Принцип работы турбины: описание, устройство, особенности. Устройство турбо двигателя


Как работает турбина на дизельном двигателе: особенности, устройство

Решение использовать энергию выхлопных газов для раскручивания ротора стало гениальной идеей. Она в будущем позволила разработать дизельный турбо двигатель и повысить мощность минимум на 50 процентов. При том что в процессе работы двигателя в обычном режиме процесс выброса газов снижает КПД на 40 процентов. Давайте рассмотрим, как работает турбина на дизельном двигателе, каково ее устройство.

Из истории

На самом деле идея использовать мощность выхлопных газов не давала покоя инженерам практически с самого начала изобретения ДВС. Немецкие инженеры, которые занимались строительством автомобилей и тракторов вместе с Дизелем и Даймлером, стали заниматься опытами, в ходе которых пытались повысить мощность двигателя и снизить расход горючего с помощью нагнетания сжатого воздуха на базе энергии выхлопа.

Первый турбиностроитель

Однако первый человек, который построил один из самых первых эффективных турбокомпрессоров, это отнюдь не Даймлер, и даже не Дизель. Первым инженером, построившим турбину, считается Альфред Бюхи. Патент на данное изобретение был получен в 1911 году. Первая турбина имела такую конструкцию, что эксплуатировать ее можно было только на больших судовых моторах. Применение компрессоров на дизельных авто смысла не имело.

Затем турбины стали применять в авиации. С 30-х годов в США регулярно серийно производили военные самолеты, бензиновые моторы которых комплектовались турбинами. Первый в истории грузовик, оснащенный турбированным дизелем, был построен в 38-м году.

В 60-х силами «Дженерал Моторс» были выпущены первые модели легковых «Шевроле» и «Олдсмобиль» с бензиновыми карбюраторными моторами с наддувом. Первые компрессоры, правда, не отличались большой надежностью, поэтому с автомобильного рынка они быстро исчезли.

Снова в моде

Мода на турбированные двигатели стала возвращаться. В период с 70-х до 80-х годов системы турбонаддува стали очень популярными в спортивных и гоночных авто. В фильмах той эпохи все супергерои нажимали на кнопку «турбо», и автомобиль стремительно уходил в закат. Но кино – это кино, а в реальности те первые турбокомпрессоры отставали в эффективности и технологичности, как и тормозила их скорость реакции. И эти агрегаты не только не экономили топливо, но и существенно увеличивали его расход. Тогда еще не шло речи об актуаторе турбины. Принцип работы и настройка еще не были до конца понятны.

Более-менее успешные попытки внедрить наддув в автомобильные серийные моторы проводились в 80-х компаниями «Мерседес» и SAAB. А уже затем, основываясь на этом передовом опыте, подключились и другие мировые автобренды.

В СССР также разрабатывались и внедрялись в серию турбированные моторы. Но здесь турбины применяли в тяжелых сельскохозяйственных и промышленных тракторах, на самосвалах и другой мощной технике.

Почему дизельная турбина популярнее?

Почему же она стала очень распространена именно на дизелях, а не на бензиновых ДВС? Все очень просто. Достаточно понять, как работает турбина на дизельном двигателе. Также нужно помнить, что дизель обладает более высокой степенью сжатия. Выхлопные газы дизеля более холодные. Поэтому к такой турбине предъявляются гораздо меньшие требования по жаропрочности, а эффективность наддува гораздо выше по сравнению с бензиновыми двигателями.

Устройство наддува

Наддув состоит из двух отдельных частей. Это непосредственно турбина и компрессор. Турбина необходима для преобразования энергии выхлопных газов. Компрессор отвечает за подачу сжатого воздуха в камеры сгорания.

Чем больше сжатого воздуха будет подано в цилиндры дизельного мотора, тем больше топлива двигатель сможет потребить за единицу времени. Как результат – значительное повышение мощности без увеличения объемов. Отсюда становится понятно, как проверить турбину на дизельном двигателе – патрубок от коллектора к компрессору должен раздуваться при повышении оборотов.

В основе системы лежит ротор, который крепится на оси. Вся эта конструкция заключена в корпус, способный выдержать высокие температуры. Ротор также изготовлен из жаропрочных сплавов – он без перерывов контактирует с выхлопными газами высокой температуры.

