Описание и принцип работы турбонаддува двигателя

Общее устройство и принцип действия ГТУ

Газотурбинные установки (ГТУ) – тепловые машины, в которых тепловая энергия газообразного рабочего тела преобразуется в механическую энергию.

Основными компонентами являются: компрессор, камера сгорания и газовая турбина.

Для обеспечения работы и управления в установке присутствует комплекс объединенных между собой вспомогательных систем. ГТУ в совокупности с электрическим генератором называют газотурбинным агрегатом.

Вырабатываемая мощность одного устройства составляет от двадцати киловатт до десятков мегаватт.

Это классические газотурбинные установки. Производство электроэнергии на электростанции осуществляется при помощи одной или нескольких ГТУ.

История развития и современные проблемы производства тепловых двигателей

Первые тепловые двигатели имели очень низкий КПД, например, первый паровоз (рис. 6), который был создан в начале XIX века, имел коэффициент полезного действия около 3%, а последние паровозы (рис. 7), которые ходили по железным дорогам в прошлом веке, имели КПД повыше – около 7–9%.

Рис. 6. Первый паровоз. (Источник)

Рис. 7. Один из последних паровозов. (Источник)

Тем не менее, даже при таких низких значениях КПД данные транспортные средства очень активно эксплуатировались, т. к. более совершенных агрегатов на то время попросту не было. На сегодняшний день КПД тепловых двигателей, конечно, гораздо выше, например, дизельный двигатель (рис. может иметь КПД до 40%, что является очень неплохим показателем. Паровая турбина (рис. 9) может достигать еще более оптимального значения КПД в 60%, на сегодняшний день это наилучший показатель среди всех видов тепловых двигателей.

Рис. 8. Дизельный двигатель

Рис. 9. Современная паровая турбина. (Источник)

В конце занятия следует отметить очень важную тенденцию в развитии современного двигателестроения. Как мы видели, основные принципы работы тепловых двигателей уже давно открыты и получены эффективные технологии их изготовления, но возникает проблема экологичности их использования. Поскольку все тепловые двигатели потребляют топливо, то от них неизбежно возникают вредные выбросы в окружающую среду. Так вот одной из основных задач науки и техники в этой области является минимизация нанесения вреда окружающему нас миру от продуктов деятельности подобных устройств.

Тепловые двигатели на сегодняшний день уже являются объектами прошлого, и на первый план выходят двигатели иного принципа работы, о них мы поговорим в будущем.

На следующем уроке мы займемся решением задач по теме «КПД».

Список литературы

1. Генденштейн Л. Э, Кайдалов А. Б., Кожевников В. Б. Физика 8 / Под ред. Орлова В. А., Ройзена И. И. – М.: Мнемозина.
2. Перышкин А. В. Физика 8. – М.: Дрофа, 2010.
3. Фадеева А. А., Засов А. В., Киселев Д. Ф. Физика 8. – М.: Просвещение.

Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

1. Кафедра теоретической физики (Источник).
2. Классная физика (Источник).
3. YouTube (Источник).

Домашнее задание

1. Стр. 56: вопросы № 1–3; стр. 57: вопросы № 1–4, задание № 5. Перышкин А. В. Физика 8. – М.: Дрофа, 2010.
2. Каков КПД теплового двигателя, который совершил полезную работу 70 кДж, если при полном сгорании топлива выделилась бы энергия 200 кДж?
3. При сгорании топлива в тепловом двигателе выделилось количество теплоты 200 кДж, а холодильнику передано количество теплоты 120 кДж. Каков КПД теплового двигателя?
4. Автомобиль прошел 100 км со средней скоростью 40 км/ч. При этом он израсходовал 8 л бензина. Какую среднюю мощность развивал двигатель автомобиля, если его КПД 30%?

Срок службы турбокомпрессора

Еще недавно турбокомпрессоры были ненадежны и часто выходили из строя, даже при надлежащем уходе. Современные компрессоры стали более надежны и некоторые из них имеют срок службы сравнимым с ресурсом двигателя. Тем не менее, для того чтобы турбина проработала как можно дольше, она нуждается в обслуживании и регулярном техническом осмотре для выявления на начальном этапе каких-либо неисправностей.

