигателя и снижению расхода топлива с помощью нагнетания сжатого воздуха от выхлопов.

Готдиб Даймлер выпускал вот такие автомобили, а уже задумывался о внедрении системы турбонаддува

Но первым, кто построил первый эффективно работающий турбокомпрессор, стали не они, а другой инженер – Альфред Бюхи. В 1911 году он получил патент на своё изобретение. Первые турбины были таковы, что использовать их было возможно и целесообразно только на крупных двигателях (например, судовых).

Далее турбокомпрессоры начали использоваться в авиационной промышленности. Начиная с 30-х годов ХХ века, в Соединённых Штатах регулярно запускались в «серию» военные самолёты (как истребители, так и бомбардировщики), бензиновые двигатели которых были оснащены турбонагнетателями. А первая в истории грузовая автомашина с турбированным дизельным мотором была сделана в 1938 году.

В 60-е годы корпорация «Дженерал Моторс» выпустила первые легковые «Шевроле» и «Олдсмобили» с бензиновыми карбюраторными двигателями, оснащёнными турбонаддувом. Надежность тех турбин была невелика, и они быстро исчезли с рынка.

Oldsmobile Jetfire 1962 года – первый серийный автомобиль с турбонаддувом

Мода на турбированные моторы вернулась  на рубеже 70-х/80-х, когда турбонаддув начали широко использовать в создании спортивных и гоночных автомобилей. Приставка «турбо» стала чрезвычайно популярной и превратилась в своеобразный лейбл. В голливудских фильмах тех лет супергерои нажимали на панелях своих суперкаров «магические» кнопки «турбо», и машина уносилась вдаль. В реальной же действительности турбокомпрессоры тех лет ощутимо «тормозили», выдавая существенную задержку реакции. И, кстати, не только не способствовали экономии топлива, а наоборот, увеличивали его расход.

Труженик советских полей – трактор К-701 «Кировец» с турбонаддувом

Первые действительно успешные попытки внедрения турбонаддува в производство автомобильных двигателей серийного производства осуществили в начале 80-х годов «SAAB» и «Mercedes». Этим передовым опытом не замедлили воспользоваться и другие мировые машиностроительные компании.

В Советском Союзе разработка и внедрение в «серию» турбированных двигателей была связана, прежде всего, с развитием производства тяжёлых промышленных и сельскохозяйственных тракторов – «ЧТЗ», «Кировец»; суперсамосвалов «БелАЗ» и т.п. мощной техники.

Почему в итоге турбины получили распространение именно на дизельных, а не бензиновых двигателях? Потому что дизельные моторы имеют гораздо большую степень сжатия воздуха, а их выхлопные газы – более низкую температуру. Соответственно, требования к жаропрочности турбины гораздо меньше, а её стоимость и эффективность использования – гораздо больше.

Устройство системы турбонаддува

Система турбонаддува состоит из двух частей: из турбины и турбокомпрессора. Турбина служит для преобразования энергии отработанных газов, а компрессор – непосредственно для подачи многократно сжатого атмосферного воздуха в рабочие полости цилиндров. Главные детали системы – два лопастных колеса, турбинное и компрессорное (так называемые «крыльчатки»). Турбокомпрессор представляет собой технологичный насос для воздуха, приводимый в действие вращением ротора турбины. Единственная его задача – нагнетание сжатого воздуха в цилиндры под давлением.

Чем больше воздуха поступит в камеру сгорания, тем большее количество солярки дизель сможет сжечь за конкретную единицу времени. Результат – существенное увеличение мощности мотора, без необходимости наращивания объёма его цилиндров.

Составные части устройства турбонаддува:

• корпус компрессора;
• компрессорное колесо;
• вал ротора, или ось;
• корпус турбины;
• турбинное колесо;
• корпус подшипников.

Основа системы турбонаддува – это ротор, закреплённый на специальной оси и заключённый в особый жаропрочный корпус. Беспрерывный контакт всех составных частей турбины с чрезвычайно раскалёнными газами определяет необходимость создания как ротора, так и корпуса турбины из специальных жаропрочных металлосплавов.

Крыльчатка и ось турбины вращаются с очень высокой частотой и в противоположных направлениях. Это обеспечивает плотный прижим одного элемента к другому. Поток отработанных газов проникает вначале в выпускной коллектор, откуда попадает в специальный канал, что расположен в корпусе турбо-нагнетателя. Форма его корпуса напоминает панцирь улитки. После прохождения этой «улитки» отработанные газы с разгоном подаются на ротор. Так и обеспечивается поступательное вращение турбины.

Ось турбонагнетателя закреплена на специальных подшипниках скольжения; смазка осуществляется подачей масла из системы смазки моторного отсека. Уплотнительные кольца и прокладки препятствуют утечкам масла, а также прорывам воздуха и отработанных газов, а также их смешиванию. Конечно, полностью исключить попадание выхлопа в сжатый атмосферный воздух не удаётся, но в этом и нет большой необходимости…

Как работает турбина дизельного двигателя

Мощность любого двигателя и производительность его работы зависит от целого ряда причин. А именно: от рабочего объёма цилиндров, от количества подаваемой воздушно-топливной смеси, от эффективности её сгорания, а также от энергетической части топлива. Мощность двигателя возрастает пропорционально росту количества сжигаемого в нём за определённую единицу времени горючего. Но для ускорения сгорания топлива необходимо увеличение запаса сжатого воздуха в рабочих полостях мотора.

То есть, чем больше за единицу времени сжигается горючего, тем большее количество воздуха потребуется «впихнуть» в мотор (не очень красивое слово «впихнуть» здесь, тем не менее, очень хорошо подходит, поскольку сам мотор не справится с забором избыточного количества сжатого воздуха, и фильтры нулевого сопротивления в этом ему не помогут).

В этом, повторимся, и состоит основное назначение турбонаддува – в наращивании подачи воздушно-топливной смеси в камеры сгорания. Это обеспечивается нагнетанием сжатого воздуха в цилиндры, которое происходит под постоянным давлением. Оно происходит вследствие преобразования энергии отработанных газов, проще говоря, из бросовой и утерянной – в полезную. Для этого, прежде чем выхлопные газы должны быть выведены в выхлопную трубу, а далее и, соответственно, в атмосферу, их поток направляется через систему турбокомпрессора.

Этот процесс обеспечивает раскручивание колеса турбины («крыльчатки»), снабжённого специальными лопастями, до 100-150ти тысяч оборотов в минуту. На одном валу с крыльчаткой закреплены и лопасти компрессора, которые нагнетают сжатый воздух в цилиндры двигателя. Полученная от преобразования энергии выхлопных газов сила используется для значительного увеличения давления воздуха. Благодаря чему и появляется возможность впрыскивания в рабочие полости цилиндров гораздо большего количества топлива за фиксированное время. Это даёт значительное увеличение как мощности, так и КПД дизеля.

Дизельная турбина в разрезе

Проще говоря, турбосистема содержит две лопастных «крыльчатки», закреплённых на одном общем валу. Но находящихся при этом в отдельных камерах, герметично отделённых друг от друга. Одна из крыльчаток вынуждена вращаться от постоянно поступающих на её лопасти выхлопных газов двигателя. Поскольку вторая крыльчатка с нею жёстко связана, то и она также начинает вращаться, захватывая при этом атмосферный воздух и подавая его в сжатом виде в цилиндры двигателя.

Необходимые дополнения в состав системы турбонаддува: клапаны, интеркулер

Не один десяток лет потребовался инженерам, чтобы создать действительно эффективно работающий турбокомпрессор. Ведь это только в теории всё выглядит гладко: от преобразования энергии отработанных газов можно «вернуть» утерянный процент КПД и значительно увеличить мощность двигателя (например, со ста до ста шестидесяти лошадиных сил). Но на практике подобного почему-то не получалось.

Кроме того, при резком нажатии на акселератор приходилось ждать увеличения оборотов мотора. Оно происходило только через некоторую паузу. Рост давления выхлопных газов, раскрутка турбины и загонку сжатого воздуха происходили не сразу, а постепенно. Данное явление, именуемое «turbolag» («турбояма») никак не удавалось укротить. А справиться с ним получилось, применив два дополнительных клапана: один – для перепускания излишнего воздуха в компрессор через трубопровод из двигательного коллектора. А другой клапан – для отработанных газов. Да и в целом, современные турбины с изменяемой геометрией лопаток даже своей формой уже значительно отличаются от классических турбин второй половины ХХ века.

