Турбины дизельных двигателей – устройство и принцип работы

Запись на услуги

Начало массового производства грузовых машин с турбированным дизельным двигателем началось еще в 80-е годы, с развитием производства тяжёлых промышленных и сельскохозяйственных тракторов.

Дизельные моторы имеют гораздо большую степень сжатия воздуха, а их выхлопные газы – более низкую температуру. Требования к жаропрочности турбины гораздо меньше, а её стоимость и эффективность использования – больше. Турбокомпрессор выполняет задачу по нагнетанию воздуха под давлением в цилиндры мотора. Чем больше будет воздуха, тем больше топлива можно сжечь, что приведет к увеличению мощности двигателя без увеличения объема имеющихся цилиндров.

В нашем автосервисе можно произвести диагностику и ремонт дизельных турбин любых производителей. Специалисты сервиса работают на современном оборудовании (стендах), и имеют большой опыт. Монтаж и демонтаж на месте. Гарантия на работы 2 года.

Типы дизельных компрессоров

• Раздельный компрессор – имеет два сопла для каждой пары цилиндров, и два входа для отработавших газов. Первое сопло предназначено для быстрого реагирования, второе служит для максимальной производительности. В конструкции есть разделенные выпускные каналы. Это сделано для предотвращения перекрытия каналов при выпуске выхлопных газов.
• Компрессор с переменным соплом – турбина с изменяемой геометрией, применяется на моторах с маркировкой TDI от «Фольксваген». Здесь в конструкции имеется 9 подвижных лопастей. Они могут регулировать поток выхлопных газов, что идут к турбине. Угол наклона лопастей – регулируемый, что позволяет согласовать давление нагнетаемого воздуха и скорость движения газов с оборотами ДВС.

Для большей производительности на автомобиль может быть установлено два компрессора. Такие системы получили маркировку «Твин-турбо».

Устанавливаются данные механизмы последовательно.

При этом первая турбина работает на низких оборотах, а вторая на высоких. На V-образных моторах нагнетатели устанавливаются параллельно (на каждый ряд по одной турбине). Как показывает практика, установка двух небольших компрессоров значительно эффективнее, чем применение одного, но большого.

Устройство турбины дизельного двигателя

Турбонаддув имеет конструкцию из двух элементов: турбина и компрессор.

• Турбина состоит из корпуса с ротором внутри. Поскольку все элементы устройства взаимодействуют с газами высокой температуры, они изготавливаются из специальных материалов, невосприимчивых к такому воздействию.
• Компрессор усиливает поступление воздуха в топливную систему. Составные части компрессора находятся в алюминиевом корпусе. Внутри находится ротор, закрепленный на оси турбины. Вращаясь, ротор вбирает воздух: большая скорость вращения приводит к большему количеству попавшего внутрь воздуха. Для набора скорости существует турбина.

Ротор и ось, на которой он закреплен, вращаются в разных направлениях. Частота вращения довольно велика, поэтому элементы плотно прижимаются друг к другу.

Принцип работы дизельной турбины

• Компрессор обеспечивает поступление воздуха из окружающей среды, который смешивается с дизельным топливом и затем направляется в цилиндры
• Топливно-воздушная смесь загорается, начинают двигаться поршни. По ходу этого процесса образуются газы, поступающие в выпускной коллектор
• Скорость движения газов, оказавшихся в корпусе, значительно возрастает. Вступая во взаимодействие с ротором, они приводят его во вращающееся положение
• Вращение передается компрессорному ротору (за это отвечает вал), который снова втягивает новую порцию воздуха

Работа основывается на принципе: чем сильнее вращается ротор, тем больше поступает воздуха, но при этом ротор увеличивает скорость вращения, если количество воздуха возрастает.

Чтобы понять работу турбонаддува, надо уяснить что такое – турбоподхват и турбояма.

• Турбоподхват – ситуация, когда набравший скорость ротор увеличивает поступление воздуха в цилиндры, следствием чего становится повышение мощности двигателя.
• Турбояма – момент небольшой задержки, наблюдаемый в работе турбины при увеличении количества поступившего горючего, что достигается нажатием на педаль газа. Задержка вызвана временем, которое нужно ротору для его разгона газами.
  Крыльчатка турбокомпрессора способна развивать до двухсот тысяч оборотов в минуту, благодаря чему данное устройство отличается большой инерционностью или, говоря иначе, имеет «турбо-яму», которая проявляется при резком нажатии на педаль газа. В этот момент крыльчатка медленно приводится в движение, и приходится некоторое время ждать, чтобы автомобиль начал набирать скорость.
  