Во-первых, владельцы турбированных автомобилей ни в коем случае не должны затягивать с плановой заменой моторного масла и воздушного фильтра, поскольку даже малейшее загрязнение фильтра и масла могут негативно сказываться на работоспособности турбины и ее срока службы. То есть, если в автомобиле с обычным двигателем вы можете без особого вреда запаздывать с плановой заменой масла и воздушного фильтра, то в турбированных силовых агрегатах плановое ТО должно быть проведено даже немного раньше, чем рекомендовано автопроизводителем. Особенно это касается нашей страны, где качество топлива оставляет желать лучшего.

Также турбины требуют постоянной диагностики, чтобы вовремя заметить возможные неисправности. Главная задача не допустить увеличения давления наддува, которое может не только вывести из строя турбокомпрессор, но и серьезно повредить двигатель.

Чистка турбины

Восстановить рабочее состояние агрегата можно путем его очистки, для этого его предварительно надо разобрать. Выполняется эта процедура в гаражных условиях.

Что понадобится?

Чтобы разобрать агрегат и выполнить его очистку, подготовьте:

• гаечный ключ на 10;
• ключ звездочку на 20;
• молоток;
• отвертку с плоским наконечником;
• средство WF-40;
• наждачную бумагу.

Алгоритм действий

Процедура очистки выполняется так:

Отверстия для моторной жидкости надо предварительно закрыть. Это обеспечит качественную герметизацию агрегата и позволит не допустить попадания в него сторонних предметов.
Выкручиваются шесть винтов по кругу агрегата. Три элемента крепления предназначены для фиксации скобы актуатора. После выкручивания актуатор отключается от турбины, для этого выполняется демонтаж стопорного кольца, используется отвертка. Действие выполняется аккуратно, чтобы не повредить кольцо.
С помощью наждачной бумаги производится зачистка стыковой части картриджа с горячей улиткой. Выполняется очистка канавки, после чего в нее заливается средство WD-40

Лучше оставить агрегат в таком состоянии на ночь, это позволит качественно окиснуть всем загрязнениям.
Затем осторожно надо постучать молотком по горячей крыльчатке. Обстукивание производится по кругу и без фанатизма, чтобы не допустить повреждения агрегата

Для большего удобства холодную крыльчатку можно зажать в тиски
Обстучав агрегат несколько минут, горячая крыльчатка может отсоединиться от картриджа, но важно, чтобы она отходила равномерно. Если в итоге так называемая улитка будет перекошена, это приведет к ее повреждению.
Картридж с холодной крыльчаткой разбирать не нужно, разбору подлежит только горячая составляющая
Производится демонтаж направляющих роликов, извлечение кольца, которое связывает лопатки. После этого выкручиваются три винта ключом-звездочкой. Выполнив эту задачу, между корпусом агрегата и крыльчаткой можно увидеть три шайбы их потерять нельзя.
Производится вычищение продуктов нагара из корпуса крыльчатки, а также геометрии. Для удаления загрязнений устройство можно поместить в емкость с дизельным топливом. Допускается использование специальных насадок на дрель либо наждачной бумаги. Суть в том, чтобы произвести разбор и очистку каждой лопатки отдельно. Если эти элементы цепляются за корпус крыльчатки, их надо немного подточить.
После выполнения очистки процедура сборки выполняется в обратной последовательности. При затягивании винтов ключом-звездочкой нельзя переусердствовать, иначе элементы крепления можно сорвать.

Важные моменты работы с турбированным двигателем

• чтобы турбированный двигатель служил долго, его перед каждой поездкой следует тщательно прогревать на низких оборотах как минимум в течение 2 минут;
• масло, заливаемое в турбокомпрессор, должно быть качественным. Да, оно стоит дорого, однако экономия в этом случае ни к чему хорошему не приведёт;
• необходимо регулярно контролировать состояние как воздушных, так и масляных фильтров автомобиля, так как даже незначительное загрязнение этих элементов может нанести двигателю непоправимый ущерб;
• следует помнить, что турбированный двигатель нуждается в обкатке. Его нельзя подвергать серьёзным нагрузкам до тех пор, пока он не пройдёт как минимум 2 тыс. километров. Всё это время давление в компрессоре не должно превышать отметку в 0.6 бар;
• мотор с компрессором не стоит глушить сразу. Лучше дать ему возможность поработать на холостых оборотах как минимум одну минуту. Это остудит турбину;