Дизельный турбокомпрессор «Бош»

Другая проблема, которую пришлось решать при развитии технологий дизельных турбин, состояла в избыточной детонации. Детонация эта возникала из-за резкого увеличения температуры в рабочих полостях цилиндров при нагнетании туда дополнительных масс сжатого воздуха, особенно на завершающей стадии такта. Решать данную проблему в системе призван промежуточный охладитель наддувочного воздуха (интеркулер).

Интеркулер – это не что иное, как радиатор для охлаждения наддувочного воздуха. Кроме снижения детонации, он снижает температуру воздуха ещё и для того, чтоб не снижать его плотность. А это неизбежно во время процесса нагрева от сжатия, и от этого эффективность всей системы в значительной степени падает.

Кроме того, современная система турбонаддува двигателя не обходится без:

• регулировочного клапана (wastegate). Он служит для поддержания оптимального давления в системе, и для его сброса , при необходимости, в приёмную трубу;
• перепускного клапана (bypass-valve). Его предназначение – отвод наддувочного воздуха назад во впускные патрубки до турбины, если нужно снизить мощность и дроссельная заслонка закрывается;
• и/или «стравливающего» клапана (blow-off-valve). Который стравливает наддувочный воздух в атмосферу в том случае, если дроссель закрывается и датчик массового расхода воздуха отсутствует;
• выпускного коллектора, совместимого с турбокомпрессором;
• герметичных патрубков: воздушных для подачи воздуха во впуск, и масляных – для охлаждения и смазки турбокомпрессора.

Применение турбонаддува в мировом машиностроении

На дворе двадцать первый век, и никто уже не гонится за тем, чтобы название его легкового автомобиля было с модной в веке ХХ-м приставкой «турбо». Никто и не верит более в «магическую силу турбины» для резкого ускорения автомобиля. Смысл применения и эффективность работы системы турбонаддува всё-таки не в этом.

Вот это «улитка»!

Разумеется, наиболее эффективен турбонаддув при его использовании на двигателях тракторов и тяжёлых грузовиков. Он позволяет добавить мощности и крутящего момента без возникновения перерасхода топлива, что очень важно для экономических показателей эксплуатации техники. Там он и используется. Нашли своё широкое применение турбосистемы также на тепловозных и судовых дизелях. И это наиболее мощные из созданных человеком турбин для дизельного двигателя.

 

 

Что такое турбонаддув — ДРАЙВ

Несомненно, каждый из нас хоть раз в жизни замечал на обычном с виду автомобиле шильдик «turbo». Производители, как нарочно, делают эти шильдики небольшого размера и размещают в неприметных местах так, что непосвящённый прохожий не заметит и пройдёт мимо. А понимающий человек непременно остановится и заинтересуется автомобилем. Ниже приводится рассказ о причинах такого поведения.

Автомобильные конструкторы (с момента появления на свете этой профессии) постоянно озабочены проблемой повышения мощности моторов. Законы физики гласят, что мощность двигателя напрямую зависит от количества сжигаемого топлива за один рабочий цикл. Чем больше топлива мы сжигаем, тем больше мощность. И, скажем, захотелось нам увеличить «поголовье лошадей» под капотом — как это сделать? Тут-то нас и поджидают проблемы.

Турбокомпрессор состоит из двух «улиток» — через одну проходят отработавшие газы, а вторая «качает» воздух в цилиндры.

Дело в том, что для горения топлива необходим кислород. Так что в цилиндрах сгорает не топливо, а топливно-воздушная смесь. Мешать топливо с воздухом нужно не на глазок, а в определённом соотношении. К примеру, для бензиновых двигателей на одну часть топлива полагается 14–15 частей воздуха — в зависимости от режима работы, состава горючего и прочих факторов.

Как мы видим, воздуха требуется весьма много. Если мы увеличим подачу топлива (это не проблема), нам также придётся значительно увеличить и подачу воздуха. Обычные двигатели засасывают его самостоятельно из-за разницы давлений в цилиндре и в атмосфере. Зависимость получается прямая — чем больше объём цилиндра, тем больше кислорода в него попадёт на каждом цикле. Так и поступали американцы, выпуская огромные двигатели с умопомрачительным расходом горючего. А есть ли способ загнать в тот же объём больше воздуха?

Выхлопные газы из двигателя вращают ротор турбины, тот, в свою очередь, приводит в движение компрессор, который нагнетает сжатый воздух в цилиндры. Перед тем как это произойдёт, воздух проходит через интеркулер и охлаждается — так можно повысить его плотность.

Есть, и впервые придумал его господин Готтлиб Вильгельм Даймлер (Gottlieb Wilhelm Daimler). Знакомая фамилия? Ещё бы, именно она используется в названии DaimlerChrysler. Так вот, этот немец весьма неплохо соображал в моторах и ещё в 1885 году придумал, как загнать в них больше воздуха. Он догадался закачивать воздух в цилиндры с помощью нагнетателя, представлявшего собой вентилятор (компрессор), который получал вращение непосредственно от вала двигателя и загонял в цилиндры сжатый воздух.

Швейцарский инженер-изобретатель Альфред Бюхи (Alfred J. Büchi) пошёл ещё дальше. Он заведовал разработкой дизельных двигателей в компании Sulzer Brothers, и ему категорически не нравилось, что моторы были большими и тяжёлыми, а мощности развивали мало. Отнимать энергию у «движка», чтобы вращать приводной компрессор, ему также не хотелось. Поэтому в 1905 году господин Бюхи запатентовал первое в мире устройство нагнетания, которое использовало в качестве движителя энергию выхлопных газов. Проще говоря, он придумал турбонаддув.

Идея умного швейцарца проста, как всё гениальное. Как ветра вращают крылья мельницы, также и отработавшие газы крутят колесо с лопатками. Разница только в том, что колесо это очень маленькое, а лопаток очень много. Колесо с лопатками называется ротором турбины и посажено на один вал с колесом компрессора. Так что условно турбонагнетатель можно разделить на две части — ротор и компрессор. Ротор получает вращение от выхлопных газов, а соединённый с ним компрессор, работая в качестве «вентилятора», нагнетает дополнительный воздух в цилиндры. Вся эта мудрёная конструкция и называется турбокомпрессор (от латинских слов turbo — вихрь и compressio — сжатие) или турбонагнетатель.

Аналог турбонаддува — приводной нагнетатель — жёстко связан с двигателем и тратит на свою работу часть его мощности.

В турбомоторе воздух, который попадает в цилиндры, часто приходится дополнительно охлаждать — тогда его давление можно будет сделать выше, загнав в цилиндр больше кислорода. Ведь сжать холодный воздух (уже в цилиндре ДВС) легче, чем горячий.

Воздух, проходящий через турбину, нагревается от сжатия, а также от деталей турбонаддува, разогретого выхлопными газами. Подаваемый в двигатель воздух охлаждают при помощи так называемого интеркулера (промежуточный охладитель). Это радиатор, установленный на пути воздуха от компрессора к цилиндрам мотора. Проходя через него, он отдаёт своё тепло атмосфере. А холодный воздух более плотный — значит, его можно загнать в цилиндр ещё больше.

А вот так выглядит интеркулер.

Чем больше выхлопных газов попадает в турбину, тем быстрее она вращается и тем больше дополнительного воздуха поступает в цилиндры, тем выше мощность. Эффективность этого решения по сравнению, например, с приводным нагнетателем в том, что на «самообслуживание» наддува тратится совсем немного энергии двигателя — всего 1,5%. Дело в том, что ротор турбины получает энергию от выхлопных газов не за счёт их замедления, а за счёт их охлаждения — после турбины выхлопные газы идут по-прежнему быстро, но более холодные. Кроме того, затрачиваемая на сжатие воздуха даровая энергия повышает КПД двигателя. Да и возможность снять с меньшего рабочего объёма большую мощность означает меньшие потери на трение, меньший вес двигателя (и машины в целом). Всё это делает автомобили с турбонаддувом более экономичными в сравнении с их атмосферными собратьями равной мощности. Казалось бы, вот оно, счастье. Ан нет, не всё так просто. Проблемы только начались.

