Турбина где находится


Как выглядит и где находится автомобильная турбина

Двигатель является одним из наиболее важных компонентов автомобиля, а для его эффективной работы и максимальной производительности устанавливается турбина. Как выглядит и где находится автомобильная турбина? Для раскрытия данной темы понадобятся следующие тезисы:

  1. Зачем нужна турбина для автомобиля.
  2. Как выглядит турбина.
  3. Где найти турбину в машине.

Для чего нужна автомобильная турбина

Автомобильная турбина вместе с компрессором является одним из компонентов, необходимых для активации так называемого турбонагнетателя (турбонаддува). Это устройство служит для увеличения объема воздуха внутри двигателя, повышения его производительности и мощности при движении автомобиля. В частности, турбина представляет собой горячую сторону турбокомпрессора и активируется благодаря горячим выхлопным газам автомобиля. Её коллега, компрессор, напротив, представляет собой холодную сторону, выполняющую поглощение воздуха, который потом сжимается.

Автомобильная турбина

Турбина используется для сбора кинетической энергии и энтальпии (термодинамического потенциала), создаваемых газами, а затем для её преобразования в механическую энергию, которая используется для приведения в действие рабочего колеса компрессора. Последний сжимает воздух и поставляет его во впускной коллектор, таким образом, обеспечивая цилиндры двигателя возрастанием объема воздуха и, следовательно, большей мощностью для автомобиля.

Внешний вид автомобильной турбины

Часто автомобильные турбины называют «улитками». И в самом деле, внешний вид турбины напоминает моллюска. Но, в отличие от медлительной улитки, турбина способна внутри себя отработать мощную энергию для высокой производительности авто. Если рассматривать современную турбину с компрессором, но данный агрегат состоит из двух «улиток», одна проводит отработанные газы, а вторая прокачивает воздух в цилиндры. Но в комплексе система называется «турбонаддув», и состоит из множества деталей.

Автомобильная турбина в разрезе

Основным компонентом турбины с нагнетателем, который выполняет главную функцию, является крыльчатка с лопатками. Она вращается на высокой скорости до 200 000 оборотов в минуту, и действует как компрессор, закачивая поток воздуха в камеру турбины. Далее воздух сжимается, и уменьшается его объем. Но по законам физики, сжатый воздух способен нагреваться. И тут инженеры продумали отличное решение – использовали принцип промежуточного охлаждения воздуха.

Так появилась деталь под названием «интеркулер». Он стал теплообменником, охлаждающим воздух благодаря хладагенту. Интеркулер также увеличивает мощность мотора до 20%, и предотвращает детонацию выхлопного газа.

Система турбонаддува

Если ли разница между турбиной в дизельном и бензиновом двигателе? Её практически нет. Главное отличие – это степень наддува. В дизельных двигателях необходимо большое давление, и по этой причине в них более мощные нагнетатели воздуха. Бензиновые двигатели оснащены нагнетателями меньшей мощности, поскольку высокое давление в камере сгорания способно привести к детонации.

Где расположена турбина в авто

Где находится турбина в машине? Всё очень просто – «улитку» легко распознать и найти встроенной в сам двигатель. Как правило, двигатели современных автомобилей оснащены турбонаддувом. Все дизельные и спортивные автомобили обязательно со встроенными турбинами, ибо без них невозможно развить необходимую мощность для пробега.

Турбина в двигателе автомобиля (“улитка”)

Если в заводской модели авто есть турбокомпрессор, владельцу не нужно будет беспокоиться о каких-либо дополнительных деталях, потому что двигатель транспортного средства уже разработан для обработки мощности, генерируемой турбиной. В случае отсутствии турбины в машине, лучше обратиться к специалисту, который поможет выбрать подходящую модель турбины под двигатель и модель авто.

Читайте также: Что такое турбинованный двигатель – описание и преимущества.

Из чего состоит автомобильная турбина - все компоненты и механизм их работы

Если не брать во внимание техническую сторону вопроса, то турбина – довольно понятный агрегат. Его основная цель – преобразовать энергию, содержащуюся в потоке выхлопных газов. Энергия обычно расходуется в положительное давление во впускном коллекторе, нагнетая воздух и двигатель, производя больше энергии. Цель данной публикации – разъяснить понятными словами концепцию турбины, из чего состоит автомобильная турбина и как работают её составляющие.

Содержание

  1. Турбина.
  2. Компрессор.
  3. Вращающийся узел.
  4. Интеркулер.
  5. Перепускной клапан.
  6. Выпускной клапан.
  7. Трубопроводы.

Из чего состоит автомобильная турбина? На самом базовом уровне турбокомпрессор состоит из трех частей – собственно турбины, компрессора и системы подшипников, которая поддерживает вал турбины, соединяя колеса турбины и компрессора. Понимание того, как все эти устройства работают вместе, имеет решающее значение для понимания взаимосвязей всех компонентов друг с другом. Итак, рассмотрим все части по порядку и их функциональное назначение.

Автомобильная турбина

Колесо турбины отвечает за преобразование тепла и давления во вращательную силу. Чтобы понять данный процесс, нужно разобраться в некоторых законах термодинамики. Высокое давление со стороны впускного коллектора всегда стремится к низкому давлению. В рамках этого процесса колесо турбины преобразует кинетическую энергию во вращение. Когда колесо турбины крутится, оно вращает турбинный вал, который, в свою очередь, вращает колесо компрессора.

Турбина

Турбинное колесо не работает в одиночку. Это часть корпуса турбины, которая представляет собой железный или стальной агрегат, расположенный на болтовом соединении с выпускным коллектором или коллектором соединения на турбомашине. Из-за высокой температуры, связанной со сбором и перемещением выхлопных газов под давлением, корпус турбины изготавливается из толстого и прочного железа или стали. Состоит из ножки турбины (она соединяется с трубой выпускного коллектора), выпускного соединения (большого отверстия, которое соединяется с трубой), и спирали, по которой горячий выхлоп проходит через колесо турбины от основания турбины к выпускному отверстию.

Секция компрессора состоит из двух основных механизмов – колеса компрессора и крышки компрессора. Работа компрессора состоит в том, что он сжимает воздух и направляет его к корпусу дроссельной заслонки. Поскольку компрессор связан непосредственно с колесом турбины через вал турбины, колесо компрессора вращается с той же частотой вращения, что и колесо турбины. По мере ускорения колеса турбины, вращается колесо компрессора.

Компрессор турбины

Этот процесс создает давление во впускном тракте, которое называется «наддув».

  • Вращающийся узел

Вращающийся узел (вращающийся механизм) турбины является одной и самых важных частей турбокомпрессора любой сборки. Данное устройство служит точкой крепления для обоих корпусов, изготавливается из прочного материала для выдержки тепла и напряжения из турбины. Традиционно во вращающемся механизме устанавливается 2 бронзовых подшипника и отдельный бронзовый упорный подшипник. Сегодня многие производители предлагают модернизированные системы подшипников, в том числе и керамический шароподшипниковый узел Turbonetics, позволяющий турбине выдерживать 50-кратную нагрузку по сравнению с обычным узлом.

Вращающийся узел

Поскольку турбокомпрессор работает за счет сжатия воздуха, легко понять, почему интеркулер важен. При увеличении давления в фиксированном объеме, выделяется намного больше тепла. Это закон термодинамики, и он действует в любом двигателе с турбонаддувом. Вырабатывается тепло высокой температуры, поэтому поступающий воздух должен охладиться перед попаданием во впускной коллектор. Интеркулер, или промежуточный охладитель является теплообменником в турбине.

Интеркулер

  • Вестгейт (перепускной клапан)

Данное устройство отводит отработанный газ до того, как он достигнет входа в корпус турбины. Когда выхлоп заполняет коллекторы, он направляется к турбонагнетателю и входит в корпус турбины, прежде чем расширится через колесо турбины и выйдет через выхлопную трубу турбины. В замкнутой системе турбина будет «видеть» весь выхлоп по всему рабочему диапазону двигателя. Наддув будет продолжать бесконтрольно расти, пока дроссель не будет закрыт, либо колесо турбины не достигнет своей точки дросселирования.

Вестгейт (перепускной клапан)

Для многих двигателей это создаст чрезмерное количество воздушного потока и разрушит детали, оставляя, в лучшем случае, пару расплавленных поршней или гигантскую дыру в блоке.

В каждом вестгейте есть впускной и выпускной порт, в который может поступать выхлопной газ, и клапан, который регулирует поток выхлопных газов через впускной канал. Также присутствует пружинно-диафрагменный привод, контролирующий открытие и закрытие клапана. При нормальных условиях, клапан вестгейта остается закрытым, а весь выхлопной газ направляется в корпус турбины.

При повышении давления наддува, оно воздействует на узел пружины и начинает поднимать клапан, отводя поток выхлопных газов от турбины. Таким образом, совершается управление скоростью турбины для регулирования давления наддува. Чтобы отрегулировать целевые уровни наддува, клапаны используют разные пружины, которые можно менять местами для увеличения или уменьшения заданного давления наддува.

  • Выпускной клапан

По сути, это клапан сброса давления. Установлен на стороне компрессора турбосистемы. Механизм сбрасывает избыточное давление наддува, захваченное в системе, когда дроссельная заслонка закрывается. Выпускной клапан характеризуется меньшей устойчивостью к сильному нагреву. В отличие от вестгейта (перепускного клапана), выпускной клапан поставляется с одной пружиной, а настройка скорости открытия клапана осуществляется путем небольших регулировок предварительной нагрузки пружины.

Выпускной клапан

Правильные размеры и правильное применение трубопроводов необходимы для обеспечения оптимальной производительности турбины. В типичной системе турбокомпрессора трубопровод можно разбить на три отдельные секции – коллекторы, горячая сторона и холодная сторона.

Коллекторы «живут» в экстремальных перепадах температур, невероятном противодавлении и высоком напряжении. Эта часть является наиболее уязвимой в турбине, и чаще доставляет неприятности. Качественный коллектор эффективно и быстро переносит тепло, сохраняя больше тепла внутри, не создавая трещин и не замедляя импульс отработанных газов. Наиболее оптимальные – чугунные коллекторы.

Коллекторы

Горячая сторона труб – это трубопровод, связанный с транспортировкой фактического выхлопного газа. Из-за сильного нагрева, связанного с переносом выхлопа в корпус турбины, важно использовать прочный материал, предпочтительно нержавеющую сталь. Диаметр трубы зависит от ряда факторов, включая конструкцию колеса турбины, кубические дюймы, диапазон оборотов, противодавление и т.д.

Горячая сторона труб

Холодная сторона труб – это трубопровод, связанный с перемещением сжатого воздуха из турбокомпрессора в корпус дроссельной заслонки. Интеркулер также является частью холодной стороны и должен быть правильно подключен, чтобы всё работало. Оптимальный материал для холодной стороны труб – алюминий. Диаметр труб зависит от размеров турбины, интеркулера и корпуса дроссельной заслонки.

