Турбина устройство: Устройство и принцип действия турбокомпрессора авто

Содержание

Устройство и принцип действия турбокомпрессора авто

Устройство и принцип действия турбокомпрессора направлены на увеличение давления топлива в коллекторе впуска для обеспечения максимального поступление кислорода в камеру, где происходит сгорание. Основное назначение турбины – значительное увеличение мощности двигателя. Даже увеличение давления на 1 атмосферу в коллекторе приводит к попаданию в двигатель двойной порции кислорода. Это позволяет даже небольшому двигателю отдавать такую мощность, как вдвое больший его аналог, но не оснащенный турбонаддувом.

Турбонаддув – принцип работы

Рассмотрим, принцип работы турбины на авто. Поток выхлопных газов поступает из выпускного коллектора в горячую часть турбины, там воздействует на лопасти крыльчатки, приводя ее в движение вместе с валом. На нем закреплена также крыльчатка компрессора, расположенного в холодном отсеке турбины. Она при вращении повышает давление в системе впуска, обеспечивая увеличенное поступление в камеру сжигания топлива и воздуха.

Устройство турбины автомобиля не сложное, она состоит из:

Улитки компрессора, которая всасывает воздух, а затем нагнетает его в коллектор впуска;
Улитки, расположенной в горячей части – здесь выхлопные газы заставляют вращать турбину, после чего выбрасываются в систему отработанных газов на выход;
Крыльчатки компрессора, а также ее аналога в горячей части;
Шарикоподшипникового картриджа;
Корпуса, соединяющего улитки, имеющего систему охлаждения и системы подшипников.

Во время работы устройство подвергается значительным термодинамическим нагрузкам. Попадающие в турбину выхлопные газы достигают температуры 900°С, из-за чего ее корпус делают чугунным, причем для отливки используется особая технология. Обороты турбинного вала могут достигать показателя 200 000 об/мин, поэтому в конструкцию устанавливают высокоточные детали, которые тщательно подгоняют и затем балансируют.

Также для турбины предъявляются высокие требования к смазочным материалам. Отдельные турбонагнетатели оборудованы так, что система смазки является одновременно охлаждением узла подшипников.

Система охлаждения и устройство турбокомпрессора автомобиля

Охлаждающая система турбокомпрессоров необходима для улучшения передачи тепла от его механизмов и частей. Наиболее распространенные варианты охлаждения деталей — масляный способ и комплексное охлаждение антифризом и маслом. Оба типа имеют свои преимущества, но не лишены и недостатков.

Охлаждение маслом

Достоинства:

Простая конструкция;
Удешевление турбокомпрессора.

Недостатки:

Меньшая эффективность в сравнении с системой, где выполняется использование антифриза с маслом;
Высокая требовательность к составу масла;
Необходимость часто его менять;
Требовательность к контролированию температурного режима.

Изначально устройство турбокомпрессора имело только масляное охлаждение, которое быстро достигало высоких температур, проходя через подшипники. Такое масло начинает сразу закипать, возникает эффект коксования, из-за которого забиваются каналы, существенно ограничивая доступ охлаждения и смазки к подшипникам.

В результате подшипники изнашиваются, их заклинивает, необходим дорогостоящий ремонт. У такой неполадки имеется несколько причин:

Некачественное или не то, которое рекомендовано для двигателя масло;
Превышение сроков замены масла;
Неисправности смазочной системы двигателя автомобиля.

Комплексное охлаждение турбины антифризом и маслом

Преимуществом этого варианта становится большая эффективность получаемого охлаждения. Существенный недостаток – усложнение конструкции турбонагнетателей, что повышает их стоимость.

Устройство турбонаддува в варианте охлаждения турбин антифризом и маслом более сложное, поскольку в нем имеется отдельный масляный контур, а также система с охлаждающей жидкостью. Зато повышается эффективность работы, устраняются проблемы закипания масла.

Для такого турбонагнетателя масло служит, как и прежде, для охлаждения и смазки подшипников, а антифриз, подаваемый из общей цепи охлаждения двигателя, предотвращает перегрев и не дает закипать маслу. Из-за такой сложности увеличивается цена турбонагнетателя.