У Mitsubishi Lancer Evolution интеркулер располагается в переднем бампере перед радиатором. А у Subaru Impreza WRX STI — над двигателем.

Во-первых, скорость вращения турбины может достигать 200 тысяч оборотов в минуту, во-вторых, температура раскалённых газов достигает, только попробуйте представить, 1000°C! Что всё это означает? То, что сделать турбонаддув, который сможет выдержать такие неслабые нагрузки длительное время, весьма дорого и непросто.

Выхлопные газы разогревают и выпускную систему, и турбонаддув до очень высоких температур.

По этим причинам турбонаддув получил широкое распространение только во время Второй мировой войны, да и то только в авиации. В 50-х годах американская компания Caterpillar сумела приспособить его к своим тракторам, а умельцы из Cummins сконструировали первые турбодизели для своих грузовиков. На серийных легковых машинах турбомоторы появились и того позже. Случилось это в 1962 году, когда почти одновременно увидели свет Oldsmobile Jetfire и Chevrolet Corvair Monza.

Но сложность и дороговизна конструкции — не единственные недостатки. Дело в том, что эффективность работы турбины сильно зависит от оборотов двигателя. На малых оборотах выхлопных газов немного, ротор раскрутился слабо, и компрессор почти не задувает в цилиндры дополнительный воздух. Поэтому бывает, что до трёх тысяч оборотов в минуту мотор совсем не тянет, и только потом, тысяч после четырёх-пяти, «выстреливает». Эта ложка дёгтя называется турбоямой. Причём чем больше турбина, тем она дольше будет раскручиваться. Поэтому моторы с очень высокой удельной мощностью и турбинами высокого давления, как правило, страдают турбоямой в первую очередь. А вот у турбин, создающих низкое давление, никаких провалов тяги почти нет, но и мощность они поднимают не очень сильно.

Почти избавиться от турбоямы помогает схема с последовательным наддувом, когда на малых оборотах двигателя работает небольшой малоинерционный турбокомпрессор, увеличивая тягу на «низах», а второй, побольше, включается на высоких оборотах с ростом давления на выпуске. В прошлом веке последовательный наддув использовался на суперкаре Porsche 959, а сегодня по такой схеме устроены, например, турбодизели фирм BMW и Land Rover. В бензиновых двигателях Volkswagen роль маленького «заводилы» играет приводной нагнетатель.

На рядных двигателях зачастую используется одиночный турбокомпрессор twin-scroll (пара «улиток») с двойным рабочим аппаратом. Каждая из «улиток» наполняется выхлопными газами от разных групп цилиндров. Но при этом обе подают газы на одну турбину, эффективно раскручивая её и на малых, и на больших оборотах

Но чаще по-прежнему встречается пара одинаковых турбокомпрессоров, параллельно обслуживающих отдельные группы цилиндров. Типичная схема для V-образных турбомоторов, где у каждого блока свой нагнетатель. Хотя двигатель V8 фирмы M GmbH, дебютировавший на автомобилях BMW X5 M и X6 M, оснащён перекрёстным выпускным коллектором, который позволяет компрессору twin-scroll получать выхлопные газы из цилиндров разных блоков, работающих в противофазе.

Турбина twin-scroll имеет двойную «улитку» турбины — одна эффективно работает на высоких оборотах двигателя, вторая — на низких

Заставить турбокомпрессор работать эффективнее во всём диапазоне оборотов, можно ещё изменяя геометрию рабочей части. В зависимости от оборотов внутри «улитки» поворачиваются специальные лопатки и варьируется форма сопла. В результате получается «супертурбина», хорошо работающая во всём диапазоне оборотов. Идеи эти витали в воздухе не один десяток лет, но реализовать их удалось относительно недавно. Причём сначала турбины с изменяемой геометрией появились на дизельных двигателях, благо, температура газов там значительно меньше. А из бензиновых автомобилей первый примерил такую турбину Porsche 911 Turbo.

Турбина с изменяемой геометрией.

Конструкцию турбомоторов довели до ума уже давно, а в последнее время их популярность резко возросла. Причём турбокомпрессоры оказалось перспективным не только в смысле форсирования моторов, но и с точки зрения повышения экономичности и чистоты выхлопа. Особенно актуально это для дизельных двигателей. Редкий дизель сегодня не несёт приставки «турбо». Ну а установка турбины на бензиновые моторы позволяет превратить обычный с виду автомобиль в настоящую «зажигалку». Ту самую, с маленьким, едва заметным шильдиком «turbo».

Как работают газотурбинные электростанции

Газовые турбины внутреннего сгорания, устанавливаемые на многих современных электростанциях, работающих на природном газе, представляют собой сложные машины, но в основном они состоят из трех основных частей:

• Компрессор , который втягивает воздух в двигатель, нагнетает давление его и подает в камеру сгорания со скоростью сотни миль в час.
• Система сгорания , обычно состоящая из кольца топливных форсунок, которые впрыскивают постоянный поток топлива в камеры сгорания, где оно смешивается с воздухом.Смесь сжигается при температуре более 2000 градусов по Фаренгейту. При сгорании образуется высокотемпературный газовый поток под высоким давлением, который входит и расширяется через турбинную секцию.
• Турбина представляет собой сложный набор чередующихся неподвижных и вращающихся лопастей с профилем крыла. Когда горячий газ сгорания расширяется через турбину, он раскручивает вращающиеся лопасти. Вращающиеся лопасти выполняют двойную функцию: они приводят в действие компрессор, чтобы втянуть больше сжатого воздуха в секцию сгорания, и вращают генератор для выработки электроэнергии.

Наземные газовые турбины бывают двух типов: (1) двигатели с тяжелой рамой и (2) авиационные двигатели. Двигатели с тяжелой рамой характеризуются более низким коэффициентом давления (обычно ниже 20) и имеют тенденцию быть физически большими. Степень давления — это отношение давления нагнетания компрессора к давлению воздуха на входе. Двигатели на базе авиационных двигателей являются производными от реактивных двигателей, как следует из названия, и работают при очень высоких степенях сжатия (обычно превышающих 30). Двигатели на базе авиационных двигателей имеют тенденцию быть очень компактными и полезны там, где требуется меньшая выходная мощность.Поскольку турбины с большой рамой имеют более высокую выходную мощность, они могут производить большее количество выбросов и должны быть спроектированы таким образом, чтобы обеспечивать низкие выбросы загрязняющих веществ, таких как NOx.

Одним из ключевых факторов удельного расхода топлива турбины является температура, при которой она работает. Более высокие температуры обычно означают более высокую эффективность, что, в свою очередь, может привести к более экономичной эксплуатации. Газ, протекающий через турбину типичной электростанции, может иметь температуру до 2300 градусов по Фаренгейту, но некоторые из критических металлов в турбине могут выдерживать температуры только от 1500 до 1700 градусов по Фаренгейту.Следовательно, воздух из компрессора может использоваться для охлаждения основных компонентов турбины, что снижает конечный тепловой КПД.

Одним из главных достижений программы передовых турбин Министерства энергетики было преодоление прежних ограничений по температурам турбин с использованием комбинации инновационных технологий охлаждения и современных материалов. Усовершенствованные турбины, появившиеся в результате исследовательской программы Департамента, смогли повысить температуру на входе турбины до 2600 градусов по Фаренгейту — почти на 300 градусов выше, чем в предыдущих турбинах, и достичь КПД до 60 процентов.

Еще одним способом повышения эффективности является установка рекуператора или парогенератора с рекуперацией тепла (HRSG) для рекуперации энергии из выхлопных газов турбины. Рекуператор улавливает отходящее тепло в выхлопной системе турбины, чтобы предварительно нагреть воздух на выходе компрессора перед его поступлением в камеру сгорания. ПГРТ вырабатывает пар за счет улавливания тепла из выхлопных газов турбины. Эти котлы также известны как парогенераторы-утилизаторы. Пар высокого давления из этих котлов можно использовать для выработки дополнительной электроэнергии с помощью паровых турбин, такая конфигурация называется комбинированным циклом.