Холодная сторона труб

Теперь легко проще разобраться, из чего состоит автомобильная турбина. Однако могут понадобиться годы, чтобы понять всю суть «турбо-дизайна». На исследования необходимо потратить некоторые усилия, однако они стоят того, чтобы получить качественные знания о работе турбокомпрессора.

Читайте также: История изобретения автомобильной турбины, эволюция механизма.

Устройство и принцип работы турбины

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

Что такое турбина и для чего она нужна?

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

Принцип работы турбокомпрессора

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

Устройство турбины

 

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

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

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

Система охлаждения турбин

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

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

  • Более простая конструкция
  • Меньшая стоимость изготовления самой турбины

Недостатки:

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

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

Комплексное охлаждение маслом и антифризом
Преимущества:

  • Большая эффективность охлаждения

Недостатки:

  • Более сложная конструкция самого турбокомпрессора, как следствие большая стоимость

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

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

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

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

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

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

Такая систем турбонаддува используется в автомобилях BMW biturbo.

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

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

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

Турбина - Что такое Турбина?

Турбина — ротационный двигатель с непрерывным рабочим процессом и вращательным движением рабочего органа

Турбина - ротационный двигатель с непрерывным рабочим процессом и вращательным движением рабочего органа (ротора), преобразующий кинетическую энергию и/или внутреннюю энергию рабочего тела (пара, газа, воды) в механическую работу.
Струя рабочего тела воздействует на лопатки, закреплённые по окружности ротора, и приводит их в движение.
Применяется в качестве привода электрического генератора на тепловых, атомных и гидро электростанциях, как составная часть приводов на морском, наземном и воздушном транспорте, а также гидродинамической передачи, гидронасосах.

Состав турбины

Турбина состоит из 2-х основных частей.
Ротор с лопатками - подвижная часть турбины.
Статор с выравнивающим аппаратом - неподвижная часть.

Виды турбин

По направлению движения потока рабочего тела различают аксиальные паровые турбины, у которых поток рабочего тела движется вдоль оси турбины, и радиальные, направление потока рабочего тела в которых перпендикулярно оси вала турбины.

Центробежные турбины (турбокомпрессоры) также выделяют как отдельный тип турбин.


По числу контуров турбины подразделяют на 1-контурные, 2-контурные и 3-контурные.
Очень редко турбины могут иметь 4 или 5 контуров.

Многоконтурная турбина позволяет использовать большие тепловые перепады энтальпии, разместив большое число ступеней разного давления.


По числу валов различают 1-вальные, 2-вальные, реже 3-вальные, связанных общностью теплового процесса или общей зубчатой передачей (редуктором).


Расположение валов может быть как коаксиальным так и параллельным с независимым расположением осей валов.
В местах прохода вала сквозь стенки корпуса установлены концевые уплотнения для предупреждения утечек рабочего тела наружу и засасывания воздуха в корпус.
На переднем конце вала устанавливается предельный регулятор (регулятор безопасности), автоматически останавливающий (замедляющий) турбину при увеличении частоты вращения на 10-12 % сверх номинальной.

По типу рабочего тела турбины делятся на Газовые турбины, Паровые турбины и Гидротурбины.

Устройство турбины

Для того чтобы увидеть внутреннее устройство турбины, при ее изображении «вырезана» передняя верхняя четверть. Точно также показана лишь задняя часть кожуха 2. Турбина состоит из трех цилиндров (ЦВД, ЦСД и ЦНД), нижние половины корпусов которых обозначены соответственно 39, 24 и18. Каждый из цилиндров состоит из статора, главным элементом которого являются неподвижный корпус, и вращающегося ротора. Отдельные роторы цилиндров (ротор ЦВД 47, ротор ЦСД 5 и ротор ЦНД 11) жестко соединяются муфтами 31 и 21. К полумуфте 12 присоединяется полумуфта ротора электрогенератора (не показан), а к нему — ротор возбудителя. Цепочка из собранных отдельных роторов цилиндров, генератора и возбудителя называется валопроводом. Его длина при большом числе цилиндров (а самое большое их число в современных турбинах — 5) может достигать 80 м.

Валопровод вращается во вкладышах 42, 29, 23, 20 и т.д. опорных подшипников скольжения на тонкой масляной пленке и не касается металлической части вкладышей подшипников. Как правило, каждый из роторов размещают на двух опорных подшипниках. Иногда между роторами ЦВД и ЦСД устанавливают только один общий для них опорный подшипник (см. позицию 29 на рис. 6.1). Расширяющийся в турбине пар заставляет вращаться каждый из роторов, возникающие на них мощности складываются и достигают на полумуфте 12 максимального значения.

К каждому из роторов приложено осевое усилие. Они суммируются, и их результирующая осевая сила передается с гребня 30 на упорные сегменты, установленные в корпусе упорного подшипника.

Каждый из роторов помещают в корпус цилиндра (см., например, поз. 24). При больших давлениях (а в современных турбинах оно может дос­тигать 30 МПа  300 ат) корпус цилиндра (обычно ЦВД) выполняют двухстенным (из внутреннего 35 и внешнего 46 корпусов). Это уменьшает разность давлений на каждый из корпусов, позволяет сделать его стенки более тонкими, облегчает затяжку фланцевых соединений и позволяет турбине при необходимости быстро изменять свою мощность.

Все корпуса в обязательном порядке имеют горизонтальные разъемы 13, необходимые для установки роторов внутри цилиндров при монтаже, а также для легкого доступа внутрь цилиндров при ревизиях и ремонтах. При монтаже турбины все плоскости разъемов нижних половин корпусов устанавливают специальным образом (для простоты можно считать, что все плоскости разъема совмещают в одной горизонтальной плоскости). При последующем монтаже ось валопровода помещают в эту плоскость разъема, что обеспечивает центровку — ось валопровода будет точно совпадать с осью кольцевых расточек корпусов. Этим будут исключены задевания ротора о статор, которые могут привести к тяжелой аварии.

Пар внутри турбины имеет высокую температуру, а ротор вращается во вкладышах на масляной пленке, температура масла которой как по соображениям пожаробезопасности, так и необходимости иметь определенные смазочные свойства, не должна превышать 100 °С (а температура подаваемого и отводимого масла должна быть еще ниже). Поэтому вкладыши подшипников выносят из корпусов цилиндров и размещают их в специальных строениях — опорах (см. поз. 45, 28, 7 на рис. 6.1). Таким образом, вращающиеся концы каждого из роторов соответствующего цилиндра необходимо вывести из невращающегося статора, причем так, чтобы с одной стороны исключить какие-либо (даже малейшие) задевания ротора о статор, а с другой — не допустить значительную утечку пара из цилиндра в зазор между ротором и статором, так как это снижает мощность и экономичность турбины. Поэтому каждый из цилиндров снабжают концевыми уплотнениями (см. поз. 40, 32, 19) специальной конструкции.

Турбина устанавливается в главном корпусе ТЭС на верхней фундаментной плите 36 (см. рис. 2.6). В плите выполняются прямоугольные окна по числу цилиндров, в которых размещаются нижние части корпусов цилиндров, а также осуществляется вывод трубопроводов, питающих регенеративные подогреватели, паропроводы свежего и вторично перегретого пара, переходный патрубок к конденсатору.

После изготовления турбина проходит контрольную сборку и опробование на заводе-изготовителе. После этого ее разбирают на более-менее крупные блоки, доводят до хорошего товарного вида, консервируют, упаковывают в деревянные ящики и отправляют для монтажа на ТЭС.

Монтаж турбины

Монтаж турбины осуществляют в следующем порядке. Сначала устанавливают нижнюю половину ЦНД 18 опорным поясом 15, расположенным по периметру обоих выходных патрубков ЦНД. ЦНД имеет собственные вваренные в них опоры ротора. Затем на перемычке между окнами под ЦВД и ЦСД и слева от окна под ЦВД размещают нижние половины корпусов опор соответственно 28 и 41. После этого на опоры подвешивают нижние половины корпусов наружных цилиндров 39 и 24, в них помещают статорные элементы и осуществляют центровку всех цилиндров турбины.

В опоры ротора вставляются нижние половины опорных вкладышей 42, 29, 23, 20 и 16, и на них опускают отдельные роторы. Их строго прицентровывают друг к другу и соединяют с помощью муфт 31 и 21.

Затем в верхние половины корпусов помещают необходимые внутренние статорные элементы и турбину закрывают. Для этого в отверстия на горизонтальные разъемы корпусов ввинчивают шпильки и опускают верхние половины (крышки — см., например, поз. 46 на рис. 6.1), после чего с помощью шпилек и специальных приспособлений верхние и нижние половины корпусов плотно стягиваются по фланцевым разъемам.

Аналогичным образом закрываются опоры роторов. После изоляции турбины, ограждения кожухом и многочисленных проверок ее доводят для состояния, пригодного к несению нагрузки.

При работе турбины пар из котла (см. рис. 2.2) по одному или нескольким паропроводам (это зависит от мощности турбины) поступает сначала к главной паровой задвижке, затем к стопорному (одному или нескольким) и, наконец, к регулирующим клапанам (чаще всего — 4). От регулирующих клапанов (на рис. 6.1 не показаны) пар по перепускным трубам 1 (на рис. 6.1 их четыре: две из них присоединены к крышке 46 внешнего корпуса ЦВД, а две других подводят пар в нижние половины корпуса) подается в паровпускную камеру 33 внутреннего корпуса ЦВД. Из этой полости пар попадает в проточную часть турбины и, расширяясь, движется к выходной камере ЦВД 38. В этой камере в нижней половине корпуса ЦВД имеются два выходных патрубка 37. К ним приварены паропроводы, направляющие пар в котел для промежуточного перегрева.

Вторично перегретый пар по трубопроводам поступает через стопорный клапан (не показан на рис. 6.1) к регулирующим клапанам 4, а из них — в паровпускную полость ЦСД 26. Далее пар расширяется в проточной части ЦСД и поступает в его выходной патрубок 22, а из него — в две перепускные трубы 6 (иногда их называют ресиверными), которые подают пар в паровпускную камеру ЦНД 9. В отличие от однопоточных ЦВД и ЦСД, ЦНД почти всегда выполняют двухпоточными: попав в камеру 9, пар расходится на два одинаковых потока и, пройдя их, поступает в выходные патрубки ЦНД 14. Из них пар направляется вниз в конденсатор. Перед передней опорой 41 располагается блок регулирования и управления турбиной 44. Его механизм управления 43 позволяет пускать, нагружать, разгружать и останавливать турбину.

Авиационные газотурбинные двигатели / Хабр

Всем привет! В этой статье я хочу рассказать о том, как работают авиационные газотурбинные двигатели (ГТД). Я постараюсь сделать это наиболее простым и понятным языком.