Что такое интеркулер на авто?

При работе горячей турбины воздух, нагнетаемый компрессором в ее корпусе, сильно сжимается, отчего происходит его нагрев. Это вызывает нежелательные последствия, поскольку при высокой температуре в воздухе меньше кислорода. Значит, эффективность наддува также снижается. Для борьбы с подобным явлением начали, используя рекомендации ученых, устанавливать в турбину интеркулер – вспомогательный охладитель воздуха.

Конструкторы устройства отмечают, что нагрев воздуха далеко не единственная задача, которую им приходится решать при проектировании турбины. Насущной проблемой также становится ее инерционность – задержка реакции двигателя на открытие в коллекторе дроссельной заслонки.

Турбина максимально эффективна, когда достигаются определенные обороты вращения коленчатого вала. Среди автолюбителей даже распространено мнение, что турбонаддув включается только тогда, когда скорость автомобиля достигает определенного значения. Хотя турбина работает постоянно, а значение числа оборотов, при которых ее действие наиболее эффективно, для каждого двигателя индивидуальное.

Отличия твин турбо и битурбо

Решая проблемы устройства турбин, конструкторами была разработана схема, в которой соединились нагнетатели двух компрессоров. Эта конструкция получила название twin-turbo.

Твинтурбо – это система, в которой несколько одинаковых турбин соединены параллельно. Их задача – повысить давление и объем поступающего воздуха. Система управления включает твин-турбо в момент, когда необходимо получить на повышенных оборотах максимальную мощность.

Подобный компрессор реализован в прославленном японском авто бренда Nissan, который получил имя Skyline Gt-R.

В нем установлен мотор rb26-dett. Аналогичная система, однако, оснащенная одинаковыми небольшими турбинами позволяет получить заметный прирост мощности даже при малых оборотах, при этом поддерживать турбонаддув постоянно.

Последовательное соединение разных турбин получило название «битурбо».

Конструкция сделана так, что при невысоких оборотах функционирует лишь маленькая турбина, которая обеспечивает «отзывчивость» при плавно изменяемой скорости. Если обороты резко возрастают, включается «крупная» турбина». Это позволяет машине получить значительный прирост производительности, причем в любом диапазоне функционирования двигателя. Подобная система реализована в моделях BMW biturbo, тюнинг которых вызывает восхищение.

Инновационные разработки

В числе современных разработок, уже радующих автовладельцев, турбина VGT, у которой лопатки крыльчатки изменяют свой угол наклона, направляя ее в сторону, куда направлены выхлопные газы.

Когда обороты двигателя небольшие, становится более узким пропускное сечение выхода в турбину выхлопных газов, поэтому «выхлоп» получается более быстрым. Чаще эту систему применяют для дизельных агрегатов, но есть разработки и для бензиновых двигателей.

Также к инновационным разработкам относится система twinscroll, где благодаря двойному контуру, по которому совершают обход выхлопные газы, получается, что их энергия вращает общий ротор с компрессором и крыльчаткой.

При этом имеется два варианта реализации:

Выхлопные газы проходят одновременно оба контура и система функционирует как twinturbo.
Второй тип работает наподобие схемы biturbo – имеется два контура, у которых разная геометрия. Когда обороты невысокие, выхлопные газы идут по краткому контуру, увеличивающему энергию и скорость благодаря небольшому диаметру. Если обороты повышаются, выхлопные газы поступают в контур, имеющий больший диаметр – при этом рабочее давление сохраняется во впускной системе и отсутствует запор для выхлопных газов. Распределение регулируют механические элементы — клапаны, переключающие потоки.

Сейчас выпускают усовершенствованные турбины, поэтому их популярность возрастает все больше .

Турбокомпрессоры перспективны как в плане форсирования моторов, так и потому, что повышают экономичность двигателя, чистоту его выхлопа.

Что такое турбонаддув — ДРАЙВ

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

А вот так выглядит интеркулер.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Турбина с изменяемой геометрией.

