Эксплуатация и принцип работы турбины на дизельном двигателе

Гениальная идея использования выхлопных газов для разгона ротора позволила создать турбированный дизельный двигатель внутреннего сгорания и увеличить его мощность на 40–50%. Это притом, что во время работы в обычном режиме выброс газов сопровождается снижением коэффициента полезного действия в пределах 30 — 40%.

Принцип работы турбины дизельного двигателя основан на увеличении количества воздуха, смешиваемого с топливом и поступающего в камеру сгорания. За один и тот же период времени и при равных объемах цилиндров, двигатель с турбонаддувом может сжечь большее количество топлива, чем движок, не оснащенный таким устройством. А значит, его мощность и КПД в единицу времени значительно возрастет.

Рассмотрим устройство турбины дизельного двигателя, как работает, и каким образом достигаются такие показатели.

Конструктивные элементы системы

Для осуществления возложенных функций, система турбонаддува состоит из двух основных частей:

1. Компрессор;
2. Турбина.

Компрессор служит для нагнетания атмосферного воздуха в систему подачи топлива. Он состоит из корпуса и расположенной в нем крыльчатки, которая, вращаясь, всасывает воздух. Чем выше ее скорость вращения, тем больше объем принятого воздуха. Увеличению скорости способствует работа турбины.

Она также состоит из корпуса с крыльчаткой (ротором), которая приводится в движение выхлопными газами. В корпусе газы проходят через специальный канал, имеющий форму улитки, что позволяет им увеличить скорость.

Как работает турбонаддув дизельного двигателя

Ротор турбины и крыльчатка компрессора жестко закреплены на одном валу. Таким образом, скорость вращения ротора передается крыльчатке. Круг замыкается:

• Через компрессор воздух из атмосферы, смешиваясь с топливом, подается в цилиндры двигателя;
• Смесь сгорает, приводя в движение поршни, и образовавшиеся в результате газы поступают в выпускной коллектор;
• Здесь они принимаются в корпус турбины, разгоняются в канале и на выходе взаимодействуют с ротором, заставляя его вращаться;
• Ротор через вал передает вращение крыльчатке компрессора, которая всасывает в корпус атмосферный воздух.

Получается взаимосвязанная схема работы, когда количество всасываемого воздуха зависит от скорости вращения крыльчатки и, наоборот, крыльчатка вращается быстрее при большем количестве забираемого воздуха.

Принцип работы турбонаддува имеет два момента, называемые турбоямой и турбоподхватом.

Первый момент характеризуется задержкой в работе турбины после увеличения подачи топлива нажатием на педаль газа, так как для разгона ротора выхлопными газами требуется время.

Вслед за турбоямой наступает момент турбоподхвата, когда разогнавшийся ротор резко увеличивает подачу воздуха в цилиндры, повышая мощность двигателя.

Регулировка давления наддува

Турбонаддув дизельного двигателя повышает его мощность за счет возрастания давления выхлопных газов, являющихся результатом увеличения числа оборотов и интенсивности работы мотора. Этот же процесс повышает давление наддува. Если его не регулировать, то на самых высоких оборотах оно может достичь опасных значений, приводящих к поломкам и механическим повреждениям.

Регулировка давления производится с помощью выпускного предохранительного клапана, а контроль максимально допустимого значения — с помощью мембраны и пружины определенной жесткости.

Суть работы: при достижении предельного значения давления, мембрана, установленная в корпусе компрессора, преодолевает воздействие пружины и открывает регулировочный клапан.

Давление регулируют как на стороне компрессора, так и на стороне турбины:

1. Работающий турбокомпрессор сбрасывает в атмосферу через выпускной клапан излишки забранного воздуха, тем самым снижая давление.
2. В турбине клапан выпускает отработанные газы под воздействием мембраны компрессора, когда давление всасываемого воздуха достигает максимального уровня. Благодаря этому, ротор вращается с установленной скоростью, а компрессор не забирает лишний воздух и не увеличивает давление.

Второй вариант расположения клапана позволяет изготавливать системы меньших габаритов. Кроме того, турбонагнетатель с клапаном в компрессоре подвержен чрезмерному нагреву из-за повышенной температуры выпускаемого воздуха, что негативно сказывается на эффективности его работы.

Поэтому турбонаддув дизельного двигателя чаще оснащают регулировочным клапаном в турбине, а регулировку в компрессоре используют в качестве дополнения.

Система смазки

Смазка вала турбонагнетателя осуществляется смазочной системой двигателя.

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

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

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

Недостатки турбокомпрессоров

Принцип работы турбины на дизельном двигателе создает и негативные факторы:

• Повышенный расход горючего. Возможность сжечь большее количество солярки за счет увеличенного объема подачи воздуха, вместе с мощностью повышает и «прожорливость» машины. Уменьшить аппетит до разумных пределов позволяет правильная регулировка системы.
• Положительные стороны наддува приводят к многократному повышению температуры во время такта сжатия, что может вызвать детонацию в двигателе. Решается эта проблема установкой охладителей, регуляторов и прочих элементов.

Правила эксплуатации

Чтобы в полной мере использовать ресурс турбины дизельного мотора и продлить ее срок службы, необходимо выполнять ряд условий:

• Регулярно менять масло в системе, чтобы не допустить попадания абразива в маслопровод и его засорения.
• Применять только качественное масло, имеющее сертификат, той марки, которая соответствует указанной в паспортных данных двигателя.
• Прогревать мотор перед началом движения и не давать холодному двигателю высоких нагрузок.
• Никогда резко не отключать движок, а после остановки автомобиля давать ему возможность поработать несколько секунд на холостых оборотах.

Принцип работы турбины на дизельном двигателе – Турбобаланс

Дизельный двигатель, относящийся к категории двигателей внутреннего сгорания, был изобретён в феврале месяце 

1893года в Германии инженером Рудольфом Дизелем.

С момента изобретения двигатель постоянно усовершенствовался, менялись виды топлива, способы его подачи, баланс топливной смеси и т.д.

Собранные по классической схеме двигатели, используют принцип превышения атмосферного давления над давлением, создающимся в цилиндре в момент движения поршня к нижней мёртвой точке. Однако за счёт незначительного времени затраченного на выполнения этого действия и небольшого перечного сечения воздухоподводящего канала поступающего воздуха недостаточно для полного сгорания топливной смеси.

Позже на родине Рудольфа Дизеля нашли способ решения данной проблемы. Воздух в цилиндры должен подаваться под избыточным давлением! Это основной принцип работы турбины на дизельном двигателе

Для этой цели было разработано 

специальное устройство, совмещающее в себе свойства вентилятора и компрессора. Это устройство приводилось в движение непосредственно от коленчатого вала двигателя, что снижало коэффициент полезного действия всей конструкции в целом.

Следующим усовершенствованием системы подачи воздуха стала установка в качестве привода для компрессораспециальной турбины, которая приводилась во вращение за счёт использования энергии потока использованных отработанных газов.

Однако при работе двигателя на малых оборотах, воздуха подаваемого в цилиндры компрессором было недостаточно для полноценной работы дизеля. Вскоре и этот вопрос был решён путём установки двух турбин различного диаметра и приводимых во вращение выхлопными газами, забираемыми из разных частей выпускного тракта. Турбина меньшего диаметра разгонялась быстрее и обеспечивала работу двигателя на малых оборотах, а большая турбина работала при больших оборотах двигателя, что качественно изменило принципы работы турбины на дизельном двигателе. Так же для уменьшения турбоямы использовались механизмы изменяемой геометрии.

Работает турбокомпрессор следующим образом:

— Выхлопные газы, отводимые от выпускного коллектора дизеля, направляются в приемный патрубок турбокомпрессора.

— Проходят по каналу корпуса турбины, который постепенно уменьшается в сечении, а газы увеличивают скорость и воздействуя на ротор заставляют вращаться турбину. Число оборотов турбины зависит от многих факторов: конфигурации канала, его формы, сечения и т.д. Турбина вращается со скоростью около150000 об/сек, её размеры подбираются в зависимости от типа двигателя.

— Наружный воздух, проходя через фильтрующий элемент, очищается от пыли и других посторонних примесей и в сжатом состоянии попадает во впускной коллектор дизеля. После этого происходит закрытие впускного канала, дополнительное сжатие топливной смеси и её воспламенение. В завершении рабочего цикла открывается выпускной коллектор.

Поскольку уходящие выхлопные газы имеют температуру около 800° — 900° С, турбокомпрессор имеет систему охлаждения, радиатором которой является корпус подшипника. При работе турбокомпрессора, за счёт сжатия и увеличения внутренней силы трения воздух, нагнетаемый в цилиндры дизеля подогревается до температуры около 170°С. Во время охлаждения воздух «сгущается», то есть увеличивается, его плотность и соответственно взрастает, объём подаваемого воздуха. Подача в двигатель охлаждённого воздуха положительно влияет на повышение мощности дизеля, что в свою очередь снижает потребление топлива, уменьшает отрицательное воздействие на окружающую среду.

Турбокомпрессорные двигатели имеют перед обычными двигателями определённые преимущества:

• При одних и тех же энергозатратах расход топлива меньше, поскольку часть энергии выхлопных газов, раскручивая турбокомпрессор, подавая большее количество воздуха в цилиндры двигателя, увеличивает его мощность.
• Двигатели с турбокомпрессорами имеют меньший наружный объём и соответственно меньшие потери нагрева.
• За счёт относительно небольшого веса на 1Л.С. мощности снижается расход металла на сам двигатель и конструкцию, на которой он установлен.
• Также меньше объём отсека, в который может быть установлен турбодвигатель.
• За счёт малого числа оборотов при номинальной мощности турбодвигатели обладают лучшими нагрузочными характеристиками.
• В условиях разряженного воздуха, за счёт высокого давления развиваемого турбокомпрессором и низкого внешнего давления турбодвигатель имеет огромные преимущества в сравнении с обычным двигателем, поскольку мощность его практически не теряется.
• турбодвигатель за счёт малых размеров имеет меньшую звукоизлучающую поверхность, а турбокомпрессор работает как дополнительный глушитель.