Газовая турбина простого цикла может достигать КПД преобразования энергии в диапазоне от 20 до 35 процентов. С учетом более высоких температур, достигнутых в турбинной программе Министерства энергетики, будущие газотурбинные установки с комбинированным циклом, работающие на водороде и синтез-газе, вероятно, достигнут КПД 60 процентов или более. Когда отработанное тепло улавливается из этих систем для отопления или промышленных целей, общая эффективность энергетического цикла может приближаться к 80 процентам.

Основы турбокомпрессора

Основы турбокомпрессора

Ханну Яэскеляйнен, Магди К.Хаир

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

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

Конструкция турбокомпрессора

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

Рисунок 1 . Конструкция турбокомпрессора и расход газов

(Источник: Schwitzer)

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

Рисунок 2 . Турбокомпрессор в разрезе

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

(Источник: BorgWarner)

Подшипники турбокомпрессора

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

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

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

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

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

###

Комбинированная газовая турбина

— обзор

4.10.3.1 Газификация биомассы

Новые концепции производства электроэнергии, такие как совместное сжигание или комбинированные газотурбинные установки, помогают снизить зависимость от ископаемого топлива и уменьшить выбросы диоксида углерода. Газификация (частичное сжигание, риформинг) — наиболее чистый, гибкий и надежный способ использования ископаемых источников. Кроме того, в процессе газификации отходы превращаются в ценные продукты, такие как природный газ-заменитель, транспортное топливо и т. Д.

Самым успешным способом преобразования источников биомассы в газообразное топливо является газификация.Циклы газификации позволяют преобразовывать различное органическое сырье, такое как древесина, сельскохозяйственные отходы, торф, уголь, антрацит, нефтяные остатки и твердые бытовые отходы, в синтез-газ, бионефть и биоуголь. Кроме того, ресурсы биомассы могут варьироваться от очень чистой древесной щепы при 50% влажности до городских древесных остатков, которые являются сухими, но загрязненными черными металлами и другими материалами, до сельскохозяйственных остатков, остатков животных, ила и органических компонентов твердых бытовых отходов. . Циклы газификации могут преобразовывать эти вещества в газообразное топливо, богатое углеродом и водородом, которое можно более просто использовать, часто с повышением эффективности и экологических характеристик по сравнению с прямым сжиганием ресурсов биомассы [29].Ресурсы биомассы представляют собой сложную смесь органических соединений и полимеров, а также содержат ингредиенты с низким содержанием золы, азота и серы. С другой стороны, некоторые сельскохозяйственные материалы, такие как солома и трава, содержат значительно больше. Чтобы оценить выходы в процессе газификации, сложные образцы должны быть уменьшены до упрощенной химической структуры, такой как CH _m O _n . В этом исследовании считается, что химические элементы, такие как сера и азот, присутствуют в очень малых количествах и вносят незначительный вклад в выходы [29].

Химия циклов газификации очень сложна, потому что одновременно происходят разные процессы. Ранние фазы процесса газификации — это частичное окисление и пиролиз, которые происходят в отсутствие O ₂ . Частичное окисление начинается, когда углеродсодержащие источники топлива вступают в реакцию с количеством O ₂ , меньшим стехиометрического. После того, как весь O ₂ в камере сгорания израсходован, высокая рабочая температура газогенератора приводит к улетучиванию летучих частей сырья.Эта система создает двухфазный процесс, состоящий из газовой фазы и твердой фазы на основе углерода, известный как уголь. Затем первичные части синтез-газа, такие как CO и H ₂ , образуются путем парового риформинга полукокса. Если температура камеры газификатора достаточно высока, весь полукокс может быть преобразован в монооксид углерода и водород, а также реакция вода-газ завершится. Наиболее желательным выходом IGCC обычно является водород. В последней фазе цикла газификации паровой риформинг моноксида углерода генерирует водород в соответствии с реакцией конверсии водяного газа (WGSR).В отличие от процесса частичного окисления и парового риформинга, WGSR не превращает все реагенты в продукты. Степень протекания реакций газификации может быть определена с помощью точки равновесия реакции, которая является функцией температуры газификатора и концентрации пара в камере газификатора. Реакция частичного окисления, реакция водяного газа и WGSR показаны соответственно следующими равенствами:

(1) C + O2 + тепло → CO2

(2) C + h3O + тепло → CO + h3

(3 ) CO + h3O + heat↔CO2 + h3

(4) C + 2h3 → Ch5 + heat

Односторонние стрелки в уравнениях.(1) и (2) показывают, что химические реакции необратимы в прямом направлении. Двусторонняя стрелка для уравнения. (3) показывает, что химическая реакция может протекать как в прямом, так и в обратном направлении. Условие равновесия может быть достигнуто, когда скорость изменения прямой и обратной химических реакций эквивалентна.

Усовершенствованные циклы газификации должны быть интегрированы с процессами производства электроэнергии, выступая в качестве связующего звена между углем или мазутом и газовыми турбинами и их последующим паровым циклом.Принципиальная схема электростанции IGCC, основанной на ресурсах биомассы, показана на рис. 13. Полученный синтез-газ из цикла газификации может быть очищен до очень низких уровней загрязняющих веществ, таких как соединения серы и твердые частицы [20]. После процесса очистки синтез-газы могут использоваться в электростанциях с комбинированным циклом с парогазовыми турбинами для выработки электроэнергии более эффективно, чем традиционные процессы, основанные на сжигании [30]. Полученный в результате системный режим IGCC является единственным для целей производства электроэнергии, включая сжигание угля или высокосернистых остатков, которые могут приблизиться к технической и экологической эффективности процессов, работающих на природном газе.

Рис. 13. Принципиальная схема электростанции с комбинированным циклом комплексной газификации (IGCC) на основе ресурсов биомассы.

Ущерб окружающей среде, наносимый IGCC, может быть уменьшен еще больше, если интегрировать его с методами улавливания и хранения углерода. Циклы газификации с использованием кислорода могут быть объединены для создания потока материала, почти полностью состоящего из диоксида углерода, который можно улавливать и изолировать [31]. Входы в общую камеру газификации включают сырье, пар и воздух.Полученные синтез-газы охлаждаются и очищаются от примесей перед сжиганием в газовой турбине. Образующиеся горячие выхлопные газы газовой турбины затем используются в парогенераторе-утилизаторе (HRSG) для кипячения пара высокого давления (HP) для расширения в паровой турбине. Выхлопные газы низкого давления из паровой турбины затем возвращаются в котел-утилизатор и повторно используются.

Газотурбинный двигатель | Британника

Полная статья

Газотурбинный двигатель , любой двигатель внутреннего сгорания, использующий газ в качестве рабочего тела, используемого для вращения турбины.Этот термин также обычно используется для описания полного двигателя внутреннего сгорания, состоящего, по меньшей мере, из компрессора, камеры сгорания и турбины.

Общие характеристики

Полезная работа или тяга может быть получена от газотурбинного двигателя. Он может приводить в действие генератор, насос или воздушный винт или, в случае чисто реактивного авиационного двигателя, развивать тягу, ускоряя поток выхлопных газов турбины через сопло. Такой двигатель, который при той же мощности намного меньше и легче поршневого двигателя внутреннего сгорания, может производить большую мощность.Возвратно-поступательные двигатели зависят от движения поршня вверх и вниз, которое затем должно быть преобразовано во вращательное движение с помощью механизма коленчатого вала, тогда как газовая турбина передает мощность вращающегося вала напрямую. Хотя концептуально газотурбинный двигатель представляет собой простое устройство, компоненты эффективного агрегата должны быть тщательно спроектированы и изготовлены из дорогостоящих материалов из-за высоких температур и напряжений, возникающих во время работы. Таким образом, установки газотурбинных двигателей обычно ограничиваются крупными установками, где они становятся рентабельными.