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

Устройство и принцип работы турбины

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

Что такое турбина и для чего она нужна?

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

Принцип работы турбокомпрессора

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

Устройство турбины

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

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

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

Система охлаждения турбин

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

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

Более простая конструкция
Меньшая стоимость изготовления самой турбины

Недостатки:

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

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

Комплексное охлаждение маслом и антифризом
Преимущества:

Большая эффективность охлаждения

Недостатки:

Более сложная конструкция самого турбокомпрессора, как следствие большая стоимость

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

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

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

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

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

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

Такая систем турбонаддува используется в автомобилях BMW biturbo.

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

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

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

Система турбонаддува — принцип работы турбины, устройство турбокомпрессора автомобиля

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

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

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

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

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

Устройство турбокомпрессора автомобиля

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

Система турбонадува состоит из следующих элементов:

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

Принцип работы турбины дизельного двигателя

Работа дизельной турбины также основана на использовании энергии выхлопных газов.

В общих чертах принцип работы турбины дизеля выглядит так.

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

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

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

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

Более наглядно схема работы турбины показана в этом видео:

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

Отличие работы турбины бензинового двигателя

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

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

Вернутся к списку «Статьи и новости»

Устройство ТКР | kamturbo

УСТРОЙСТВО ТУРБОКОМПРЕССОРА ДЛЯ ДИЗЕЛЬНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

ТУРБОКОМПРЕССОР

Это лопастная машина, позволяющая использовать энергию выхлопных газов для нагнетания воздуха или топливовоздушной смеси в двигатель внутреннего сгорания — наддува.

Наддув позволяет увеличить количество подаваемого в цилиндры двигателя воздуха, что позволяет сжигать в том же рабочем объёме цилиндра больше топлива. Т. е. при том же рабочем объёме двигателя увеличивается его мощность.

Также при повышении давления в цилиндре улучшаются условия сгорания топлива, растёт экономичность двигателя и уменьшается токсичность выхлопных газов.

Дополнительное снижение расхода топлива обусловлено использованием для привода компрессора избыточной энергии выхлопных газов.

Поэтому турбонаддув сегодня всё шире применяется в двигателестроении.

Конструктивно турбокомпрессор состоит из 3-х основных элементов:

ТУРБИНА

Турбина также состоит из корпуса и рабочего колеса. Колесо турбины жёстко связано с колесом компрессора валом. В автотракторном двигателестроении наиболее распространены радиально-осевые турбины.

Отработавшие газы из двигателя подаются во входной патрубок турбины, а затем в спиральный канал корпуса турбины (улитку), который обеспечивает равномерный вход газа в рабочее колесо. Проходя через межлопаточные каналы колеса, от его периферии к центру, за счёт специального профиля лопаток, газ расширяется и охлаждается, при этом тепловая энергия газа преобразуется в механическую работу вращения колеса. Мощность, развиваемая на турбине, передаётся на колесо компрессора и обеспечивает его работу.

Размеры всех элементов турбины и её рабочего колеса определяются исходя из необходимой мощности на привод компрессора и на основании анализа располагаемой энергии отработавшего газа в выхлопном коллекторе двигателя. Для каждого двигателя параметры турбины подбираются индивидуально. Так, например: при уменьшении проходного сечения канала улитки увеличивается скорость движения потока газа в ней, что способствует увеличению частоты вращения рабочего колеса и мощности турбины.

Различают турбины, работающие при постоянном давлении газа перед турбиной, и импульсные. В первом случае на двигателе применяются сравнительно простые выпускные коллектора относительно большого сечения. Во втором случае в турбине используется энергия импульсов газового потока, обусловленная импульсным характером выхода газов из цилиндров, что способствует повышению эффективности работы турбины. При этом выхлопной коллектор имеет относительно небольшое сечение и состоит из двух коллекторов, каждый из которых соединён с определённой группой цилиндров. Этим обеспечивается равномерное чередование импульсов давления и отсутствие их взаимного наложения. Улитка импульсной турбины делится перегородкой на два канала, каждый из которых соединён со своим коллектором.