Имеет турбонаддув и свои недостатки – это заметная задержка набора мощности при резком нажатии на педаль акселератора. Такое случается в связи с тем, что отсутствует механическая связь коленчатого вала и турбины Мощность начинает расти, когда турбина раскрутится выхлопными газами. Хотя подобное явление в той или иной степени наблюдается у любого двигателя.

Основное применение дизельные двигатели с турбонаддувом нашли на автомобилях большой грузоподъёмности, работающих с полной нагрузкой.

Принцип работы дизельной турбины, как работает турбина дизельного двигателя ⋆ блог компании Turbovector

Деталь раскручивается силой отработанных газов. Турбокомпрессором называется воздушный насос, приводимый в движение турбиной. Дизельный двигатель разгоняет лопатки до 130 000 оборотов в минуту. Сгорание топлива происходит более полно, расход снижается, а КПД увеличивается. Дополнительно уменьшается количество вредных выбросов в атмосферу.

Схема узла

Турбина соединена с компрессором жёсткой осью. Компрессор втягивает и спрессовывает воздух, и под давлением выдувает в коллектор двигателя. Чем выше давление, тем большее количество газов подаётся в двигатель. Возрастает КПД, скорость разгона, манёвренность.

Существует прямо пропорциональная зависимость между давлением, с которым подаётся воздух, и быстротой движения турбины. Бесконечно наращивать нагнетаемый объём воздуха нельзя, так как существуют предельные нагрузки на крыльчатки.

Конструкция турбонаддува

Деталь состоит из корпуса и ротора. Газы под давлением выдуваются из выпускного коллектора двигателя в приёмный патрубок турбокомпрессора. В узком канале происходит ускорение. Газы попадают на улитку турбины, затем раскручивают ротор. На скорость влияет размер и форма внутреннего канала.

Модификации

Модели для дизельных, бензиновых двигателей, а также грузовиков и тяжёлой техники отличаются по внутреннему строению корпуса. Для наращивания мощности автобусов и грузовой техники применяют 2 параллельных канала. Ротор разгоняют 2 синхронных воздушных потока.

Турбокомпрессоры большого объёма специально комплектуют кольцом с направляющими лопатками. Это позволяет создать равномерную струю воздуха на роторе. Также появляется возможность регулировать скорость и мощность воздушной массы.

Комплектующие изготавливают из тугоплавких металлов, выдерживающих 1000-1150 °С. Ось, на которой закреплён ротор, менее тугоплавкая.

Способ сборки:

• • Ротор и ось соединяют. В процессе обе детали вращаются в противоположные стороны. Трение образует большое выделение тепла. Происходит сплавление.
• • В месте контакта ось имеет внутреннюю полость. Это необходимо для изоляции жара от ротора.
• • Ближе к корпусу турбины в выемке на оси размещают уплотнительное кольцо.
• • Радиальные подшипники полируют.
• • Один конец оси отливается меньшего диаметра и заострённым. На него надевается ротор с закрепительной резьбой. Навинчивающаяся гайка плотно удерживает запчасть на месте.

Ось подлежит обязательной балансировке, как и все части турбокомпрессора. Проводится минимум два этапа балансировки: отдельно и в сборке – перед установкой на двигатель.

Компрессор

Узел включает корпус и ротор. Величина зависит от объёма двигателя и общего размера транспортного средства. Чем больше ротор, тем ниже предельная скорость вращения. Ротор компрессора неразрывно связан с осью и движется с одинаковой быстротой по сравнению с ротором турбины.

Форма алюминиевых лопаток продумана для втягивания воздуха через середину детали. Газы подталкиваются к краям ротора и лопатками передаются на стенки картриджа. Этот механизм сжимает воздух до размеров впускного коллектора. Картридж турбокомпрессора обычно отливают из алюминия.

Корпус подшипников

Центральная ось является связующим звеном между компрессором и турбиной. Движение оси задаётся подшипниками. Между ними, корпусом и осью течёт моторное масло. Оно смазывает всю систему, включая двигатель.

Существуют модели со стационарным подшипником. Смазывание оси производится благодаря наличию масляной ванны. Такой механизм изолирован от системы двигателя. Конструкция хороша тем, что жидкость не только снижает трение, но и остужает механизм в процессе работы.

Комплект из маслоотражательных прокладок и уплотнительных колец служит для предотвращения утечки масла. Расходники прикрепляются по обе стороны турбокомпрессора. Дополнительно затрудняется прохождение воздуха между турбиной, компрессором и осью. Это необходимо, так как внутреннее давление компрессора и турбины превосходит его же в корпусе оси.

Чтобы нивелировать разницу, часть газов и воздуха спускается в картер двигателя вместе с текущим моторным маслом.

Динамические уплотнения

• • Уплотнительное кольцо раскручивается по ходу движения оси с аналогичной быстротой. Три отверстия позволяют создать противовес давлению масла.
• • Внутренний дизайн картриджа в том месте, где снаружи крепится кольцо, имеет специальную конструкцию для изоляции протечек.

Заказать ремонт или замену дизельной турбины в Минске недорого можно по телефону +375 (29) 123 59 55 или через форму на сайте turbovector.by.

Турбина дизельного двигателя: устройство и ремонт механизма

Дизельный двигатель – это поршневой двигатель внутреннего сгорания, который работает соответственно с принципом самовоспламенения распыленного топлива, что получается в результате воздействия нагретого воздуха при предварительном сжатии.

Достаточно широким является разнообразие топлива для дизельного двигателя. Таким образом, сюда включаются практически все фракции от нефтеперегонной продукции: от самого простого керосина, и до мазуты, а также ряда других продуктов естественного происхождения – рапсового масла, фритюрного жира, пальмового масла и т.д.

Дизельный двигатель уникален, так как может даже работать на обычной, не переработанной сырой нефти.

Дизельные двигатели имеют несколько конструкций камер сгорания. В зависимости от этого существует и несколько типов дизельного двигателя:

1. Дизельный двигатель с неразделенной камерой. Данная камера сгорания выполнена в поршне. Само топливо впрыскивается непосредственно через надпоршневое пространство. Главной особенностью данного типа двигателя является минимальное потребление топлива.

Несущественным, но все же недостатком, является повышенная шумность данного двигателя, в сравнении с его собратом. Сейчас же ведутся также интенсивные работы во блага нововведений, чтобы вышеуказанный недостаток был устранен. Так, в некоторых системах дизельных двигателей было основано устройства предвпрыска топлива в камеру сгорания, что снижает жесткость работы всего агрегата.

2. Дизельный двигатель с разделенной камерой. В данном виде дизельного двигателя существует дополнительная камера, в которою, собственно, и впрыскивается топливо. Вихревая, предкамерная камера в большинстве дизельных двигателей имеет непосредственную связь с цилиндром через специальный канал так, чтобы воздух при его сжатии, когда попадал в оную камеры завихрялся более интенсивно. Это, в свою очередь, способствует тому, что начинается процесс отменного перемешивания воздуха с впрыскиваемым топливом, в результате чего происходит более полное сгорание топлива.

Именно данная схема очень долгий период считалась оптимальной для большинства легких двигателей и в основном использовалась на легковом типе автомобилей. Тем не менее, вследствие того, что экономичность не самая лучшая и оставляет желать лучшего, в последнее десятилетие происходит активное вытеснение этаких двигателей теми двигателями, которые имеют нераздельную камеру и иную систему подачи топлива.

1. Ремонт турбин дизельных двигателей – изучаем устройство механизма

Турбина являет собою крыльчатку, которая была насажена на вал. Через этот вал компрессор приводится в свою эффективную работу. Корпус его производится из жаропрочного сплава алюминия, а сам вал делают зачастую из стали среднелегированной. Именно эти детали практически не поддаются никакому ремонту и в том случае, если они выходят из строя, их необходимо заменять новыми.

Корпус самого турбонадува дизельного двигателя делается из чугуна. Весь процесс активной работы двигателя, по большей части, порождает износ постелей под подшипниками, а также гнезд уплотнительных колец. Сама улитка турбины отливается из чугуна, а уже за счет ее довольно не простой формы образуется определенный поток газов, который дает толчок к развитию и началу движения всего описанного агрегата.

Также, изготавливают алюминиевую отливку под улитку компрессора с небольшим местом для крыльчатки. В момент самого вращения через центральное отверстие компрессор затягивает воздух, после чего он сжимает его и нагнетает его в двигатель по кольцевому каналу.

Само устройство этого механизма не отличается особой сложностью. Тем не менее, для его изготовления нужна высокая точность литья, а также минимальные допуски при подборе деталей.

2. Ресурс турбины дизельного двигателя

Включение турбины дизельного двигателя происходит с самыми первыми его оборотами. Заканчивается же уже немного позже его первичной остановки. При непосредственном пуске мотора выхлопные газы сразу же попадают в турбинную улитку, а это, в свою очередь, приводит вал с крыльчатками в движение.

На самих холостых оборотах у выхлопных газов наблюдается маленькое давление, вследствие чего вращение турбины и ее скорость не влияет на весь объем воздух, который попадает непосредственно в двигатель.

Увеличение количества выхлопных газов сопутствуется ростом оборотов. Вследствие этого процесса обороты турбокомпрессора увеличиваются, а турбина начинает свою эксплуатацию в штатном режиме. В автомобильном «мифовом» мире существует теория, что ресурс турбины у дизельного двигателя очень невысок.

Миф этот нужно развеять, так как он не соответствует действительности. Сам ресурс турбины дизельного двигателя сравняется по долговечности ресурса мотора. Он немного меньше чем он, так как это вызвано его деятельностью и спецификой работы.

Зачастую ресурс турбокомпрессора, вследствие плохого эксплуатирования и несоблюдения всех правил и рекомендаций производителей, снижается. Сопутствуют этому следующие моменты:

1. Использование некачественной смазки.