Несмотря на ряд минусов, после установки турбокомпрессора водителя ждут перемены к лучшему. У мотора не только увеличится мощность, но и серьёзно снизится «прожорливость», так как в турбированной машине около 30% несгоревшего бензина не выбрасывается в атмосферу, а используется повторно

Так что при соблюдении вышеперечисленных мер предосторожности водитель не только сможет ездить быстрее, но ещё и неплохо сэкономит

Установка турбины своими руками – это один из самых эффективных способов улучшить динамические и скоростные показатели вашего автомобиля. Благодаря установке турбокомпрессора (турбонаддува) вы сможете увеличить мощность своего транспортного средства, что будет чувствоваться практически сразу. Не существует таких водителей, которые не хотели бы хоть немного улучшить характеристики своего железного товарища.

Подобные желания и заставляют автомобилистов проводить установку нагнетателя на машину. Своими руками или нет – это зависит от вашего финансового положения и наличия свободного времени. Данная процедура не из дешевых, поэтому единственное, на чем вы сможете сэкономить, не подвергнув свое здоровье риску из-за покупки дешевых деталей, это услуги автомехаников. О том, как провести установку турбокомпрессора на ВАЗ, Шевроле или любой другой автомобиль, пойдет речь в нашей статье.

Исходя из вышеуказанного, вы, наверное, уже успели догадаться, что турбонаддув или турбина – это неплохой способ увеличить мощность двигателя вашего автомобиля, не увеличивая при этом его «аппетит». Теперь давайте разберемся с устройством турбины.

Так выглядит конструкция турбины автомобиля

Хотелось бы отметить, что используя турбину, вы окажете пользу для окружающей среды. Эта польза состоит в том, что работа механизма основывается на использовании выхлопных газов, из которых турбина потребляет энергию.

Попадая на крыльчатку турбины, отработанные газы заставляют ее раскручиваться. Это и приводит в движение располагающиеся на том же валу лопасти компрессора.

К преимуществам турбокомпрессора стоит отнести:

• возможность увеличения мощности двигателя от 25 до 40 процентов;
• оказание пользы для окружающей среды;
• установить агрегат можно практически на любой автомобиль;
• выполнять данную операцию можно без помощи специалистов.

Благодаря вращательным движениям лопастей в цилиндрах двигателя начинает нагнетаться воздух. Это и обогащает топливную смесь под искусственным наддувом. В результате сгорания обогащенного топлива мощность двигателя увеличивается.

Единственным минусом данной системы, кроме ее стоимости, является сильное нагревание, что происходит в результате сгорания большого количества топлива и нагнетаемого кислорода. Результатом такого перегрева может стать и взрыв турбины, но разработчики сумели решить данную проблему. Все оказалось довольно просто – установка интеркуллера на турбокомпрессор, который играет роль обычного радиатора.

Как увеличить срок службы турбокомпрессора?

Турбокомпрессор нуждается в постоянной масляной смазке. Когда вы запускаете автомобиль, то, как правило, первые секунды турбокомпрессор работает в режиме нехватки масляной смазки. Поэтому не советуем владельцев турбированных автомобилей трогаться с места сразу после запуска двигателя. Так что после того, как вы запустили мотор, подождите около 30 секунд, пока турбина равномерно не смажется маслом.

В крайнем случае вы можете все-таки тронуться с места сразу после запуска двигателя, но в таком случае езжайте на небольшой скорости (на низких оборотах двигателя). Таким образом вы избежите преждевременного износа внутренних компонентов турбины.

Также не советуем вам выключать двигатель после движения на высокой скорости. Дело в том, что если после движения на больших оборотах двигателя вы сразу заглушите мотор, то турбина еще будет крутиться по инерции еще около 20 секунд фактически без смазки, поскольку система масляной смазки работает только при включенном двигателе.

Кроме того, чтобы турбина преждевременно не вышла из строя, вы должны использовать моторное масло, только рекомендованное автопроизводителем. Желательно, если вы будете приобретать масло у официальных дилеров. Так вы снизите риск купить поддельное некачественное моторное масло, которое может не только в короткий срок вывести турбокомпрессор из строя, но и существенно снизить ресурс двигателя.

