Турбина двс: описание и принцип работы, плюсы и минусы

Содержание

Выбираем современный двигатель: почему турбо лучше, чем обычный?

       Новые автомобили все реже оснащаются двигателями без наддува, благо турбины позволяют развивать большую мощность при малом объеме. Российские водители, тем не менее, относятся к турбомоторам с опаской. И очень зря.

Турбированные и атмосферные двигатели — в чем разница?

Разница в том, каким образом в цилиндры двигателя поступает воздух.

    • Атмосферный мотор

Воздух идет сам туда, где ниже давление. У атмосферного мотора воздух идет в цилиндры под действием создаваемого на такте впуска разрежения — поршень опускается и втягивает за собой воздух. Проще не бывает.

    • Наддувный мотор

Чтобы нагнать в цилиндры больше воздуха, в помощь разнице давлений приходит принудительный наддув. Грубо говоря, на впуске ставят «большой вентилятор». О конструкции таких систем поговорим вкратце чуть ниже.

Зачем двигателю нужен наддув?

Чтобы повысить мощность двигателя, нужно сжечь в нем больше топлива — зависимость простая. А вот чтобы сжечь больше топлива, нужно подать в цилиндры много воздуха, почти по кубометру на каждый литр бензина. Вопрос лишь в том, как заставить его это сделать? Основных способов два:

фото-3.jpg


    • Увеличить объем. Это напрашивается само собой, и долгое время конструкторы шли этим путем: увеличивали количество цилиндров, их объем и конфигурацию. Так появились авиационные W12 и V16 с рабочим объемом в сотню литров с гаком и американские семилитровые V8 для автомобилей.… Сейчас мы не будем вдаваться в подробности и лишь констатируем, что путь этот сложный. В определенный момент большой мотор становится слишком тяжелым, а дальнейшее увеличение — нецелесообразным.
    • Увеличить количество сжигаемого топлива, не наращивая объем двигателя. Действительно, почему бы с силой не загнать в цилиндры просто побольше воздуха, чтобы можно было сжечь много бензина? Тут-то на помощь приходит наддув.

2.jpg

Двигатель W12 разработки Volkswagen Group ставился в разные годы на Audi A8L, Volkswagen Phaeton, Volkswagen Touareg, Bentley Continental Flying Spur и другие премиум-модели. Фото: w12cars.com


Какие есть основные типы наддувов?

В основном используют два способа повысить давление на впуске выше атмосферного.

  • Механический нагнетатель. На впуске стоит воздушный насос — компрессор, который приводится в движение от коленчатого вала мотора. Просто, но двигателю приходится его крутить и тратить на это часть мощности.

ce093f5592f1df2efaeee11fc67ba21a-995x0-90.jpg


  • Турбокомпрессор, который использует энергию выхлопных газов. Он представляет собой сдвоенный корпус из двух металлических «улиток», в котором на одном валу крутятся две крыльчатки. Одну из них раскручивает поток выхлопных газов, вырывающийся из выпускного коллектора. Вторая крутится, так как находится на одном валу с первой, — она «загоняет» атмосферный воздух во впускной коллектор.

Мы не будем сейчас вдаваться в достоинства и недостатки каждой из схем, а также описывать историю их создания и развития — это тема для отдельного материала. Здесь нам важно определиться, насколько наддувные моторы хороши.


1d859e83fbab5318ee0061cc6946dffd-995x0-90.jpg


Какие преимущества есть у наддувного мотора?

Высокая максимальная мощность.

Как мы уже поняли, за счет наддува можно увеличить количество сжигаемого топлива, а значит, и повысить мощность мотора при неизменном объеме. Мощность можно увеличить в разы, но обычный показатель — 20–100% для серийных двигателей.

Стабильный крутящий момент.

В обычном атмосферном моторе давление на впуске, а следовательно, и количество сжигаемого топлива меняется в зависимости от оборотов мотора. На каких-то оборотах наполнение максимально, и двигатель работает с полной отдачей. На других наполнение цилиндров хуже, и момент, развиваемый двигателем, меньше.

В современном турбомоторе наполнением цилиндра занимается турбина, а управляет турбиной электроника. Появляется возможность всегда подавать столько воздуха, сколько нужно для максимально эффективного сгорания смеси, и столько, чтобы «железо» двигателя выдержало нагрузку. Это позволяет создавать знаменитую «полку» крутящего момента. Такое название произошло от вида графика момента, который на турбомоторах действительно похож на ровную полку.

Низкий расход топлива.

Казалось бы, парадокс. Наддув позволяет впрыскивать больше топлива, но при этом обеспечивает экономичность. Каким образом? Дело в том, что рабочий объем турбомоторов меньше, и в целом они легче. С наддувом двигатель прекрасно тянет с самых низов, а на малых оборотах меньше потерь энергии на трение и выше КПД. В результате при неспешном движении турбомотор экономичнее. А при большой нагрузке расход топлива никто не считает, не зря же есть выражение «ехать на все деньги», тем более мало кто постоянно ездит в экстремальных режимах.


9dea70b282777c2ada45fffb72f4fa1f_small.jpeg

На графике замера мощности и крутящего момента Skoda Fabia RS TSI видно, что в диапазоне с 2 000 до 4 500 оборотов двигатель развивает 250 ньютон-метров. Это и называется «полкой крутящего момента».


Почему люди боятся наддувных моторов?

С полной определенностью можно сказать, что двигатели с наддувом стоят на более высокой ступени эволюции, чем «атмосферники». И все-таки на сегодняшний момент большинство выпускаемых и продаваемых авто оснащены именно классическими двигателями, причем не только в «отсталой» России, но и в «просвещенной» Европе, не говоря уже про США. Почему же?

Ресурс турбин невелик.

В среднем турбина на бензиновом моторе служит максимум до 120–150 тысяч километров, а ремонт обходится недешево. Механический приводной нагнетатель в теории «неубиваем», но это умирающий вид, и там, где он применяется, о ресурсе не заботятся.

Двигатель работает в более суровых условиях.

Температура и давление в цилиндрах у наддувных моторов гораздо выше, а значит, и изнашиваются они сильнее. Это компенсируется тем, что турбодвигатели изначально строят с более высоким запасом прочности всех систем.

Впрочем, вполне справедливо, что двигатель сложнее, у него больше датчиков, больше трубопроводов, больше всего греющегося и протекающего, и любая поломка в системе управления может повредить сам мотор или турбину.