Авиационные ГТД можно можно разделить на:

  • турбореактивные двигатели (ТРД)
  • двухконтурные турбореактивные двигатели (ТРДД)
  • Турбовинтовые двигатели (ТВД)
  • Турбовальные двигатели (ТВаД)

Притом, ТРД и ТРДД могут содержать в себе форсажную камеру, в таком случае они будут ТРДФ и ТРДДФ соответственно. В этой статье мы их рассматривать не будем.

Начнём с турбореактивных двигателей.

Турбореактивные двигатели


Такой тип двигателей был создан в первой половине 20-го века и начал находить себе массовое применение к концу Второй мировой войны. Первым в мире серийным турбореактивным самолетом был немецкий Me.262. ТРД были популярны вплоть до 60-ых годов, после чего их стали вытеснять ТРДД.


Современная фотография Me-262, сделанная в 2016 году

Самый простой турбореактивный двигатель включает в себя следующие элементы:

  • Входное устройство
  • Компрессор
  • Камеру сгорания
  • Турбину
  • Реактивное сопло (далее просто сопло)

Можно сказать, что это минимальный набор для нормальной работы двигателя.

А теперь рассмотрим что для чего нужно и зачем.

Входное устройство — это расширяющийся* канал, в котором происходит подвод воздуха к компрессору и его предварительное сжатие. В нём кинетическая энергия входящего воздуха частично преобразуется в давление.

*здесь и дальше мы будем говорить про дозвуковые скорости. На сверхзвуковой скорости физика меняется, и там все совсем не так.

Компрессор — это устройство, в котором происходит повышение давление воздуха. Компрессор можно характеризовать такой величиной, как степень повышения давления. В современных двигателях оно уже начинает переступать за 40 единиц. Кроме того, в нем увеличивается температура (может быть, где-то до 400 градусов Цельсия).

Камера сгорания — устройство, в котором к сжатому воздуху (после компрессора) подводится тепло из-за горения топлива. Температура в камере сгорания очень высокая, может достигать 2000 градусов Цельсия. Вам может показаться, что давление газа в камере тоже сильно увеличивается, но это не так. Теоретически принято считать, что подвод тепла осуществляется при постоянном давлении. В реальности оно немного падает из-за потерь (проблема несовершенства конструкции).

Турбина — устройство, превращающее часть энергии газа после камеры сгорания в энергию привода компрессора. Так как турбины используются не только в авиации, можно дать более общее определение: это устройство, преобразующее внутреннюю энергию рабочего тела (в нашем случае рабочее тело — это газ) в механическую работу на валу. Как вы могли понять, турбина и компрессор находятся на одном валу и жестко связаны между собой. Если в компрессоре происходит повышение давления газа, то в турбине, наоборот, понижение, то есть газ расширяется.

Сопло — суживающийся канал, в котором происходит преобразование потенциальной энергии газа в кинетическую (оставшийся запас энергии газа после турбины). Как и в турбине, в сопле происходит расширение газа. Образуется струя, которая, вытекая из сопла, движет самолёт.

С основными элементами разобрались. Но все равно не очень понятно как оно работает? Тогда давайте ещё раз и коротко.

Воздух из атмосферы попадает во входное устройство, где немного сжимается и поступает в компрессор. В компрессоре давление воздуха растёт ещё сильнее, растёт и температура. После компрессора воздух поступает в камеру сгорания и, смешиваясь там с топливом, воспламеняется, что приводит к сильному возрастанию температуры, при, можно сказать, постоянном давлении. После камеры сгорания горячий сжатый газ попадает в турбину. Часть энергии газа расходуется на вращение компрессора турбиной (чтобы он мог выполнять свою функцию, описанную выше), другая часть энергии расходуется на, нужное нам, движение самолёта, из-за того, что газ, пройдя турбину, превращается в реактивную струю в сопле и вырывается из него (сопла) в атмосферу. На этом цикл завершается. Конечно, в реальности все процессы цикла проходят непрерывно.

Такой цикл называется циклом Брайтона, или термодинамическим циклом с непрерывным характером рабочего процесса и подводом тепла при постоянном давлении. По такому циклу работают все ГТД.


Цикл Брайтона в P-V координатах

Н-В — процесс сжатия во входном устройстве
В-К — процесс сжатия в компрессоре
К-Г — изобарический подвод тепла
Г-Т — процесс расширения газа в турбине
Г-С — процесс расширения газа в сопле
С-Н — изобарический отвод тепла в атмосферу


Схематичная конструкция турбореактивного двигателя, где 0-0 — ось двигателя

ТРД может иметь и два вала. В таком случае компрессор состоит из компрессора низкого давления (КНД) и компрессора высокого давления (КВД), а подвод работы будут осуществлять турбина низкого давления (ТНД) и турбина высокого давления (ТВД) соответственно. Такая схема более выгодная газодинамически.


Реальный двигатель такого вида в разрезе

Мы рассмотрели принцип работы самой простой схемы авиационного газотурбинного двигателя. Естественно, на современных «Эйрбасах и Боингах» устанавливаются ТРДД, конструкция которых заметно сложнее, но работает все по таким же законам. Давайте рассмотрим их.

Двухконтурный турбореактивный двигатель


ТРДД, прежде всего, отличается от ТРД тем, что имеет два контура: внешний и внутренний. Внутренний контур содержит в себе то же самое, что и ТРД: компрессор (разделенный на КНД и КВД), камеру сгорания, турбину (разделенную на ТВД и ТНД) и сопло. Внешний контур представляет собой канал, с соплом в конце. В нем нет ни камеры сгорания, ни турбины. Перед обоими контурами (сразу после входного устройства двигателя) стоит ступень компрессора, работающая на оба контура.

Не очень понятная картина выходит, да? Давайте разберемся как оно работает.


Схематичная конструкция двухвального двухконтурного турбореактивного двигателя

Воздух, попадающий в двигатель, пройдя через первую ступень компрессора низкого давления, разбивается на два потока. Одна часть воздуха идет по внутреннему контуру, где происходят те же процессы, которые были описаны, когда мы разбирали ТРД. Вторая часть воздуха попадает во внешний контур, получив энергию от первой ступени КНД (та, которая работает на два контура). Во внешнем контуре энергия воздуха тратится только на преодоление гидравлических потерь (за счёт трения). В конце этот воздух попадает в сопло внешнего контура, создавая огромную тягу. Тяга, созданная внешним контуром, может составлять 80% тяги всего двигателя.

Одной из важнейших характеристик ТРДД является степень двухконтурности. Степень двухконтурности — это отношение расхода воздуха во внешнем контуре, к расходу воздуха во внутреннем контуре. Это число может быть как больше, так и меньше единицы. На современных двигателях это число переступает за значение в 12 единиц.
Двигатели, степень двухконтурности которых больше двух, принято называть турбовентиляторными, а первую ступень компрессора (ту, что работает на оба контура) вентилятором.


ТРДД самолета Boeing 757-200. На переднем плане видно входное устройство и вентилятор

На некоторых двигателях вентилятор приводится в движение отдельной турбиной, которая ставится ближе всего к соплу внутреннего контура. Тогда двигатель получается трехвальным. Например, по такой схеме выполнены двигатели Rolls Royce RB211 (устанавливались на L1011, B747, B757, B767), Д-18Т (Ан-124), Д-36 (Як-42)


Д-18Т в разрезе изнутри

Главное достоинство ТРДД заключается в возможности создания большой тяги и хорошей экономичности, по сравнению с ТРД.

На этом я хотел бы закончить про ТРДД и перейти к следующему виду двигателей — ТВД.

Турбовинтовые двигатели


Турбовинтовой двигатель, как и турбореактивный, относится к газотурбинным двигателям. И работает он почти как турбореактивный. Элементарный турбовинтовой двигатель состоит из уже знакомых нам элементов: компрессора, камеры сгорания, турбины и сопла. К ним добавляются редуктор и винт.

Принцип работы работы такой же, как у турбореактивного, с разницей в том, что практически вся энергия газа расходуется на турбине на вращение компрессора и на вращение винта через редуктор (здесь винт и редуктор находятся на одном валу с компрессором). Винт создаёт основную долю тяги. Оставшаяся, после турбины, часть энергии направляется в сопло, образуя реактивную тягу, но она мала, может составлять десятую часть от общей. Редуктор в этой схеме нужен для того, чтобы понизить обороты и передать момент, так как турбина может вращаться с очень высокой частотой, например, 10000 оборотов в минуту, а винту нужно только 1500. И винт достаточно тяжелый.


Схематичная конструкция ТВД

Но бывает и другая схема турбовинтовых двигателей: со свободной турбиной.
Её суть в том, что за обычной турбиной компрессора ставится отдельная турбина, которая механически не связана с турбиной компрессора. Такая турбина называется свободной. Связь между турбиной компрессора и свободной турбиной только газодинамическая. От свободной турбины идёт отдельный вал, на который устанавливаются редуктор с винтом. Все остальное работает так же, как и в первом случае. Большинство современных двигателей выполняют именно по такой схеме. Одним из плюсов такой схемы является возможность использования двигателя на земле, как вспомогательную силовую установку (ВСУ), не приводя винт в движение.


Схематичная конструкция ТВД со свободной турбиной

Хочу отметить, что не нужно смотреть на турбовинтовые двигатели как на малоэффективный пережиток прошлого. Я несколько раз слышал такие высказывания, но они неверны.
Турбовинтовой двигатель в некоторых случаях обладает наивысшим КПД, как правило, на самолетах с не очень большими скоростями (например, на 500 км/ч), притом, самолет может быть внушительных размеров. В таком случае, турбовинтовой двигатель может быть в разы выгоднее, рассмотренного ранее, турбореактивного двигателя.

На этом про турбовинтовые двигатели можно заканчивать. Мы потихоньку подошли к понятию турбовального двигателя.

Турбовальный двигатель


Должно быть, большинство читателей здесь вообще впервые слышат такое название. Такой тип двигателей устанавливается на вертолёты.

Турбовальный двигатель очень схож с турбовинтовым двигателем со свободной турбиной. Он также состоит из компрессора, камеры сгорания, турбины компрессора, далее идёт свободная турбина, связанная со всем предыдущем только газодинамически. А вот реактивную тягу такой двигатель не создаёт, реактивного сопла у него нет, только выхлоп. Свободная турбина имеет свой вал, который соединяется к главному редуктору вертолёта (несущего винта). Да, у всех известных мне вертолетов есть такой редуктор, и, как правило, он внушительных размеров. Дело в том, что обороты несущего винта вертолёта очень низкие. Если у самолета, как я писал выше, они могут достигать 1500 об/мин, то у вертолёта, например у Ми-8, всего 193 об/мин.
А обороты двигателя у вертолёта зачастую очень высокие (из-за небольших размеров), и понижать их приходится в сотню и более раз. Бывает такое, что редуктор стоит и на двигателе, и на самом вертолете, например, у Ми-2 и его двигателя ГТД-350.