2. Несвоевременная замена масла.

3. Резкий набор оборотов при холодном и непрогретом двигателе.

4. Остановка горячего двигателя, если он не выдерживается на холостом ходу.

5. Засор каналов масла. В результате этого перебои подачи смазки неизбежны.

Срок службы турбины никоим образов не является зависимым от уровня умения владения автомобилем водителя. Это миф. На практике же, эксплуатация турбины дизельного двигателя не имеет сложностей даже для новичков.

Для того, чтобы двигатель работал бесперебойно нужно соблюдать все те же правила, которые используются при использовании обычного мотора. Нужно лишь учитывать минимальные вышеуказанные нюансы.

3. Эксплуатация дизельного двигателя с турбиной

Нужна регулярная проверка состояния воздушного фильтра при эксплуатации дизельного двигателя и его турбины. Это нужно потому, что при загрязнении фильтра возникает большое давление на всасывании воздуха.

Это, в свою очередь, приводит к тому, что работоспособность и производительность компрессора снижается. Из-за того, что масло имеет высокую степень вязкости ощущается дефицит смазки при запуске холодного двигателя. Именно поэтому мотор с турбиной требует значительного прогрева перед началом полноценной работы.

Ниже указаны основные признаки при неисправностях турбин дизельного двигателя:

1. Двигатель не может набрать максимальные обороты, а также присутствует черный выхлоп. Это скорее всего вызвано из-за недостаточного поступления воздуха. Таким образом можно определить, что воздушный канал был загрязнен. Также, можно предположить, что выпускной коллектор разгерметизировался. Очень часто наблюдается утечка через слабые и неплотные соединения патрубков.

2. Также, о неисправности турбины может рассказывать синий цвет у выхлопного газа. Основной причиной этого может быть попадание масла в сам выхлопной коллектор. В данном случае нужно проверить целостность роторов, а также полное состояние всей сливной системы, которая идет от турбины непосредственно к двигателю. Иногда в ней могут образовываться засоры и сужения.

3. Громкая работа двигателя также свидетельствует о неисправности его турбины. Для того, чтобы определить причины этого нужно очень тщательно проверить всю герметичность трубопроводов и легкость вращения оси у компрессора. Может быть такое, что были повреждены роторы, или деформированы, или чересчур потерты. В таком случае необходим демонтаж всего узла для полного осмотра и дальнейшего ремонта.

Подписывайтесь на наши ленты в таких социальных сетях как, Facebook, Вконтакте, Instagram, Pinterest, Yandex Zen, Twitter и Telegram: все самые интересные автомобильные события собранные в одном месте.

Принцип работы турбины на дизельном двигателе

Воплощение идеи по использованию выхлопных газов с целью разгона ротора позволила увеличить мощность дизельного мотора примерно на 30%. Мотор, на который установлен турбонаддув, называется турбодизелем.

Содержание:

Устройство турбины дизельного двигателя

Турбокомпрессор выполняет задачу по нагнетанию воздуха под давлением в цилиндры мотора: чем больше будет воздуха, тем больше топлива силовой агрегат сможет сжечь, что, в свою очередь, приведет к увеличению мощности двигателя без увеличения объема имеющихся цилиндров.

Чтобы выполнять возложенные функции с необходимой эффективностью, турбонаддув имеет особую конструкция, состоящую из двух элементов:

• турбины;
• компрессора.

Главная функция компрессора заключается в усилении поступления воздуха в топливную систему. Составные части компрессора находятся в алюминиевом корпусе. Внутри него располагается ротор, закрепленный на оси турбины. Вращаясь, ротор вбирает воздух: большая скорость вращения приводит к большему количеству попавшего внутрь воздуха. Для набора скорости существует турбина.

Турбина состоит из корпуса с ротором внутри. Поскольку все элементы устройства взаимодействуют с газами высокой температуры, они изготавливаются из специальных материалов, невосприимчивых к такому воздействию.

Как работает турбина на дизельном двигателе

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

Принцип работы турбины на дизельном двигателе следующий:

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

Таким образом, принцип работы основывается на взаимосвязи: чем сильнее вращается ротор, тем больше поступает воздуха, но при этом ротор увеличивает скорость вращения, если количество воздуха возрастает.

Как работает турбонаддув

Чтобы разобраться в работе турбонаддува, для начала следует уяснить понятия турбоподхвата и турбоямы.

Турбоподхват – ситуация, когда набравший скорость ротор увеличивает поступление воздуха в цилиндры, следствием чего становится повышение мощности двигателя.

Турбояма – момент небольшой задержки, наблюдаемый в работе турбины при увеличении количества поступившего горючего, что достигается нажатием на педаль газа. Задержка вызвана временем, которое нужно ротору для его разгона газами.

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

Работа турбины дизельного двигателя также требует контроля давления:

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

Минусы использования турбокомпрессора

Казалось бы, установка турбодизеля влечет за собой сплошные преимущества, но это не так. У устройства есть определенные недостатки:

1. возрастает расход топлива, что особенно ощущается при неправильной регулировке системы;
2. температура в процессе сжатия повышается, что может привести к детонации. Чтобы избежать такой неприятности, необходим монтаж регуляторов, охладителей и ряда других элементов.

Турбированный мотор: правила эксплуатации

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

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

Как работает турбина: видео

Принцип работы турбокомпрессора для дизельного двигателя

Для точного определения неисправностей, связанных с турбокомпрессором, необходимо знание принципа его работы. Нижеприведеннная информация относится к турбокомпрессорам массовых дизельных двигателей, поскольку они достаточно просты.

Турбокомпрессор — это компрессор, или воздушный насос, который приводится от турбины. Турбина вращается за счет использования энергии потока отработавших газов. Частота вращения турбокомпрессора дизельного двигателя находится в пределах от 1000 до 130.000 об/мин (это значит, что лопатки турбины разгоняются почти до линейной скорости звука). Турбина непосредственно соединяется с компрессором жесткой осью. Компрессор засасывает через воздушный фильтр свежий воздух, сжимает его и затем под давлением подает во впускной коллектор двигателя. Чем больше воздуха подается в цилиндры, тем больше топлива может сгореть, а это повышает мощность двигателя.

Теоретически существует равновесие мощностей между турбиной и компрессором турбокомпрессора. Чем большую энергию имеют отработавшие газы, тем быстрее будет вращаться турбина. Как следствие, компрессор тоже будет вращаться быстрее.

Турбокомпрессор Garrett в разобранном виде

Турбина

Турбина состоит из корпуса и ротора. Отработавшие газы из выпускного коллектора двигателя попадают в приемный патрубок турбокомпрессора. Проходя по постепенно сужающемуся внутреннему каналу корпуса турбины, они ускоряются, а пройдя этот имеющий форму улитки корпус, направляются к ротору турбины и приводят ее во вращение.

Скорость вращения турбины определяется размером и формой канала в ее корпусе. Это напоминает поливочный шланг: чем больше вы перекрываете пальцем выходное отверстие, тем дальше бьет струя воды. Размеры турбины и ее корпуса зависят от конкретного двигателя.

Корпусы турбин значительно различаются в зависимости от сферы применения. Корпус турбины двигателя грузовика может быть разделен на два параллельных канала, поэтому на ротор воздействуют два потока отработавших газов. При таком типе корпуса становится возможным использование импульсного движения потока газов и достижение резонансных явлений. Отсюда и обязательность разделения выпускных каналов для каждого цилиндра.

В корпусе турбины, имеющем двойной канал, каждый поток распределяется по всей поверхности ротора турбины. Другая конструкция корпуса с двумя каналами позволяет использовать импульсы давления (поток распределяется симметрично с каждой стороны ротора).

В случае системы с постоянным давлением используется только энергия поступательного движения отработавших газов. При этом могут применяться только корпусы турбины с одним каналом. Этот вариант используется в корпусах с водяным охлаждением, которые применяются на судовых двигателях.

В турбокомпрессоры с большим объемом часто устанавливают дополнительное кольцо с направляющими лопатками. Оно облегчает создание постоянного потока отработавших газов на роторе турбины и делает возможным регулирование потока внутри ее корпуса.

Корпус турбины отливается из сплава с высокой термостойкостью. Ротор турбины также изготавливается из высококачественных материалов, имеющих высокую температурную стойкость. Ту часть, через которую входят отработавшие газы, называют впуском, а идущую к выхлопной трубе — выпуском.

На оси жестко крепится ротор турбины. Материал оси отличается от материала, используемого для ротора турбины. Сборка этого соединения осуществляется следующим способом. Ось и ротор, вращающиеся в противоположных направлениях на очень большой скорости, прижимают друг к другу. Выделяющееся при трении тепло сплавляет их друг с другом, образуя неразъемное соединение.

Ось в месте соединения пустотелая. Эта пустота затрудняет передачу тепла от ротора турбины к ее оси. На оси со стороны турбины имеется углубление, в котором располагается уплотнительное кольцо. Рабочая поверхность радиальных подшипников упрочняется и полируется.

Выступающий бортик, на который будет запрессовано кольцо, обрабатывается с высокой точностью. На более тонкий конец оси устанавливается ротор компрессора; там имеется резьба, на которую навинчивается предохранительная гайка для закрепления ротора. После того, как ось изготовлена, она должна быть отбалансирована с максимально возможной точностью прежде чем она будет установлена в корпус.

Компрессор

Компрессор состоит из корпуса и ротора. Размеры компрессора определяются количеством воздуха, требуемого для двигателя, и скоростью вращения турбины. Ротор компрессора жестко закреплен на оси турбины и, следовательно, вращается с той же скоростью, что и ротор турбины.

Лопатки ротора компрессора, изготавливаемые из алюминия, имеют такую форму, что воздух засасывается через центр ротора. Всасываемый таким образом воздух направляется к периферии ротора и при помощи лопаток отбрасывается на стенку корпуса компрессора. Благодаря этому воздух сжимается и через впускной коллектор попадает в двигатель. Корпус компрессора также изготовлен из алюминия.