Циклы газотурбинного двигателя

Большинство газовых турбин работают в открытом цикле, в котором воздух забирается из атмосферы, сжимается в центробежном или осевом компрессоре, а затем подается в камеру сгорания. Здесь топливо добавляется и сжигается при практически постоянном давлении с частью воздуха. Дополнительный сжатый воздух, который обходится вокруг секции горения и затем смешивается с очень горячими газами сгорания, необходим для поддержания температуры на выходе из камеры сгорания (фактически, на входе в турбину) на достаточно низком уровне, чтобы турбина могла работать непрерывно.Если установка должна производить мощность на валу, продукты сгорания (в основном воздух) расширяются в турбине до атмосферного давления. Большая часть мощности турбины требуется для работы компрессора; только остальная часть доступна для обеспечения работы вала генератора, насоса или другого устройства. В реактивном двигателе турбина предназначена для обеспечения мощности, достаточной для привода компрессора и вспомогательных устройств. Затем поток газа выходит из турбины с промежуточным давлением (выше местного атмосферного давления) и проходит через сопло для создания тяги.

В первую очередь рассматривается идеализированный газотурбинный двигатель, работающий без потерь по этому простому циклу Брайтона. Если, например, воздух поступает в компрессор при температуре 15 ° C и атмосферном давлении и сжимается до одного мегапаскаль, он затем поглощает тепло от топлива при постоянном давлении до тех пор, пока температура не достигнет 1100 ° C, а затем расширится через турбину обратно до атмосферного. давление. Этот идеализированный блок потребует выходной мощности турбины 1,68 киловатт на каждый киловатт полезной мощности с 0.68 киловатт потребляется для работы компрессора. Тепловой КПД установки (чистая произведенная работа, разделенная на энергию, добавленную через топливо) составит 48 процентов.

Получите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту. Подпишитесь сейчас

Фактическая производительность в простом открытом цикле

Если для агрегата, работающего в пределах одного и того же давления и температуры, компрессор и турбина имеют КПД только на 80 процентов (, т.е. , работа идеального компрессора равна 0.В 8 раз больше фактической работы, в то время как фактическая мощность турбины в 0,8 раза больше идеальной мощности), ситуация кардинально меняется, даже если все остальные компоненты остаются идеальными. На каждый киловатт производимой полезной мощности турбина теперь должна производить 2,71 киловатт, а работа компрессора становится 1,71 киловатт. Тепловой КПД снижается до 25,9 процента. Это демонстрирует важность высокоэффективных компрессоров и турбин. Исторически сложность разработки эффективных компрессоров, даже более эффективных, чем эффективных турбин, задерживала разработку газотурбинного двигателя.Современные агрегаты могут иметь КПД компрессора 86–88% и КПД турбины 88–90% при проектных условиях.

КПД и выходную мощность можно увеличить за счет повышения температуры на входе в турбину. Однако все материалы теряют прочность при очень высоких температурах, а поскольку лопатки турбины движутся с высокой скоростью и подвергаются серьезным центробежным напряжениям, температура на входе в турбину выше 1100 ° C требует специального охлаждения лопаток. Можно показать, что для каждой максимальной температуры на входе в турбину существует также оптимальное соотношение давлений.Современные авиационные газовые турбины с охлаждением лопаток работают при температурах на входе в турбину выше 1370 ° C и соотношении давлений около 30: 1.

Промежуточное охлаждение, повторный нагрев и регенерация

В авиационных газотурбинных двигателях необходимо обращать внимание на вес и диаметр. Это не позволяет добавлять дополнительное оборудование для повышения производительности. Соответственно, двигатели коммерческих самолетов работают по простому циклу Брайтона, идеализированному выше. Эти ограничения не применяются к стационарным газовым турбинам, в которые могут быть добавлены компоненты для повышения эффективности.Усовершенствования могут включать (1) уменьшение работы сжатия за счет промежуточного охлаждения, (2) увеличение мощности турбины за счет повторного нагрева после частичного расширения или (3) уменьшение расхода топлива за счет регенерации.

Первое усовершенствование будет заключаться в сжатии воздуха почти постоянной температуры. Хотя это не может быть достигнуто на практике, это можно приблизить с помощью промежуточного охлаждения (, т. Е. путем сжатия воздуха в два или более этапов и его водяного охлаждения между этапами до его начальной температуры).Охлаждение уменьшает объем обрабатываемого воздуха и, соответственно, необходимую работу по сжатию.

Второе усовершенствование включает повторный нагрев воздуха после частичного расширения через турбину высокого давления во втором наборе камер сгорания перед подачей его в турбину низкого давления для окончательного расширения. Этот процесс аналогичен повторному нагреву, используемому в паровой турбине.

Оба подхода требуют значительного дополнительного оборудования и используются реже, чем третье улучшение.Здесь горячие выхлопные газы из турбины проходят через теплообменник или регенератор для повышения температуры воздуха, выходящего из компрессора перед сгоранием. Это уменьшает количество топлива, необходимое для достижения желаемой температуры на входе в турбину. Однако повышение эффективности связано со значительным увеличением начальной стоимости и будет экономичным только для агрегатов, которые работают почти непрерывно.

Микротурбины | WBDG — Руководство по проектированию всего здания

Введение

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

Микротурбины

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

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

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

Описание

A. Что такое микротурбина?

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

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

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

B. Типы микротурбин

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

Генераторы микротурбин

также можно разделить на два общих класса:

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

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

Рекуперированная микротурбина
Фотография предоставлена: Capstone

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

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

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

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

C. Характеристики микротурбин

Некоторые из основных приложений для микротурбин включают:

• Распределенное поколение — автономные локальные приложения, удаленные от электросетей
• Качественная мощность и надежность —сниженные колебания частоты, скачки напряжения, скачки, провалы или другие сбои
• Резервное питание — используется в случае отключения электричества в качестве резервного источника электроэнергии
• Пиковое сокращение — использование микротурбин в периоды, когда потребление электроэнергии и плата за потребление высоки
• Boost power — увеличение локальных генерирующих мощностей и в более удаленных сетях
• Дешевая энергия — использование микротурбин в качестве базовой нагрузки или основного источника энергии, которое дешевле производить на месте, чем приобретать у электроэнергетической компании.
• Комбинированное производство тепла и электроэнергии (когенерация) — повышает эффективность местного производства электроэнергии за счет использования отходящего тепла для существующего теплового процесса.

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

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

Доступно : N / A

Эстетика :

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

Рентабельность : (См. Раздел F: Экономика микротурбин)

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

Функциональный :

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

Производственные :

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

Надежно / Сейф :

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

Устойчивое развитие :

• Обеспечивает самый низкий уровень выбросов среди всех систем сжигания некаталитического ископаемого топлива
• Имеет небольшую занимаемую площадь, сводя к минимуму неудобства на рабочем месте
• Уменьшает или откладывает модернизацию инфраструктуры (линии и подстанции)
• Для микротурбин с рекуперацией энергии, обладает более высокой эффективностью преобразования энергии, чем центральное поколение
• Обеспечивает более эффективное управление энергопотреблением и нагрузкой

Д.Экономика микротурбин

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

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

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

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

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

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

Приложение

Микротурбины

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Дополнительные ресурсы

WBDG

Типы зданий / Типы помещений

Применимо ко всем типам зданий и площадям

Задачи проектирования

Эстетика, рентабельность, функциональность / эксплуатация, продуктивность, надежность / безопасность, устойчивость

Ввод в эксплуатацию

Ввод здания в эксплуатацию

Инструменты

Калькулятор темпа роста энергии (EERC), Energy Plus, Система принятия решений по энергоснабжению предприятия (FEDS)

Государственные и федеральные агентства

Ассоциации и организации

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

Производители

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

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

Адаптируемая газовая турбина | Американский ученый

Турбины существуют уже давно — ранними примерами являются ветряные мельницы и водяные колеса.Название происходит от латинского турбо, означает вихрь, и, таким образом, определяющим свойством турбины является то, что жидкость или газ вращают лопасти ротора, который прикреплен к валу, который может выполнять полезную работу. Однако турбины, работающие на углеводородном топливе, являются одними из самых молодых устройств преобразования энергии: их первое использование для выработки электроэнергии или приведения в движение реактивного самолета произошло в 1939 году. Благодаря усилиям многих тысяч инженеров за прошедшие 70 лет или около того, такие Газовые турбины стали доминирующими в силовых установках самолетов и, благодаря их не имеющему себе равных тепловому КПД и низкой стоимости, являются суперзвездами электростанций.Поскольку энергия является центральной проблемой современного общества, технология газовых турбин продолжает оставаться инновационной.