Говорят, что у турбина дает нестабильную тягу.

Действительно, на старых наддувных моторах турбина «отзывалась» не сразу — нужно было время на то, чтобы выхлопные газы раскрутили крыльчатку, и получалось то, что назвали «турболагом». Теперь, с внедрением новых технологий (о них подробнее расскажем позже), эта проблема решена. «Пуристы», поборники атмосферных двигателей утверждают, что все равно нет идеальной связи между движением педали газа и тягой, но для рядовых водителей эти тонкости будут неочевидными.

Говорят, что турбированные моторы звучат менее «благородно», чем атмосферные.

Действительно, турбина делает звук выхлопа не столь ярким и «породистым». Но в полной мере это можно отнести разве что к «большим» моторам — рядным шестеркам или V8. Их звучание признается за некий идеал, и добавление к ним турбокомпрессора резко меняет звук.

По мнению аудиофилов, «от выхлопа» звук становится нечетким и размазанным. Турбина работает как глушитель, сглаживая пики давления выхлопных газов и создавая свои собственные гармоники. Если речь об обычных рядных «четверках», то нельзя сказать, что выхлоп такого мотора изначально звучит особенно хорошо, с добавлением к нему турбины он становится тише, но вряд ли теряется уникальность.

На помощь фанатам хорошего звука мотора приходят специалисты по акустике выхлопа. Выхлопные системы современных машин, что с наддувом, что без — плод серьезной работы, и особенности звука в первую очередь зависят от качества настройки системы и пожеланий покупателя.


engine1-1024x682.jpg

Фото: prmpt.org


Почему некоторые производители спорткаров до сих пор не признают наддува?

Действительно, без турбин и нагнетателей прекрасно обходятся такие «уважаемые» автомобили, как Toyota GT86, Renault Clio RS и Honda Civic Type R. Основных причин на то несколько:

  • Высокую мощность можно получить и без турбины, но при условии, что двигатель будет развивать ее только на очень высоких оборотах. Например, 201 л.с. на той же Honda Civic Type R доступны лишь при 7 800 оборотах в минуту, что очень много для негоночного мотора.
  • Система наддува сильно увеличивает вес и размер маленьких моторов — ее невозможно сделать действительно компактной. Для спорткаров это немаловажно.
  • Многим нравится «крутильный» характер атмосферных моторов, отсутствие всяких возможных задержек и влияния температуры воздуха, «чистота» реакций и звука.
  • Во многих гоночных дисциплинах запрещены моторы с турбонаддувом, зато есть традиции форсирования атмосферных моторов.
  • На «атмосферниках» — более мощное торможение двигателем под сброс газа, что заметно на малоразмерных моторах и, опять-таки, важно для спорткаров.
  • В Японии и США, где в основном еще сохраняются безнаддувные «зажигалки», нет столь строгих ограничений по расходу топлива, как в Европе. Мотор с турбиной дороже, но может выдавать высокую мощность при низком расходе и на любой высоте, хоть на вершинах Альп. Мотор без турбины проще, менее требователен к обслуживанию, особенно когда очень высокая мощность не нужна, да и высоким расходом топлива и малой тягой в «негоночном» режиме можно пренебречь. И не стоит недооценивать силу традиций национального автомобилестроения.

Впрочем, мало-помалу наддув отвоевывает место под капотом спортивных автомобилей. Сначала Формула-1 отказалась от «атмосферников», а в марте 2014 года дебютировала первая в современной истории турбированная модель Ferrari — California T, которая получила «улитку» после долгого перерыва со времен 288 и F40.



Турбомотор — брать или не брать?

Если вы покупаете новый автомобиль, то однозначно брать. Турбодвигатель, как мы уже говорили, при прочих равных мощнее и экономичнее, а «убить» его при грамотной эксплуатации вы просто не успеете.

Если же вы выбираете подержанную машину, то обратите внимание на пробег и состояние мотора. Если что-то будет указывать на то, что хозяин любил «отжигать» за рулем и километраж при этом выше 100 000 километров, то самое время присмотреться к расценкам на новые моторы и турбины.

Задумайтесь, зачем был нужен двигатель с турбонаддувом первому владельцу. Некоторые машины берут с турбомотором только для того, чтобы постоянно «валить». В общем, с покупкой подержанной машины с турбодвигателем нужно быть осторожным вдвойне.

О том, как правильно содержать мотор с наддувом и сколько стоит его починить, читайте в нашей следующей публикации. Если не хотите пропустить этот материал, подпишитесь на рассылку свежих статей внизу.


Читайте также:


Автомобильная электротурбина / Хабр

Наиболее действенным способом увеличения мощности двигателя автомобиля является турбина. Однако она имеет ряд существенных недостатков таких как: наличие турбоямы, оптимальная работа в небольшом диапазоне оборотов двигателя, невысокий ресурс, сложность установки в неподготовленный для этого двигатель.

Многие из этих проблем способна решить электротурбина. С электротурбиной необходимое давление наддува можно создать в любой момент и можно сбавлять обороты не боясь, что давление понизится. В электротурбине нет горячей части разогреваемой до тысячи градусов. Это положительно сказывается на её ресурсе, цене и простоте установки.

Данная статья будет посвящена нашей разработке в этом направлении.

Разработка и конструктивные особенности

На данный момент в Китае можно купить множество электротурбин, которые ставятся прямо на вход перед воздушным фильтром. Однако они оказываются на 100% бесполезны. Для обеспечения необходимого давления и большого объема подаваемого воздуха мощность электродвигателя должна составлять около 4КВт. У китайских турбин от силы несколько сот ватт.

Для данной задачи нами специально был разработан бесколлекторный электромотор способный выдать до 5КВт мощности и который может раскрутить турбину до 50000RPM. Мотор был специально спроектирован так, чтобы на полной мощности он давал своё максимальный КПД в 93%, тогда он будет выделять 350Вт тепла, которые вполне реально отводить и в теории наш мотор может выдавать полный наддув постоянно. Подробнее с характеристиками нашего мотора можно ознакомиться по ссылке.

Для питания данного мотора нами было решено использовать два автомобильных аккумулятора. Это сильно упростит процесс эксплуатации и цену установки. Один аккумулятор используется штатный, второй подключается к нему последовательно. Для подзарядки второго аккумулятора, он переподключается к первому через высокоточные реле контакторы. Литиевые аккумуляторы стоили бы на порядок дороже, при этом для них понадобилась бы специальная зарядка и очень бережная эксплуатация с соблюдением правильного температурного режима.