Корпус оси

Смазка турбокомпрессора производится от системы смазки двигателя. Корпус оси образует центральную часть турбокомпрессора, расположенную между турбиной и компрессором. Ось вращается в подшипниках скольжения. Моторное масло по каналам проходит между корпусом и подшипниками, а также между подшипниками и осью. В большинстве турбокомпрессоров радиальные подшипники вращаются со скоростью, равной половине скорости оси.

В настоящее время появились конструкции, в которых подшипник неподвижен, а ось вращается в масляной ванне. Масло не только служит для смазки оси, но и охлаждает ее, подшипники и корпус.

Для уплотнения с двух сторон турбокомпрессора устанавливаются маслоотражательные прокладки. С двух сторон устанавливаются также уплотнительные кольца.

Но, несмотря на то, что эти кольца помогают избежать утечек масла, они в действительности не являются уплотнительными прокладками. Их нужно рассматривать как элемент, затрудняющий утечку воздуха и газов между турбиной, компрессором и корпусом оси. В обычном режиме работы турбокомпрессора давление в турбине и компрессоре больше давления в корпусе оси. Часть газов из турбины и часть воздуха, сжатого в компрессоре, попадают в корпус оси и вместе с моторным маслом по сливному маслопроводу проходят в масляный картер двигателя.

На рисунке показан путь, по которому проходит масло внутри корпуса оси турбокомпрессора Garrett T04B

Все масляные уплотнения динамического типа, т.е. работают на принципе разности давлений:

1. Разница в диаметрах оси из-за действия центробежных сил образует разность давлений, что затрудняет просачивание масла к турбине.

2. Со стороны турбины уплотнительные кольца расположены в выточках (как в корпусе оси так и на самой оси). Этот же принцип установки колец применен и со стороны компрессора.

Уплотнительные кольца являются элементом, играющим главную роль в обеспечении герметичности. Кроме того, они передают тепло с оси на корпус.

3. Уплотнительное кольцо вращается с той же скоростью, что и ось. Благодаря имеющимся в нем трем отверстиям создается противодавление маслу.

4. Внутренняя форма корпуса оси на уровне кольца герметичности весьма своеобразна с целью предотвращения просачивания масла к компрессору.

5. Давление в компрессоре и турбине вытесняет масло в корпус оси.

Когда обороты двигателя низкие или он работает без нагрузки, давление в корпусе оси больше, чем в компрессоре. В компрессоре воздух отжимается от центра на периферию и сжимается. Этот же эффект мы можем наблюдать при быстром размешивании кофе в чашке: кофе будет отброшен на стенки чашки. Воздух в компрессоре завихряется и отбрасывается на стенки компрессора, после чего этот сжатый воздух поступает в двигатель. Поэтому становится ясно, почему в случае слабого наддува в двигателе с турбокомпрессором (т.е. когда давление турбокомпрессора близко к нулю) за ротором компрессора образуется небольшое разрежение.

Естественно, при работе компрессора могут иметь место утечки масла из корпуса оси в компрессор. Скорость вращения оси турбокомпрессора может быть настолько высокой, что избежать утечек масла, используя обычные манжеты (устанавливаемые, к примеру, в коробке передач), невозможно.

Поэтому в корпус оси устанавливают несколько уплотнительных колец, используя разные методы для наиболее качественного уплотнения мест возможной утечки масла.

Вот некоторые из них:

Механический сливной маслопровод турбокомпрессора Garrett. В этом компрессоре главную роль при уплотнении играет уплотнительное кольцо. Когда двигатель работает на малых оборотах либо без нагрузки, за ротором компрессора образуется область пониженного давления (разрежения). Масло и газы, которые находятся в корпусе оси, устремляются между задней пластиной и уплотнительным кольцом к компрессору. Когда эта смесь проходит через отверстия кольца, масло, более тяжелое, чем газы, отбрасывается к наружной стороне кольца, но остается в корпусе оси, в то время как газы продолжают свое движение в компрессоре.

Таким образом, уплотнительное кольцо, которое вращается на большой скорости вместе с осью турбокомпрессора, действует как центробежный сепаратор масла.

Пластина для отвода масла. Большинство производителей турбокомпрессоров в той или иной форме используют эту схему. Это неподвижная пластина, расположенная поперечно со стороны компрессора.

Масло, идущее от уплотнительных колец, стекает по внутренней стороне пластины вниз, то есть к отверстию для слива масла. Верхняя часть этой пластины имеет такую форму, что она постоянно находится выше нормального уровня масла в корпусе оси. В случае возможного образования разрежения в компрессоре газы засасываются легче, чем более тяжелое масло.

Со стороны турбины проблема отвода масла не так важна, если принять во внимание, что в нормальных условиях давление в турбине всегда выше, чем в корпусе оси. При некоторых условиях эксплуатации может иметь место падение давления в турбине; в таком случае требуется установка пластины для отвода масла со стороны турбины.

Любая конструкция корпуса оси подразумевает также необходимость максимального снижения теплообмена между турбиной с уплотнительными кольцами и компрессором. С этой целью со стороны турбины устанавливается термоизоляционная прокладка, а в корпусе оси имеется множество элементов для теплообмена. Например, в турбокомпрессорах (Garrett для дизельных двигателей с марта 1989 года используется корпус оси, имеющий ребра охлаждения.

Регулировка давления наддува

Мощность дизельного двигателя ограничена максимальным числом оборотов, равным приблизительно 5000 об/мин. Ее можно поднять, только увеличив рабочий объем двигателя или степень сжатия.

По соображениям ограничения массы и размеров автомобиля его оснащают как можно меньшим двигателем, который будет работать с максимальными оборотами, чтобы обеспечить требуемую мощность.

Дизельный двигатель работает в широком диапазоне чисел оборотов. Соответствие мощности турбины и нерегулируемого компрессора турбокомпрессора означает соответствие создаваемого последним давления энергии отработавших газов. Увеличивая мощность двигателя (например, нажимая на педаль акселератора), мы увеличиваем как количество отработавших газов, так и давление наддува. Недостатком этой конструкции будет создание слишком высокого давления на максимальных оборотах. Повреждения двигателя избегают, ограничивая давление.

Принцип работы регулятора давления.
Давление наддува в компрессоре воздействует на мембрану, которая прижимается пружиной. Когда сила сжатой пружины преодолевается, открывается регулировочный клапан, уменьшая поток отработавших газов через турбину и удерживая таким образом давление наддува ниже определенного предела, при превышении которого двигатель был бы поврежден. В турбокомпрессорах для дизельных двигателей этот клапан почти всегда встроен в корпус турбины. Этим достигается компактность конструкции и точность работы.

На рисунке представлен в разрезе регулировочный клапан фирмы Garrett.

1 — корпус турбины; 2 — клапан; 3 — уплотнение; 4 — направляющая пружины; 5 — пружины; 6 — клапан; 7 — контргайка; 8 — крышка с отводом воздуховода; 9 — вентиляционный канал

Верхняя часть стержня клапана полая. Эта полость заканчивается на середине стержня боковым отверстием. Обычно давление во впускном трубопроводе над мембраной выше давления в корпусе. Вот почему более холодный воздух из компрессора циркулирует по полости в стержне к точке крепления стержня в корпусе турбины и затем по вентиляционному воздуховоду к корпусу турбины. Крышка Мембраны зажата на корпусе клапана таким образом, что на практике никакая регулировка усилия пружины невозможна. Если предохранительный клапан не работает как надо, корпус турбины вместе с клапаном должен быть заменен полностью.

Работа предохранительного клапана фирмы KKK.
Этот клапан также может быть встроен в выхлопную трубу, как отдельно от корпуса турбины, так и в ней. Чтобы максимально уменьшить передачу тепла, встраивают множество теплоизоляционных элементов. Кроме этого, корпус клапана имеет ребра охлаждения, которые поглощают тепло и рассеивают его в окружающий воздух.

Давление наддува можно также регулировать со стороны компрессора. При определенном давлении регулировочный клапан открывается и выпускает часть воздуха в атмосферу или во впускной трубопровод перед компрессором. Эта система, правда, имеет два недостатка. Во-первых, выпускаемый воздух имеет повышенную температуру, поэтому термодинамические преимущества турбокомпрессора уменьшаются. Во-вторых, если давление регулируется только компрессором, требуется слишком большая турбина, чтобы в любой момент времени обеспечить нужную производительность компрессора. Это вызывает увеличение времени реакции на нажатие педали акселератора, поскольку турбокомпрессор срабатывает с запаздыванием.

На практике клапан у компрессора используется как дополнительная защита от повышения давления совместно с регулятором давления наддува.

Корпус оси

С уменьшением размеров турбины и компрессора общая величина современных турбокомпрессоров также уменьшается. При этом турбина располагается все ближе к компрессору.

Передача тепла от турбины к компрессору по оси и корпусу оси неблагоприятно сказывается на надежности и долговечности корпуса, а также ухудшает теплоотдачу турбокомпрессора: воздух должен быть как можно более холодным, поскольку холодный (более плотный) воздух содержит больше кислорода, чем горячий.

В ходе развития турбокомпрессоров для автомобильных дизельных двигателей конструкторы постоянно искали новые возможности воспрепятствования передаче тепла. При изготовлении корпуса оси стали встраивать большее количество термокомпенсационных элементов, увеличили количество содержащегося в корпусе масла.

Так, фирма Garrett изготовила «морщинистый» корпус оси, разработанный специально для автомобильных двигателей. Этот корпус устанавливается на турбокомпрессоре TЗ той же фирмы. Благодаря особой форме корпуса достигнуто снижение температуры на его внутренней поверхности, при этом пиковые температуры снижены:

а) усилением вентиляции вокруг основания турбины, что значительно улучшает циркуляцию масла и отвод тепла;

б) увеличением размеров металлических деталей, чтобы ускорить поглощение тепла;

в) использованием охлаждающих ребер для улучшения отвода тепла от основания турбины.

 

Двигатель

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.