Схематичная конструкция турбовального двигателя


Двигатель ТВ3-117 от вертолета Ми-8. Справа видны выхлопная труба и приводной вал

Итак, мы рассмотрели четыре типа газотурбинных двигателей. Надеюсь, мой текст был понятен и полезен для вас. Все вопросы и замечания можете писать в комментариях.

Спасибо за внимание.

Принцип работы турбины самолета

Как работает авиационный двигатель - простым языком.

 То что вы видите под крылом - это не турбина, а именно авиационный двигатель, а турбина - это его составная часть.

Авиационный турбовентиляторный реактивный двигатель необходим для создания тяги, которая преодолеет сопротивление воздуха, сопротивление самолета и его частей, разгонит самолет до скорости, на которой вырастет подъемная сила, способная оторвать самолет от земли и унести его с полной загрузкой в небо.

Передняя часть двигателя называется воздухозаборник. Воздух, попадая в него, начинает частично сжиматься. Далее воздух попадает на ступени вентилятора и ряд лопаток, где его давление и температура от сжимания начинает расти.

Воздух дальше идет по двум контурам. Внешний контур сжимает воздух благодаря своей форме. Воздух, который пошел во внутренний контур все больше сжимается, проходя каждый ряд статичных и крутящихся лопаток, сделанных из титана.

В компрессоре высокого давления он сжимается и его температура растет. И вот воздух попадает в камеру сгорания, где он смешивается с топливом. В результате этого резко растет тепловая энергия.⠀

Разогретые до огромной температуры газы выходят с бешеной скоростью из камеры сгорания и расширяются. Попадая на колесо турбины, они приводят ее в вращение.Турбина сидит на одном валу с компрессором. Компрессор начинает вращаться и получается замкнутая цепь. Воздух вновь засасывается компрессором и процесс продолжается.

Далее происходит следующее: разогретые до огромной температуры газы выходят с бешеной скоростью из камеры сгорания и расширяются. Попадая на колесо турбины, они приводят ее во вращение.

Турбина сидит на одном валу с компрессором. Компрессор начинает вращаться. Получается замкнутая цепь: воздух вновь засасывается компрессором, и процесс повторяется.

Выходящие газы попадают в сопло и на выходе из него смешиваясь с воздухом с внешнего контура создают реактивную струю, которая и толкает самолет сквозь воздушную среду. 

Турбореактивный двигатель (ТРД)

ТРД стал самым распространённым в авиации воздушно-реактивным двигателем. Он является базой для создания целого семейства двигателей, объединяемых под общим названием газотурбинных двигателей. ТРД используют в качестве горючего керосин, находящийся в топливных баках, а в качестве окислителя – кислород воздуха.

Поток воздуха, попадающего в двигатель, тормозится во входном устройстве (1), в результате чего давление воздуха перед осевым компрессором (2) повышается. Ротор (вращающаяся часть) объединяет ряд рабочих колёс компрессора (3), представляющих собой диски с закреплёнными на них рабочими лопатками.

 Сжатый воздух из компрессора попадает в камеру сгорания (7). Примерно 25–35% от общего потока воздуха направляется непосредственно в жаровые трубы, где происходит основной процесс сгорания керосина, поступающего в распылённом состоянии через форсунки (5).

Другая часть воздуха обтекает наружные поверхности жаровых труб, и на выходе из камеры сгорания смешивается с продуктами сгорания для их охлаждения, что позволяет поддерживать температуру газовоздушной смеси в камере сгорания на уровне, определяемом допустимой теплопрочностью стенок камеры сгорания, лопаток ротора (8) и лопаток спрямляющего аппарата турбины (9). 

Часть механической мощности отбирается от вала (6) для привода агрегатов двигателя  и привода электрогенераторов, обеспечивающих энергией различные бортовые системы. Основная часть энергии продуктов сгорания идёт на ускорение газового потока в выходном устройстве ТРД – реактивное сопло (10), т. е. на создание реактивной тяги.

Стартовая закрутка вала (5) осуществляется стартером, приводимым при запуске двигателя от наземного или бортового электроагрегата, при дальнейшей работе двигателя вращение вала поддерживается вращением ротора турбины.

 Турбонаддув

Турбонаддув – это система, позволяющая увеличить максимальную мощность двигателя, используя для этого энергию выхлопных газов. 

Первые турбины хотя и давали весьма ощутимую прибавку в мощности, но из-за своей громоздкости во много раз увеличивали и без того немаленький вес двигателей автомобилей тех лет.

Конструкторы со временем усовершенствовали технологию, сделав элементы системы более легковесными, одновременно повысив ее производительность. Но одним из существенных недостатков оставался повышенный расход топлива.

Конструкторам удалось решить одну из главных проблем турбодвигателя – расход топлива, ведь, как известно, дизельный агрегат менее «прожорливый», чем бензиновый.

Еще один несомненный плюс дизельного топлива – его отработанные газы имеют температуру ниже, чем бензиновые, стало быть, основные агрегаты системы турбонаддува можно было производить из менее тяжеловесных и жаростойких материалов. 

Работа реактивного двигателя

Реактивное движение – это такой процесс, при котором от определенного тела с некоторой скоростью отделяется одна из его частей. Сила, которая возникает при этом, работает сама по себе, без малейшего контакта с внешними телами. Реактивное движение стало толчком к созданию реактивного двигателя.

Представим выстрел из любого огнестрельного оружия. Струя раскаленного газа, который образовался в процессе сгорания заряда в патроне, отталкивает оружие назад. Чем мощнее заряд, тем сильнее будет отдача.

В качестве горючего для реактивных двигателей вначале применяли дымный порох. Реактивные двигатели требовали топлива с основой из нитроцеллюлозы, которая растворялась в нитроглицерине. В больших агрегатах сегодня используют специальную смесь полимерного горючего с перхлоратом аммония в качестве окислителя.

Принцип действия РД

В качестве топлива в реактивных двигателях используется жидкий кислород либо азотная кислота. В качестве горючего применяют керосин. 

Компоненты поступают в камеру сгорания из двух отдельных баков. После смешивания они превращаются в массу, которая при сгорании выделяет огромное количество тепла и десятки тысяч атмосфер давления. Окислитель подается в камеру сгорания.

Топливная смесь по мере прохождения между сдвоенными стенками камеры и сопла охлаждает эти элементы. Далее горючее попадет через огромное количество форсунок в зону воспламенения. Струя вырывается наружу. За счет этого и обеспечивается толкающий момент.

Несмотря на то что жидкостные двигатели потребляют очень много горючего, их до сих пор используют в качестве маршевых агрегатов для ракеты-носителей и маневровых для орбитальных станций.

Устройство

Устроен РД следующим образом:

- компрессор;

- камера для сгорания;

- турбины;

- выхлопная система.

Компрессор представляет собой несколько турбин. Их задача – всасывать и сжимать воздух по мере того, как он проходит через лопасти. В процессе сжатия повышается температура и давление воздуха. 

Смесь выходит из камеры сгорания на высокой скорости, а затем расширяется. Далее она следует через турбину, лопасти которой вращаются за счет воздействия газов. Эта турбина, соединяясь с компрессором, находящимся в передней части агрегата, и приводит его в движение. Воздух, нагретый до высоких температур, выходит через выпускную систему. 

Двухконтурный РД

Эти агрегаты имеют массу преимуществ перед турбореактивными (меньший расход топлива при той же мощности).

Воздух, захватываемый турбиной, частично сжимается и подается в первый контур на компрессор и на второй – к неподвижным лопастям. Турбина при этом работает в качестве компрессора низкого давления.

В первом контуре двигателя воздух сжимается и подогревается, а затем подается в камеру сгорания. Здесь происходит смесь с топливом и воспламенение. Образуются газы, которые подаются на турбину высокого давления, за счет чего и вращаются лопасти турбины.

Затем газы проходят через турбину низкого давления. Она приводит в действие вентилятор, и газы попадают наружу, создавая тягу.

Турбовинтовой двигатель 

Конструкция и принцип работы были взяты из механизма турбореактивного мотора, а от поршневого — воздушные винты. Таким образом, стало возможным совмещение небольших габаритов, экономичности и высокого коэффициента полезного действия.

Однако для сверхзвуковой скорости они годными не были. Поэтому с появлением таких мощностей в военной авиации от них отказались. Зато гражданские самолеты в основном снабжаются именно ими.

Схема турбовинтового двигателя выглядит следующим образом: после нагнетания и сжатия компрессором воздух попадает в камеру сгорания. Туда же впрыскивается топливо. Полученная смесь воспламеняется и создает газы, которые при расширении поступают в турбину и вращают ее. Нерастраченная энергия выходит через сопло, создавая реактивную тягу.

Турбина

Турбина способна развить скорость до 20 тысяч оборотов в минуту, но винт не сможет ей соответствовать, поэтому здесь имеется понижающий редуктор. Редукторы могут быть разными, но главная их задача — снижать скорость и повышать момент.

Для повышения тяги иногда двумя винтами снабжается турбовинтовой двигатель. Принцип работы при этом у них реализуется за счет вращения в противоположные стороны, но при помощи одного редуктора.

Преимуществами турбовинтового двигателя являются:

  • малый вес по сравнению с поршневыми агрегатами;
  • экономичность по сравнению с турбореактивными моторами.

Турбокомпрессор

Принцип работы турбокомпрессора сводится к следующему:

  • при попадании в мотор топливовоздушной смеси происходит ее сгорание, которая затем выходит через выхлопную трубу. В начале выпускного коллектора установлена крыльчатка, крепко соединенная с другой крыльчаткой, расположенной во впускном коллекторе;
  • поток выходящих из двигателя выхлопных газов раскручивает крыльчатку, находящуюся в выпускном коллекторе, которая в свою очередь приводит в движение крыльчатку, установленную на впуске;
  • в мотор поступает большее количество воздушной массы, в него подается больше топлива. 

Преимущества и недостатки турбонаддува

Турбокомпрессор используется ввиду простоты конструкции и хороших эксплуатационных параметров. Турбонаддув позволяет увеличить мощность двигателя. 

Двигатель с турбокомпрессором имеет меньший выброс вредных газов в атмосферу, так как вырабатываются дополнительные выхлопные газы в двигатель. У сгораемого топлива становится меньше отходов.

Использование двух турбокомпрессоров и других турбо деталей

На некоторые двигатели устанавливается два турбокомпрессора разного размера. Малый турбокомпрессор быстрее набирает обороты, снижая тем самым задержку ускорения, а большой обеспечивает больший наддув при высокой скорости вращения двигателя.

Охладитель воздуха или охладитель наддувочного воздуха является дополнительным устройством, которое выглядит как радиатор, только воздух проходит как внутри, так и снаружи охладителя. 

Охладитель увеличивает мощность двигателя, охлаждая сжатый воздух от компрессора перед его подачей в двигатель. 

Турбокомпрессоры также обладают преимуществом на большой высоте, где плотность воздуха ниже. Обычные двигатели будут работать слабее на большой высоте над уровнем моря, т.к. на каждый ход поршня подаваемая масса воздуха будет меньше. Мощность двигателя с турбокомпрессором также снизится, но менее заметно, т.к. разреженный воздух легче сжимать.