С учётом высоких температур газа в турбине (до 800…9000С) корпуса турбин отливаются из чугуна специального состава. Рабочие колёса отливаются из жаропрочного сплава.
Рабочее колесо турбины соединяется со стальным валом сваркой трением и в сборе называются ротором. В месте сварки вал ротора имеет внутреннюю полость, препятствующую теплопередаче от колеса в вал.

Частота вращения ротора достигает, в зависимости от размерности ТКР и условий его работы на данном двигателе 90000…200000 об/мин и выше. Поэтому вращающиеся детали ТКР требуют очень точной балансировки. Это достигается балансировкой в три этапа:
— балансировка ротора и колеса компрессора отдельно,
— балансировка ротора в сборе с колесом компрессора,
— проверка дисбаланса картриджа в сборе (ротор с колесом компрессора в сборе с корпусом подшипников), дополнительная балансировка при необходимости.

Не допускается самостоятельная разборка ТКР в эксплуатации, т. к. при этом нарушается взаимное положение деталей ротора и балансировка

КОМПРЕССОР

Компрессор состоит из корпуса и колеса компрессора. В автотракторных двигателях самое широкое распространение получили компрессоры центробежного типа. При вращении колеса компрессора воздух засасывается лопатками через входной патрубок, расположенный в средней части корпуса компрессора. При прохождении через межлопаточные каналы колеса аэродинамическими и центробежными силами поток воздуха ускоряется. За колесом воздух проходит через кольцевую щель (диффузор) и через спиральный канал (улитку) корпуса компрессора, где постепенно тормозится. При этом повышается давление, достигая максимального значения на выходе из улитки.

Необходимые параметры наддува, т. е. давление и расход воздуха на входе в двигатель, определяются исходя из рабочего объёма двигателя, необходимой мощности и частоты вращения. Геометрические размеры всех элементов компрессора выбираются на основании сложных газодинамических расчётов для достижения заданных параметров наддува. Поэтому для каждого двигателя выбор компрессора индивидуален.

Как правило, колесо и корпус компрессора отливаются из алюминиевых сплавов.

КОРПУС ПОДШИПНИКОВ

Корпус подшипников служит для крепления корпусов компрессора и турбины и для размещения подшипников ротора. Ротор вращается в подшипниках скольжения (чаще всего бронзовые или алюминиевые втулки). Между наружной поверхностью подшипников и посадочной поверхностью подшипников в корпусе также имеется зазор, заполненный маслом. Этот зазор играет роль демпфера при радиальных смещениях ротора в подшипниках. Подшипники могут свободно вращаться в корпусе подшипников или зафиксированы в нём от вращения специальным элементом — фиксатором.

Осевое перемещение ротора ограничивается упорным подшипником, состоящим из собственно упорного подшипника, закреплённого в задней стенке компрессора, и двух стальных упорных шайб, закреплённых на валу ротора. Упорный подшипник изготавливается из бронзы или из спечённого материала на основе бронзографита.
Масло в подшипники подаётся под давлением из системы смазки двигателя через штуцер на корпусе подшипников и сливается через специальное отверстие в картер двигателя.

Недостаточное поступление масла в подшипники ротора приводит к мгновенному задиру подшипников. Затруднённый слив масла из корпуса подшипников приводит к заполнению внутренней полости корпуса маслом и выдавливанию его через уплотнения ротора в компрессор и турбину.

Попаданию масла из корпуса подшипников в компрессор и турбину препятствуют специальные уплотнения ротора, представляющие собой разрезные чугунные кольца, вставленные в канавки кольцедержателей на роторе. Кольца наружной поверхностью плотно, без просветов, прижимаются к уплотняемым поверхностям в задней стенке корпуса компрессора и корпуса подшипников со стороны турбины. При этом в замке колец выдерживается минимальный, по условиям собираемости, зазор. Боковые стенки колец и канавок кольцедержателей обрабатываются с высоким качеством. Между кольцами и стенками канавок также выдерживаются минимальные зазоры.