Как работают газотурбинные электростанции

Газовые турбины внутреннего сгорания, устанавливаемые на многих современных электростанциях, работающих на природном газе, представляют собой сложные машины, но в основном они состоят из трех основных частей:

• Компрессор , который втягивает воздух в двигатель, нагнетает давление его и подает в камеру сгорания со скоростью сотни миль в час.
• Система сгорания , обычно состоящая из кольца топливных форсунок, которые впрыскивают постоянный поток топлива в камеры сгорания, где оно смешивается с воздухом.Смесь сжигается при температуре более 2000 градусов по Фаренгейту. При сгорании образуется высокотемпературный газовый поток под высоким давлением, который входит и расширяется через турбинную секцию.
• Турбина представляет собой сложный набор чередующихся неподвижных и вращающихся лопастей с профилем крыла. Когда горячий газ сгорания расширяется через турбину, он раскручивает вращающиеся лопасти. Вращающиеся лопасти выполняют двойную функцию: они приводят в движение компрессор, чтобы втягивать больше сжатого воздуха в секцию сгорания, и вращают генератор для выработки электроэнергии.

Наземные газовые турбины бывают двух типов: (1) двигатели с тяжелой рамой и (2) авиационные двигатели. Двигатели с тяжелой рамой характеризуются более низким коэффициентом давления (обычно ниже 20) и имеют тенденцию быть физически большими. Степень давления — это отношение давления нагнетания компрессора к давлению воздуха на входе. Двигатели на базе авиационных двигателей являются производными от реактивных двигателей, как следует из названия, и работают с очень высокими степенями сжатия (обычно превышающими 30). Двигатели на базе авиационных двигателей имеют тенденцию быть очень компактными и полезны там, где требуется меньшая выходная мощность.Поскольку турбины с большой рамой имеют более высокую выходную мощность, они могут производить большее количество выбросов и должны быть спроектированы таким образом, чтобы обеспечивать низкие выбросы загрязняющих веществ, таких как NOx.

Одним из ключевых факторов удельного расхода топлива турбины является температура, при которой она работает. Более высокие температуры обычно означают более высокую эффективность, что, в свою очередь, может привести к более экономичной эксплуатации. Газ, протекающий через турбину типичной электростанции, может иметь температуру до 2300 градусов по Фаренгейту, но некоторые из критических металлов в турбине могут выдерживать температуры только от 1500 до 1700 градусов по Фаренгейту.Следовательно, воздух из компрессора может использоваться для охлаждения основных компонентов турбины, что снижает конечный тепловой КПД.

Одним из главных достижений программы передовых турбин Министерства энергетики было преодоление прежних ограничений по температурам турбин с использованием комбинации инновационных технологий охлаждения и современных материалов. Усовершенствованные турбины, появившиеся в результате исследовательской программы Департамента, смогли повысить температуру на входе турбины до 2600 градусов по Фаренгейту — почти на 300 градусов выше, чем в предыдущих турбинах, и достичь КПД до 60 процентов.

Еще одним способом повышения эффективности является установка рекуператора или парогенератора с рекуперацией тепла (HRSG) для рекуперации энергии из выхлопных газов турбины. Рекуператор улавливает отходящее тепло в выхлопной системе турбины, чтобы предварительно нагреть воздух на выходе компрессора перед его поступлением в камеру сгорания. ПГРТ вырабатывает пар за счет улавливания тепла из выхлопных газов турбины. Эти котлы также известны как парогенераторы-утилизаторы. Пар высокого давления из этих котлов можно использовать для выработки дополнительной электроэнергии с помощью паровых турбин, такая конфигурация называется комбинированным циклом.

Газовая турбина простого цикла может достигать КПД преобразования энергии в диапазоне от 20 до 35 процентов. С учетом более высоких температур, достигнутых в турбинной программе Министерства энергетики, будущие газотурбинные установки с комбинированным циклом, работающие на водороде и синтез-газе, вероятно, достигнут КПД 60 процентов или более. Когда отработанное тепло улавливается из этих систем для отопления или промышленных целей, общая эффективность энергетического цикла может приближаться к 80 процентам.

Газотурбинный двигатель | Британника

Полная статья

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

Общие характеристики

Полезная работа или тяга может быть получена от газотурбинного двигателя. Он может приводить в действие генератор, насос или воздушный винт или, в случае чисто реактивного авиационного двигателя, развивать тягу, ускоряя поток выхлопных газов 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 передает мощность вращающегося вала напрямую. Хотя концептуально газотурбинный двигатель представляет собой простое устройство, компоненты эффективного агрегата должны быть тщательно спроектированы и изготовлены из дорогостоящих материалов из-за высоких температур и напряжений, возникающих во время работы. Таким образом, установки газотурбинных двигателей обычно ограничиваются крупными установками, 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 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 в турбину) 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 предназначена для обеспечения 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.

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 от 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 выходной мощности турбины 1,68 киловатт на каждый киловатт полезной мощности с 0.68 киловатт потребляется для работы компрессора. Тепловой КПД установки (чистая произведенная работа, разделенная на энергию, добавленную через топливо) составит 48 процентов.

Получите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту. Подпишитесь сейчас

Фактическая простая производительность открытого цикла

Если для агрегата, работающего в пределах одного и того же давления и температуры, компрессор и турбина имеют КПД только на 80 процентов (, т.е. , работа идеального компрессора равна 0.В 8 раз больше фактической работы, 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 снижается 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% и КПД турбины 88–90% 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 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) уменьшение 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, соответственно, 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 аналогичен повторному нагреву, используемому в паровой турбине.

Оба подхода требуют значительного дополнительного оборудования и используются реже, чем третье улучшение.Здесь горячие выхлопные газы 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.

Газотурбинный двигатель | Британника

Полная статья

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

Общие характеристики

Полезная работа или тяга может быть получена от газотурбинного двигателя. Он может приводить в действие генератор, насос или воздушный винт или, в случае чисто реактивного авиационного двигателя, развивать тягу, ускоряя поток выхлопных газов 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 передает мощность вращающегося вала напрямую. Хотя концептуально газотурбинный двигатель представляет собой простое устройство, компоненты эффективного агрегата должны быть тщательно спроектированы и изготовлены из дорогостоящих материалов из-за высоких температур и напряжений, возникающих во время работы. Таким образом, установки газотурбинных двигателей обычно ограничиваются крупными установками, 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 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 в турбину) 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 предназначена для обеспечения 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.

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 от 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 выходной мощности турбины 1,68 киловатт на каждый киловатт полезной мощности с 0.68 киловатт потребляется для работы компрессора. Тепловой КПД установки (чистая произведенная работа, разделенная на энергию, добавленную через топливо) составит 48 процентов.

Получите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту. Подпишитесь сейчас

Фактическая простая производительность открытого цикла

Если для агрегата, работающего в пределах одного и того же давления и температуры, компрессор и турбина имеют КПД только на 80 процентов (, т.е. , работа идеального компрессора равна 0.В 8 раз больше фактической работы, 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 снижается 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% и КПД турбины 88–90% 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 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) уменьшение 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, соответственно, 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 аналогичен повторному нагреву, используемому в паровой турбине.

Оба подхода требуют значительного дополнительного оборудования и используются реже, чем третье улучшение.Здесь горячие выхлопные газы 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.

Газовая турбина открытого цикла — обзор

Газовые турбины (гл.12.2)

Для малых и средних промышленных предприятий обычно используются простые газовые турбины открытого цикла, работающие либо на природном газе, либо на легком топливе. Двухтопливные системы легко приспособлены, и в некоторых случаях может быть предусмотрено автоматическое переключение нагрузки между двумя видами топлива.

Машина может быть простой одновальной, в которой силовая турбина, компрессор и выходной привод находятся на общем валу; или двухвальный тип, в котором компрессор и его приводная турбина находятся на одном валу, а силовая турбина находится на выходном приводном валу.Оба типа подходят для приводов генератора, но имеют несколько разные характеристики регулирования мощности; также они могут быть разработаны на основе двигателей, изначально предназначенных для использования в самолетах, или агрегатов, специально разработанных для наземного применения. Первые утверждают, что они легче, компактнее и эффективнее при частичной нагрузке, в то время как вторые более надежны, но у них есть много общего. В этой стране обычные размеры блоков составляют от 0,5 до 3,5 МВт, но могут быть получены блоки до 60 МВт.

В диапазоне малых промышленных размеров КПД выработки электроэнергии может составлять от 14 до 20% при полной нагрузке, но более крупные блоки могут достигать более 30%. Удельный расход топлива типичной установки мощностью 1,25 МВт может варьироваться от 0,51 кг дизельного топлива / кВт · ч при полной нагрузке до 0,63 кг при половинной нагрузке при температуре окружающей среды 15 ° C, однако возрастает с повышением температуры окружающей среды, особенно при частичной нагрузке.

После вычета теплового эквивалента электрической мощности из общего количества подводимого тепла, практически весь остаток используется для рекуперации тепла.Радиационные потери и потери в маслоохладителях составляют всего 1-2%. Отходящий газ чистый — почти весь воздух имеет температуру выше 500 ° C при полной нагрузке. Если бы отработанные газы пропускались через котел-утилизатор для выработки пара, установка мощностью 1,25 МВт могла бы производить около 4500 кг / ч при манометре 1,75 МПа, повышая комбинированный КПД выработки электроэнергии и пара примерно до 50%. Если требуется дополнительный пар, отработанный газ можно использовать в качестве предварительно нагретого воздуха для горения для сжигания дополнительного топлива в котле-утилизаторе; таким образом, дополнительные 13 000 кг / ч пара при 1.75 МПа можно было с комфортом поднять, увеличив общий тепловой КПД до более чем 70%, а в качестве дополнительного топлива можно было использовать тяжелую нефть.

Газовая турбина, как один только электрический генератор, менее эффективна, чем дизельный двигатель. Однако его потенциал рекуперации отходящего тепла больше, и он более гибкий.