Принцип работы газовых турбин

Газовой турбиной принято называть своеобразный тепловой двигатель, его рабочим частям предопределено только одно задание – вращаться вследствие воздействия струи газа.

История создания газовой турбины

Интересно, что механизмы турбин начали разрабатываться инженерами уже очень давно. Первая примитивная паровая турбина была создана ещё в I веке до н. э.

Активно разрабатываться турбины начали в конце XIX века одновременно с развитием термодинамики, машиностроения и металлургии.

Технические характеристики газовой турбины

Главная часть турбины представлена колесом, на которое прикреплены наборы лопаток. Газ, воздействуя на лопатки газовой турбины, заставляет их двигаться и вращать колесо. Колесо жёстко скреплено с валом.

Это ротор турбины. Вследствие этого движения достигается получение механической энергии, которая передаётся на электрогенератор, на гребной винт корабля, на воздушный винт самолёта и другие рабочие механизмы аналогичного принципа действия.

 

Активные и реактивные турбины

Активная турбина характеризуется тем, что здесь отмечается большая скорость поступления газа на рабочие лопатки. При помощи изогнутой лопатки струя газа отклоняется от своей траектории движения. В результате отклонения развивается большая центробежная сила.

В реактивной турбине поступление газа к рабочим лопаткам осуществляется на незначительной скорости и под воздействием большого уровня давления. Форма лопаток так же отлична, благодаря чему скорость газа значительно увеличивается.

 

Схема и принцип действия газотурбинного двигателя

Газотурбинным двигателем (ГТД)  называют тепловую машину, в которой энергия топлива преобразуется в кинетическую энергию струи и в механическую работу на валу. Основными элементами ГТД являются компрессор, камера сгорания и газовая турбина.

Принцип действия ГТД следующий.

1. Воздух из атмосферы поступает в компрессор (сечение «В-В»), где происходит сжатие воздуха (плотность, давление и температура возрастают). Если компрессор идеальный, то сжатие воздуха осуществляется в адиабатном процессе (  ), показатель адиабаты к=1.4.

Отношение давления воздуха на выходе из компрессора к давлению на входе называется степенью повышения давления в компрессоре:  .

2. Из компрессора (сечение «К-К») воздух поступает в камеру сгорания, где при постоянном давлении происходит подвод тепла к потоку воздуха при горении топлива. В результате подогрева в камере сгорания газ на её выходе имеет высокую температуру. Отношение температуры газа на выходе из камеры сгорания к температуре атмосферного воздуха называется степенью подогрева воздуха в двигателе:  .

3. Из камеры сгорания газ поступает в турбину (сечение «Г-Г»), где происходит расширение газа (плотность газа уменьшается). Если турбина идеальная, то процесс расширения принимается адиабатным. Показатель адиабаты газа равен 1.33.

4. Из турбины (сечение «Т-Т») газ направляется в выходной канал двигателя. Таким образом, ГТД представляет собой открытую термодинамическую систему, в которой реализуется цикл Брайтона.

Принцип действия и устройство турбин. Активные и реактивные принципы работы турбин

Особенности турбины как теплового двигателя

Турбина является тепловым ротационным двигателем, в котором потенциальная тепловая энергия пара (или газа) превращается в кинетическую, а последняя в свою очередь преобразуется в механическую работу вращения вала.

Пар с давлением более высоким, чем за турбиной, поступает в одно или несколько неподвижных каналов 5. В сопловых каналах пар расширяется, давление его падает, а скорость возрастает. 

Из сопл пар поступает в рабочие каналы, образованные рабочими лопатками 3, закрепленными на диске 2. Двигаясь в рабочих каналах между рабочими лопатками и изменяя свое направление, поток пара оказывает силовое воздействие на рабочие лопатки. В результате чего они вращаются вместе с диском и валом 1, установленным в опорных подшипниках 4.

Комплект, состоящий из сопл и рабочих лопаток, в которых совершается процесс расширения пара, называется ступенью давления турбины. Простейшие турбины, имеющие лишь одну ступень, называются одноступенчатыми, в отличие от более сложных многоступенчатых турбин.

Тремя основными элементами, содержащимися в конструкции турбокомпрессора являются: центробежный компрессор, турбина и центральный корпус. Кинетическая энергия отработанных газов под воздействием турбины преобразуется во вращательное движение компрессора.

Также турбина соединяет турбинное колесо, помещённое в специальный корпус в форме улитки.

Поступая в улитку, отработавшие газы перемещаются по каналу и попадают на лопасти турбинного колеса. Вал, к которому приварено турбинное колесо, передаёт на колесо компрессора энергию, которая придаёт его вращению.

Лопасти турбинного колеса становятся проводниками отработавших газов, которые затем покидают турбину через отверстие в центре турбокомпрессора и выходят в выпускную систему.

От формы и размера турбины напрямую зависит производительность турбокомпрессора. Значительный прирост мощности наблюдается в турбинах большего размера, потому что они могут использовать большее давление отработавших газов. Однако в таких турбокомпрессорах, на низких оборотах, значительна вероятность возникновения турбоямы.

 

Понравилась статья? Расскажите друзьям: Оцените статью, для нас это очень важно:

Проголосовавших: 3 чел.
Средний рейтинг: 5 из 5.

Что такое турбина? - Информация о турбинах

Что такое турбина? Есть много определений турбины. Мы сортируем определения турбин из разных источников.

Турбина : Турбина имеет лопасти на одном конце и электромагниты на другом, которые создают электричество при движении лопастей. Турбины используются в производстве электроэнергии из энергии ветра, воды и пара. Биомасса

Турбина : Часть генерирующей установки, которая приводится в движение силой воды или пара для привода электрического генератора.Турбина обычно состоит из ряда изогнутых лопаток или лопаток на центральном шпинделе. Chelanpud

Турбина: Роторный двигатель, в котором кинетическая энергия движущейся жидкости преобразуется в механическую энергию за счет вращения лопастного ротора. Princeton

Турбины

  • Вода под давлением содержит энергию.
  • Турбины преобразуют энергию воды во вращающуюся механическую энергию.
  • Импульсные турбины преобразуют кинетическую энергию струи воды в механическую.
  • Реакционные турбины преобразуют потенциальную энергию воды под давлением в механическую энергию.

Импульсные турбины

Импульсные турбины Потенциальная энергия, или напор воды, сначала преобразуется в кинетическую энергию путем выпуска воды через сопло тщательно продуманной формы. Струя, выбрасываемая в воздух, направляется на изогнутые ковши, закрепленные на периферии рабочего колеса, для извлечения энергии воды и преобразования ее в полезную работу. Ic реакционной турбины

  • Переносить песок.
  • Простота изготовления.
  • Эффективен в широком диапазоне напора и расхода.
  • Сопло преобразует воду под давлением в высокоскоростную струю воды.
Схема импульсной турбины

Pelton Turbine

Pelton

- Низкий расход

- Средний до высокого напора

Turgo

–Средний напор

2–

Средний расход2 Поперечный поток

- Высокий расход

- Напор от низкого до среднего

Турбина Пелтона

Колесо Пелтона является одним из наиболее эффективных типов гидротурбин.Он был изобретен Лестером Алланом Пелтоном (1829–1908) в 1870-х годах и представляет собой импульсную машину, что означает, что он использует принцип второго закона Ньютона для извлечения энергии из струи жидкости.

  • По крайней мере, одна струя воды ударяет по ведрам при атмосферном давлении.
  • Максимальный диаметр форсунки около 1/3 ширины ковша.
  • Дополнительные форсунки увеличивают поток и используются при низком напоре.

Turgo Turbines

Турбина Turgo - это импульсная водяная турбина, разработанная для применений со средним напором.Операционные турбины Turgo достигают КПД около 87%. При заводских и лабораторных испытаниях турбины Turgo работают с КПД до 90%.

  • Аналогичен бегунку Пелтона, но имеет более сложную конструкцию.
  • Возможен больший расход

Турбины с поперечным потоком

Турбина Банки или Митчелла. Турбина с поперечным потоком, турбина Банки-Мичелла или турбина Осбергера - это водяная турбина, разработанная австралийцем Энтони Мичеллом, венгерским Донат Банки и Немец Фриц Оссбергер.

  • Вал ориентирован горизонтально.
  • Форсунка прямоугольного сечения.
  • Вода дважды ударяет по лопастям.
  • Управляющая лопатка изменяет размер струи

Реакционные турбины

В реакционной турбине силы, приводящие в движение ротор, достигаются за счет реакции ускоряющегося потока воды в рабочем колесе при падении давления. Принцип реакции можно наблюдать в роторном оросителе для газонов, где выходящая струя вращает ротор в противоположном направлении.Из-за большого разнообразия возможных конструкций рабочих колес реактивные турбины могут использоваться с гораздо большим диапазоном напоров.

  • Дорогостоящее изготовление клинка.
  • Высокий расход.
  • Более узкоспециализированный, чем импульсный.
  • Использует падение давления на турбине.
  • Следует избегать кавитации.
  • Высокая частота вращения турбины при низком напоре.
Различия между импульсной и реакционной турбиной

Реакционные турбины

- Средний напор

- Низкий напор

- Средний напор

Турбина Фрэнсиса

Турбина Фрэнсиса, вероятно, наиболее часто используется из-за более широкого диапазона подходящих головок, обычно от трех до 600 метров.В диапазоне высокого напора расход и производительность должны быть большими; в противном случае бегунок станет слишком маленьким для разумного изготовления. Что касается нижнего напора, пропеллер и турбина s обычно более эффективны, если выходная мощность также не мала.

  • Направляющие лопатки могут регулироваться регулятором.
  • Эффективность уменьшается при уменьшении потока.
  • Поток воды радиальный от наружной части к внутренней.
  • Поток постепенно изменяется с радиального на осевой.

Пропеллерная турбина

Фиксированный пропеллер Тип Турбина обычно используются для больших агрегатов с низким напором, что приводит к большим диаметрам и низкой скорости вращения.

  • Аналогично судовым гребным винтам.
  • Имеет направляющие лопатки, аналогичные турбине Фрэнсиса.
  • Турбина Каплан имеет лопасти с регулируемым шагом.
  • Низкий КПД по частичному потоку

Насос в качестве турбины

  • Центробежные насосы могут использоваться в качестве турбин.
  • Низкая стоимость за счет массового производства.
  • Нет прямой зависимости между характеристиками насоса и характеристиками турбины.
  • Расход фиксирован для данного напора.
  • Некоторые производители испытывали свои насосы в качестве турбин.
  • Подходит для связывания с асинхронными двигателями.

Источники

1 2 3 4

• Microhydroby Scott Davis
• MicrohydroDesign Manual by Adam Harvey
• Waterturbine.com для пикогидроагрегатов
• BC Hydro Handbook
• Idaho National Labs

.