Уплотнение ротора обеспечивается за счёт гидродинамических взаимодействий между боковыми поверхностями колец и стенками канавок, а также за счёт того, что давление воздуха и газа со стороны компрессора и турбины на большинстве режимов работы двигателя больше, чем в корпусе подшипников.

На режиме холостого хода двигателя, возможно, что давление в корпусе подшипников окажется больше, чем давление перед уплотнением со стороны компрессора. В этом случае вероятна утечка масла из корпуса подшипников через уплотнение в компрессор. Поэтому не рекомендуется длительная (более 5 мин) работа двигателя на холостом ходу.

Помимо уплотнений ротора в корпусе подшипников, перед уплотнением ротора со стороны компрессора, размещён маслоотражающий экран. Экран препятствует прямому попаданию масла, сливаемого через торцы радиального подшипника ротора, на колечное уплотнение и снижает вероятность утечки масла в компрессор. Для этой же цели на роторе перед уплотнением компрессора расположен маслоотражатель, выполненный в виде диска. Масло, попадая на маслоотражатель, сбрасывается с него под действием центробежных сил.

При работе турбокомпрессора имеет место теплообмен между горячей турбиной и относительно холодным компрессором. И охлаждение турбин, и нагрев компрессора одинаково отрицательно влияют на эффективность турбокомпрессора в целом. Для снижения теплопередачи служит теплоизолирующий экран, расположенный между корпусом турбины и корпусом подшипников. Этой же цели служит конструкция крепления корпуса турбины на корпусе подшипников. В некоторых случаях используются специальные термоизолирующие прокладки между корпусами. Уменьшению тепла, передаваемого в компрессор, также способствует охлаждение корпуса подшипников маслом.

Устройство турбокомпрессора (турбины) двигателя. Принцип работы — ЭнергоТехСтрой, Челябинск

Современная сельскохозяйственная техника оснащается турбокомпрессором. Он направляет воздух в цилиндры посредством газов, которые выходят из двигателя. Вследствие такого наддува воздух попадает в цилиндры под высоким давлением в больших объемах. Устройство турбокомпрессора позволяет повысить мощность техники, а расход топлива наоборот снизить.

Устройство турбокомпрессора

Турбина двигателя (турбокомпрессор двигателя) состоят из нескольких элементов:

Газовая турбина;
Компрессор;
Крыльчатка и улитка;
Подшипники, клапаны, гайки и другие крепежные элементы;
Насос;
Связующая ось.

Колеса турбокомпрессора двигателя крепко фиксируются на одном валу и помещаются в корпуса. У компрессора корпус изготовлен из алюминия, а у турбины – из сплава чугуна.

Принцип работы турбины двигателя

Устройство турбокомпрессора позволяет газам стремительно направляться через трубопровод в газовую турбину. Оттуда при помощи высокого давления по сопловому аппарату газы переходят на лопатки колеса, благодаря чему газовая турбина вращается с огромной скоростью. И только после всех этих действий газы выводятся в атмосферу сквозь глушитель.

Когда колесо турбокомпрессора двигателя (турбины двигателя) крутится, оно захватывает воздух, который поступает из атмосферы при помощи воздухоочистителя. Вследствие чего воздух направляется на лопасти компрессора, стремительно раскручивается и сжимается. После этого он под сильным давлением попадает в цилиндры. Из-за постоянного избыточного давления в трубопроводе важно смазывать его дизельным топливом.

Чем больше будет плотность воздуха, подаваемого в цилиндры, тем выше мощность турбины двигателя (турбокомпрессора двигателя), а удельный расход топлива намного меньше. Повысить плотность воздуха можно охлаждая воздух, который выходит из компрессора в цилиндры.

Получить более подробную информацию об устройстве турбокомпрессора вы можете у наших специалистов.

Принцип работы турбины – как она работает

Турбокомпрессор или попросту турбина – это дополнительное устройство двигателя, которое для своей работы использует энергию отработавших газов. Что позволяет увеличить мощность двигателя на величину от 25% до 100%. Прежде чем понять, как работает турбокомпрессор, стоит рассмотреть функционирование двигателя внутреннего сгорания.