  Этот эффект имеет продолжительность всего несколько секунд, но, тем не менее, он не доставляет особого удовольствия при разгоне машины. На сегодняшний день производители смогли устранить эффект «турбо-ямы» путем установки двух перепускных клапанов. Один предназначен для выработанных газов, задача второго состоит в том, чтобы перепускать избыток воздуха в трубопровод турбокомпрессора из впускного коллектора.
  Благодаря этой системе обороты крыльчатки при сбросе газа уменьшаются в замедленном темпе, в то время как при резком нажатии на педаль акселератора происходит поступление воздушной массы в двигатель в полном объеме.

Турбонаддув увеличивает давление отработанных газов за счет более интенсивной работы двигателя. В то же самое время повышается и давление наддува: этот процесс требует контроля и регулировки, поскольку при достижении высоких значений велика вероятность поломки. Функции регулировки давления возложены на клапан, контролем предельно возможных значений занимаются мембрана и пружина с определенными значениями жесткости (когда достигается максимально допустимая величина, мембрана открывает клапан).

Контроль давления при работе турбины

• Компрессор через клапан, дабы снизить давление, сбрасывает лишний забранный воздух;
• Когда давление поступившего воздуха достигает максимально допустимой величины, клапан выпускает газы, и ротор вращается с требуемой скоростью, а компрессор всегда забирает только нужное количество воздуха.

Правила эксплуатации

Чтобы дизельная турбина работала с максимальным КПД и как можно дольше не выходила из строя, нужно придерживаться определенных правил в процессе эксплуатации автомобиля:

• Придерживаться графика замены масла, что позволит не допустить засорения маслопровода абразивами;
• Использовать качественное моторное масло, соответствующее по характеристикам в паспорте двигателя;
• Не трогаться сразу после включения мотора – движок должен быть прогрет;
• Сразу после прекращения движения не выключать двигатель, дав ему хотя бы 10 секунд поработать на холостых оборотах.

Использование двух турбокомпрессоров

Также все чаще стали выпускаться дизельные двигатели с двумя турбинами (Bi-Turbo), что позволяет производителям не только добиваться потрясающий мощности от дизельных автомобилей, но снижать уровень вредных веществ в выхлопе до рекордных значений.

Недавно также стали появляться турбины, которые могут работать, как от электричества, так и традиционно от газа, поступающего из выхлопной системы. Благодаря этому инженеры добились максимальной мощности и крутящего момента при небольших оборотах двигателя.

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.

Когда воздух сжимается, он нагревается, а при нагревании воздух расширяется. Поэтому повышение давления от турбокомпрессора происходит в результате нагревания воздуха до его впуска в двигатель. Для того, чтобы увеличить мощность двигателя, необходимо впустить в цилиндр как можно больше молекул воздуха, при этом не обязательно сжимать воздух сильнее.

Дополнительные устройства

Охладитель воздуха или охладитель наддувочного воздуха является дополнительным устройством, которое выглядит как радиатор, только воздух проходит как внутри, так и снаружи охладителя. При впуске воздух проходит через герметичный канал в охладитель, при этом более холодный воздух подается снаружи по ребрам при помощи вентиляторов охлаждения двигателя.

Охладитель увеличивает мощность двигателя, охлаждая сжатый воздух от компрессора перед его подачей в двигатель. Это значит, что если турбокомпрессор сжимает воздух под давлением 7 фунт/дюйм2 (0,5 бар), охладитель осуществит подачу охлажденного воздуха под давлением 7 фунт/дюйм2 (0,5 бар), который является более плотным и содержит больше молекул, чем теплый воздух. 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.

При установке мощного турбокомпрессора на двигатель с впрыском топлива, система может не обеспечить необходимое количество топлива — либо программное обеспечение контроллера не допустит, либо инжекторы и насос не смогут осуществить необходимую подачу. В этом случае необходимо осуществлять уже другие модификации для максимального использования преимуществ турбокомпрессора.

Турбины с изменяемой геометрией (VNT)

Она также известна под названием – трубина с переменным соплом. Данный тип турбины используется в дизельных двигателях. Девять подвижных лопастей, установленных в турбокомпрессоре, регулируют прохождение потока газов к турбине. Увеличение и блокировка потока газов достигается при помощи привода, регулирующего угол наклона девяти лопастей. Скорость потока газов и давление нагнетаемого воздуха согласуются с количеством оборотов двигателя во время изменения угла наклона лопастей.