Однако у данного решения есть и минус. Для питания мотора на полной мощности нужен ток в районе 250А, свинцовые аккумуляторы способны выдать такой, но не продолжительно(секунд на 10-30). Затем аккумуляторам нужно будет немного “отдохнуть”. Однако нам кажется этого вполне достаточно, редко от двигателя требуется полная мощность на более длительный срок.

В качестве самой турбины нами использовалась данная турбина (её характеристики также доступны по ссылке).

Мы удалили из неё всё лишнее и расточили под крепление мотора. Все подшипники находятся непосредственно в моторе и крыльчатка одевается на его вал, что автоматически даёт соосность вала мотора и крыльчатки. Поскольку турбина будет вращаться на очень больших оборотах мы подобрали в мотор высокоскоростные подшипники SKF итальянского производства.

Для работы бесколлекторного мотора нужен контроллер и на такой большой ток он достаточно дорогой. Однако мы специально подбирали токи и напряжения так, чтобы для этой задачи подошёл наиболее мощный из дешевых контроллер стоимостью 1500р. Данного контроллера хватает на грани на полную мощность и ему при этом требуется обеспечить очень хорошее охлаждение. Более мощные контроллеры стоят уже дороже 10000р.

Результат

Замеры нашего мотора на мощности до 1000Вт показали, что характеристики нашего мотора (потребление, обороты, Kv) достаточно близки к рассчитанным при моделировании. Большой объем статора и медной проволоки смогли обеспечить высокий КПД и низкий нагрев. При должном питании турбина с ним разгоняется до нужных оборотов. Но к сожалению мы пока не смогли провести полноценные испытания на полной мощности. При питании от двух аккумуляторов, через 2 секунды после набора полных оборотов контроллер сгорел, из-за отсутствия должного охлаждения. Мы заказали новый контроллер и планируем поместить его в ёмкость с трансформаторным маслом, что должно обеспечить его наилучшим охлаждением.

Видео тестов работы турбины с питанием 600 и 1000 ватт

Вывод

В итоге нам удалось создать рабочую электротурбину, которая обладает не высокой стоимостью и достаточно проста в установке. Далее будут проходить испытания уже на реальном автомобиле.

Примерная стоимость необходимых компонентов:

  • Мотор -17000р
  • Турбина -20000р
  • Аккумулятор -3000р
  • 4 реле -3000р
  • Дополнительная электроника, пайпы, воздуховоды -5000р

Итого стоимость комплекта турбины выйдет в районе 50000р.

P.S.

Автором данной идеи является Frimen3 ([email protected]). Он уже давно занимается проработкой этого вопроса geektimes.ru/post/252076 и он как раз и заказал у нас разработку мотора под данную задачу.

Как работает турбокомпрессор

Как работает турбокомпрессор

 

Содержание статьи

 


  1. Введение

  2. Турбокомпрессоры и двигатели

  3. Устройство турбокомпрессора

  4. Детали турбокомпрессора

  5. Использование двух турбокомпрессоров и других турбо деталей

  6. Узнать больше

  7. Читайте также » Все статьи про работу двигателя


 

 

В этой статье мы узнаем, каким образом турбокомпрессор увеличивает мощность двигателя в жестких условиях эксплуатации. Мы также узнаем о том, как регуляторы давления наддува, керамические лопатки турбины и шариковые подшипники улучшают работу турбокомпрессора. Турбокомпрессоры являются своего рода системой наддува. Они сжимают воздух, поступающий в двигатель (читайте статью «Как работает автомобильный двигатель» для описания движения воздуха в обычном двигателе). Преимущество сжатия воздуха состоит в том, что при этом можно впустить больше воздуха в цилиндр, и, соответственно, больше топлива. Таким образом, при каждом взрыве в цилиндрах высвобождается больше энергии. Двигатель с турбонаддувом является более мощным по сравнению с обычным двигателем. Благодаря этому существенно увеличивается удельная мощность двигателя (для получения более подробной информации, рекомендуем прочитать статью «Как работает лошадиная сила»).

 

Для увеличения мощности двигателя, турбокомпрессор использует выхлопные газы для вращения турбины, которая, в свою очередь, вращает нагнетатель воздуха. Турбина турбокомпрессора вращается со скоростью до 150.000 оборотов в минуту (об/мин) — это примерно в 30 раз быстрее, чем скорость вращения большинства автомобильных двигателей. В связи с тем, что выхлоп идет на турбокомпрессор, температура в турбине очень высокая.

 

Далее мы расскажем о том, как узнать, насколько увеличится мощность двигателя, если установить турбокомпрессор.

 

 

 

Система турбонаддува автомобиля Mitsubishi Lancer Evolution IX.

 
Турбокомпрессоры и двигатели

 

Одним из самых эффективных способов увеличения мощности двигателя является увеличение количества сгораемого воздуха и топлива. Для этого можно установить дополнительные цилиндры или увеличить их объем. В некоторых случаях невозможно осуществить эти модификации, поэтому установка турбокомпрессора может стать более простым и компактным способом увеличения мощности, особенно для подержанных автомобилей.

 

Турбокомпрессоры позволяют двигателю сжигать больше топлива и воздуха благодаря увеличению подачи смеси в цилиндры. Стандартное давление сжатия воздуха турбокомпрессором составляет 6-8 фунт/дюйм2 (0,4 — 0,55 бар). Учитывая, что нормальное атмосферное давление составляет 14,7 фунт/дюйм2 (1 бар), при помощи турбокомпрессора в двигатель поступает на 50% больше воздуха. Следовательно, можно рассчитывать на увеличение мощности двигателя на 50%. Однако, эта технология не идеальна, поэтому мощность увеличивается на 30 — 40%.

 

Одна причина недостаточной эффективности состоит в том, что энергия, которая вращает турбину, не является свободной. Турбина, установленная в потоке выхлопных газов, создает препятствие для выхода газов. Это означает, что во время такта выпуска двигатель должен преодолеть высокое противодавление. В связи с этим происходит расход энергии работающих цилиндров.