Принцип работы ДВС

Любой двигатель внутреннего сгорания, дизельный или бензиновый, работает на принципе получения энергии, образующейся от воспламенения топливовоздушной смеси в камерах сгорания. Через впускные клапаны в цилиндр подается отфильтрованный внешний воздух и впрыскивается топливо, причем при пассивной подаче воздуха, в цилиндр подается дозированное количество топлива. Именно эта смесь сгорает в цилиндре и заставляет двигаться поршень, который передает свою кинетическую энергию на ходовую систему автомобиля. Чем больше такой смеси подается и сгорает в цилиндрах, тем больше выходной крутящий момент и соответственно выше общая мощность мотора.

Принцип работы турбины

Для увеличения подачи воздуха в цилиндр, без изменения объема самого цилиндра, используют турбокомпрессор. При работе турбины используются продукты сгорания топливной смеси, которые приводят в действие роторный механизм турбокомпрессора, с помощью которого атмосферный воздух принудительно нагнетается в цилиндры (турбонаддув). И, благодаря этому, в цилиндр подается и большая дозировка топлива. Во время нагнетания, воздух может нагреваться, из-за чего уменьшается его плотность и масса в цилиндрах. Для подачи большего количества воздуха, его необходимо охладить. Для лучшего охлаждения используется радиаторное устройство, называемое интеркулером, который устанавливается на выходе из холодной части турбокомпрессора и через который проходит воздух перед попаданием в цилиндры. На следующем этапе поршень всасывает этот охлажденный воздух через впускные клапаны и одновременно в камеру сгорания подается топливо, образуется топливовоздушная смесь. Возгорание топливной смеси происходит от искры (бензиновые двигатели), либо от сжатия (дизельные двигатели). После того, как произошло сгорание порции смеси, продукты горения выбрасываются через выпускной клапан и попадают снова в турбину, на ее ротор. Таким образом, она работает без участия движущих частей двигателя, используя энергию потока выхлопных газов.

Для каждого двигателя турбокомпрессор подбирается индивидуально, исходя из его собственной мощности и объема. Причем величина наддува зависит от геометрических параметров (размеров) улиток, компрессорного колеса, ротора турбины. Некоторые конструкции двигателей оборудуют не одной турбиной, а двумя: одинакового размера – би-турбо, разного размера – твин-турбо. В последнее время широкое распространение получили турбокомпрессоры с механизмом изменяемой геометрии. Стоит отметить, что сложность, а соответственно и стоимость ремонта турбины зависит от ее конструктивных особенностей и модификации.

Механизм изменяемой геометрии

Такой механизм позволяет дозировать подачу отработавших газов на колесо в турбине (ротор). Тем самым, позволяет оптимизировать работу турбокомпрессора на различных оборотах.

Это достигается за счет движения специальных лопаток, смонтированных на кольце геометрии. Они синхронно передвигаются, получая движение от вакуумного актуатора или электронного сервопривода в определенный момент, и контролируют наддув. Как правило, устанавливаются они на дизельных ДВС, потому как температура выхлопных газов у бензиновых моторов выше, чем у дизеля, соответственно лопатки геометрии могут деформироваться. Такие турбины позволяют оптимизировать процесс турбонаддува, что приводит к уменьшению расхода топлива и вредных выбросов при одновременном повышении мощности и крутящего момента.

Многие автомобилисты ошибочно полагают, что турбокомпрессор начинает включаться в работу с оборотов мотора от 1500-2000 об/мин. На самом деле, он запускается сразу после заводки автомобиля и работает на холостом ходу. А оптимальных оборотов достигает в диапазоне свыше 1500 об/мин.

Турбокомпрессор достаточно надежный агрегат, однако если Вы столкнулись с его поломкой, решить проблему Вам помогут специалисты ТурбоМикрон. Мы производим замену турбины на автомобиле, а также ремонт снятых с авто турбокомпрессоров.