Некоторые двигатели используют несколько турбокомпрессоров. Возможно использование двух (Твин Турбо), трех или же четырёх. В таких конструкциях они устанавливаются последовательно. Первый используется при низких оборотах, второй при высоких. Также существует схема установки компрессоров, при которой они располагаются параллельно друг другу. Такая система используется на V-образных двигателях. На каждый ряд цилиндров приходится по компрессору.

Вернуться в блог статей

Полезные статьи из блога

• Ремонт неисправностей клапана Вестгейт (WestGate)
• Как заменить или установить новую турбину
• Основные причины поломки турбокомпрессора
• Что такое турбина (турбонаддув) – виды, принцип работы

назначение, принцип работы и обслуживание

Дисульфидмолибденовые материалы MODENGY и EFELE

Паста Molykote P-40 для дуговых электропечей

Смазочные материалы для пастеризатора

Герметики DOWSIL

Энергетические турбины представляют собой валы с лепестками, предназначенные для преобразования входящих потоков газов в механическую энергию для движения электрогенератора.

Они используются в различных электростанциях для обеспечения населения светом и теплом, в транспорте, насосных станциях для перекачки углеводородов и других отраслях промышленности.

Система состоит из ротора с прикрепленными к нему лопатками. Один вращающийся диск составляет ступень турбины. Их количество и размер зависит от необходимой производительности установки.

Рабочими телами турбины называются потоки газа или пара, с помощью которых вал приводится в движение.

Перед попаданием на лепестки вода и газ проходят через камеру сгорания и получившийся пар или расширенный газ поступает в турбину, где энергия рабочих тел превращается в механическую работу вала. Данный процесс приводит в действие электрогенератор.

Системы, преобразующие входящие тела и сама турбина образуют вместе турбинную установку.

Обслуживание энергетических турбин

Диски турбин вращаются с очень высокими скоростями при больших нагрузках и экстремальных температурах. Это значительно сказывается на сроке службы деталей и механизмов, входящих в систему.

Конструкторы постоянно предпринимают попытки увеличения производительности турбин при снижении их габаритов и затрат на обслуживание.

Для этого необходимо решать задачи по снижению трения и износа узлов оборудования. С этой целью начинают использовать инновационные смазочные материалы, которые, в отличие от привычных смазок, обеспечивают долговременную защиту деталей от коррозии и износа. Они не выдавливаются при высоких нагрузках, не выгорают при высоких температурах и обеспечивают снижение трения деталей.

Для легкой сборки и демонтажа, а также снижения износа лопаток турбин на их хвостовики наносят антифрикционное твердосмазочное покрытие MODENGY 1001.

Рис. 1. Лопатки турбин до и после нанесения покрытия MODENGY на хвостовики

Для подшипников скольжения турбин применяют MODENGY 1001 и MODENGY 1002, прессовых посадок — MODENGY 1005, ходовых винтов — MODENGY 1001, клапанов стравливания пара ТЭЦ — MODENGY 1001 и MODENGY 1007, конденсатоотводчиков — MODENGY 1001, крепежных изделий — MODENGY 1014.

Классификация энергетических турбин

Самая распространенная типология турбинных установок основана на входящих рабочих веществах. Агрегаты делятся на паровые, газовые, парогазовые и газопаровые.

Паровые установки на входе используют воду. После камеры сгорания она преобразуется в горячий пар, который подается на лопасти турбины.

Преимуществом газовых турбин является отсутствие изменения агрегатного состояния тела. Газ внутри такой системы функционирует при более высокой температуре, чем в паровой, что способствует увеличению коэффициента полезного действия. При одинаковой производительности газовые установки имеют гораздо меньший вес и габариты, что позволяет сэкономить рабочее пространство и материал на изготовление агрегата.

Рис. 2. Первая газовая турбина российского производства

В структуре мировой энергетики увеличивается количество газотурбинных установок. Они более надежны и производительны.

Энергетические турбины являются самыми распространенными приводными установками на электрических станциях. Их производство характеризуется высокой наукоемкостью и затратностью. Совершенствование узлов трения этих агрегатов является одним из направлений современного турбостроения.

 

Как работает паровая турбина?

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

Первая паровая турбина

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

Как из пара получается так много энергии?

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

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

Как работает паровая турбина?

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

Как работают лопасти турбины?