 


 

Расположение турбокомпрессора в автомобиле

 
Устройство турбокомпрессора

 

Турбокомпрессор крепится к выпускному коллектору двигателя при помощи болтового соединения. Выхлопы из цилиндра вращают турбину, которая работает как газотурбинный двигатель. Турбина при помощи вала соединяется с компрессором, который установлен между воздушным фильтром и впускным коллектором. Компрессор сжимает воздух, поступающий в цилиндры.

 

Отработанные газы от цилиндра проходят через лопатки турбины, вызывая ее вращение. Чем больше выхлопных газов проходит через лопатки, тем быстрее происходит вращение.

 

С другой стороны вала, который установлен на турбине, компрессор вводит воздух в цилиндры. Компрессор представляет собой своего рода центробежный насос — он втягивает воздух в центр лопаток и выпускает его под давлением во время вращения.

 

Для того, чтобы выдержать скорость вращения до 150.000 об/мин, вал турбины должен иметь надежную опору. Большинство подшипников не выдержит такую скорость и взорвется гидростатические подшипники. Такой тип подшипников поддерживает вал на тонком слое масла, которое непрерывно подается. Это обусловлено двумя причинами: Масло охлаждает вал и некоторые другие детали турбокомпрессора и позволяет валу вращаться, снижая трения.

 

Существует много различных решений, связанных с конструкцией турбокомпрессоров для автомобильных двигателей. На следующей странице мы расскажем о некоторых оптимальных вариантах и рассмотрим, как они влияют на работу двигателя.

 



Слишком сильное сжатие?


 


Когда воздух под давлением запускается в цилиндры при помощи турбокомпрессора и затем сжимается поршнями (читайте статью «Как работает автомобильный двигатель» для наглядного описания), существует риск самовозгорания смеси. Возгорание может произойти при сжатии воздуха, т.к. при этом возрастает температура. При высокой температуре может произойти возгорание еще до срабатывания свечи зажигания. Для предотвращения раннего сгорания топлива, автомобили с турбокомпрессором рекомендуется заправлять высокооктановым бензином. Если давление наддува слишком высокое, возможно придется уменьшить степень сжатия двигателя для того, чтобы избежать раннего сгорания топлива.


 

 

Как устанавливается турбокомпрессор

 

 

 


 

Как турбокомпрессор выглядит изнутри

 

 

 
Детали турбокомпрессора

 

Одна из основных проблем турбокомпрессоров состоит в том, что они не обеспечивают мгновенный форсированный наддув по нажатию на педаль газа. Турбине требуется несколько секунд для того, чтобы набрать скорость вращения, необходимую для наддува. В результате возникает задержка между временем нажатия на педаль газа и временем начала ускорения автомобиля при срабатывании турбины.

 

Одним из способов устранения задержки является снижение инерции вращающихся деталей, благодаря снижению их массы. Это способствует более быстрому набору скорости вращения турбины и компрессора и раннему началу наддува. Одним из наиболее надежных способов снижения инерции турбины и компрессора является уменьшение их размеров. Небольшой турбокомпрессор быстрее начнет наддув при низкой скорости работы двигателя, однако он не сможет обеспечить достаточный наддув при больших скоростях двигателя, когда в цилиндры поступает значительные объемы воздуха. Также существует риск слишком быстрого вращения на высоких скоростях двигателя, т.к. при этом через турбину проходит значительный объем выхлопа.

 

Большой турбокомпрессор может обеспечить сильный наддув при высокой скорости вращения двигателя, однако при этом может наблюдаться сильная задержка наддува, т.к. необходимо определенное время на разгон тяжелой турбины и компрессора. К счастью, существует ряд решений данных проблем.

 

В большинстве автомобильных турбокомпрессоров используется регулятор давления наддува, который позволяет уменьшить время задержки наддува небольших турбокомпрессоров, предотвращая слишком быстрое вращение при высокой скорости вращения двигателя. Регулятор давления наддува представляет собой клапан, который обеспечивает выпуск выхлопа в обход лопаток турбины. Регулятор давления наддува измеряет давление наддува. Если давление слишком высокое, это означает, что турбина вращается слишком быстро, поэтому регулятор давления наддува выпускает определенное количество выхлопа в обход лопаток для снижения скорости вращения турбины.

 

В некоторых турбокомпрессорах используются шариковые подшипники вместо гидростатических подшипников для поддержки вала. Но это не обычные шариковые подшипники – это особые подшипники, изготовленные из специального материала, которые могут выдержать скорости и температуры турбокомпрессора. Они снижают трение вала турбины при вращении, как и гидростатические подшипники. Они также позволяют использовать меньший и облегченный вал. Благодаря этому происходит быстрый набор скорости турбокомпрессором, что, в свою очередь, снижает задержку.

 
Керамические лопатки турбины легче стальных лопаток, которые используются в большинстве турбокомпрессоров. Благодаря этому опять же происходит быстрый набор скорости турбокомпрессором, что снижает задержку.

 


 

Турбокомпрессор обеспечивает наддув при большой скорости вращения двигателя.

 

 
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.

 

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.

 
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 плотним и содержит больше молекул, чет 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.

 

В старых автомобилях с карбюраторами автоматически увеличивается подачу топлива в соответствии с увеличением подачи воздуха. В современных автомобилях происходит то же самое. Система впрыска топлива ориентируется на данные датчика кислорода в выхлопе для определения необходимого соотношения топлива и воздуха, так что система автоматически увеличивает подачу топлива при установленном турбокомпрессоре.

 

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.

 

Для получения большей информации по турбокомпрессорам, рекомендуем ознакомиться со ссылками на следующей странице.

 


 

Mazda RX-8 купе-кабриолет с установленной системой турбонаддува

 

Источник:  https://auto.howstuffworks.com/

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.

Как работают 4 типа турбинных двигателей

Прямая трансляция из полетной кабины

Газотурбинные двигатели прошли долгий путь с 1903 года. Это был первый год, когда газовая турбина вырабатывала достаточно мощности, чтобы поддерживать себя в рабочем состоянии. Дизайн был разработан норвежским изобретателем Эгидусом Эллингом, и он производил 11 лошадиных сил, что было огромным подвигом для того времени.

В наши дни газотурбинные двигатели бывают всех форм и размеров, и большинство из них вырабатывают , много , более 11 лошадиных сил.Вот 4 основных типа газотурбинных двигателей, а также плюсы и минусы каждого.