Типы и характеристики турбокомпрессоров

Сегодня существует большое разнообразие турбокомпрессоров, но их можно разделить на группы по назначению и применимости, типу используемой турбины и дополнительному функционалу.

По назначению турбокомпрессоры можно разделить на несколько типов:

• Для одноступенчатых систем наддува — один турбокомпрессор на двигатель, либо два и более агрегатов, работающих на несколько цилиндров;
• Для последовательных и последовательно-параллельных систем надува (различные варианты Twin Turbo) — два одинаковых или разных по характеристикам агрегата, работающих на общую группу цилиндров;
• Для двухступенчатых систем наддува — два турбокомпрессора с различными характеристиками, которые работают в паре (последовательно друг за другом) на одну группу цилиндров.

Наиболее широкое применение находят одноступенчатые системы наддува, построенные на основе одного турбокомпрессора. Однако такой системе может присутствовать два или четыре одинаковых агрегата — например, в V-образных двигателях используются отдельные турбокомпрессоры на каждый ряд цилиндров, в многоцилиндровых моторах (более 8) могут применяться четыре турбокомпрессора, каждый из которых работает на 2, 4 или более цилиндров. Меньшее распространение получили двухступенчатые системы наддува и различные вариации Twin-Turbo, в них используется два турбокомпрессора с различными характеристиками, которые могут работать только в паре.

По применимости турбокомпрессоры можно условно разделить на несколько групп:

• По типу двигателя — для бензиновых, дизельных и газовых силовых агрегатов;
• По объему и мощности двигателя — для силовых агрегатов малой, средней и большой мощности; для высокооборотистых двигателей, и т.д.

Турбокомпрессоры могут оснащаться турбиной одного из двух типов:

• Радиальной (радиально-осевой, центростремительной) — поток отработавших газов подается на периферию крыльчатки турбины, движется к ее центру и выводится в осевом направлении;
• Осевой — поток отработавших газов подается вдоль оси (к центру) крыльчатки турбины и выводится с ее периферии.

Сегодня применяются обе схемы, но на двигателях небольшого объема чаще можно встретить турбокомпрессоры с радиально-осевой турбиной, а на мощных силовых агрегатах предпочтение отдается осевым турбинам (хотя это и не является правилом). Независимо от типа турбины, все турбокомпрессоры оснащаются центробежным компрессором — в нем воздух подается к центру крыльчатки и отводится от ее периферии.

Современные турбокомпрессоры могут иметь различный функционал:

• Двойной вход — турбина имеет два входа, на каждый из них поступают отработавшие газы от одной группы цилиндров, такое решение снижает перепады давления в системе и улучшает стабильность наддува;
• Изменяемая геометрия — турбина имеет подвижные лопасти или скользящее кольцо, посредством которых можно изменять поток отработавших газов на рабочее колесо, это позволяет изменять характеристики турбокомпрессора в зависимости от режима работы двигателя.

Наконец, турбокомпрессоры отличаются основными эксплуатационными характеристиками и возможностями. Из основных характеристик этих агрегатов следует выделить:

• Степень повышения давления — отношение давления воздуха на выходе компрессора к давлению воздуха на входе, лежит в пределах 1,5-3;
• Подача компрессора (расход воздуха через компрессор) — масса воздуха, проходящая через компрессор за единицу времени (секунду), лежит в пределах 0,5-2 кг/с;
• Рабочий диапазон оборотов — лежит в пределах от нескольких сотен (для мощных тепловозных, промышленных и иных дизелей) до десятков тысяч (для современных форсированных двигателей) оборотов в секунду. Максимальная скорость ограничена прочностью рабочих колес турбины и компрессора, при слишком высокой скорости вращения за счет центробежных сил колесо может разрушиться. В современных турбокомпрессорах периферийные точки колес могут вращаться со скоростями 500-600 и более м/с, то есть — в 1,5-2 раза быстрее скорости звука, это и обуславливает возникновение характерного свиста турбины;
• Рабочая/максимальная температура отработавших газов на входе в турбину — лежит в пределах 650-700°С, в отдельных случаях достигает 1000°С;
• КПД турбины/компрессора — обычно составляет 0,7-0,8, в одном агрегате КПД турбины обычно меньше КПД компрессора.

Типовая схема системы агрегатного наддува воздуха ДВС

Также агрегаты отличаются размерами, типом монтажа, необходимостью применять вспомогательные компоненты и т.д.