Многие мои усилия как инженера-механика, как в промышленности, так и в академических кругах, основывались на первом законе термодинамики (сформулированном в принципе сохранения энергии): энергия не создается и не уничтожается, но может быть изменена по форме. Часть закона, «измененная по форме», — это то, что делают многие инженеры-механики, исследуя и разрабатывая устройства преобразования энергии.Примером такого преобразования является преобразование тепла (скажем, от сгорания углеводородного топлива) в движущую силу (например, в самолет с реактивным двигателем) или электричество. Устройства, выполняющие это преобразование, называются первичные двигатели.

Основные современные первичные двигатели преобразуют тепло, выделяемое в результате ядерных или химических реакций, в полезные формы энергии. Газовая турбина, изобретенная совместно Хансом фон Охайном, Фрэнком Уиттлом и инженерами швейцарской фирмы Brown, Boveri & Cie, пришла на смену паровой машине, созданной в 1769 году Томасом Ньюкоменом и Джеймсом Ваттом; двигатель с искровым зажиганием Николауса Отто 1876 года; двигатель с воспламенением от сжатия Рудольфа Дизеля 1884 года и паровая турбина Чарльза Парсонса 1897 года.

Название газовая турбина Это несколько вводит в заблуждение, поскольку подразумевает простую турбину, в которой в качестве рабочего тела используется газ. Собственно, газовая турбина имеет компрессор втягивать и сжимать газ (обычно воздух), камера сгорания (или горелка) для добавления горючего топлива (обычно углеводородной жидкости или газа) для нагрева сжатого газа, и турбина (или детандер) для извлечения энергии из потока горячего газа с его вращением лопаток турбины.

Поскольку происхождение газовой турбины лежит как в области электроэнергетики, так и в авиации, газовая турбина получила множество других названий. Для наземных и морских применений газовая турбина прозвище является наиболее распространенным, но его также называют турбина внутреннего сгорания , а турбовальный двигатель а иногда газотурбинный двигатель . Для авиационных приложений его обычно называют реактивный двигатель и различные другие названия (в зависимости от конкретной авиационной конфигурации или области применения), такие как реактивный газотурбинный двигатель, ТРД, ТРДД, ФВД и турбовинтовой или реактивный двигатель (если он используется для привода воздушного винта).Компрессор-камера сгорания-турбина часть газовой турбины обычно называется газогенератор.

В газовой турбине самолета вся мощность турбины используется для приведения в действие компрессора (который также может иметь связанный вентилятор или пропеллер). Затем газовый поток, покидающий турбину, ускоряется в атмосферу через выхлопное сопло, чтобы обеспечить толкать или тяговая мощность. Тяговая мощность газовой турбины или реактивного двигателя равна увеличению количества движения массового потока от входа к выходу двигателя, умноженному на скорость полета.Фактическая сила тяги, создаваемая в двигателе (и тянущая самолет вперед), представляет собой сумму всех осевых составляющих сил давления на внутренних поверхностях двигателя, подверженных воздействию потока газа в тракте.

Реактивный двигатель может быть достаточно маленьким, чтобы его можно было переносить в ручном режиме, и производить тягу в несколько фунтов (1 фунт тяги эквивалентен 4,45 ньютону силы) для использования на моделях самолетов или военных дронах. (Швейцарский пилот в отставке Ив Росси по прозвищу «Реактивный человек» прикрепил четыре таких небольших реактивных двигателя, каждый из которых имел тягу 50 фунтов или около 223 ньютонов, к заднему крылу и пролетел через Ла-Манш в 2008 году и над Гранд-Каньоном. в 2011.На современных коммерческих реактивных самолетах газовые турбины обычно имеют тягу в диапазоне 30 000 фунтов (или 136 000 ньютонов), при этом самая большая в настоящее время составляет около 100 000 фунтов (445 000 ньютонов) на дальнемагистральных самолетах Boeing 777.

Реактивный двигатель, показанный на рисунке выше, представляет собой турбовентиляторный двигатель с установленным на компрессоре вентилятором большего диаметра. Тяга создается воздухом, проходящим только через вентилятор (так называемый байпасный воздух) и через сам газогенератор. Комбинация механизмов значительно увеличивает топливную экономичность двигателя.Благодаря большой площади лобовой части, позволяющей втягивать большую массу воздуха (с учетом того, что данная конфигурация создает более высокие силы аэродинамического сопротивления при крейсерских скоростях полета), турбовентиляторный двигатель создает максимальную тягу на взлетной скорости. Поэтому он больше всего подходит для коммерческих самолетов, которым требуется большая часть подъемной силы для отрыва от земли, а не для маневрирования в воздухе. Напротив, турбореактивный не имеет вентилятора и генерирует всю свою тягу из воздуха, проходящего через газогенератор.Турбореактивные двигатели имеют меньшую лобовую поверхность (и, следовательно, меньшее сопротивление при высоких скоростях полета) и создают пиковые тяги на высоких скоростях, что делает их наиболее подходящими для истребителей, которые движутся с гораздо более высокими скоростями, чем коммерческие самолеты.

В неавиационных газовых турбинах только часть мощности турбины используется для привода компрессора. Остаток используется как выход мощность на валу для включения устройства преобразования энергии, такого как электрический генератор, или для сжатия природного газа в трубопроводе, чтобы его можно было транспортировать.Наземные газовые турбины с валом могут стать очень большими (с выходной мощностью до 375 мегаватт, чего достаточно для питания около 300 000 домов). Блок, показанный на рисунке справа, называется промышленный или Рамка машина. Он сконструирован для обеспечения прочности и длительного срока службы, поэтому вес не является важным фактором, как в случае с реактивным двигателем. Обычно рамные машины проектируются консервативно, но в них используются технические достижения в разработке реактивных двигателей, когда это имело смысл.

Более легкие газовые турбины, созданные на основе реактивных двигателей и используемые для неавиационных применений, называются авиационные газовые турбины. Авиационные двигатели используются для привода компрессоров трубопроводов природного газа, кораблей и производства электроэнергии. Они используются, в частности, для обеспечения пиковой и промежуточной мощности для электроэнергетических предприятий, поскольку они могут быстро запускаться. Пиковая мощность дополняет нормальную мощность коммунального предприятия в периоды высокого спроса, например, при кондиционировании летом в крупных городах.

Газовая турбина имеет некоторые конструктивные преимущества перед другими энергосистемами. Он способен производить большое количество полезной энергии при относительно небольшом размере и весе. Поскольку движение всех его основных компонентов связано с чистым вращением (например, отсутствует возвратно-поступательное движение, как в поршневом двигателе), его механический срок службы велик, а соответствующие затраты на техническое обслуживание относительно невысоки. Однако на ранних этапах разработки обманчивая простота газовой турбины вызвала проблемы, пока не стали лучше поняты аспекты ее механики жидкости, теплопередачи и горения.По словам Эдварда Тейлора, первого директора газотурбинной лаборатории Массачусетского технологического института, первые конструкции газотурбинных компрессоров упали на скалу, и скала остановилась. Ларек представляет собой внезапную блокировку и даже обратное движение потока в двигателе, вызванное тем, что жидкость отделяется от поверхностей аэродинамического профиля компрессора, а не течет по ним равномерно. Тейлор перефразировал слова П.Т. Барнума, чтобы описать два типа срывов: вы можете управлять компрессором так, чтобы он некоторое время останавливал все лопасти (так называемый помпаж), или все время (называемый вращающимся срывом).Чтобы избежать таких срывов, потребовалось провести много предварительных исследований и разработок.

Хотя газовая турбина должна запускаться с помощью каких-либо внешних средств (небольшой внешний двигатель или другой источник, например, другая газовая турбина), ее можно довести до состояния полной нагрузки (пиковой мощности) за считанные минуты, в отличие от паротурбинной установки. время запуска которого измеряется часами.