Таким образом, дизельный двигатель будет использоваться там, где потребность в электроэнергии высока по сравнению с потреблением пара или тепла, например, менее 3 кг пара на кВт · ч.Газовая турбина не может полностью раскрыть свой потенциал теплового КПД, если на 1 кВт · ч не требуется более 4 кг пара. Эти цифры выгодно отличаются от паровой турбины с прямым противодавлением, где в типичных средних промышленных диапазонах входного и технологического давления пара нагрузка пара должна превышать 10 кг / кВт · ч.

В качестве альтернативы производству пара отходящий газ можно использовать напрямую или через теплообменник для многих промышленных осушителей.

Газовые турбины имеют много преимуществ перед дизельными двигателями для комбинированных энергетических и тепловых установок.Они имеют небольшой вес и работают с незначительной вибрацией, требуя недорогого фундамента. Затраты на техническое обслуживание низкие, а надежность высока. Также обычно не требуется система водяного охлаждения, поскольку для охлаждения масла обычно достаточно простого воздухоохладителя с вентилятором.

Начальная стоимость обычно выше, чем у дизельных двигателей, хотя это обычно компенсируется более низкими эксплуатационными расходами для непрерывно работающей установки. Проблемой газовых турбин может быть шум. Даже небольшие блоки в диапазоне 1–3 МВт могут издавать звуковое давление около 100 дБА на расстоянии 1 м (гл.19.7), хотя в основном в высокочастотном диапазоне (4000 с ^-1 ), который легко ослабляется. Наиболее распространенным подходом является установка акустических кожухов вокруг самой машины или размещение каждой машины в акустической камере прочной конструкции. В любом случае на впускных и выпускных отверстиях для воздуха требуются глушители. Оборудование для рекуперации тепла и дымоход часто обеспечивают достаточное ослабление шума выхлопных газов.

Диаграмма Санки, показывающая, что 41% выхлопных газов дизельного двигателя…

Контекст 1

… для работы с различными типами топлива. Преимущество в том, что они меньше по размеру по сравнению с Green Turbine и (теоретически) очень эффективны. Однако на практике более дешевые двигатели Стирлинга (в настоящее время присутствующие на рынке) имеют электрический КПД около 10% и страдают от высоких затрат на техническое обслуживание [10]. Это, вместе с их предпочтением постоянной скорости, небольшого размера и ограниченного диапазона производительности, делает их менее привлекательными на коммерческом рынке.Кроме того, они имеют относительно низкую тепловую мощность, что затрудняет удовлетворение потребности здания в тепле. Обычно к установке добавляют пиковую горелку. А также накопительный бак; это служит резервом на случай потерь, возникающих при запуске и остановке. Топливные элементы: в этой технологии водород и кислород преобразуются в электрическую энергию с помощью электрохимического процесса с водой в качестве побочного продукта [11]. Преимущество состоит в том, что они работают очень тихо и имеют низкие затраты на техническое обслуживание.Кроме того, они хорошо работают при частичной нагрузке. Однако они страдают высокими первоначальными затратами и малым сроком службы. Кроме того, для большинства водородных топливных элементов требуется установка риформинга. Несмотря на все усилия риформинга, водород, который он может подавать в топливный элемент, не такой чистый, как водород, доступный для источника чистого водородного топлива, что снижает общую энергоэффективность. Микрогазовые турбины: Небольшие газовые турбины работают по тому же принципу, что и большие газовые турбины, но имеют диапазон мощности от 25 до 250 кВтэ. Среди множества теоретических преимуществ наиболее заметными являются высокий КПД, чистое сгорание, гибкость использования топлива и простота обслуживания.При использовании подшипников из фольги и воздушного охлаждения нет необходимости в смазочном масле или охлаждающей жидкости, что снижает потребность в их обслуживании. Однако тепловой КПД в значительной степени зависит от потерь в результате утечки потока, тепловых потерь и трения. Эти потери становятся более значительными при уменьшении размера и мощности газовой турбины из-за масштабных эффектов зазора между вершинами лопаток и отношения объема к поверхности. Более того, слышимый шум и в небольших турбинах потери на вязкое трение становятся больше. В результате существует фундаментальное ограничение эффективности микротурбин с традиционной конфигурацией [12].Кроме того, из-за неполного процесса сгорания выбросы оксидов азота и оксида углерода многократно увеличиваются, когда турбина работает с частичной нагрузкой. Системы с паровым приводом: Green Turbine, как показано на рис. 4, предлагает компактную паровую микротурбину мощностью 15 кВтэ с измеренным электрическим КПД ~ 12-15% и тепловым КПД 82%, следовательно, общий КПД> 95%. [14]. Мощность этой турбины можно регулировать, например от 2,5-15 кВтэ. В настоящее время Green Turbine уже производит и продает паровые турбины двух типоразмеров: 1.4 и 15 кВтэ соответственно. Однако паровая техника часто связана со строгими правилами техники безопасности. В связи с этим разрабатывается парогенератор без бойлера, который в сочетании с паровой турбиной обеспечивает эффективную и надежную конструкцию. Здесь пар мгновенно используется паровой турбиной, поэтому он способствует устранению опасностей, связанных с технологией паровых котлов (для хранения пара требуется сосуд высокого давления). Другой альтернативой является использование отработанного тепла дизельных / газовых двигателей, как описано в следующем разделе.IV. СТОИМОСТЬ ТЕПЛА ОТ ДИЗЕЛЬНЫХ / ГАЗОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ Международная морская организация (ИМО) исследовала, что, если бы не были разработаны нормативные меры в сфере международного судоходства, выбросы CO2, по прогнозам, вырастут на 200–300% к 2050 году, несмотря на значительный объем рынка. -приводимые улучшения эффективности. На этом фоне ИМО приняла в 2011 году комплекс технических и эксплуатационных мер, включающих структуру энергоэффективности для судов [15]. В апреле 2008 года ИМО достигла соглашения о глобальном пределе содержания серы в судовом топливе, равном 3.5% в январе 2012 года и 5% в 2020 году. Кроме того, максимально допустимое содержание серы в действующих зонах контроля выбросов серы (SECA) в Северном и Балтийском море должно быть снижено с нынешних 1,5% до 0,1% в 2015 году. и выявить новые SECA, например, на побережье Калифорнии [16]. Согласно ECN, голландскому институту энергетики в Нидерландах, сокращение расхода топлива на судах даже более важно, потому что годовое потребление топлива международными судами ежегодно увеличивается на 3% и более [17].Эти разработки приводят к увеличению спроса на судовое топливо с низким содержанием серы и потребности в инновационных технологиях, снижающих выбросы. Проект Green Turbine WHR решает эти проблемы и предлагает системное решение, которое преобразует отходящее тепло дизельного двигателя в электричество. Основная идея состоит в том, чтобы использовать дымовые газы, которые в настоящее время производятся (вспомогательным) дизельным генератором в качестве побочного продукта, и преобразовать эти газы в электричество вместо того, чтобы охлаждать их и тратить впустую через дымоход, как показано на рис.3. Система рекуперации отработанного тепла (WHR) Green Turbine использует систему теплообменника, которая улавливает это тепло и преобразует его в пар (200 oC и давление 10 бар абс.), Чтобы привести в действие один или более 15 кВт-экв. Green (пар ) Турбины. Паровая турбина преобразует около 15% потраченного впустую тепла в электричество. Пар выходит из турбины с пониженной температурой до 45 ° C и перекачивается обратно в систему, чтобы обеспечить использование минимального количества тепла для генерации нового пара. V. СТРОИТЕЛЬСТВО ГРЕНТУРБИНЫ В целом, можно выделить два типа паровых турбин для ТЭЦ и WHR, а именно конденсационные турбины с отбором пара и турбины с противодавлением с отбором или без него [18].Здесь турбина предназначена для достижения наилучшего преобразования энергии в обеих ступенях турбины в конденсационном режиме работы, как показано на рис. 4. Таким образом, учитывая режимы работы турбины в режиме когенерации, КПД зависит от изменения влияющих параметров. поскольку количество стадий, необходимо моделировать геометрию, поток или энергию. В этом отношении КПД турбогенератора при расчетном расходе был точно спрогнозирован следующим образом: • КПД линии расширения, который определяется для каждой секции турбины: o объемным расходом o соотношением давлений o начальным давлением и температурой • потерями на выхлопе • уплотнением и потоки утечки пара клапана • Механические потери • Потери в генераторе В этой конфигурации с двумя турбинами пар используется для приведения и удержания первой турбины во вращении в первом направлении вращения.Для этого пар над атмосферным давлением подается в одно или несколько сопел, которые выбрасывают пар со сверхзвуковой скоростью в направлении каналов первой турбины, приводящей в движение это колесо. Эта вращающаяся первая турбина меняет направление тангенциального движения пара и направляет его во второй канал второго турбинного колеса. Таким образом, второе колесо приводится и удерживается во втором направлении вращения, противоположном первому рациональному направлению, чтобы использовать среднюю скорость пара, поступающего от первого колеса турбины.Затем пар будет конденсироваться, при этом пониженное давление создается с помощью вакуумных насосов (как будет обсуждаться в следующем разделе). Эта сконденсированная среда под давлением (вода) затем возвращается насосом, например, в теплообменник, чтобы снова генерировать из нее среду (пар) с давлением выше атмосферного. VI. ЭФФЕКТИВНОСТЬ ЛИНИИ РАСШИРЕНИЯ ГРЕНТУРБИНЫ Законы термодинамики диктуют, что максимальный КПД паровой турбины определяется доступным падением энтальпии, заданным методом Ренкина…

Газовые турбины открытого цикла | IPIECA

Последнее рассмотрение темы: 1 февраля 2014 г.