1) Турбореактивный двигатель

Heinkel He 178, первый в мире турбореактивный самолет

Турбореактивные двигатели были первым изобретенным типом газотурбинных двигателей. И хотя они выглядят совершенно иначе, чем поршневой двигатель в вашем автомобиле или самолете, они работают по той же теории: впуск , компрессия, мощность, выпуск .

Как работает турбореактивный двигатель?

Турбореактивные двигатели работают за счет пропускания воздуха через 5 основных секций двигателя:

Шаг 1: Воздухозаборник

Воздухозаборник представляет собой трубку перед двигателем.Забор воздуха может показаться простым, но это невероятно важно. Задача воздухозаборника — плавно направлять воздух в лопатки компрессора. На низких скоростях необходимо минимизировать потери воздушного потока в двигателе, а на сверхзвуковых скоростях он должен замедлять воздушный поток ниже 1 Маха (воздух, поступающий в турбореактивный двигатель, должен быть дозвуковым, независимо от того, насколько быстро летит самолет. ).

Шаг 2: Компрессор

Компрессор приводится в движение турбиной в задней части двигателя, и его работа заключается в сжатии поступающего воздуха, что значительно увеличивает давление воздуха.Компрессор представляет собой серию «вентиляторов», каждый с меньшими и меньшими лопатками. Когда воздух проходит через каждую ступень компрессора, он становится более сжатым.

Шаг 3: Камера сгорания

Далее идет камера сгорания, где действительно начинается волшебство. Воздух высокого давления смешивается с топливом, и смесь воспламеняется. По мере сгорания топливно-воздушной смеси она движется через двигатель к турбине. Турбореактивные двигатели работают очень бедно, примерно 50 частей воздуха на каждую 1 часть топлива (большинство поршневых двигателей работают в диапазоне от 6: 1 до 18: 1).Одна из основных причин, по которой турбины работают на обедненной смеси, заключается в том, что для охлаждения турбореактивного двигателя требуется дополнительный поток воздуха.

Шаг 4: Турбина

Турбина — это еще одна серия «вентиляторов», которые работают как ветряная мельница, поглощая энергию проходящего через нее воздуха с высокой скоростью. Лопатки турбины соединены с валом и вращают вал, который также соединен с лопатками компрессора в передней части двигателя. «Жизненный цикл» турбореактивного двигателя почти завершен.

Шаг 5: Выхлоп (он же «Я ухожу отсюда!»)

Сгоревшая на высокой скорости топливно-воздушная смесь выходит из двигателя через выхлопное сопло.Когда высокоскоростной воздух выходит из задней части двигателя, он создает тягу и толкает самолет (или то, к чему он прикреплен) вперед.

Турбореактивный вынос:

  • Плюсов:
    • Сравнительно простой дизайн
    • Возможность очень высоких скоростей
    • Занимает мало места
  • Минусы:
    • Большой расход топлива
    • Громко
    • Низкая производительность на малых скоростях

2) Турбовинтовой двигатель

Прямая трансляция из полетной кабины

King Air с турбовинтовыми двигателями

Следующие три типа газотурбинных двигателей представляют собой турбореактивные двигатели, и мы начнем с турбовинтовых.Турбовинтовой — это турбореактивный двигатель, соединенный с воздушным винтом через систему зубчатых передач.

Как работает турбовинтовой двигатель?

Шаг 1 : Турбореактивный двигатель вращает вал, который соединен с коробкой передач.

Шаг 2 : Коробка передач замедляет вращение, и самая медленно движущаяся шестерня подключается к гребному винту.

Шаг 3 : Воздушный винт вращается в воздухе, создавая тягу, как и ваша Cessna 172

Турбовинтовой вынос:

  • Плюсов:
    • Очень экономичный
    • Наиболее эффективен на средней скорости 250-400 узлов
    • Наиболее эффективен на средних высотах от 18 000 до 30 000 футов
  • Минусы:
    • Ограниченная скорость полета вперед
    • Зубчатые передачи тяжелые и могут выйти из строя

3) Турбореактивный двигатель

Прямая трансляция из полетной кабины

Некоторые широкофюзеляжные турбовентиляторные двигатели могут развивать тягу более 100 000 фунтов

Турбореактивные двухконтурные двигатели сочетают в себе лучшее из двух миров — турбореактивных и турбовинтовых.И вы, вероятно, увидите эти двигатели, когда отправитесь в аэропорт на следующий рейс авиакомпании.

Как работает турбовентиляторный двигатель?

Турбореактивные двухконтурные двухконтурные двигатели присоединяются к передней части ТРД. Вентилятор создает дополнительную тягу, помогает охлаждать двигатель и снижает уровень шума двигателя.

Шаг 1 : Входящий воздух делится на два отдельных потока. Один поток обтекает двигатель (перепускной воздух), а другой проходит через сердечник двигателя.

Шаг 2 : Обводной воздух проходит вокруг двигателя и ускоряется канальным вентилятором, создавая дополнительную тягу.

Этап 3 : Воздух проходит через турбореактивный двигатель, продолжая создавать тягу.

ТРДД на вынос:

  • Плюсов:
    • Экономия топлива
    • Тихо, чем турбореактивный
    • Они потрясающе выглядят
  • Минусы:
    • Тяжелее ТРД
    • Большая площадь лобовой части, чем у турбореактивных двигателей
    • Неэффективен на очень большой высоте

ТРДД Pratt & Whitney F100 с форсажной камерой на F-16

4) Турбовальный двигатель

Вертолет Bell 206 с турбовальным двигателем

Турбовальные двигатели в основном используются на вертолетах.Самая большая разница между турбореактивными валами и турбореактивными двигателями заключается в том, что турбовальные двигатели используют большую часть своей мощности для вращения турбины, а не для создания тяги, выходящей из задней части двигателя.

Как работает турбовальный вал?

Турбовалы — это, по сути, турбореактивный двигатель с большим валом, соединенным с его задней частью. А поскольку большинство этих двигателей используется на вертолетах, этот вал соединен с трансмиссией лопастей несущего винта.

Шаг 1 : Двигатель в основном работает как турбореактивный.

Шаг 2 : Приводной вал, прикрепленный к турбине, приводит в действие трансмиссию.

Шаг 3 : Трансмиссия передает вращение от вала на лопасть ротора.

Шаг 4 : Вертолет, в основном неизвестными и волшебными способами, может летать по небу.