Ось и крыльчатка турбины или колесо с лопастями при работе двигателя вращаются. Частота вращения очень высокая. При этом крыльчатка и ось вращаются в разных направлениях. За счет этого осуществляется более плотный прижим двух элементов друг к другу. Поток газов попадает в выпускной коллектор, а затем в специальный канал – он имеется в корпусе компрессора. Корпус имеет форму улитки. Когда газы пройдут через эту улитку, то затем они на большой скорости подаются к ротору. Это и есть принцип работы турбины на дизельном двигателе.

Ось нагнетателя вращается в специальных подшипниках скольжения. Смазка осуществляется от системы смазки двигателя. Чтобы масло не убегало, турбина оснащается уплотнительными прокладками и кольцами. Эти прокладки защищают узел от прорыва воздуха и газов, а также предотвращают их смешивание. Естественно, полностью исключить возможность попадания газов в воздух не получается, но и большая необходимость в этом отсутствует.

Как это работает?

Мы познакомились с устройством механизма. Теперь стоит узнать, как работает турбина на дизельном двигателе автомобиля.

Чем больше топлива сгорит за одну единицу времени, тем больше воздуха нужно закачать в двигатель. Сам мотор не способен справиться с получением избыточного количества сжатого воздуха. Это и есть основная задача системы турбонаддува – нужно наращивать подачу воздуха в камеру сгорания. Нагнетание осуществляется за счет преобразования энергии выхлопных газов в полезную работу. Прежде чем газы вылетят в трубу, они пройдут через турбину и компрессор. Вот как работает турбина. Принцип действия ее прост для понимания.

Процесс прохождения газов заставляет раскручиваться крыльчатку турбины. Она имеет лопасти. Среднее число оборотов составляет более 150 тысяч оборотов в минуту. На этом же валу, что и крыльчатка, крепится и вал компрессора. Сила, полученная в результате преобразования энергии газов, применяется для значительного повышения давления воздуха. Это позволяет подавать в цилиндры намного больше горючего, что и дает значительный прирост мощности и коэффициента полезного действия дизельного силового агрегата.

Вот как работает турбина на дизельном двигателе автомобиля. На самом деле по принципу и устройству данные механизмы очень похожи на бензиновые турбины.

Актуаторы

Много десятков лет понадобилось инженерам, чтобы разработать и построить эффективный нагнетатель. Это только теоретически выглядит очень хорошо. На самом деле все значительно сложней.

При резком нажатии на газ роста оборотов двигателя нужно подождать. Обороты начинают расти через некоторое время. Повышение давления газов, раскручивание крыльчатки турбины, закачивание сжатого воздуха проходит постепенно. Это турбояма, и победить эту проблему не получалось. Но с проблемой все-таки справились внедрением клапанов или актуаторов. Один нужен для перепускания лишнего воздуха через трубопровод из коллектора, второй – для выхлопных газов. Клапан позволяет сбрасывать лишнее давление, когда мотор работает на высоких оборотах. Давайте посмотрим, как работает актуатор турбины дизельного двигателя.

Принцип работы

Главная задача, которую должен он решить, – это снижение давления на высоких оборотах. Клапан установлен в выпускном коллекторе. Работает он крайне просто. При росте оборотов и давления вакуумный клапан пускает газы мимо крыльчатки турбины. В этот момент актуатор открывается, и газы выходят через него. Через клапаны всасывается больше воздуха, чем нужно, чтобы максимально разогнать компрессор.

Возможна регулировка актуатора турбины. Способы и особенности заключатся в замене пружины, настройке конца клапана и в монтаже буст-контроллера. Это позволяет регулировать работу турбины.

fb.ru

описание, устройство, особенности :: SYL.ru

Для того, чтобы увеличить мощность и крутящий момент двигателя, человечество придумало массу устройств и агрегатов. Самый простой метод – пойти на увеличение объема камеры сгорания. Чем больше топлива попадет в цилиндр, тем больше произведется полезной работы. Но здесь возникают проблемы. Во-первых, размеры такого мотора могут быть запредельными, а во-вторых, эксплуатация такого ДВС ввиду высокого расхода топлива будет нерентабельной. Поэтому в последнее время все чаще автопроизводители оснащают свои машины турбиной. Что это за элемент. и в чем заключается принцип работы турбины? Узнаем подробно в нашей статье.

Характеристика

Турбина – это элемент впускной системы двигателя, который служит для увеличения давления воздуха за счет применения энергии отработавших газов. Благодаря ее работе, возрастает масса воздуха в камере сгорания.