Turbine — Energy Education

Рис. 1. Турбины могут быть довольно большими, паровая турбина вверху масштабируется вместе с человеком. ^[1]

Турбина — это устройство, которое использует кинетическую энергию некоторой жидкости, такой как вода, пар, воздух или газообразные продукты сгорания, и превращает ее во вращательное движение самого устройства. ^[2] Эти устройства обычно используются в производстве электроэнергии, двигателях и силовых установках и классифицируются как тип двигателя.Они классифицируются как таковые, потому что движки — это просто технологии, которые принимают входные данные и генерируют выход. Простая турбина состоит из ряда лопаток — в настоящее время сталь является одним из наиболее распространенных используемых материалов — и позволяет жидкости попадать в турбину, толкая лопатки. Эти лопасти затем вращаются и выбрасывают жидкость, которая теперь имеет меньше энергии, чем когда она поступала в турбину. Часть энергии улавливается турбиной и используется. ^[2]

Турбины используются во многих различных областях, и каждый тип турбины имеет немного отличающуюся конструкцию для правильного выполнения своей работы.Турбины используются в ветроэнергетике, гидроэнергетике, в тепловых двигателях и для движения. Турбины чрезвычайно важны, потому что почти вся электроэнергия вырабатывается ими. ^[2]

Тепловые двигатели

основная статья

Турбины обычно используются в тепловых двигателях из-за их высокого КПД при высокой мощности. Кроме того, турбины не требуют значительного обслуживания.

Газовые турбины часто используются в тепловых двигателях, поскольку они являются одними из самых гибких типов турбин.Одно из конкретных применений этих газовых турбин — в реактивных двигателях. ^[2] В этих газовых турбинах сжатый воздух нагревается и смешивается с некоторым количеством топлива. Когда эта смесь воспламеняется, она быстро расширяется. Расширяющийся воздух проталкивается в турбину, заставляя ее вращаться. Поскольку они используют сжатый воздух, большие высоты не влияют на эффективность турбин, что делает их идеальными для использования в самолетах. ^[3]. Схема газовой турбины показана на рисунке 2 ниже.

Фигура 2.Схема газотурбинного двигателя. ^[4]

Эти турбины используются не только в самолетах, но и для выработки электроэнергии на электростанциях, работающих на природном газе. Газообразные продукты сгорания в этом случае образуются при сгорании природного газа. ^[3]

Производство электроэнергии

Гидроэлектроэнергия

основная статья

Рисунок 3. Схема гидроэлектрической турбины. ^[5]

В этом случае вода, находящаяся за плотиной, выпускается и попадает на турбину, генерируя электричество при подключении к генератору. Эти турбины необходимы в области гидроэнергетики — процесса получения энергии из воды.

В целом конструкция гидроэлектрических турбин такая же. К вращающемуся валу или пластине прикреплен ряд лопастей. Затем вода проходит через турбину над лопастями, заставляя внутренний вал вращаться. Затем это вращательное движение передается генератору, в котором вырабатывается электричество. Существует множество различных типов турбин, которые лучше всего использовать в разных ситуациях.Каждый тип турбины создан для обеспечения максимальной мощности в той ситуации, в которой он используется. Существует множество факторов, которые необходимо изучить, чтобы определить, какую турбину следует использовать. Эти факторы включают гидравлический напор, сброс гидроэлектростанции и стоимость. ^[6]

Обычно на этих объектах используются два типа турбин, и выбор того, какой из них использовать, зависит от того, на что похож гидроэлектростанция. Это реактивные и импульсные турбины. Для получения дополнительной информации о том, как работают эти турбины, и более подробной информации о других турбинах щелкните здесь.

Ветер

основная статья

Ветровые турбины работают путем преобразования кинетической энергии ветра в механическую энергию, которая используется для выработки электроэнергии путем вращения генератора. Эти турбины могут быть наземными или морскими ветряными. Эти турбины состоят из трех основных компонентов. Первым из них являются лопасти несущего винта, которые имеют форму крыльев самолета и предназначены для улавливания воздуха, заставляя их вращаться. Второй компонент — гондола, набор шестерен и генератор, преобразующий вращение лопасти в электрическую энергию.Наконец, башня — это большая подставка, на которой установлены лопасти и гондола. ^[7]

Список литературы