Газовые турбины также могут использовать различные виды топлива. Природный газ обычно используется в наземных газовых турбинах, тогда как легкие дистиллятные (или керосиноподобные) масла используются в авиационных реактивных двигателях и морских газовых турбинах.Также можно использовать дизельное топливо или специально обработанные остаточные масла (например, биодизель), а также горючие газы (например, метан), полученные из доменных печей, нефтеперерабатывающих заводов, свалок, сточных вод и газификации твердого топлива, такого как уголь, древесная щепа и жмых (измельченные стебли сахарного тростника или сорго). Некоторые недавние работы в Южной Африке по типу атомной электростанции, называемой реактор с галечным слоем (в котором используются графитовые сферы размером с теннисный мяч, залитые делящимся материалом), обеспечивающий газообразный гелий для питания турбины, имеющей замкнутый цикл, Это означает, что в нем используется газ, предварительно нагретый внешним источником, который рециркулирует через систему.)

Дополнительным преимуществом газовых турбин является то, что обычным рабочим телом является атмосферный воздух, и машина не требует жидкостного охлаждения — важное соображение во многих частях мира, где не хватает охлаждающей воды.

В первые дни разработки одним из основных недостатков газовой турбины был ее более низкий КПД (следовательно, более высокий расход топлива) по сравнению с другими двигателями и паротурбинными электростанциями. Однако за последние 70 лет непрерывное инженерное развитие привело к тому, что тепловой КПД (18 процентов для газовой турбины Brown Boveri 1939 года выпуска) достиг нынешнего уровня около 45 процентов для работы в простом цикле.Эффективность может достигать более 60 процентов для комбинированный цикл операции, на которых выхлопные газы используются дополнительно.

Сейчас трудно вспомнить, когда авиационная газовая турбина — реактивный двигатель — не использовалась в полете самолета. До появления реактивных двигателей производитель авиационных поршневых двигателей мог рассчитывать на продажу запасных частей в 20–30 раз больше первоначальной стоимости двигателей. С появлением реактивного двигателя эта цифра на вторичном рынке упала в три-пять раз по сравнению с первоначальной стоимостью (важное сокращение, сделавшее авиаперелеты доступными и надежными, а авиакомпании прибыльными, хотя производителям двигателей пришлось изменить свои бизнес-модели).В последние годы технологии и требования рынка привели к тому, что компоненты двигателя стали служить еще более долговечными, что привело к снижению числа запасных частей на рынке запасных частей до все более низкого уровня.

Хорошо управляемая авиакомпания будет пытаться поддерживать в воздухе реактивный самолет не менее 18 часов в сутки, 365 дней в году. Согласно ожиданиям авиакомпании, при хорошем техническом обслуживании двигатели останутся в эксплуатации и на крыле в течение от 15 000 до 30 000 часов работы, в зависимости от количества взлетов и посадок, совершенных самолетом.По истечении этого периода реактивный двигатель будет снят и отремонтирован, обычно с заменой деталей, которые нагреваются, таких как камера сгорания и турбина. (В настоящее время частота отказов реактивного двигателя в полете составляет менее 1 на 100 000 летных часов. Другими словами, в среднем двигатель выходит из строя в полете раз в 30 лет.)

Авиационные реактивные двигатели составляют около 25% стоимости самолета. В 2011 году мировой рынок авиационных газовых турбин составил 32 миллиарда долларов, из которых 27 миллиардов долларов пришлось на коммерческие самолеты, а оставшаяся часть — на военные нужды.В настоящее время в мировом авиапарке насчитывается около 19 400 самолетов. Оба основных производителя самолетов, Boeing в США и Airbus в Европе, прогнозируют, что к 2030 году в мировом парке будет 34000 самолетов.

Этот многообещающий рынок стимулирует разработку реактивных двигателей для коммерческих авиакомпаний с упором на экономию топлива. В настоящее время от 40 до 60 процентов операционных расходов авиакомпаний приходится на авиакеросин. Турбореактивный двухконтурный двигатель Pratt & Whitney, показанный на втором рисунке, в настоящее время разрабатывается для новых узкофюзеляжных самолетов вместимостью от 90 до 200 пассажиров.Этот двигатель имеет систему зубчатой ​​передачи, установленную на ступице, которая приводит в движение передний вентилятор на более низких оборотах, что позволяет снизить расход топлива на 16% и значительно снизить уровень шума двигателя. Позже технология редукторного вентилятора может быть применена к двигателям большей тяги для более крупных самолетов.

Хотя военные реактивные двигатели представляют меньший сегмент рынка газовых турбин, разработанные там технологии исторически приносили выгоду коммерческой авиации. Яркий тому пример — новый американский двигатель F135 Joint Strike Fighter с тягой 40000 фунтов.На нем установлены три варианта самолетов: истребитель ВВС, который взлетает обычным способом, авиалайнер ВМС палубного базирования и самолет с коротким взлетом / вертикальной посадкой для морской пехоты.

Температура в двигателе Joint Strike Fighter составляет 3600 градусов по Фаренгейту (1982 градусов по Цельсию). Каким образом профили турбины из кобальт-никелевого сплава выдерживают такие рабочие условия? Лопатки и лопасти охлаждаются примерно до восьми десятых до девяти десятых температуры плавления их сплава (от 2200 до 2600 градусов по Фаренгейту).Каждый аэродинамический профиль высокотемпературной турбины сформирован из сложной отливки для размещения сложных внутренних каналов и рисунков отверстий на поверхности, необходимых для направления и направления охлаждающего воздуха (отбираемого из компрессора) внутри и над ее внешними поверхностями. Ошибка в расположении отверстия или соотношении давлений охлаждающего воздуха может привести к вдыханию газового тракта аэродинамического профиля, а не к охлаждающему выдоху, что при таких высоких температурах будет иметь катастрофические последствия. Конструкция охлаждения основана на 30-летних исследованиях и однозначно продвигает вперед самые современные характеристики и долговечность турбин.

За последние 30 лет достижения в области неавиационных технологий почти удвоили тепловой КПД новых газотурбинных электростанций. В 2011 году мировой рынок неавиационных газовых турбин составил 16 миллиардов долларов, большая часть из которых пришлась на новые электрические установки. Современные газотурбинные электростанции с комбинированным циклом вырабатывают электроэнергию на уровне до половины гигаватта с тепловым КПД, который сейчас превышает отметку в 60 процентов — почти вдвое больше, чем я узнал, когда был студентом-механиком.

Газотурбинная электростанция с комбинированным циклом использует газовую турбину (обычно работающую на природном газе) для привода электрического генератора. Горячий выхлоп затем используется для производства пара в теплообменнике (называемом парогенератор с рекуперацией тепла) для питания паровой турбины, полезная работа которой обеспечивает средства для выработки большего количества электроэнергии. (Если вместо этого для обогрева зданий используется пар, агрегат будет называться когенерационная установка. ) Хорошее значение КПД для современных газовых турбин составляет 40 процентов, тогда как паровая турбина в типичных условиях комбинированного цикла составляет около 30 процентов.Используя первый закон термодинамики и определение теплового КПД, совокупный КПД этих двух устройств составляет около 58 процентов, что больше, чем у любого из отдельных устройств по отдельности.

Сердцем электростанции с комбинированным циклом (или, точнее, комбинированной электростанции, поскольку термодинамические циклы не объединены) является газовая турбина с температурой выхлопных газов, обычно около 1000 градусов по Фаренгейту (или 538 градусов по Цельсию), достаточно для производства пара для питания паровой турбины.Газовая турбина Siemens мощностью 375 мегаватт, показанная на третьем рисунке, является центром новой 578 мегаваттной газотурбинной установки с комбинированным циклом в Иршинге, Германия. 19 мая 2011 года компания Siemens объявила о достижении теплового КПД 60,75%, что, вероятно, делает его самым эффективным тепловым двигателем из когда-либо эксплуатируемых.