Это позволяет ускорить такты работы двигателя и увеличить его крутящий момент. Также отметим, что первые турбины имели механический привод. Принцип работы такой турбины заключался в преобразовании энергии от коленчатого вала. С последним элемент соединялся путем ременной передачи. Но вскоре такие агрегаты перестали использоваться. Сейчас все производители применяют газовую турбину, принцип работы которой позволяет увеличить КПД двигателя на 80 процентов вместо 30.

Где используется

В основном, такой агрегат можно встретить на современных автомобилях. Но используется данный нагнетатель не на всех ДВС. Сдерживающим фактором применения турбины на бензиновых моторах является высокая степень детонации. Она связана с увеличением частоты вращения ДВС и огромной температурой выхлопных газов (до тысячи градусов). Ввиду этого часто используется турбина на дизельном двигателе. Принцип работы такого ДВС несколько иной. Здесь меньший риск детонации, а температура газов не превышает 600 градусов. Особенно часто компрессоры встречаются на коммерческом транспорте. Невозможно представить современный автобус или магистральный тягач, не оснащенный такой турбиной. Если говорить о марках, то турбина устанавливается на следующие авто:

  • «Фольксваген».
  • «Мерседес».
  • «Вольво».
  • «Мазда».
  • «Ауди».
  • «Рено».
  • «Тойота».

Есть и другие сферы, где применяется подобный элемент. Например, это электростанции и ДВС кораблей. Но здесь используется уже паровая турбина, принцип работы которой мы рассмотрим немного позже.

Недостатки

Почему данный элемент присутствует не на всех двигателях внутреннего сгорания? В первую очередь, применение турбины увеличивает себестоимость производства авто. Помимо самой улитки, требуется еще ряд других элементов.

К тому же, для работы с турбиной двигателю нужна другая более крепкая поршневая система и блок. Это тоже влечет за собой дополнительные расходы. Также среди недостатков можно отметить так называемую турбояму (когда мотор не может набрать обороты за нужное время). Причинами данного явления является инерционность компрессора.

Конструкция

Итак, давайте рассмотрим устройство и принцип работы турбины. А состоит данный элемент из трех основных составляющих:

  • Центрального корпуса.
  • Центробежного компрессора.
  • Улитки.

В конструкцию последней входит турбинное и компрессорное колеса, вал ротора, подшипники скольжения и уплотнительные кольца. Все это заключено в крепкий металлический термостойкий корпус. Поскольку принцип работы турбины двигателя основан на использовании энергии выхлопных газов, горячая часть улитки может раскаляться до тысячи и более градусов Цельсия.

Вспомогательные элементы

Поскольку турбина входит в состав впускной системы, ее работа невозможна без использования воздушного фильтра, дроссельной заслонки, а также интеркулера.

Последний призван охладить кислород, который нагнетается в камеру под давлением. Чем холоднее воздух в интеркулере, тем лучше сгорает смесь в цилиндрах. Также в конструкции не обходится без соединительных и масляных шлангов.

Как работает

Стоит отметить, что принцип работы турбины на бензиновом двигателе такой же, как и на дизельном. Во время работы ДВС вырабатываются выхлопные газы. Они поступают в корпус (горячую часть улитки), где двигаются по лопаткам турбинного колеса. Последнее раскручивается до невероятных скоростей – 100 и более тысяч оборотов в минуту. Поскольку турбинное колесо жестко соединено с валом, крутящий момент передается на вторую холодную часть турбины. Та, в свою очередь, начинает захватывать кислород из атмосферы. Он проникает внутрь после того, как пройдет через фильтр. Далее воздух под давлением попадает во впускной коллектор, где смешивается с топливом и проникает в камеру сгорания. В качестве материалов для корпуса турбины используются жаропрочные марки стали и железоникелевый сплав.

Производительность компрессора зависит от ее формы и габаритных размеров. Чем больше ее диаметр, тем больше воздуха засасывается во впускной коллектор. Но нельзя постоянно увеличивать размеры компрессора. Это может привести к турбозадержке. Малая турбина раскручивается значительно быстрее до номинальной скорости. Но на пике имеет меньшую производительность. Поэтому размеры и форма элемента подбираются строго индивидуально для каждого ДВС. Нельзя установить агрегат от бензинового авто на дизельный, и наоборот. Хоть и имеет одинаковый принцип работы турбина, действовать она будет иначе на разных авто.

Важный момент: для регулирования давления наддува в конструкции предусмотрен специальный перепускной клапан. Он имеет пневматический привод, а управляется ЭБУ двигателя.