Газовая турбина — это двигатель внутреннего сгорания, который работает с вращательным, а не возвратно-поступательным движением. Газовые турбины состоят из трех основных компонентов: компрессора, камеры сгорания и силовой турбины. В секции компрессора воздух всасывается и сжимается до 30-кратного давления окружающей среды и направляется в секцию камеры сгорания, где топливо вводится, воспламеняется и сжигается. Камеры сгорания могут быть кольцевыми, кольцевыми или силосными.Кольцевая камера сгорания представляет собой единую непрерывную камеру в форме пончика, которая окружает турбину в плоскости, перпендикулярной воздушному потоку. Кольцевые камеры сгорания похожи на кольцевые камеры сгорания, однако они включают в себя несколько камер сгорания в форме банок, а не одну камеру сгорания. Кольцевая и кольцевая камеры сгорания основаны на технологии авиационных турбин и обычно используются для небольших приложений. Камера сгорания бункера имеет одну или несколько камер сгорания, установленных снаружи корпуса газовой турбины.Камеры сгорания бункера обычно больше кольцевых или кольцевых камер сгорания и используются для крупномасштабных операций.

Компрессор, камера сгорания и турбина соединены одним или несколькими валами и вместе называются газогенератором или газовой турбиной. Рисунки 1 и 2 [JR1] ниже иллюстрируют типичную конфигурацию и схему газотурбинного генератора.

Рис. 1. Конфигурация газовой турбины открытого цикла

Рисунок 2.Схема газовой турбины открытого цикла

Компрессор, камера сгорания и турбина соединены одним или несколькими валами и вместе называются газогенератором или газовой турбиной. Рисунки 1 и 2 [JR1] ниже иллюстрируют типичную конфигурацию и схему газотурбинного генератора.

Рис. 1. Конфигурация газовой турбины открытого цикла

Рис. 2. Схема газовой турбины открытого цикла

Технологическая зрелость

Есть в продаже ?:	Есть
Жизнеспособность на шельфе:	Есть
Модернизация Браунфилда ?:	Есть
Многолетний опыт работы в отрасли:	5-10

Ключевые показатели

Область применения:	Турбины типового размера 5–375 МВт продаются различными производителями с более высокой эффективностью для более крупных моделей.Турбины меньшего размера обычно используются для морских применений из-за меньшего веса
КПД:	35% — 40%, потенциально может достигать 46% (см. Альтернативы)
Ориентировочные капитальные затраты:	389 долл. США / кВт (долл. США, 2005 г.) [3]. Блоки аварийного питания обычно имеют более низкий КПД и меньшие капитальные затраты, в то время как турбины, предназначенные для основной мощности, имеют более высокий КПД и более высокие капитальные затраты
Ориентировочные эксплуатационные расходы:	В зависимости от размера турбины общие нетопливные затраты на ЭиТО варьируются от 0.0111 долл. США / кВтч для турбины мощностью 1 МВт до 0,0042 долл. США / кВтч для газовой турбины мощностью 40 МВт
Описание типового объема работ:	Выбросы парниковых газов напрямую связаны с эффективностью газовой турбины. Новые машины обычно более эффективны, чем старые того же размера и общего типа, и, следовательно, производят меньше выбросов углекислого газа. Типичные выбросы углекислого газа от газовой турбины мощностью 40 МВт без рекуперации тепла, работающей с КПД 37 процентов, составляют 1.079 фунтов / МВтч [Ссылка 4].
Время на проектирование и монтаж:	Несколько месяцев на проектирование и от нескольких недель до нескольких месяцев на строительство. Это также сильно зависит от местоположения и размера. Установка больших блоков в более удаленных местах может занять намного больше времени

Драйверы принятия решений

Технический:	Площадь основания: требуются размер, вес, площадь участка Профиль нагрузки установки должен быть относительно стабильным Турбины мощностью до 50 МВт могут быть промышленными или модифицированными авиационными двигателями, в то время как более крупные агрегаты мощностью до 330 МВт предназначены для конкретных применений Для морских турбин ключевыми факторами являются оптимальный размер и высокое отношение мощности к массе, а также доступность, надежность и прочность.Также требуется решение для большой турбины с соответствующей резервной или меньшего количества турбин для конкретных применений
Оперативный:	Операторы должны пройти обучение только для турбин (обучение паровой системе не требуется) Зависит от цены на топливный газ в сравнении с дополнительными капитальными затратами
Коммерческий:	Турбины большего размера работают с более высоким КПД, но не так эффективны, как система с комбинированным циклом.Негативные воздействия можно смягчить за счет использования альтернатив
Окружающая среда:	Зависит от приложения. Для газотурбинной электростанции мощностью 211 МВт [Ссылка 5]: Капитальные затраты: от 400 до 700 долларов США / кВт Переменная эксплуатация и техобслуживание — 29,9 долларов США / МВтч Фиксированная эксплуатация и техническое обслуживание — 5,26 доллара США / кВтч

Дополнительные комментарии

Можно использовать различные виды топлива. Природный газ является предпочтительным для большинства заводов, но можно использовать СНГ, нефтеперерабатывающий газ, газойль, дизельное топливо и нафту.Турбины с авиационным приводом и турбины с низким уровнем выбросов имеют более специфические требования к топливу.

Дополнительные комментарии

Можно использовать различные виды топлива. Природный газ является предпочтительным для большинства заводов, но можно использовать СНГ, нефтеперерабатывающий газ, газойль, дизельное топливо и нафту. Авиационные турбины и турбины с низким уровнем выбросов имеют более специфические требования к топливу.

Газовые турбины с высоким КПД

Производитель	Модель	КПД простого цикла	КПД в смешанном цикле	Выработанная мощность (простая) (МВт)
Alstom	GT24	40	58.4	230,7
Митсубиси	M501J	41	61,5	327
General Electric	7FA	38,5	58,5	216
General Electric	LMS100	44	53,8	103
Сименс	SGT6-8000H	40	60,75	274
Сименс	SGT6-2000E	33.9	51,3	112
Hitachi	H-25	34,8	50,3	32

Таблица 1. Модели высокоэффективных газовых турбин

Газовые турбины с воздушным промежуточным охладителем

Системы интеркулера

работают над повышением эффективности за счет более высоких отношений давления в зоне сгорания. Это достигается за счет разделения компрессорной установки на две части: компрессор низкого давления (LPC) и компрессор высокого давления (HPC).Впускной воздух сначала сжимается LPC, а затем направляется в промежуточный охладитель, где давление поддерживается постоянным, но температура снижается. Затем воздух проходит через HPC и направляется в камеру сгорания. Поскольку температура воздуха в двигателе не может превышать заданную температуру из-за материала, используемого в турбине, традиционно существует ограничение на степень сжатия, поскольку сжатие газа увеличивает его температуру. Охлаждая воздух на полпути, но не теряя прироста давления, промежуточный охладитель позволяет произойти второму сжатию, позволяя воздуху в камере сгорания находиться в пределах температурных пределов, но с гораздо более высоким перепадом давления.Более высокое передаточное число заставляет турбину вырабатывать больше мощности при том же подаче топлива, повышая общий КПД турбины.

Примером новых инноваций в авиационной газовой турбине является турбина высокого давления (HPT) мощностью 35-65 МВт, разработанная GE [Ссылка 6]. LM6000 PG предлагает увеличение мощности простого цикла на 25% по сравнению со своим предшественником. Применения этих турбин включают нефтяные и газовые платформы, университетские когенерационные системы и промышленные парки с комбинированным циклом.Эти турбины предназначены для работы на частичной мощности, выдерживают перепады напряжения и могут работать быстрее.

Операционные проблемы / риски

Газовые турбины — это сложные высокоскоростные компоненты с жесткими допусками на размеры, работающие при очень высоких температурах. Компоненты подвержены множеству потенциальных проблем. К ним относятся ползучесть, усталость, эрозия и окисление с ударным повреждением, проблема в случае выхода компонентов из строя или после технического обслуживания. Ползучесть может в конечном итоге привести к отказу, но вызывает наибольшую озабоченность из-за изменений размеров, которые она вызывает в компонентах, подверженных нагрузке и температуре.Основная часть обслуживания — это проверка размеров и допусков. Усталость вызывает или вызывает особую озабоченность в областях концентрации напряжений, таких как хвостовики лопаток турбины. Следовательно, регулярный осмотр и техническое обслуживание являются обязательными, особенно для газовых турбин, работающих в суровых условиях, например, на море [Ссылка 7]. Это будет включать электрические системы и системы управления в дополнение к самой газовой турбине.

Возможности / бизнес-пример

Общая тенденция развития газовых турбин заключалась в сочетании более высоких температур и давлений.Хотя такие достижения увеличивают стоимость производства машины, более высокая стоимость с точки зрения большей выходной мощности и более высокой эффективности обеспечивает чистую экономическую выгоду. Промышленная газовая турбина — это баланс между производительностью и стоимостью, который приводит к наиболее экономичной машине как для пользователя, так и для производителя. Применения в нефтегазовой промышленности включают в себя компрессорные станции для трубопроводов природного газа в диапазоне 800–1200 фунтов на квадратный дюйм (5 516–8 274 кПа), необходимые для сжатия, а также для перекачки сырой и очищенной нефти по трубопроводам.Турбины мощностью примерно до 50 МВт могут быть либо промышленными, либо модифицированными авиационными двигателями, в то время как более крупные агрегаты мощностью примерно до 330 МВт предназначены для конкретных целей. Для электроэнергетических приложений, таких как крупные промышленные объекты, газовые турбины простого цикла без рекуперации тепла могут обеспечивать пиковую мощность в областях с ограниченной производительностью, а коммунальные предприятия часто размещают газовые турбины мощностью от 5 до 40 МВт на подстанциях для обеспечения дополнительной мощности и сети. служба поддержки. Значительное количество систем когенерации на базе газовых турбин простого цикла эксплуатируется в различных сферах, включая добычу нефти, химикаты, производство бумаги, пищевую промышленность и университеты.