«Я продаю здесь, сэр, то, что желает весь мир — СИЛУ». Это были слова раннего британского промышленника Мэтью Бултона Джеймсу Босвеллу, процитированные в книге Босвелла 1791 года. Жизнь Сэмюэля Джонсона .Бултон и его партнер, шотландский инженер Джеймс Ватт, создали первые паровые машины. Их фирма давно прекратила существование, но потребность мира во власти многократно возросла с тех пор, как Боултон встретил Босуэлла.

Такая растущая потребность в энергии удовлетворяется за счет газовых турбин как в летных двигателях, так и в производстве электроэнергии. Можно с уверенностью предсказать, что газовая турбина усилит свою роль в качестве основного двигателя, поскольку инженеры продолжают улучшать ее характеристики и находить новые применения.

• Бати, В. В. 1996. Основы газовых турбин , 2-е издание. Нью-Йорк: Джон Вили и сыновья.
• Коннер, М. 2001. Ханс фон Охайн: Элегантность в рейсе . Рестон, Вирджиния: Американский институт аэронавтики и астронавтики.
• Голли Дж. 1987. Уиттл: правдивая история . Вашингтон, округ Колумбия: Пресса Смитсоновского института.
• • Хорлок, Дж. Х. 1992. Комбинированные электрические станции .Оксфорд, Англия: Pergamon Press.
  • Лэнгстон, Л. С. 2013. Не такие простые машины. Журнал «Машиностроение» Январь: 46–51.
  • Лэнгстон, Л. С. 2012. Преодолевая барьер. Журнал «Машиностроение» Май: 33–37.
  • Лэнгстон, Л. С. 2008. Галька, создающая волны. Журнал «Машиностроение» Февраль: 34–38.
  • Лэнгстон, Л. С. 2007. По Фаренгейту 3600. Журнал «Машиностроение» Апрель: 34–37.
  • Лэнгстон, Л. С. 2004. Турбины, газ. Энциклопедия энергетики, том 6 . Сан-Диего: Elsevier, стр. 221–230.
  • Тейлор, Э. С. 1970. Эволюция реактивного двигателя. Астронавтика и воздухоплавание 8: 64–72.
  • Ван дер Линден, Септимус. Первая в мире промышленная газовая турбина в Невшателе (1939 г.): международная историческая достопримечательность в области машиностроения, 2 сентября 1988 г. Нью-Йорк: Американское общество инженеров-механиков.http://files.asme.org/ASMEORG/Communities/History/Landmarks/5604.pdf

Газовые турбины для выработки электроэнергии

Использование газовых турбин для выработки электроэнергии началось с 1939 года. Сегодня газовые турбины являются одной из наиболее широко используемых технологий производства электроэнергии. Газовые турбины — это тип двигателя внутреннего сгорания (ВС), в котором при сжигании топливовоздушной смеси образуются горячие газы, которые вращают турбину для выработки энергии.Название газовым турбинам дает не само топливо, а образование горячего газа при сгорании топлива. Газовые турбины могут использовать различные виды топлива, включая природный газ, жидкое топливо и синтетическое топливо. В газовых турбинах горение происходит непрерывно, в отличие от поршневых двигателей внутреннего сгорания, в которых сгорание происходит с перерывами.

Газовые турбины состоят из трех основных секций, установленных на одном валу: компрессора, камеры сгорания (или камеры сгорания) и турбины.Компрессор может быть осевым или центробежным. Компрессоры с осевым потоком более распространены в производстве электроэнергии, потому что они имеют более высокий расход и эффективность. Компрессоры с осевым потоком состоят из нескольких ступеней вращающихся и неподвижных лопастей (или статоров), через которые воздух всасывается параллельно оси вращения и постепенно сжимается по мере прохождения через каждую ступень. Ускорение воздуха вращающимися лопастями и диффузия статорами увеличивают давление и уменьшают объем воздуха.Хотя тепло не добавляется, сжатие воздуха также вызывает повышение температуры.

Газовая турбина Alstom GT24 / GT26 (Изображение предоставлено Alstom)

Сжатый воздух смешивается с топливом, впрыскиваемым через форсунки. Топливо и сжатый воздух могут быть предварительно смешаны или сжатый воздух может быть введен непосредственно в камеру сгорания.Топливно-воздушная смесь воспламеняется в условиях постоянного давления, а горячие продукты сгорания (газы) направляются через турбину, где они быстро расширяются и сообщают вращение валу. Турбина также состоит из ступеней, каждая из которых имеет ряд неподвижных лопаток (или сопел) для направления расширяющихся газов, за которыми следует ряд движущихся лопаток. Вращение вала заставляет компрессор втягивать и сжимать больше воздуха для поддержания непрерывного горения. Оставшаяся мощность на валу используется для привода генератора, вырабатывающего электричество.Приблизительно от 55 до 65 процентов мощности, производимой турбиной, используется для привода компрессора. Для оптимизации передачи кинетической энергии от продуктов сгорания к вращению вала газовые турбины могут иметь несколько ступеней компрессора и турбины.

Поскольку компрессор должен достичь определенной скорости, прежде чем процесс сгорания станет непрерывным или самоподдерживающимся, начальный импульс будет передан ротору турбины от внешнего двигателя, статического преобразователя частоты или самого генератора.Перед подачей топлива и возгоранием компрессор должен быть плавно ускорен и достигнет скорости воспламенения. Скорости турбины сильно различаются в зависимости от производителя и конструкции: от 2000 оборотов в минуту (об / мин) до 10000 об / мин. Первоначальное зажигание происходит от одной или нескольких свечей зажигания (в зависимости от конструкции камеры сгорания). Как только турбина достигает самоподдерживающейся скорости — выше 50% от полной скорости — выходной мощности достаточно для приведения в действие компрессора, сгорание идет непрерывно, а систему стартера можно отключить.

Термодинамический процесс, используемый в газовых турбинах, — это цикл Брайтона. Двумя важными рабочими параметрами являются степень сжатия и температура обжига. Соотношение количества топлива к мощности двигателя оптимизируется за счет увеличения разницы (или соотношения) между давлением нагнетания компрессора и давлением воздуха на впуске. Эта степень сжатия зависит от конструкции. Газовые турбины для выработки электроэнергии могут быть как промышленного (тяжелого каркаса), так и авиационного исполнения.Промышленные газовые турбины предназначены для стационарного применения и имеют более низкие отношения давления — обычно до 18: 1. Авиационные газовые турбины — это более легкие компактные двигатели, адаптированные к конструкции авиационных реактивных двигателей, которые работают при более высоких степенях сжатия — до 30: 1. Они предлагают более высокую топливную эффективность и меньшие выбросы, но меньше по размеру и имеют более высокие начальные (капитальные) затраты. Авиационные газовые турбины более чувствительны к температуре на входе в компрессор.

Температура, при которой работает турбина (температура горения), также влияет на КПД, при этом более высокие температуры приводят к более высокому КПД.Однако температура на входе в турбину ограничена тепловыми условиями, которые допускает металлический сплав лопаток турбины. Температура газа на входе в турбину может составлять от 1200 ° C до 1400 ° C, но некоторые производители повысили входную температуру до 1600 ° C, разработав покрытия для лопаток и системы охлаждения для защиты металлургических компонентов от теплового повреждения.

Из-за мощности, необходимой для привода компрессора, эффективность преобразования энергии для газотурбинной электростанции простого цикла обычно составляет около 30 процентов, даже при самых эффективных конструкциях — около 40 процентов.Большое количество тепла остается в выхлопных газах, температура которых составляет около 600 ° C, на выходе из турбины. За счет рекуперации отходящего тепла для производства более полезной работы в конфигурации с комбинированным циклом КПД газотурбинной электростанции может достигать 55-60 процентов. Однако существуют эксплуатационные ограничения, связанные с работой газовых турбин в режиме комбинированного цикла, в том числе более длительное время запуска, требования к продувке для предотвращения пожаров или взрывов и скорость нарастания до полной нагрузки.

Типовые значения производительности для новых газовых турбин
Тип газовой турбины	Мощность (МВт эл)	КПД, Простой цикл (%), LHV	КПД, Комбинированный цикл (%), LHV
Авиационное	30-60	39-43	51-54
Малые тяжелые условия	70-200	35-37	53-55
Большой тяжелый груз	200-500	37-40	54-60

.