Система смазки

Это неотъемлемая составляющая любой турбины. Принцип работы системы смазки простой. Масло подается между подшипником и корпусом компрессора через множество каналов под давлением. Но не стоит думать, что эта система нужна только для смазки. Также она охлаждает нагретые детали компрессора. На некоторых двигателях турбина сопряжена с общей системой охлаждения. Благодаря этому, достигается лучшее охлаждение, но такая конструкция значительно сложнее и дороже в производстве.

Дабы избавиться от турбоямы, производители постоянно совершенствуют конструкцию турбины на дизеле. Принцип работы ее остается прежним, но меняются следующие моменты:

  • Масса компрессора. Турбина изготавливается из одновременно легких и прочных материалов (например, из керамики).
  • Конструкция подшипников. Чем меньше потери на трение, тем выше производительность турбины. Колесо легче раскручивается до номинальных значений.

Типы турбин

На данный момент существует несколько популярных типов компрессоров:

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

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

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

Паровая турбина

Принцип работы ее немного иной. Пар, который образуется в котле, под давлением попадает на крыльчатку турбины. Последняя совершает обороты, тем самым, вырабатывая механическую энергию. Обычно такая турбина соединена с генератором и применяется на электростанциях. Благодаря механической энергии, генератор производит электричество. Мощность таких агрегатов может достигать 1000 МВт.

Однако данный показатель существенно зависит от перепада давления пара на входе и выходе. Также подобные турбины применяются для привода питательного насоса, на кораблях и судах с ядерной установкой. Что касается военных кораблей, здесь применяется газовая турбина. Принцип работы ее заключается в следующем. Газ поступает через сопловой аппарат компрессора в область низкого давления. При этом он расширяется и ускоряется. Затем поток газа двигает лопатки турбины. Последние передают усилия на вал через диски. Таким образом создается полезный крутящий момент.

В заключение

Итак, мы выяснили принцип работы дизельной турбины, а также бензиновой и паровой. Как видите, данные элементы устанавливаются с единой целью – выработать полезный крутящий момент. В случае с автомобилями он тратится на подачу воздуха под давлением во впуск. А на электростанциях турбина необходима для работы генератора, что вырабатывает ток.

www.syl.ru

Устройство турбины двигателя автомобиля, принцип работы |

Принцип работы турбонаддува позволяет значительно увеличивать мощностью автомобильных двигателей. Для лучшего понимания работы системы подробно рассмотрим устройство турбины и клапана избыточного давления (вестгейт, от англ. Wastegate). В зависимости от принципа работы клапан называют: байпас (Bypass) либо блоу-офф (Blow-off).

Устройство турбокомпрессора газового вида.

  1. Корпус подшипников в сборе (картридж турбины).
  2. Турбинное колесо горячей части.
  3. Клапан Bypass.
  4. Корпус турбины (горячая часть нагнетателя).
  5. Каналы для подвода масла к подшипникам скольжения вала ротора.
  6. Вал ротора.
  7. Уплотнительные шайбы.
  8. Компрессорное колесо.
  9. Корпус компрессора (холодная часть нагнетателя).
  10. Привод срабатывания клапана Bypass.

Именно турбокомпрессоры такого типа чаще всего устанавливаются на дизельные и бензиновые двигатели. Устройство простейшей газовой турбины отличается отсутствием клапана Bypass. Некоторые турбонагнетатели газового типа имеют каналы для циркуляции антифриза, что избавляет систему от необходимости установки турботаймера для предотвращения пригорания масла вследствие высоких температур.

Цельнолитой корпус турбины, ввиду больших термических нагрузок, изготавливается из чугуна либо жаропрочного сплава чугуна и никеля. Также из чугуна изготавливается центральная часть корпуса. Корпус компрессора цельнолитой, но изготавливается из алюминия. Важнейшим элементом турбины является ротор, который состоит из вала и приваренного к нему турбинного колеса. Компрессорное колесо имеет свободную либо переходную посадку, привинчивается к валу ротора гайкой.

Раскручиваясь потоком выхлопных газов, вал ротора вместе с турбинным и компрессорным колесами вращается на очень большой скорости. Для нормальной работы вала в конструкции предусмотрены:

  • опорные подшипники, в качестве которых чаще всего выступают подшипники скольжения. Конструкции с обычными шариковыми подшипниками позволяют уменьшить потери на трение, но обладают меньшим ресурсом, поэтому устанавливаются преимущественно на авто для автоспортивных гонок. Главное предназначение опорных подшипников – создание точек опоры для вращения в центральной части корпуса. Обратите внимание, что на одном из видео показана конструкция турбонагнетателя, в которой раздельные опорные подшипники установлены на роторном валу. На втором видео описание устройства происходит на модели, у которой опорный подшипник выполнен в виде втулки, фиксируемой болтом;
  • упорные подшипники, которые предназначены для предотвращения осевого люфта вала турбины.