Примеры из практики

Газовые турбины с высоким КПД

Новая линейка высокоэффективных газовых турбин получила обозначение H-класса, и в настоящее время их выпускают несколько производителей. После обширного процесса проверки компания GE установила свою модель 9H в заливе Баглан в 2003 году. Эта новая модель повысила эффективность, позволив температуре обжига повыситься на 200 ° F (93,3 ° C) по сравнению с предыдущими моделями, потенциально достигнув 2600 ° F. (1426,7 ° С). С тех пор станция надежно обеспечивает до 530 МВт в национальную сеть Великобритании, работая с КПД более 60% (как часть системы комбинированного цикла) [Ссылка 8].

Другой производитель, Siemens, протестировал свою модель класса H, SGT5-8000H, при полной нагрузке в Ингольштадте, Германия, в 2008 году. Было показано, что КПД газотурбинной установки составляет 40% и является частью системы комбинированного цикла, достигающей мирового уровня. рекордная эффективность 60,75% [Ссылка 9]. Эта электростанция обеспечивает электроэнергией немецкую сеть с момента окончания периода испытаний, все с такой же эффективностью.

Системы, которые действительно демонстрируют все новые настройки, которые могут быть внесены для повышения эффективности, в настоящее время представляют собой только турбины класса H, которые занимают очень большую площадь и имеют заданную мощность 375 МВт и выше.Однако технологии, лежащие в основе турбин класса H (усовершенствованные материалы, улучшенное охлаждение и т. Д.), Доступны и для небольших систем. Эти кейсы были выбраны, чтобы продемонстрировать, что все они эффективны и действенны.

Газовые турбины с воздушным промежуточным охладителем

GE произвела LMS 100, авиационный двигатель с чрезвычайно высоким КПД. Работая с КПД до 44% при полной базовой нагрузке, он вырабатывает более 100 МВт после 10-минутного пуска. Генераторная станция Гротон в Южной Дакоте была первым заводом, начавшим использовать LMS100, и успешно работает с 2006 года [Ссылка 10].Эта технология, в настоящее время доступная от GE, является новейшей и наименее проверенной технологией, указанной здесь. Однако из-за успешного первоначального тестирования и чрезвычайно высокой эффективности для простого цикла это важная альтернатива, которую следует рассмотреть.

Каталожные номера:

1. Рекомендации по проверке целостности и целостности морских газовых турбин (и основного приводного оборудования), ESR Technology Lts, для Руководителя по здравоохранению и безопасности, 2006 г., Отчет об исследованиях 430.
2. Дэвис, Л. Б. и С. Х. Чернить. «Сухие системы сжигания с низким уровнем выбросов NOx для газовых турбин GE для тяжелых условий эксплуатации». GE Energy. N.p., n.d. Интернет. 26 июля 2013 г.
3. Энергетические технологии. Newnes. С.59. ISBN 9780080480107
4. Характеристики технологии: газовые турбины, анализ энергии и окружающей среды (ICF), декабрь 2008 г.
5. Отчет о затратах, данные о затратах и ​​производительности для технологий производства электроэнергии, подготовлен для Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии, Black & Veatch, февраль 2012 г.
6. Aeroderivative Technology: более эффективное использование технологии газовых турбин, Wacke, A, General Electric, DRAFT — 2010 — 15 января.
7. Уолл, Мартин, Ли Ричард и Фрост, Саймон. Рекомендации по проверке и целостности морских газовых турбин (и основного приводного оборудования). Отчет об исследованиях, 430, ESR Technology Ltd for the Health and Safety Executive, 2006.
8. «Электростанция Баглан Бэй, Кардифф, Уэльс, Великобритания». Журнал Power. Июль Август. Лучшие растения (2003): 45-47
9. Сименс.«Высокопроизводительная газовая турбина Siemens серии SGT-8000H H-класса: Power-Gen International 2011 — Лас-Вегас, Невада». www.energy.Siemens.com. 15 декабря 2011 г. Интернет. 26 июля 2013 г.
10. Реале, Майкл Дж. И Джеймс К. Прочаска. «Новая высокоэффективная газовая турбина простого цикла — LMS100 компании GE». . Комитет по промышленному применению газовых турбин, 14 октября 2005 г. Web. 29 июля 2013 г.

Газовая турбина / Дизельные двигатели / Газовые двигатели ｜ Ресурсы, энергия и окружающая среда ｜ Продукция ｜ IHI Corporation

IHI ​​предлагает широкий спектр продукции для выработки энергии, включая газовые турбины, дизельные двигатели и газовые двигатели с энергосистемами простого цикла, когенерации и комбинированного цикла.Мы также предоставляем удаленный мониторинг, техническое обслуживание двигателя и другие услуги на протяжении всего жизненного цикла продукта. Мы добиваемся сокращения выбросов NOx и CO2 за счет использования газовых турбин с высоким КПД и низким уровнем выбросов. Поставляем газовые турбины для скоростных судов и других морских судов. Мы также поставляем полный спектр дизельных двигателей, от больших двигателей, способных работать на средней и низкой скорости, до моделей малого и среднего размера, обеспечивающих низкие, средние и высокие скорости. В наш разнообразный модельный ряд входят дизельные двигатели для наземных генераторов.

---

Газотурбинные системы выработки энергии

Газотурбинная электростанция «ЛМ6000»

Это электростанции класса 100 МВт, которые сочетают в себе две газовые турбины LM6000, два парогенератора с рекуперацией тепла и одну паровую турбину, чтобы производить самую эффективную в мире выработку электроэнергии, а также обеспечивать наилучшие экологические характеристики и надежность.

Газотурбинная электростанция «ЛМ2500»

Это электростанции класса 20–30 МВт, в которых используется высокоэффективная и очень надежная газовая турбина LM2500, созданная на основе легкого и компактного авиадвигателя.

---

Системы когенерации

Газотурбинная когенерационная установка «IM270»

Это типичные энергосберегающие системы, которые вырабатывают 2 МВт мощности и 6 тонн пара в час за счет сочетания нашей оригинальной спроектированной и разработанной газовой турбины IM270 с высоким КПД и низким уровнем выбросов NOx и парогенератора-утилизатора.

Когенерационная система «IM400 IHI-FLECS»

Это системы когенерации класса 4–6 МВт и оригинальные системы когенерации IHI, которые могут изменять выработку как электроэнергии, так и тепла (пара) в соответствии с потребностями.Если есть избыток пара, он может быть преобразован в выработку электроэнергии для рекуперации энергии.

---

Двигатели среднего / большого размера

Двухтопливный двигатель «DU-WinGD 6X72DF»

Это двухтопливный двигатель, использующий технологии сгорания с предварительным смешиванием и обедненной смесью, которые считались технически сложными для низкооборотного двухтактного двигателя.
Это большая особенность, позволяющая существенно снизить количество выбросов NOx двигателем.

Дизельный двигатель «DU-Win GD 9X82»

Двигатели X — это двигатели нового поколения, которые разработаны и спроектированы с высокой эксплуатационной гибкостью, чтобы адаптироваться к различным условиям работы двигателя и удовлетворить требования более низкого расхода топлива.Двигатели 9X82 устанавливаются на контейнеровозы компании NYK 14 000 TEU в качестве главного двигателя. Эти двигатели 9X82 оснащены «двойной рейтинговой системой», которая включает функции оптимизации двух диапазонов мощности для работы с высокой и низкой нагрузкой. Эта «Двойная рейтинговая система» — лучшая в мире технология, которая позволяет судам значительно снизить потребление топлива и снизить выбросы CO2 для обоих диапазонов, что значительно способствует экономии эксплуатационной энергии при эксплуатации судна.

DU-S.E.M.T. Дизельный двигатель Pielstick

Четырехтактный среднеоборотный двигатель, используемый в качестве основного двигателя для больших паромов и патрульных катеров береговой охраны, а также в качестве генератора для наземных электростанций.

Дизельный двигатель NIIGATA «28AHX»

Дизельный двигатель — это «экологичный» среднеоборотный дизельный двигатель (от 2070 до 6660 кВт) следующего поколения, который, очевидно, соответствует нормам IMO Tier II NOx, а также ориентирован на будущее судовых двигателей.

Используемый на земле для генераторов (от 2000 до 6300 кВт), дизельный двигатель обеспечивает высокий КПД и низкий расход топлива мирового класса, используя как DO, так и HFO.

Двухтопливный двигатель NIIGATA «28AHX-DF»

28AHX-DF — это экологически чистый двигатель, соответствующий нормам IMO Tier III NOx в газовом режиме.В нем используется сжигание чистого газа, что позволяет соблюдать новые правила без селективного каталитического восстановления (SCR).

---

Системы выработки энергии на газовых двигателях

НИИГАТА Газовый двигатель «28АГС»

Газовый двигатель вносит значительный вклад в сокращение выбросов CO2 за счет высокоэффективной работы с использованием природного и городского газа, а также низкокалорийных газов, таких как те, которые образуются в плавильных печах с газификацией.№
2000–6000 кВтэ, серия AGS с зажиганием от свечи зажигания и серия AG с микропилотным зажиганием поставляются как в Японии, так и за рубежом в качестве стационарных генераторов энергии.

---

Силовые установки

Азимутальное подруливающее устройство NIIGATA «Z-PELLER®»

Z-PELLER® — самая популярная силовая установка на мировом рынке буксиров.Заказчики высоко оценивают этот силовой агрегат за его высокое качество и долговечность.
Наша линейка Z-PELLER® предлагает непрерывную мощность от 735 кВт (1000 л.с.) до 3310 кВт (4500 л.с.), что позволяет нам реагировать на различные потребности клиентов.

---

Оборудование для впрыска топлива

Оборудование для впрыска топлива

NICO производит и поставляет так называемое оборудование для впрыска топлива, клапан впрыска топлива и насос впрыска топлива для 4-тактного двигателя Deisel для производителей двигателей, таких как отечественные производители двигателей, европейцы, корейцы и китайцы, а также компания Niigatra Power Systems, которая занимается производством двигателей. Материнская компания NICO.NICO также разрабатывает FIE с электрическим управлением (то есть CRS: Common Rail System), а также обычные механические FIE.

Ссылки

Запросы на товары

Другие товары

Продукты

.