типов водяных турбин - гидротурбины

Есть две основные категории гидротурбин: импульсные и реактивные, как описано выше. Тип гидроэнергетической турбины, выбранной для проекта, зависит от высоты стоячей воды, называемой «напор», и расхода или объема воды на участке. Наиболее распространенным типом импульсной турбины является турбина Пелтона. Существуют также турбина Turgo, турбина с перекрестным потоком (также известная как турбина Банки-Мичелла или турбина Оссбергера), турбина Jonval, водяное колесо с обратным перерегулированием, винтовая турбина.С другой стороны, наиболее распространенной реакционной турбиной является турбина Фрэнсиса, но есть также турбина Каплана, турбина Тайсона, винтовая турбина Горлова.

Рис. 9: Различные типы водяных турбин.

взято: http: //www.publicresearchinstitute.org/Pages/hydroturbines/hydroturbines.html

Турбина или колесо Пелтона - это импульсная турбина, используемая в основном для высоконапорных гидроэлектростанций.Колесо Пелтона является одним из самых эффективных типов водяных турбин. Мощность жидкости преобразуется в кинетическую энергию в форсунках. Общее падение давления происходит в форсунке. Возникающая в результате струя воды направляется по касательной к ведрам на колесе, создавая на них импульсную силу.

Рисунок 10: Этот рисунок взят из оригинального патента Пелтона (октябрь 1880 г.).

Рис. 11: Другая турбина или колесо Пелтона.
принято: http: //www.turbinesinfo.com/what-is-a-turbine/

3.1.1 Компоненты

Колесо

Pelton состоит из следующих основных компонентов:

  • Сопло
  • Бегунок и ковши
  • Кожух
  • Разрывной жиклер

1. Сопло
Сопло колеса Пелтона представляет собой круговой направляющий механизм, который направляет воду в желаемых направлениях, а также регулирует поток воды.Внутри сопла в осевом направлении действует коническая или игла-игла. Основное назначение форсунки - регулирование потока воды через форсунку. Когда игла продвигается вперед в форсунку, она уменьшает площадь струи. В результате количество воды, протекающей через форсунку, также уменьшается. Точно так же, если копье выталкивается из сопла, это увеличивает площадь сопла и увеличивает выпуск. Движение копья регулируется вручную или с помощью автоматического устройства управления.

Рисунки 12 и 13: Сопла

взято: http: // www.earlmorse.org/steamboatingpages/steamhappens22turbine/turbine.htm

http://www.canyonhydro.com/micro/microoptions.html

2. Бегунок и ковши

Бегунок представляет собой круговой диск, на котором находится несколько чашеобразных ведер, расположенных на равном расстоянии по его окружности. Рабочее колесо обычно устанавливается на горизонтальном валу с помощью подшипников, а ковши либо залиты заодно с диском, либо закреплены отдельно. Ковши изготавливаются из чугуна, бронзы или нержавеющей стали.Внутренняя поверхность ковшей отполирована для уменьшения сопротивления трения струе воды.

Рис. 14: Бегунок с литыми ковшами.

3. Кожух
Стальные покрытия, расположенные над бегунком колеса пелтона, известны как кожух. Он не выполняет никаких гидравлических функций, но необходим для защиты рабочего колеса от аварии. Он имеет следующие функции:

  • Предотвращает несчастные случаи.
  • Минимизировать ветровые потери.
  • прекращает разбрызгивание воды.
  • Облегчает сбор воды.
  • Передача воды в хвостовую часть.

4. Разрывной жиклер
Когда турбина должна быть остановлена, сопло полностью закрывается. Но бегунок колеса Пелтона продолжает вращаться по инерции. Для кратковременной остановки бегунка предусмотрена небольшая насадка, которая направляет струю воды на заднюю часть ведер.Он действует как тормоз для снижения скорости бегуна.

3.1.2 Функция

Форсунки направляют мощные высокоскоростные потоки воды на ряд вращающихся лопаток в форме ложки, также известных как импульсные лопасти, которые установлены вокруг периферийного обода ведущего колеса. Когда струя воды попадает на профильные лопасти ведра , направление скорости воды изменяется в соответствии с контурами ковша. Энергия импульса воды оказывает крутящий момент на ковш и колесную систему, вращая колесо, водяной поток совершает «разворот» и выходит с внешних сторон ковша, замедляясь до небольшой скорости.При этом импульс водяной струи передается колесу, а оттуда - турбине. Таким образом, «импульсная» энергия действительно действует на турбину. Для обеспечения максимальной мощности и эффективности система колеса и турбины спроектирована таким образом, чтобы скорость водяной струи в два раза превышала скорость вращающихся лопастей. Очень небольшой процент исходной кинетической энергии водяной струи остается в воде, что приводит к опорожнению ведра с той же скоростью, с которой оно наполняется, и тем самым позволяет входящему потоку под высоким давлением продолжать непрерывно и без потерь энергии.Обычно на колесе бок о бок устанавливаются два ведра, что позволяет разделить струю воды на два равных потока. Это уравновешивает силы боковой нагрузки на колесо и помогает обеспечить плавную и эффективную передачу количества движения струи воды к турбинному колесу.

взято: http://en.wikipedia.org/wiki/Pelton_wheel#Function

Рис. 15. Колесо Пелтона вращается за счет импульсной силы, создаваемой водяной струей.

взято: http://www.learnengineering.org/2013/08/pelton-turbine-wheel-hydraulic-turbine.html

3.1.3 Приложения

Колеса Пелтона

являются предпочтительной турбиной для гидроэнергетики, когда доступный источник воды имеет относительно высокий гидравлический напор при низких расходах, когда колесо Пелтона наиболее эффективно. Таким образом, из источника воды с высоким давлением и с низким расходом можно получить больше энергии, чем из источника с низким давлением и высоким расходом, даже если два потока теоретически содержат одинаковую мощность.Также сопоставимое количество трубного материала требуется для каждого из двух источников: для одного требуется длинная тонкая труба, а для другого - короткая широкая труба. Колеса Pelton производятся всех размеров. На гидроэлектростанциях существуют многотонные колеса Pelton, установленные на вертикальных подшипниках с масляными подушками. Самые большие блоки могут иметь мощность до 200 мегаватт. Самые маленькие колеса Пелтона имеют диаметр всего несколько дюймов и могут использоваться для отбора энергии из горных ручьев, имеющих поток несколько галлонов в минуту. В некоторых из этих систем для подачи воды используется бытовая сантехника.Эти небольшие блоки рекомендуется использовать с напором 30 футов (9,1 м) или более, чтобы генерировать значительный уровень мощности. В зависимости от расхода воды и конструкции, колеса Pelton лучше всего работают с напором от 49 до 5 905 футов (14,9–1 799,8 м), хотя теоретических ограничений нет.
http://en.wikipedia.org/wiki/Pelton_wheel#Applications

Рисунок 16: Область применения турбины Пелтона (также для Турго и Фрэнсиса)

взято: http: // www.gilkes.com/Pelton-Turbines

Турбина Фрэнсиса - это реакционная турбина, в которой вода изменяет давление при движении через турбину, передавая свою энергию. Для сдерживания потока воды необходима водонепроницаемая створка. Как правило, такие турбины подходят для таких объектов, как плотины, где они расположены между источником воды высокого давления и выходом воды низкого давления. Турбины Фрэнсиса - самые распространенные гидротурбины, используемые сегодня. Они работают при напоре воды от 40 до 600 м (от 130 до 2000 футов) и в основном используются для производства электроэнергии.

Рис. 17: Вид сбоку вертикальной турбины Фрэнсиса, вид сбоку. Здесь вода входит горизонтально в трубу спиральной формы (спиральный кожух), обернутую вокруг внешней стороны вращающегося рабочего колеса турбины, и выходит вертикально вниз через центр турбины.

взято: http://en.wikipedia.org/wiki/Francis_turbine

Рис. 18: Турбина Фрэнсиса, подключенная к генератору.

сделано: http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Francis_Turbine_complete.jpg

3.2.1 Компоненты

Турбина Фрэнсиса состоит из следующих основных компонентов:

  • Спиральный кожух.
  • Стопорные и стопорные лопатки.
  • Бегун.
  • Трубка вытяжная.

Рисунок 19: Поперечное сечение турбины Фрэнсиса.

1. Спиральный кожух
Спиральный кожух - это водовод между затвором и регулирующим механизмом. Поперечное сечение через спиральный кожух непрерывно уменьшается, замедление поперечного сечения вызывает равномерное распределение воды в каскаде направляющих лопаток. .В старых конструкциях спиральный кожух обычно был литым. Для новых конструкций это обычно делается из сегментов пластин, сваренных вместе. Это значительно снизило стоимость производства и транспортные расходы без заметного снижения эффективности.Для турбин Фрэнсиса с вертикальной осью спиральный кожух обычно закладывается в бетон для большей поддержки.

2. Stayring и пребывание лопатками
Пребывание кольца состоят из верхнего и нижнего кольца соединены сварным пребывания vanes.The пребывания лопатками цель состоит в том, чтобы поглотить осевые силы на внутренней стороне спиральных casing.The лопаток при благоприятном гидравлическая форма для минимального воздействия на поток воды.

Рис. 20. Внутри турбины Фрэнсиса.

взято: http: //www.learnengineering.org/2014/01/how-does-francis-turbine-work.html

3. Бегунок
Бегунок состоит из ступицы, кожуха и соединяющих их лопастей. Бегун преобразует энергию воды во вращательное движение и крутящий момент. Крутящий момент передается на вал турбины через фрикционное соединение на болтах или комбинированное фрикционное / срезное соединение. Бегунок может быть литым или сварным. Для сварной конструкции ступица и кожух обычно отливаются и свариваются вместе с помощью горячепрессованных пластинчатых лопаток.Количество лезвий зависит от рабочей головки. Бегунам с более высокой головой потребуется большее количество лезвий, главным образом из-за соображений прочности. Увеличение количества лопастей снижает нагрузку давления на лопасть, что помогает избежать кавитации, а также предотвращает расслоение на входе в рабочий стол при низких нагрузках. Увеличение количества лопастей также приводит к большей поверхности контакта через бегунок и, таким образом, к увеличению потерь на трение. Толщина лопастей рабочего колеса должна быть достаточно большой, чтобы выдерживать гидравлические силы, которым оно подвергается.Для турбин Фрэнсиса с высоким напором предпочтительно формировать лопатку таким образом, чтобы основная часть гидравлической энергии использовалась в начале лопатки. В этой области будет большая разница давлений со стороны всасывания и, следовательно, силы, действующие на лезвие. Поэтому обычно имеет увеличенную толщину лезвия около входа и позволяет лезвию становиться тоньше к выходу.

Рисунок 21: Рабочий орган турбины Фрэнсиса.