Вынос турбовала:

  • Плюсов:
    • Значительно более высокое отношение мощности к массе, чем у поршневых двигателей
    • Обычно меньше поршневых двигателей
  • Минусы:
    • Громко
    • Зубчатые передачи, соединенные с валом, могут быть сложными и выходить из строя

4 типа двигателей, основанных на одной базовой концепции

Газотурбинные двигатели прошли долгий путь за последние 100 лет.И хотя турбореактивные двигатели, турбовинтовые двигатели, турбовентиляторные двигатели и турбовальные двигатели имеют свои различия, их способ выработки мощности, по сути, одинаков: впуск, сжатие, мощность и выпуск.

Станьте лучшим пилотом.
Подпишитесь, чтобы получать последние видео, статьи и викторины, которые сделают вас более умным и безопасным пилотом.

,

Газотурбинный двигатель | Британника

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

Общие характеристики

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

Циклы газотурбинного двигателя

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

Газотурбинный двигатель открытого цикла постоянного давления. Encyclopdia Britannica, Inc.

В первую очередь рассматривается идеализированный газотурбинный двигатель, работающий без потерь по этому простому циклу Брайтона. Если, например, воздух поступает в компрессор при 15 ° C и атмосферном давлении и сжимается до одного мегапаскаль, он затем поглощает тепло из топлива при постоянном давлении до тех пор, пока температура не достигнет 1100 ° C, прежде чем расширится через турбину обратно до атмосферного. давление. Этот идеализированный блок потребует мощности турбины 1.68 киловатт на каждый киловатт полезной мощности с 0,68 киловатт, потребляемым для работы компрессора. Тепловой КПД блока (чистая произведенная работа, разделенная на энергию, добавленную через топливо) составит 48 процентов.

Получите эксклюзивный доступ к контенту из нашего 1768 First Edition с подпиской.
Подпишитесь сегодня

Фактическая производительность простого открытого цикла

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

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

Промежуточное охлаждение, повторный нагрев и регенерация

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

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

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

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

.

Турбинные двигатели

Турбинные двигатели

Турбинные двигатели создают тягу за счет увеличения скорости воздуха, проходящего через двигатель. Турбинный двигатель состоит из воздухозаборника, компрессора, камер сгорания, турбинной части и выхлопа.

Рисунок 1: Основные компоненты газотурбинного двигателя.

Турбинный двигатель имеет следующие преимущества перед поршневым двигателем: меньшая вибрация, повышенные летно-технические характеристики, надежность и простота эксплуатации.

Типы турбинных двигателей

Турбинные двигатели классифицируются в зависимости от типа используемых в них компрессоров. Типы компрессоров делятся на три категории: с центробежным потоком, осевым потоком и центробежно-осевым потоком. Сжатие входящего воздуха достигается в двигателе с центробежным потоком за счет ускорения воздуха наружу перпендикулярно продольной оси машины. В двигателе с осевым потоком воздух сжимается посредством серии вращающихся и неподвижных крыльев, перемещающих воздух параллельно продольной оси.В конструкции с центробежно-осевым потоком используются оба типа компрессоров для достижения желаемого сжатия.

Путь, по которому воздух проходит через двигатель, и то, как вырабатывается мощность, определяет тип двигателя. Существует четыре типа авиационных газотурбинных двигателей: турбореактивный, турбовинтовой, двухконтурный и турбовальный.

Турбореактивный

Турбореактивный двигатель состоит из четырех секций: компрессора, камеры сгорания, турбинной секции и выхлопной. Секция компрессора пропускает входящий воздух с высокой скоростью в камеру сгорания.Камера сгорания содержит вход для топлива и воспламенитель для сгорания. Расширяющийся воздух приводит в движение турбину, которая соединена валом с компрессором, обеспечивая работу двигателя. Ускоренные выхлопные газы двигателя обеспечивают тягу. Это основное применение сжатия воздуха, воспламенения топливно-воздушной смеси, выработки энергии для автономной работы двигателя и выхлопа для движения.

Турбореактивные двигатели ограничены по дальности и выносливости. Они также медленно реагируют на дросселирование при низких скоростях компрессора.

Турбовинтовой

Турбовинтовой двигатель — это газотурбинный двигатель, приводящий в движение воздушный винт через редуктор. Выхлопные газы приводят в движение силовую турбину, соединенную валом, приводящим в действие редуктор в сборе. Понижающая передача необходима в турбовинтовых двигателях, потому что оптимальные характеристики воздушного винта достигаются на гораздо более низких оборотах, чем рабочие обороты двигателя. Турбовинтовые двигатели — это компромисс между турбореактивными двигателями и поршневыми силовыми установками.Турбовинтовые двигатели наиболее эффективны на скоростях от 250 до 400 миль в час. и высоты от 18 000 до 30 000 футов. Они также хорошо работают на малых скоростях, необходимых для взлета и посадки, и экономичны. Минимальный удельный расход топлива турбовинтового двигателя обычно достигается в диапазоне высот от 25 000 футов до тропопаузы.

Турбореактивный двухконтактный двигатель

Турбореактивный двухконтурный двигатель был разработан для объединения некоторых из лучших характеристик турбореактивного двигателя и турбовинтового двигателя.Турбореактивные двухконтурные двигатели предназначены для создания дополнительной тяги за счет отклонения вторичного воздушного потока вокруг камеры сгорания. Обводной воздух турбореактивного двигателя создает повышенную тягу, охлаждает двигатель и способствует подавлению шума выхлопных газов. Это обеспечивает крейсерскую скорость турбореактивного типа и меньший расход топлива.

Входящий воздух, проходящий через турбовентиляторный двигатель, обычно разделяется на два отдельных потока воздуха. Один поток проходит через ядро ​​двигателя, а второй поток обходит ядро ​​двигателя.Именно этот байпасный поток воздуха отвечает за термин «байпасный двигатель». Коэффициент двухконтурности турбовентиляторного двигателя относится к соотношению массового расхода воздуха, проходящего через вентилятор, к массовому расходу воздуха, проходящего через сердечник двигателя.

Турбовал

Четвертым распространенным типом реактивных двигателей является турбовальный.

Он передает мощность на вал, приводящий в движение не винт, а нечто иное. Самая большая разница между турбореактивным двигателем и турбовальным двигателем заключается в том, что в турбореактивном двигателе большая часть энергии, производимой расширяющимися газами, используется для привода турбины, а не для создания тяги.На многих вертолетах используется турбовальный газотурбинный двигатель. Кроме того, турбовальные двигатели широко используются в качестве вспомогательных силовых агрегатов на больших самолетах.