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

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

Важность гибкого управления вращающимися турбинами

Поскольку через паровые турбины проходит столько энергии, необходимы механизмы управления, которые могут регулировать их скорость, управлять потоком пара и изменять температуру внутри системы. Поскольку большинство паровых турбин используются на крупных электростанциях, требующих нагрузки по требованию, возможность регулировать поток пара и общую выработку энергии является необходимостью.

Как системы управления Petrotech могут повысить эффективность вашего паротурбинного генератора

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

Как работает ветряк?

Ветряные турбины могут превращать энергию ветра в электричество, которое мы все используем для питания наших домов и предприятий. Они могут быть автономными, снабжая только один или очень небольшое количество домов или предприятий, или они могут быть сгруппированы, чтобы стать частью ветряной электростанции. Здесь мы объясняем, как они работают и почему они важны для будущего энергетики.

Что такое ветряк?

Ветряные турбины — современная версия ветряной мельницы. Проще говоря, они используют силу ветра для создания электричества.

Наиболее заметны большие ветряные турбины, но вы также можете купить маленькую ветряную турбину для индивидуального использования; например, для обеспечения электроэнергией каравана или лодки.
 

Что такое ветряная электростанция?

Ветряные электростанции представляют собой группы ветряных турбин. Впечатляет мысль о том, что электричество, которое питает так много в нашей жизни — от зарядки наших телефонов до возможности приготовить чашку кофе или заправить электромобиль — могло начаться как простой порыв ветра.
 

Как работают ветряные турбины?

Сначала давайте начнем с видимых частей ветряной электростанции, которые мы все привыкли видеть, — высоких белых или бледно-серых турбин. Каждая из этих турбин состоит из набора лопастей, коробки рядом с ними, называемой гондолой, и вала. Ветер — даже легкий бриз — заставляет лопасти вращаться, создавая кинетическую энергию. Лопасти, вращающиеся таким образом, также заставляют вращаться вал в гондоле, а генератор в гондоле преобразует эту кинетическую энергию в электрическую энергию.
 

Что дальше будет с электричеством, вырабатываемым ветряной турбиной?

Для подключения к национальной сети электроэнергия затем проходит через трансформатор на объекте, который повышает напряжение до напряжения, используемого национальной системой электроснабжения.

Именно на этом этапе электричество обычно поступает в сеть передачи National Grid , готовое к передаче, чтобы в конечном итоге его можно было использовать в домах и на предприятиях. В качестве альтернативы ветряная электростанция или отдельная ветряная турбина могут генерировать электроэнергию, которая используется в частном порядке отдельными или небольшими домами или предприятиями.

 

Почему ветряные турбины обычно белого или бледно-серого цвета?

Ветряные турбины, как правило, бывают либо белыми, либо очень бледно-серыми — идея состоит в том, чтобы сделать их визуально ненавязчивыми. Ведется дискуссия о том, следует ли красить их в другие цвета, особенно в зеленый, в некоторых местах, чтобы помочь им лучше слиться с окружающей средой.

В Соединенных Штатах Федеральное авиационное управление требует, чтобы турбины были белыми или почти белыми, но в других юрисдикциях требуется дополнительная маркировка, обычно на концах лопастей.
 

Насколько сильным должен быть ветер, чтобы работала ветряная турбина?

Ветряные турбины обычно работают со скоростью от 7 миль в час (11 км/ч) до 56 миль в час (90 км/ч). Эффективность обычно максимальна при скорости около 18 миль в час (29 км/ч), а максимальная мощность достигается при скорости 27 миль в час (43 км/ч).
 

Где расположены ветряные электростанции?

Ветряные электростанции, как правило, располагаются в самых ветреных местах, чтобы максимизировать вырабатываемую ими энергию.

Ветряные электростанции могут быть наземными или морскими; морские ветряные электростанции расположены в море, тогда как наземные ветряные электростанции расположены на суше, обычно на полях или в более сельских районах, где здания и препятствия не прерывают воздушный поток.

Узнайте больше о различиях между береговой и морской ветряной электростанцией
 

Где была первая ветряная турбина и первая ветряная электростанция?

Самая первая ветряная турбина, производившая электричество, была создана профессором Джеймсом Блитом в его доме отдыха в Шотландии в 1887 году. Она была 10-метровой высоты и имела парусное полотно.

Первая в мире ветряная электростанция открылась в Нью-Гемпшире в США в 1980 году.
 

Вредны ли ветряные электростанции для птиц?

Дело в том, что изменение климата представляет наибольшую долгосрочную угрозу для птиц и других диких животных. А возобновляемая энергия, ключевым компонентом которой являются ветряные турбины, необходима для сокращения парниковых газов .