Система смазки

Смазка вала турбонагнетателя осуществляется смазочной системой двигателя.

На вал устанавливают уплотнительные кольца, предотвращающие проникновение масла в полости корпусов компрессора и турбины. Они же предохраняют корпуса от перегрева. Но герметичность обеспечивается не столько уплотнениями, сколько разностью величины давления в различных частях агрегата. Эту разницу давлений создает турбинная ось (вал), имеющая неравномерный диаметр.

Особая форма литья корпуса, в котором расположен вал, также способствует удержанию масла.

Если мотор не развивает требуемую мощность, это может быть симптомом неисправности турбонаддува. Наиболее часто встречающиеся проблемы — загрязнение воздушного фильтра или потеря герметичности впускного коллектора. Кроме потери мощности, их можно диагностировать по несвойственному для исправной машины цвету и количеству дыма, выходящего из выхлопной трубы.

Конструкция турбокомпрессора

Принцип работы совокупности турбонаддува

Турбонаддув включает в собственную конструкцию воздухозаборник с воздушным фильтром, дроссельную заслонку, турбокомпрессор, интеркулер (охладитель наддувочного воздуха), элементы управления и впускной коллектор. Все эти элементы связаны между собой напорными шлангами и патрубками.

Главным элементом всей данной совокупности есть турбокомпрессор, потому, что он снабжает нагнетание воздуха под давлением в совокупность. Состоит он из двух колес, посаженных на один ротор. Корпус компрессора складывается из двух камер, в каждую из которых помещено собственный колесо.

Автомобильный турбокомпрессор в разрезе

Первое колесо компрессора – турбинное. Оно принимает на себя энергию отработавших газов и через ротор перелает его на второе колесо. Другими словами, турбинное колесо есть ведущим.

Потому, что оно трудится с разогретыми газами, то изготавливается это колесо, и кроме этого его камера из жаропрочных материалов.

Второе колесо – компрессорное. Оно приобретает вращение от ведущего колеса и есть ведомым. Данное колесо засасывает через воздухозаборник воздушное пространство, сжимает его, повышая давление, и перепускает его дальше.

Свободное вращение ротора обеспечивается наличием подшипников скольжения. Эти подшипники – плавающие, другими словами между ними, корпусом и ротором обеспечивается зазор. Смазка этих подшипников производится от совокупности смазки мотора.

Дабы масло не вытекало наружу, и не попадало в атмосферу либо обработанные газы, в конструкции употребляются уплотнительные кольца.

1 – крыльчатка турбины; 2 – крыльчатка компрессора; 3 – вал; 4 – подшипниковый узел; 5 – штуцер подачи масла; 6 –регулятор. давления наддува.

В большинстве турбонаддувов употребляется воздушная совокупность охлаждения, но на некоторых бензиновых двигателях видится и жидкостная совокупность охлаждения компрессора, входящая с состав совокупности охлаждения двигателя.

Интеркулер включен в совокупность турбонаддува для обеспечения охлаждения сжатого воздуха. На протяжении работы турбокомпрессора воздушное пространство разогревается, что ведет к понижению его плотности. При охлаждении плотность опять возрастает и увеличивается давление. Интеркулер представляет собой простой радиатор.

Он может охлаждать воздушное пространство как при помощи воздушного, так и жидкостного охлаждения. По окончании интеркулера воздушное пространство подается во впускной коллектор, а после этого уже – в цилиндры.

В турбонаддув входят элементы управления, каковые снабжают верное функционирование. Главным элементом управления есть регулятор давления. Этот регулятор представляет собой перепускной клапан. Данный клапан регулирует количество подаваемых отработанных газов на турбинное колесо.

Этот клапан трудится на базе показаний датчика давления наддува, входящий в совокупность управления двигателем. Данный клапан снабжает подачу лишь нужного количества отработанных газов, остальные пуская в обход турбокомпрессора.

Кроме этого в совокупность управления турбонаддува смогут входить еще один клапан– предохранительный, что устанавливается за компрессором. Он снабжает защиту от вероятных скачков давления в совокупности при резком закрытии дросселя. Данный клапан может или стравливать избыток давления, или перегонять лишний воздушное пространство на вход в турбокомпрессор.