взято: http: //www.tbhic.cn/en/productview.asp? Id = 57

4. Вытяжная труба
Вытяжная труба - это водовод от желоба к выходному затвору. Его цель - преобразовать кинетическую энергию на выходе из рабочего колеса в энергию давления на выходе из вытяжной трубы. Это можно сделать, пропустив воду через канал с увеличивающимся поперечным сечением. Дыхательная труба состоит из конуса и пластинчатого кожуха.Конус отсасывающей трубы представляет собой сварную пластину и обычно состоит из двух частей: верхнего и нижнего конуса. Верхняя часть конуса крепится к нижней крышке. Нижний конус обычно представляет собой разборную деталь. Он соединен фланцем с кожухом вытяжной трубы.

3.2.2 Функция

Вода течет из водовода в спиральном корпусе. В спиральном кожухе вода распределяется по всей периферии. Затем вода направляется стопорными и направляющими лопатками под правильным углом к ​​желобу.Направляющие лопатки регулируются и могут изменять угол в зависимости от условий на входе и выходе турбины, они управляются серводвигателем регулятора. Бегун передает энергию от давления и скорости в воде во вращательный момент. Вода выходит через отсасывающую трубу, которая забирает оставшуюся из воды энергию. Крутящий момент, создаваемый бегунком, передается на генератор через вал.

Рис. 22: Функция турбины Фрэнсиса.

взято: http: //engineeringinside.blogspot.gr/2013/11/francis-turbine-explanation.html

3.2.3 Приложения

Турбины

Фрэнсиса могут быть рассчитаны на широкий диапазон напоров и расходов. Это, наряду с их высоким КПД, сделало их самыми широко используемыми турбинами в мире. Блоки типа Francis покрывают диапазон напора от 40 до 600 м (от 130 до 2000 футов), а выходная мощность подключенного генератора варьируется от нескольких киловатт до 800 МВт.Большие турбины Фрэнсиса проектируются индивидуально для каждого объекта, чтобы работать с заданным водоснабжением и напором воды с максимально возможным КПД, обычно более 90%. Помимо производства электроэнергии, они также могут использоваться для гидроаккумулирующего оборудования, когда резервуар заполнен. турбиной (действующей как насос), приводимой в действие генератором, действующим как большой электродвигатель в периоды низкого потребления энергии, а затем реверсивным и используемым для выработки энергии во время пиковой нагрузки. Эти водохранилища насосов и т. Д.действуют как большие источники энергии для хранения «избыточной» электроэнергии в виде воды в надземных резервуарах. Это один из немногих способов сохранить временную избыточную электрическую мощность для дальнейшего использования.

Рисунок 23: Гидроэлектростанция, использующая турбину Фрэнсиса.

принято: http: //syzjsd.en.alibaba.com/product/315463813-210167245 / old_hydro_power_plant_rebuild_with_new_water_turbine_generator_replace.html

Рисунок 24: Область применения турбины Фрэнсиса (также для Turgo и Pelton)

принято: http: //www.gilkes.com/Pelton-Turbines

Преимущества:

  • Легче контролировать изменение рабочей нагрузки.
  • Соотношение максимального и минимального рабочего напора может быть даже два.
  • Рабочий напор можно использовать, даже если изменение уровня воды в хвостовой воде относительно велико по сравнению с общим напором.
  • Механический КПД колеса Пелтона уменьшается с износом быстрее, чем у турбины Фрэнсиса.
  • Размер необходимого рабочего колеса, генератора и электростанции будет небольшим и экономичным, если турбина Фрэнсиса используется вместо колеса Пелтона для того же производства электроэнергии.

Недостатки:

  • Неочищенная вода может вызвать очень быстрый износ турбины Фрэнсиса с высоким напором.
  • Капитальный ремонт и осмотр намного сложнее.
  • Кавитация - постоянная опасность.
  • Эффект гидроудара более опасен для турбины Фрэнсиса.
  • Если турбина Фрэнсиса будет работать при давлении ниже 50% в течение длительного периода, она не только потеряет свою эффективность, но и опасность кавитации станет более серьезной.

размещено: http: //www.scribd.com / doc / 34568800 / Hydraulic-Turbine-I

Как написано выше, есть еще турбина Турго, турбина перекрестного потока, турбина Каплана, турбина Тайсона, винтовая турбина Горлова.

3.4.1 Турбины импульсные Turgo

Турбина Turgo - это импульсная турбина, предназначенная для работы со средним напором. Эти турбины достигают КПД до 87%. Разработанный Гилксом в 1919 году как модификация колеса Пелтона, Turgo имеет определенные преимущества перед конструкциями Фрэнсиса и Пелтона для некоторых применений.Во-первых, изготовление бегунка дешевле, чем колесо Пелтона, и при этом не требуется герметичный корпус, как у турбин Фрэнсиса. Наконец, Turgo имеет более высокие удельные скорости и в то же время может обрабатывать большее количество потоков, чем колесо Пелтона аналогичного диаметра, что приводит к снижению затрат на генератор и установку. Турбины Turgo работают в диапазоне напоров, где перекрываются потоки Фрэнсиса и Пелтона. Установки Turgo обычно предпочтительны для небольших гидроэлектростанций, где очень важна низкая стоимость.

Рис. 25: Турбина Turgo.

сделано: http: //en.wikipedia.org/wiki/Turgo_turbine#mediaviewer/ Файл: Turgo_turbine.png

Турбина Turgo - это импульсная турбина, в которой вода не изменяет давление, а меняет направление при движении через лопатки турбины. Потенциальная энергия воды преобразуется в кинетическую энергию с помощью затвора и сопла.

3.4.2 Поперечная турбина

Также называемая турбиной Мичелла-Банки, турбина с поперечным потоком имеет бегунок в форме барабана, состоящий из двух параллельных дисков, соединенных вместе рядом с их ободами серией изогнутых лопастей. В турбине с поперечным потоком рабочий вал всегда находится в горизонтальном положении (в отличие от турбин Pelton и Turgo, которые могут иметь горизонтальную или вертикальную ориентацию вала). В отличие от большинства водяных турбин, которые имеют осевой или радиальный поток, в турбине с поперечным потоком вода проходит через турбину в поперечном направлении или через лопасти турбины.Как и в случае водяного колеса, вода поступает на край турбины. Пройдя мимо бегуна, он уезжает на противоположную сторону. Двойное прохождение бегуна обеспечивает дополнительную эффективность. Когда вода покидает бегунок, это также помогает очистить бегунок от мелкого мусора и загрязнений. Турбины с поперечным потоком обычно работают на низких оборотах. Турбины с поперечным потоком также часто конструируются как две турбины разной мощности с одним и тем же валом. Колеса турбины имеют одинаковый диаметр, но разную длину, чтобы работать с разными объемами при одинаковом давлении.

Рисунок 26: Турбина с поперечным потоком.

сделано: http: //en.wikipedia.org/wiki/Cross-flow_turbine#mediaviewer/ Файл: Ossberger_turbine.jpg

3.4.3 Турбины Каплан

Турбина Каплана с регулируемыми лопастями была разработана Виктором Капланом в 1913 году на базовой платформе (принципах конструкции) турбины Фрэнсиса. Основным преимуществом турбин Каплана является ее способность работать в местах с низким напором, что было невозможно с Фрэнсисом. турбины.Турбины Каплана широко используются в производстве электроэнергии с высоким расходом и низким напором. Турбина Каплана представляет собой реактивную турбину с входящим потоком, что означает, что рабочая жидкость изменяет давление по мере движения через турбину и отдает свою энергию. В конструкции сочетаются радиальные и осевые особенности. Входное отверстие представляет собой спиральную трубу, которая огибает калитку турбины. Вода направляется тангенциально через калитку и по спирали попадает на лопаточку в форме пропеллера, заставляя ее вращаться. Выпускное отверстие представляет собой вытяжную трубу особой формы, которая помогает замедлять скорость воды и восстанавливать кинетическую энергию.Турбина не обязательно должна находиться в самой низкой точке потока воды, пока тяговая труба остается заполненной водой. Однако более высокое расположение турбины увеличивает всасывание, которое создается на лопатках турбины вытяжной трубой, что может привести к кавитации из-за падения давления. Обычно КПД, достигаемый для турбины Каплана, превышает 90%, в основном из-за изменяемой геометрии калитки и лопаток турбины. Однако эта эффективность может быть ниже для приложений с очень низким напором. Поскольку лопасти гребного винта вращаются гидравлическим маслом под высоким давлением, критически важным элементом конструкции турбины Каплана является обеспечение надежного уплотнения для предотвращения утечки масла в водный путь.Турбины Каплана широко используются во всем мире для производства электроэнергии. Они особенно подходят для гидроэнергетических условий с низким напором и высокого расхода - в основном на гидроэлектростанциях, расположенных на каналах.

взято: http://cdn.intechopen.com/pdfs-wm/40550.pdf

Рисунок 27: Турбина Каплана.

сделано: http: // photovalet.com / 232744

.

Водяная турбина - Простая английская Википедия, бесплатная энциклопедия

Водяная турбина - это роторный двигатель, который забирает энергию от движущейся воды.

Водяные турбины были разработаны в девятнадцатом веке и широко использовались в промышленности до появления электрических сетей. Сейчас они в основном используются для выработки электроэнергии. Они используют чистый и возобновляемый источник энергии.

Swirl [изменить | изменить источник]

Гидравлические колеса тысячелетиями использовались в промышленности.Их главный недостаток - размер, который ограничивает расход и напор, который можно использовать.

Переход от водяных колес к современным турбинам занял около ста лет. Развитие произошло во время промышленной революции с использованием научных принципов и методов. Они также широко использовали новые материалы и методы производства, разработанные в то время.

Слово турбина было придумано французским инженером Клодом Бурденом в начале 19 века и происходит от латинского слова «вихрь» или «вихрь».Основное различие между ранними водяными турбинами и водяными колесами - это вихревой компонент воды, который передает энергию вращающемуся ротору. Этот дополнительный компонент движения позволил турбине быть меньше водяного колеса той же мощности. Они могли обрабатывать больше воды, вращая быстрее, и могли использовать гораздо большие головки. (Позже были разработаны импульсные турбины, в которых не было завихрения).

График времени [изменение | изменить источник]

Бегунок турбины Фрэнсиса мощностью почти один миллион л.с. устанавливается на плотине Гранд-Кули.

Ян Андрей Сегнер разработал турбину с реактивной водой в середине 1700-х годов.Он имел горизонтальную ось и был предшественником современных водяных турбин. Это очень простая машина, которая до сих пор производится для использования на небольших гидроэлектростанциях. Сегнер работал с Эйлером над некоторыми из первых математических теорий конструкции турбин.

В 1820 году Жан-Виктор Понселе разработал турбину с внутренним потоком.

В 1826 году Бенуа Фурнейрон разработал турбину с обратным потоком. Это была эффективная машина (~ 80%), которая пропускала воду через бегунок с изогнутыми в одном направлении лезвиями.Стационарная розетка также имела изогнутые направляющие.

В 1844 году Юрай А. Бойден разработал турбину с выходным потоком, которая улучшила характеристики турбины Фурнейрона. Форма рабочего колеса была подобна турбине Фрэнсиса.

В 1849 году Джеймс Б. Фрэнсис улучшил реактивную турбину с внутренним потоком до КПД более 90%. Он также провел сложные испытания и разработал инженерные методы для проектирования гидротурбин. Турбина Фрэнсиса, названная в его честь, является первой современной водяной турбиной.Это по-прежнему самая широко используемая водяная турбина в мире.

Гидравлические турбины с обратным потоком имеют лучшую механическую конструкцию, и все современные реактивные водяные турбины имеют такую ​​конструкцию. Кроме того, когда водоворот закручивается в более плотное вращение, он пытается ускориться, чтобы сохранить энергию. Это свойство действует на бегуна в дополнение к падающему весу воды и вихревому движению. Давление воды снижается до нуля, когда она проходит через лопатки турбины и отдает свою энергию.

Примерно в 1890 году был изобретен современный гидравлический подшипник, который теперь повсеместно используется для поддержки шпинделей тяжелой водяной турбины. По состоянию на 2002 год средний наработка на отказ гидравлических подшипников составляла более 1300 лет.

Примерно в 1913 году Виктор Каплан создал турбину Каплана, пропеллерную машину. Это была эволюция турбины Фрэнсиса, но она произвела революцию в возможностях разработки гидроузлов с низким напором.

Новая концепция [изменение | изменить источник]

Все обычные водяные машины до конца 19 века (включая водяные колеса) были реакционными машинами; вода напор напор действовала на машину и производила работу.Реакционная турбина должна полностью удерживать воду во время передачи энергии.

В 1866 году калифорнийский слесарь Сэмюэл Найт изобрел машину, основанную на совершенно другой концепции. [1] [2] Вдохновленный струйными системами высокого давления, используемыми в гидравлической добыче на золотых приисках, Найт разработал колесо с выступом, которое улавливало энергию свободной струи, которая преобразовывала высокий напор (сотни вертикальных футов в трубе или водоотводе) воды до кинетической энергии.Это называется импульсной или тангенциальной турбиной. Скорость воды, примерно в два раза превышающая скорость периферии ковша, делает разворот в ведре и выпадает из раструба с нулевой скоростью.

В 1879 году Лестер Пелтон, экспериментируя с Рыцарским Колесом, разработал конструкцию двойного ведра, которая откачивала воду в сторону, устраняя некоторую потерю энергии Рыцарского колеса, которое истощало немного воды обратно в центр колеса. Примерно в 1895 году Уильям Добл усовершенствовал полуцилиндрическую форму ковша Пелтона, добавив в него эллиптическое ведро, в котором был вырез, чтобы струя могла входить в ковш более чистой формы.Это современная форма турбины Пелтона, эффективность которой сегодня достигает 92%. Пелтон был весьма эффективным пропагандистом своего дизайна, и хотя Добл принял на себя руководство компанией Пелтон, он не изменил название на Добл, потому что это было узнаваемым брендом.

Турбины Turgo и Crossflow были более поздними импульсными конструкциями.

Текущая вода направляется на лопатки рабочего колеса турбины, создавая силу на лопатках. Поскольку бегун вращается, сила действует на расстоянии (сила, действующая на расстоянии, - это определение работы).Таким образом, энергия передается от водяного потока к турбине.

Гидравлические турбины делятся на две группы; реактивные турбины и импульсные турбины.

Реакционные турбины [изменить | изменить источник]

На реакционные турбины воздействует вода, которая изменяет давление при движении через турбину и отдает свою энергию. Они должны быть закрыты, чтобы выдерживать давление воды (или всасывание), или они должны быть полностью погружены в поток воды.

Третий закон движения Ньютона описывает передачу энергии для реакционных турбин.

Большинство используемых водяных турбин являются реактивными. Они используются в приложениях с низким и средним напором.

Импульсные турбины [изменить | изменить источник]

Импульсные турбины изменяют скорость водяной струи. Струя толкает изогнутые лопатки турбины, которые реверсируют поток. Результирующее изменение количества движения (импульса) вызывает силу на лопатках турбины. Поскольку турбина вращается, сила действует через расстояние (работа), и отклоненный поток воды остается с уменьшенной энергией.

Перед ударом о лопасти турбины давление воды (потенциальная энергия) преобразуется соплом в кинетическую энергию и фокусируется на турбине. На лопатках турбины не происходит изменения давления, и турбина не требует корпуса для работы. Второй закон движения Ньютона описывает передачу энергии для импульсных турбин.

Импульсные турбины чаще всего используются в системах с очень высоким напором.

Power [изменить | изменить источник]

Мощность в потоке воды составляет;

P = η⋅ρ⋅g⋅h⋅v˙ {\ Displaystyle P = \ eta \ cdot \ rho \ cdot g \ cdot h \ cdot {\ dot {v}}}

где:

  • v˙ {\ displaystyle {\ dot {v}}} = расход (м 3 / с)

Накачиваемый резервуар [изменение | изменить источник]

Некоторые гидротурбины предназначены для гидроаккумулирующих установок.Они могут реверсировать поток и работать как насос для заполнения высокого резервуара в непиковые электрические часы, а затем возвращаться к турбине для выработки электроэнергии во время пикового потребления электроэнергии. Этот тип турбины обычно имеет конструкцию Дериаза или Фрэнсиса.

КПД [изменить | изменить источник]

Большие современные водяные турбины работают с механическим КПД более 90% (не путать с термодинамическим КПД).

Реакционные турбины:

Импульсные турбины:

Схема применения водяной турбины.

Выбор турбины в основном основан на имеющемся напоре воды и в меньшей степени на имеющемся расходе. Как правило, импульсные турбины используются для участков с высоким напором, а реактивные турбины - для участков с низким напором. Турбины Каплана хорошо адаптированы к широкому диапазону параметров потока или напора, поскольку их максимальная эффективность может быть достигнута в широком диапазоне условий потока.

Небольшие турбины (в основном менее 10 МВт) могут иметь горизонтальные валы, и даже довольно большие турбины колбочего типа мощностью до 100 МВт или около того могут быть горизонтальными.Очень большие машины Фрэнсиса и Каплана обычно имеют вертикальные валы, потому что это позволяет наилучшим образом использовать имеющуюся головку и делает установку генератора более экономичной. Колеса Пелтона могут быть как с вертикальными, так и с горизонтальными валами, потому что размер машины намного меньше имеющейся головки. В некоторых импульсных турбинах для увеличения удельной скорости и уравновешивания тяги вала используется несколько водяных форсунок для каждого рабочего колеса.

Типовой ассортимент головок [изменение | изменить источник]

  • Каплан 2 < H <40 ( H = напор в метрах)
  • Фрэнсис 10 < H <350
  • Пелтон 50 < H <1300
  • Turgo 50 < H <250
Турбины

рассчитаны на десятилетнюю работу при минимальном техническом обслуживании основных элементов; межремонтные интервалы составляют несколько лет.Техническое обслуживание бегунов и частей, подверженных воздействию воды, включает снятие, осмотр и ремонт изношенных частей.

Нормальный износ - это точечная коррозия, усталостное растрескивание и истирание взвешенными твердыми частицами в воде. Ремонт стальных элементов осуществляется сваркой, как правило, прутком из нержавеющей стали. Области повреждений вырезаются или шлифуются, а затем свариваются до их исходного или улучшенного профиля. К концу срока службы рабочих колес старых турбин таким образом может быть добавлено значительное количество нержавеющей стали.Для достижения высочайшего качества ремонта можно использовать тщательно продуманные процедуры сварки. [3]

Другие элементы, требующие осмотра и ремонта во время капитального ремонта, включают подшипники, сальниковую коробку и втулки вала, серводвигатели, системы охлаждения подшипников и обмоток генератора, уплотнительные кольца, элементы рычажного механизма калитки и все поверхности. [4]

Гидротурбины оказывают как положительное, так и отрицательное воздействие на окружающую среду.

Они являются одними из самых экологически чистых производителей энергии, заменяющих сжигание ископаемого топлива и устраняющих ядерные отходы.При сжигании ископаемого топлива образуется дым и пепел, а также токсичные газы, такие как окись углерода. Ядерные отходы испускают опасную радиацию, и их трудно утилизировать. Они используют возобновляемые источники энергии и рассчитаны на работу в течение десятилетий. Они производят значительные объемы электроэнергии в мире.

Исторически тоже были негативные последствия. Вращающиеся лопасти или закрытые рабочие колеса водяных турбин могут нарушить естественную экологию рек, убивая рыбу, останавливая миграции и нарушая жизнедеятельность людей.Например, у племен американских индейцев на северо-западе Тихого океана средства к существованию строились на ловле лосося, но агрессивное строительство плотин разрушило их образ жизни. С конца 20-го века стало возможным построить гидроэнергетические системы, которые отводят рыбу и другие организмы от водозаборов турбин без значительного ущерба или потери мощности; такие системы требуют меньше очистки, но их строительство значительно дороже. В Соединенных Штатах в настоящее время запрещено блокировать миграцию рыбы, поэтому строители плотин должны предоставлять рыбные лестницы.

  1. ↑ W. A. ​​Doble, The Tangential Water Wheel , Transactions of the American Institute of Mining Engineers, Vol. XXIX, 1899 г.
  2. ↑ W. F. Durrand, The Pelton Water Wheel , Стэнфордский университет, машиностроение, 1939.
  3. ↑ Клайн, Роджер: Процедуры капитального ремонта механических гидроагрегатов (Инструкции, стандарты и методы, том 2-7) ; Департамент внутренних дел США, Бюро мелиорации, Денвер, Колорадо, июль 1994 г. (800 КБ pdf).
  4. ↑ Отдел мелиорации Министерства внутренних дел США; Дункан, Уильям (отредактировано в апреле 1989 г.): Ремонт турбины (Инструкции, стандарты и методы, том 2-5) (1,5 МБ pdf).
.Газовая турбина

- Простая английская Википедия, бесплатная энциклопедия

Упрощенная схема газовой турбины

Газовая турбина , также называемая турбиной внутреннего сгорания , представляет собой тип двигателя внутреннего сгорания. Самая простая форма состоит из трех основных частей:

  • Ротационный газовый компрессор (SP на схеме) для сжатия воздуха
  • Камера сгорания, называемая камерой сгорания (KS на схеме), в которую впрыскивается топливо
  • Турбина (ТГ на схеме) на одном валу с компрессором

На схеме показана одновальная газовая турбина.Одна турбина приводит в движение компрессор и нагрузку, например, электрогенератор. Есть также двухвальные газовые турбины, с отдельными турбинами для привода компрессора и нагрузки. Двухвальные турбины лучше подходят для движения автомобильного и рельсового транспорта, потому что они могут дать больший крутящий момент на низкой скорости.

.

Смотрите также