Сравнение производительности

Можно сравнить производительность поршневой силовой установки и различных типов турбинных двигателей. Однако для того, чтобы сравнение было точным, необходимо использовать тяговую мощность (полезную мощность) для поршневой силовой установки, а не тормозную мощность, а чистую тягу необходимо использовать для двигателей с турбинным приводом.Кроме того, конструкция самолета, конфигурация и размеры должны быть примерно одинаковыми.

л.с. Тормозная мощность — это мощность, фактически передаваемая на выходной вал. Тормозная мощность — это фактическая полезная мощность.

Чистая тяга Тяга, создаваемая турбореактивным или двухконтурным двигателем.

THP Тяговое усилие — это мощность, эквивалентная тяге, создаваемой турбореактивным или двухконтурным двигателем.

ESHP Эквивалентная мощность на валу для турбовинтовых двигателей представляет собой сумму мощности на валу (SHP), передаваемой на гребной винт, и тягового усилия (THP), создаваемого выхлопными газами.

Рис. 2: Чистая тяга двигателя в зависимости от скорости и сопротивления самолета.

На рис. 2 показано, как четыре типа двигателей сравниваются по чистой тяге при увеличении скорости полета. Этот рисунок предназначен только для пояснительных целей и не относится к конкретным моделям двигателей. Четыре типа двигателей:

  • Поршневой силовой агрегат.
  • Турбина, гребной винт (турбовинтовой).
  • Турбинный двигатель с вентилятором (ТРДД).
  • Турбореактивный (чистая струя).

Сравнение производится путем построения кривой производительности для каждого двигателя, которая показывает, как максимальная скорость самолета зависит от типа используемого двигателя. Поскольку график является лишь средством сравнения, числовые значения чистой тяги, скорости самолета и сопротивления не включены.

Сравнение четырех силовых установок на основе чистой тяги делает очевидными определенные рабочие характеристики.

В диапазоне скоростей, показанном слева от линии A, поршневой силовой агрегат превосходит другие три типа.Турбовинтовой двигатель превосходит турбовентиляторный двигатель в диапазоне слева от линии C. Турбореактивный двигатель превосходит турбореактивный двигатель в диапазоне слева от линии F. Турбореактивный двигатель превосходит поршневой двигатель справа от линии B и турбовинтовой двигатель справа. линии C. Турбореактивный двигатель превосходит поршневую силовую установку справа от линии D, турбовинтовой справа от линии E и турбовентиляторный двигатель справа от линии F.

Точки, где кривая сопротивления самолета пересекает кривые суммарной тяги — максимальные скорости самолета.Вертикальные линии от каждой точки до базовой линии графика показывают, что турбореактивный самолет может развивать более высокую максимальную скорость, чем самолет, оснащенный двигателями других типов. Самолет, оснащенный турбовентиляторным двигателем, будет развивать более высокую максимальную скорость, чем самолет, оснащенный турбовинтовой или поршневой силовой установкой.

Приборы для газотурбинных двигателей

Приборы для двигателей, которые показывают давление масла, температуру масла, частоту вращения двигателя, температуру выхлопных газов и расход топлива, являются общими как для турбинных, так и для поршневых двигателей.Однако есть некоторые инструменты, уникальные для газотурбинных двигателей. Эти приборы показывают степень сжатия двигателя, давление на выходе турбины и крутящий момент. Кроме того, большинство газотурбинных двигателей имеют несколько приборов для измерения температуры, называемых термопарами, которые предоставляют пилотам показания температуры внутри и вокруг турбинной секции.

Степень давления в двигателе

Датчик степени давления в двигателе (EPR) используется для индикации выходной мощности турбореактивного / турбовентиляторного двигателя.

EPR — это отношение давления на выходе турбины к давлению на входе компрессора. Измерения давления регистрируются датчиками, установленными на входе и выходе двигателя.

После сбора данные отправляются на датчик дифференциального давления, который отображается на датчике EPR в кабине.

Конструкция системы EPR автоматически компенсирует влияние воздушной скорости и высоты. Однако изменения температуры окружающей среды требуют внесения поправки в показания EPR для обеспечения точных настроек мощности двигателя.

Температура выхлопных газов

Ограничивающим фактором в газотурбинном двигателе является температура секции турбины. Необходимо внимательно следить за температурой секции турбины, чтобы предотвратить перегрев лопаток турбины и других компонентов секции выпуска. Одним из распространенных способов контроля температуры секции турбины является датчик температуры выхлопных газов (EGT). EGT — это предел эксплуатации двигателя, используемый для контроля общих условий работы двигателя.

Варианты систем EGT носят разные названия в зависимости от расположения датчиков температуры.Обычные датчики температуры турбины включают датчик температуры на входе в турбину (TIT), датчик температуры на выходе из турбины (TOT), датчик температуры между ступенями турбины (ITT) и датчик температуры газа в турбине (TGT).

Датчик крутящего момента

Выходная мощность турбовинтового / турбовального двигателя измеряется датчиком крутящего момента. Крутящий момент — это крутящая сила, приложенная к валу. Моментометр измеряет мощность, подаваемую на вал. Турбовинтовые и турбовальные двигатели предназначены для создания крутящего момента для привода гребного винта.

Моментометры калибруются в процентах, фут-фунтах или фунтах на квадратный дюйм.

N 1 индикатор

N 1 представляет собой частоту вращения компрессора низкого давления и отображается на индикаторе в процентах от расчетной об / мин. После пуска частота вращения компрессора низкого давления регулируется турбинным колесом N 1 . Турбинное колесо N 1 соединено с компрессором низкого давления через концентрический вал.

N 2 индикатор

N 2 представляет собой частоту вращения компрессора высокого давления и отображается на индикаторе в процентах от расчетной об / мин. Компрессор высокого давления управляется турбинным колесом N 2 . Турбинное колесо N 2 соединено с компрессором высокого давления через концентрический вал.

Рис. 3: Двухконтурный осевой компрессор.

Эксплуатационные соображения по эксплуатации турбинного двигателя

Из-за большого разнообразия турбинных двигателей нецелесообразно описывать конкретные рабочие процедуры.

Однако есть определенные эксплуатационные соображения, общие для всех газотурбинных двигателей. Это пределы температуры двигателя, повреждение посторонними предметами, горячий запуск, остановка компрессора и срыв пламени.