Устройство турбонаддува

Турбина двигателя, работающего на бензине, состоит из таких элементов:

1. Корпус подшипников, размещающий в себе ротор с валом и кольцами с лопастями. Вращаясь, они перенаправляют воздух в цилиндры.
2. Каналы, проходящие через весь корпус. Их функция заключается в доставке масла к вращающимся и трущимся друг о друга элементам, что способствует увеличению срока их службы.
3. Подшипник скольжения, гарантирующий плавную работу ротора, смазываемого и охлаждаемого маслом.
4. Корпус, по форме чем-то напоминающий улитку, защищающий составные элементы механизма от механических повреждений.

Небольшой прирост или солидное увеличение мощности

Существует несколько способов форсирования силовой установки без турбонаддува. Можно произвести ряд доработок конструкции головки блока цилиндров, обеспечить установку спортивных распредвалов, поставить фильтр нулевого сопротивления, улучшить продувку и тем самым обеспечить подачу большего количество воздуха в цилиндры при  езде в режиме максимально высоких оборотов.

Вполне можно и вовсе не стремится менять количество поступающего в мотор воздуха, а вместо этого увеличить степень сжатия и перейти на использование горючего с более высоким октановым числом. Доступно даже расточить цилиндры и нарастить их объем. Это также позволит увеличить КПД Вашего мотора.

Все указанные способы уместны и работают, но только тогда, когда мощность планируется увеличить всего на 15-20%.

Если речь заходит о кардинальных изменениях и значительном увеличении мощности мотора, тогда без компрессора уже не обойтись. Наиболее эффективным методом будет установка турбокомпрессора. Более того, установка турбонаддува способна увеличить мощность  любого специально подготовленного для таких возросших нагрузок мотора.

В предыдущих статьях мы поверхностно  перечислили основные элементы системы турбонаддува. Теперь давайте подробнее рассмотрим те главные этапы и процессы, когда сначала воздух проходит в системе с установленным турбокомпрессором, а затем отработавшие газы приводят в действие компрессор. Для примера возьмем турбокомпрессор дизельного ДВС.

• В самом начале пути воздух пропускается через воздушный фильтр и оказывается на входе в турбокомпрессор;
• Внутри турбонагнетателя попавший туда воздух проходит процесс сжатия. При этом возрастает количество необходимого для эффективного сгорания топливно-воздушной смеси кислорода на единицу объема воздуха. В этот самый момент сжатия проявляется нежелательный в данном случае эффект нагрева воздуха от сжатия и снижение его плотности;
• Для охлаждения после сжатия в турбокомпрессоре воздух попадает в интеркулер. В интеркулере температура воздуха практически полностью возвращается на начальный уровень. Благодаря охлаждению достигается как увеличение плотности воздуха, так и снижается вероятность появления детонации от использования последующей топливовоздушной смеси;
• За интеркулером охлажденный воздух минует дроссельную заслонку и оказывается во впускном коллекторе. Последним этапом становится такт впуска, когда рабочая смесь окажется в цилиндрах двигателя;
• Объем цилиндра представляет собой неизменную постоянную величину, которая зависит от его диаметра и хода поршня. Благодаря турбокомпрессору этот объем активно заполняется сжатым и охлажденным воздухом. Это означает, что количество кислорода в цилиндре сильно возрастает по сравнению с атмосферными моторами. Не трудно догадаться, что чем большее количество кислорода поступило, тем больше горючего можно сжечь за рабочий такт. Сгорание большего количества горючего в результате приводит к заметному увеличению итоговой мощности мотора;
• После эффективного сгорания топливовоздушной смеси в цилиндрах двигателя наступает такт выпуска. На этом такте отработавшие газы уходят в выпускной коллектор через выпускные клапаны. Весь этот поток разогретого (от 500С до 1100С  зависимо от типа двигателя) газа проникает в турбину и начинает воздействовать на турбинное колесо. Колесо под давлением выхлопных газов передает энергию на вал турбины, а на другом конце вала находится компрессор.

Так и происходит процесс сжатия свежей порции воздуха для следующего рабочего такта. Одновременно происходит падение давления отработавших газов, а также снижается температура выхлопа. Это получается по причине того, что часть энергии газов уходит на обеспечение работы турбокомпрессора на другой стороне вала турбины;