Опорные и упорные подшипники работают на масляном клине. Попадание моторного масла нежелательно как в горячую, так и в холодную часть турбонагнетателя. Для предотвращения этого на валу ротора устанавливаются уплотнительные кольца. Смазка к ним не подается напрямую, как в случае с опорными и радиальными подшипниками. Предотвращение ускоренного износа трущихся поверхностей достигается работой на масляном тумане (мелкодисперсные частицы моторного масла, разбрызгивающиеся в процессе вращения вала ротора).

Турбированные дизельные и бензиновые двигатели требуют более качественного масла в сравнении с атмосферными ДВС.

Объясняется это в первую очередь необходимостью качественной смазки подшипников вала ротора турбины. Масло к подшипникам подается под высоким давлением через специальные каналы в картридже, соответственно в корпусе имеется специальный штуцер, через который масло поступает из общей системы смазки двигателя.

Открытие эффекта масляного клина в свое время дало огромный толчок практическому применению гидродинамических принципов смазки. Суть эффекта в том, чтобы в процессе работы между трущимися поверхностями создать масляную пленку, практически полностью исключающую трение между движущимися поверхностями. Важно, чтобы между трущимися поверхностями устанавливалось давление, удерживающее детали при вращении на относительном удалении друг от друга. Достигается это двумя путями:

  • большим давлением в системе смазки;
  • точной подгонкой трущихся пар. Это значит, что между валом и подшипниками скольжения должен быть ровно такой зазор, который бы позволил создать надежный масляный клин. Именно поэтому для ресурса работы турбины жизненно необходим незначительный осевой и радиальный люфт вала ротора.

Одной из причин повышенного расхода масла является неисправность турбины, в случае которой масло просачивается через уплотнения в компрессорную либо турбинную часть корпуса (в таких случаях обычно говорят, что турбина кидает масло). Причина этой неисправности в чрезмерном осевом и радиальном люфте, из-за которого уплотнительные кольца больше не могут справиться со своей задачей.

Последствия развалившейся турбины

Клапан избыточного давления в системе турбонаддува предназначен для сбрасывания избыточного давление на впуске, а также для уменьшения сопротивления выходу выхлопных газов на высоких оборотах. Производительность турбины определяется в основном углом атаки лопастей турбинного колеса, а также проходным сечением канала горячей части и размером колеса турбины. Чем меньшее проходное сечение канала подвода выхлопных газов, тем раньше в «улитке» горячей части будет достигнуто нужное для раскручивания турбины давление.

Соответственно, на низких оборотах больший прирост мощности даст маленькая турбина, тогда как на высоких оборотах небольшое проходное сечение горячей части приведет к значительному противодействию выхлопным газам. Также у каждой турбины имеется граничное давление, превышение которого ведет к «срыву» воздушного потока с лопастей и потере производительности. О том, как актуатор турбины позволяет избежать помпажа во впускной системе в момент резкого закрытия дроссельной заслонки, увеличить степень компромисса между производительностью на высоких и низких оборотах, рекомендуем прочитать в статье «Турбонаддув в теории и на практике». Наша цель – рассмотреть устройство клапанов избыточного давления разных видов.

Применяется конструкция двух видов:

  • замкнутого цикла. Через специальный канал избыточное давление подается в горячую часть турбины, что уменьшает инерционные потери на раскручивание турбинного колеса при последующем разгоне. Система состоит из клапана, воздушных магистралей и регулятора актуатора турбины, который передвигает шток клапана. Регулятор имеет вакуумную систему управления и совмещен с впускным коллектором через диафрагму. При создании определенного давления на впуске диафрагма выгибается, преодолевая усилие возвратной пружины, и открывает через систему тяг байпасный клапан;
  • открытого цикла. Принципиальная разница в том, что при открытии клапана поток воздуха идет в обиход турбинного колеса и направляется непосредственно в выпускную трубу.

Разновидностью системы открытого цикла является система блоу-офф. В работе используется все тот же принцип – специальный клапан сбрасывает избыточное давление с впускной системы. Разница лишь в том, что сброс происходит непосредственно в атмосферу, а сам выход газов на больших оборотах сопровождается характерным звуком.

tbf.su