Ограничения температуры двигателя

Самая высокая температура в любом газотурбинном двигателе возникает на входе в турбину.Поэтому температура на входе в турбину обычно является ограничивающим фактором при работе газотурбинного двигателя.

Варианты тяги

Тяга турбинного двигателя напрямую зависит от плотности воздуха.

С уменьшением плотности воздуха уменьшается и тяга. В то время как как турбинные, так и поршневые двигатели в определенной степени подвержены влиянию высокой относительной влажности, турбинные двигатели будут испытывать незначительную потерю тяги, в то время как поршневые двигатели будут испытывать значительную потерю тормозной мощности.

Повреждение посторонним предметом

Вследствие конструкции и функции воздухозаборника газотурбинного двигателя возможность попадания внутрь мусора всегда существует. Это приводит к значительным повреждениям, особенно компрессорной и турбинной секциям. Когда это происходит, это называется повреждением посторонним предметом (FOD). Типичный FOD состоит из небольших зазубрин и вмятин, вызванных попаданием мелких предметов с трапа, рулежной дорожки или взлетно-посадочной полосы.

Однако также может произойти повреждение FOD, вызванное столкновением с птицами или проглатыванием льда, что может привести к полному разрушению двигателя.

Предотвращение FOD является приоритетной задачей. Некоторые воздухозаборники двигателя имеют тенденцию образовывать водоворот между землей и воздухозаборником во время наземных операций. На этих двигателях может быть установлен вихревой рассеиватель.

Также можно использовать другие устройства, такие как экраны и / или дефлекторы. Предполетные процедуры включают визуальный осмотр на предмет любых признаков FOD.

Турбинный двигатель с горячим / зависшим запуском

Горячий запуск — это когда EGT превышает безопасный предел.Горячий запуск вызван слишком большим количеством топлива, поступающего в камеру сгорания, или недостаточной частотой вращения турбины. Каждый раз, когда двигатель запускается из горячего состояния, обращайтесь к AFM, POH или соответствующему руководству по техническому обслуживанию, чтобы узнать о требованиях к осмотру.

Если двигатель не разгоняется до нужной скорости после зажигания или не разгоняется до оборотов холостого хода, происходит зависание запуска. Зависание, также может называться фальстартом. Зависание запуска может быть вызвано недостаточным источником пусковой мощности или неисправностью системы управления подачей топлива.

Стойла компрессора

Лопатки компрессора представляют собой небольшие крыловые профили, на которые действуют те же аэродинамические принципы, что и для любого профиля. Лопатка компрессора имеет угол атаки. Угол атаки зависит от скорости поступающего воздуха и скорости вращения компрессора. Эти две силы объединяются, образуя вектор, который определяет фактический угол атаки профиля по отношению к приближающемуся воздуху.

Останов компрессора можно описать как дисбаланс между двумя векторными величинами, скоростью на входе и скоростью вращения компрессора.Остановка компрессора происходит, когда угол атаки лопаток компрессора превышает критический угол атаки. В этот момент плавный воздушный поток прерывается, и из-за колебаний давления создается турбулентность. Из-за остановки компрессора поток воздуха в компрессоре замедляется и застаивается, иногда меняя направление.

Рис. 4: Сравнение нормального и искаженного воздушного потока в секции компрессора.

Останов компрессора может быть кратковременным и прерывистым, устойчивым и серьезным.Признаками кратковременного / прерывистого срыва обычно являются прерывистый «взрыв», когда имеют место обратная вспышка и изменение направления потока. Если срыв развивается и становится устойчивым, сильная вибрация и громкий рев могут возникнуть из-за постоянного изменения направления потока. Довольно часто приборы в кабине не показывают легкое или кратковременное сваливание, но указывают на развитое сваливание. Типичные показания приборов включают колебания скорости вращения и повышение температуры выхлопных газов. Большинство кратковременных остановок не вредны для двигателя и часто исправляются сами собой после одной или двух пульсаций.Вероятность повреждения двигателя, которое может быть серьезным, из-за останова в устойчивом состоянии является немедленной.

Восстановление должно производиться быстро за счет уменьшения мощности, уменьшения угла атаки самолета и увеличения скорости полета.

Хотя все газотурбинные двигатели подвержены остановкам компрессора, большинство моделей имеют системы, предотвращающие эти остановки. В одной из таких систем используется регулируемая входная направляющая лопатка (VIGV) и регулируемые лопатки статора, которые направляют входящий воздух в лопасти ротора под соответствующим углом.Основной способ предотвращения сваливания давления воздуха — эксплуатация самолета в пределах параметров, установленных заводом-изготовителем. Если происходит остановка компрессора, следуйте процедурам, рекомендованным в AFM или POH.

Пламя

Пламя — это состояние в работе газотурбинного двигателя, при котором пламя в двигателе непреднамеренно гаснет. Если в камере сгорания превышается богатый предел соотношения топливо / воздух, пламя гаснет.Это состояние часто называют сильным гашением пламени. Обычно это происходит из-за очень быстрого разгона двигателя, когда из-за слишком богатой смеси температура топлива падает ниже температуры сгорания. Это также может быть вызвано недостаточным потоком воздуха для поддержания горения.

Другое, более частое возникновение возгорания происходит из-за низкого давления топлива и низких оборотов двигателя, которые обычно связаны с полетом на большой высоте. Эта ситуация также может возникнуть, когда двигатель дросселируется во время снижения, что может вызвать срыв пламени в обедненной смеси.Слабая смесь может легко вызвать угасание пламени даже при нормальном потоке воздуха через двигатель.

Любое прерывание подачи топлива также может привести к возгоранию. Это может быть связано с длительным непривычным поведением, неисправной системой контроля подачи топлива, турбулентностью, обледенением или нехваткой топлива.

Симптомы возгорания обычно такие же, как и после отказа двигателя. Если срыв пламени вызван временным состоянием, например, дисбалансом между потоком топлива и скоростью двигателя, может быть предпринята попытка запуска с воздуха после исправления условия.В любом случае пилоты должны соблюдать применимые аварийные процедуры, изложенные в AFM или POH. Как правило, эти процедуры содержат рекомендации относительно высоты и воздушной скорости, при которых старт с большей вероятностью будет успешным.

На этом экскурсия по газотурбинным двигателям завершается. Вернитесь на страницу «Силовая установка самолета», чтобы продолжить изучение.

,

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *