Скорость вращения турбины: Что такое турбонаддув — ДРАЙВ

Что такое турбонаддув — ДРАЙВ

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

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

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

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

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

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

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

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

Проще говоря, он придумал турбонаддув.

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

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

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

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

А вот так выглядит интеркулер.

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

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

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

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

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

Но сложность и дороговизна конструкции — не единственные недостатки. Дело в том, что эффективность работы турбины сильно зависит от оборотов двигателя. На малых оборотах выхлопных газов немного, ротор раскрутился слабо, и компрессор почти не задувает в цилиндры дополнительный воздух. Поэтому бывает, что до трёх тысяч оборотов в минуту мотор совсем не тянет, и только потом, тысяч после четырёх-пяти, «выстреливает». Эта ложка дёгтя называется турбоямой. Причём чем больше турбина, тем она дольше будет раскручиваться.

Поэтому моторы с очень высокой удельной мощностью и турбинами высокого давления, как правило, страдают турбоямой в первую очередь. А вот у турбин, создающих низкое давление, никаких провалов тяги почти нет, но и мощность они поднимают не очень сильно.

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

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

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

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

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

А из бензиновых автомобилей первый примерил такую турбину Porsche 911 Turbo.

Турбина с изменяемой геометрией.

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

Как работает турбокомпрессор. » Хабстаб

Турбокомпрессоры часто применяются в дизельных автомобилях. Турбина может существенно увеличить мощность автомобиля, без особого увеличения веса, этот факт делает её очень популярной. Давайте вкратце рассмотрим как это происходит.
В процессе горения участвует кислород,  а турбокомпрессор позволяет сжимать воздух,  поступающий в цилиндр.  Таким образом, становится возможно больше воздуха поместить в цилиндр, а больший объём воздуха позволит большему количеству топлива сгореть. Теоретически, теперь каждый цилиндр может отдать больше мощности при сгорании топлива и увеличить соотношение мощность-вес двигателя.
Турбокомпрессор, используя энергию отработавших газов, раскручивает турбину, которая раскручивает воздушный насос. Скорость вращения турбины достигает 150 000 оборотов в минуту,  что примерно в 30 раз превышает скорость вращения двигателя автомобиля.

Работа двигателя с турбокомпрессором .
Самый простой способ увеличить мощность двигателя, это увеличить количество воздуха и топлива, поступающего в двигатель. Один из способов это добавление цилиндров, или увеличение их объёма. Иногда, внести такие изменения нет возможности и проще установить турбину.
Турбокомпрессор позволяет двигателю сжигать больше топлива,  «упаковывая» больше воздуха в уже имеющийся цилиндр. Типичное значение увеличения давления составляет от 6 до 8 фунтов на квадратный дюйм. При нормальном атмосферном давлении 14,7 фунта на квадратный дюйм, несложно подсчитать, что мы получаем прирост воздуха,  поступающего в двигатель, более 50%.
Теоретически мы ожидаем получить прирост мощности около 50%. В реальной жизни можно получить от 30 до 40%. Одной из причин такого несовпадения является то, что для раскрутки турбины требуется энергия.
 
Устройство турбокомпрессора.
Турбокомпрессор крепится к выпускному коллектору двигателя. Выхлопные газы раскручивают турбину, которая работает как газотурбинный двигатель.
Турбина соединена валом с компрессором, который располагается между воздушным фильтром и впускным коллектором. Компрессор — это тип центробежного насоса, который втягивает воздух своими лопастями и толкает его наружу. Он увеличивает давление воздуха, поступающего в цилиндр. Выхлопные газы проходят через лопасти турбины, заставляя её вращаться, и чем больше выхлопных газов проходит через лопасти, тем больше скорость вращения.
Для вращения со скоростью 150 000 об/м вал должен хорошо поддерживаться.
Большинство подшипников просто не выдержат таких скоростей и разрушатся, поэтому используются гидравлические подшипники. Это тип подшипника в котором непосредственную нагрузку от вала воспринимает тонкий слой жидкости. Таким образом, решается два вопроса:  первый — это охлаждение вала и остальных частей турбогенератора, второй — это уменьшение трения между валом и другими частями.

Основные части турбокомпрессора.
Одна из проблем связанная, с турбокомпрессором состоит в том, что он не обеспечивает мгновенное увеличение мощности при нажатии на педаль газа. Один из способов уменьшить это отставание — это уменьшить инерцию вращающихся частей,  в основном за счёт уменьшения их массы и размера. Это позволит турбине и компрессору быстрее ускоряться. Меньший турбокомпрессор будет обладать лучшей приёмистостью на низких оборотах двигателя, но не будет в состоянии дать значительный прирост на высоких оборотах. Также существует опасность разрушения турбины и компрессора на слишком больших оборотах.

Большинство автомобильных турбокомпрессоров оснащены перепускными клапанами (wastegate),  который позволяет использовать турбокомпрессор меньшего размера, сокращая задержку и предотвращая слишком быстрое вращение на высоких оборотах. Wastegate — это клапан, который позволяет выхлопным газам обходить турбину,  он чувствителен к давлению наддува. Если давление становится слишком высоким, это показатель того, что турбина вращается слишком быстро, таким образом, перепускной клапан создаёт путь для обхода выпускными газами, лопастей турбины.
Некоторые турбокомпрессоры используют шариковые подшипники для поддержки вала турбины. Но это необычные шариковые подшипники, это высоко прецизионные шариковые подшипники, сделанные из улучшенных материалов, способные справиться с высокой скоростью и температурой. Они позволяют валу турбины вращаться с меньшим трением, чем гидродинамические подшипники, применяемые в большинстве турбокомпрессоров.
Они также позволяют слегка уменьшить и облегчить используемый вал,  что позволяет турбине быстрее ускоряться,  ещё больше уменьшая отставание.
Керамические лопасти турбины легче чем металлические,  применяющиеся в большинстве турбокомпрессоров,  они тоже способствуют более быстрому ускорению и уменьшению задержки.
 
В некоторых двигателях применяют два турбокомпрессора разных размеров. Меньший раскручивается очень быстро, тем самым уменьшая отставание,  а больший схватывает на более высоких оборотах, чтобы обеспечить больший прирост мощности.
При сжатии давление воздуха увеличивается,  а температура повышается. Чтобы увеличить мощность двигателя, необходимо увеличить количество молекул воздуха в цилиндре, необязательно повышая давление. Интеркулер — это система для охлаждения нагнетаемого воздуха, является дополнительным компонентом,  который выглядит как радиатор. Входящий воздух движется через герметичные проходы внутри охладителя, в то время как холодный воздух, нагнетаемый лопастями вентилятора, обдувает радиатор. Интеркулер дополнительно увеличивает мощность двигателя, охлаждая нагнетаемый турбиной воздух, прежде чем он попадёт в двигатель.
Турбокомпрессор помогает двигателю работать на высоте, где воздух менее плотный. Обычные двигатели будут иметь пониженную мощность на больших высотах, потому что в двигатель на каждом такте будет поступать меньше кислорода.
На старых авто с карбюратором, автоматически увеличивается подача топлива при увеличении воздуха,  поступающего в цилиндры. В современных инжекторных двигателях то же есть такой механизм, он основан на анализе выхлопных газов с помощью датчиков кислорода, так же известных как лямбда-зонд.
Если турбокомпрессор поставить на инжекторную машину, система топливоподачи может не обеспечить достаточное количество топлива. Причин может быть две: либо программное обеспечение не позволит сделать это, либо топливный насос.
 
А вы знаете что…
средняя температура возле турбинного колеса: в дизельных двигателях 800 градусов Цельсия, а в бензиновых 1000 градусов! Такой температуры хватит чтобы расплавить стекло!
ротор турбокомпрессорного двигателя нового поколения может вращаться со скоростью до 220000 об. /мин. Для примера ротор реактивного двигателя самолёта Боинг 747 крутится со скоростью 7000 об./мин.
Турбокомпрессор раскручивается с 20000 до 150000 менее чем за 1 сек.  

Профессиональный ремонт бензиновых турбин ДВС автомобилей

Турбины на дизельные двигатели начали устанавливать во второй половине 40-х годов прошлого века, однако, идея подачи воздуха в камеры сгорания двигателя под давлением с целью увеличения его мощности возникла у конструкторов двумя десятилетиями раньше. Тем не менее, своего практического воплощения ей пришлось подождать – до тех пор, пока не появились материалы, способные выдерживать воздействие высоких температур и давления.

Просто, как все гениальное

Первую дизельную турбину создал американский инженер и предприниматель Джон Гарретт – она была установлена на двигатель самолета, но не прошло и года, как эти устройства начали массово устанавливать и на автомобильные дизеля, причем, не только в Америке, но и в оправившейся после мировой войны Европе.

Принцип работы турбины прост, как все гениальное: сжимая воздух перед подачей его в цилиндр, турбина тем самым увеличивает концентрацию в нем кислорода, что приводит к увеличению эффективности сгорания топлива. Разумеется, расход горючего при этом несколько увеличивается – процентов на десять, – зато увеличивается и мощность двигателя, причем ее увеличение вдвое, а то и втрое перекрывает увеличение расхода топлива.

Конструкция первых дизельных турбин тоже была проста и представляла собой две крыльчатки, расположенные на одной оси. Поток выхлопных газов заставлял вращаться одну из них, вторая при этом всасывала воздух, подающийся в цилиндры. Вся эта конструкция была монолитной и не поддавалась ремонту – в случае поломки турбины ее просто меняли на новую.

Ремонт бензиновых турбин: экономика решает все

Современные системы турбонаддува устроены значительно сложнее, хоть и сохранили основной принцип работы своих предшественников. В них появились новые элементы: разнообразные фильтры, электронные системы, системы охлаждения и прочие механизмы, повышающие КПД турбины. С техническим усложнением увеличилась и стоимость турбины, так что просто снять с двигателя и отправить в утиль сломанную турбину стало достаточно дорогим удовольствием. Да в большинстве случаев этого и не требуется – турбины всех современных автомобильных двигатель можно отремонтировать.

Сервис по ремонту турбины автомобиля – одна из наиболее востребованных сегодня услуг в сфере автосервиса. И дело не в том, что турбины так часто выходят из строя, а в том, что они, работая на высоких скоростях (скорость вращения турбины может достигать 200 тыс. об./мин.), пропускают через себя большое количество топлива, воздуха и масла, что приводит к ее загрязнению. А это влечет за собой, как минимум, уменьшение ее КПД.

Как минимум, потому что, если вовремя все детали турбины не очистить от этих загрязнений, подача топлива и воздуха в камеры сгорания станет неравномерной, резко уменьшится эффективность его сгорания и детали уже не только турбины, но остальных систем дизеля начнут по очереди выходить из строя.

Специалисты рекомендуют производить чистку турбины через каждые 20-25 тыс. км пробега автомобиля.

Ремонт турбин профессионально: не так все просто, как кажется

Сложность этой процедуры состоит в том, что для максимально качественной чистки турбины ее требуется снять с двигателя и разобрать. Эти операции, теоретически, не должны вызвать трудности у человека с руками. А вот сборку и балансировку турбины современного дизельного двигателя в условиях гаража осуществить невозможно ни на практике, ни даже теоретически.

Для балансировки турбины на автосервисах применяется специальное устройство – балансировочный стенд. На нем турбину сперва «раскручивают» на малых оборотах – около 50 тыс. об./мин., а для окончательной балансировке ей придают настоящую рабочую скорость – 200 тыс. об./мин. При этом точность балансировки составляет тысячные доли грамма.

Столь высокая точность балансировки турбины возможна лишь в том случае, если точность изготовления всех ее компонентов столь же высока. На практике эта точность составляет даже не микроны, а доли микронов. Поэтому все вышедшие из строя элементы турбины подлежат замене – их ремонт «при помощи молота и наковальни» невозможен в принципе.

Ремонт турбин ДВС: риск – дело неблагодарное

Когда потребовался ремонт турбин (Ленинский проспект Санкт-Петербурга, например, выступает здесь как региональный ориентир поиска услуги), обратившись в соответствующий сервис, нужно четко отдавать себе отчет в том, что процедура эта не только занимает большое количество времени, но и не из дешевых. Особенно если в процессе ремонта выяснится, что турбина требует замены каких-либо деталей. Причем, требуется ли замена деталей вообще, а если да, то каких именно, мастер сможет определить только после разборки и тщательной чистки и промывки в химрастворе всех деталей турбины.

Какого-либо специального оборудования для определения дальнейшей работоспособностей компонентов турбины не существует, в этом вопросе все решает профессионализм и опыт мастера автосервиса. В этом состоит еще одна причина того, что ремонтировать забарахлившую турбину самостоятельно не стоит.

Сервис по ремонту турбины автомобиля: подбор запчастей

И напоследок несколько слов о том, детали какого производителя для ремонта турбины выбирать. Идеальный выбор – это запчасти, изготовленные производителем турбины. Они полностью идентичны вышедшим из строя и проблем с ними возникнуть не может в принципе. Так же не должно возникнуть проблем с установкой на турбину автомобиля деталей других брендов, рекомендованных производителем турбины. Они, в зависимости от известности торговой марки, могут оказаться несколько дешевле оригинальных. Еще более бюджетный вариант – приобретение оригинальной детали б/у, снятой с турбины другого двигателя. Тут надо понимать следующее: часть своего ресурса эта деталь уже выработала, вопрос в том, какую часть. Может статься, что через некоторое время ее снова придется менять на новую. Хотите рискнуть? – никто не запрещает.

Еще больший риск кроется в установке на турбину запчастей неизвестного происхождения. Даже если в процессе балансировки на стенде мастер не выявит недочетов в работе турбины, никто не даст гарантии, что после установки на двигатель турбина продолжит вести себя столь же идеально.

Поделиться ссылкой:

Турбина всему голова

Существующие сегодня реактивные двигатели уже не считаются экономичными и удобными для использования и обслуживания, и несколько мировых компаний уже приступили к разработке новых типов силовых установок. Они должны стать легче, экономичнее и мощнее существующих сегодня двигателей пассажирских лайнеров.

Фактически отцом современных двигателей, устанавливаемых на транспортные и пассажирские самолеты, является советский конструктор Архип Люлька. В 1941 году он получил патент на изобретение турбореактивного двухконтурного двигателя, однако из-за Великой Отечественной войны построить прототип установки не успел. Первый двигатель такого типа в 1943 году испытали в Германии. От обычных реактивных двигателей, разработка которых началась чуть раньше, новые силовые установки отличались течением воздушных потоков по двум контурам.

Внутренний контур состоит из зоны компрессоров, камеры сгорания, турбины (газогенератор) и сопла. Во время полета воздух затягивается и немного сжимается вентилятором, самым большим винтом и самым первым по ходу полета. Затем часть этого воздуха поступает в компрессор и сжимается еще сильнее, после чего попадает в камеру сгорания, где смешивается с топливом. После сгорания горючего раскаленные газы вырываются из камеры сгорания и вращают турбину.

Схема турбовентиляторного реактивного двигателя. Слева направо: вентилятор, компрессор низкого давления, компрессор высокого давления, вал компрессора низкого давления, вал компрессора высокого давления, камера сгорания, турбина высокого давления, турбина низкого давления, сопло.

K. Aainsqatsi / wikipedia.org

Турбина представляет собой жаропрочный воздушный винт, жестко посаженный на вал. Этим валом турбина связана с компрессорами и вентилятором на входе двигателя. После турбины реактивная струя попадает в сопло и истекает из него, формируя часть тяги двигателя. Вторая часть воздуха после вентилятора поступает в направляющий аппарат. Это такие вертикальные неподвижные лопатки. В этой части воздушный поток тормозится, из-за чего давление в нем повышается. После этого сжатый воздух сразу поступает в сопло и формирует остаток тяги.

Сегодня турбореактивные двухконтурные двигатели делят на два типа: с низкой и высокой степенью двухконтурности. Степень двухконтурности — это отношение объема воздуха за момент времени проходящего через внешний контур, то есть, минуя камеру сгорания, к объему воздуха, проходящего через внутренний контур, то есть газогенератор. Двигатели со степенью двухконтурности меньше двух традиционно ставятся на боевые самолеты, поскольку имеют небольшие размеры и большую тягу. Но они же расходуют много топлива.

Если у силовой установки степень двухконтурности больше двух, его принято называть турбовентиляторным реактивным двигателем. В такой силовой установке большая часть воздуха в полете проходит по внешнему контуру. На современных двигателях от 70 до 85 процентов тяги формируется именно вентилятором, в то время как внутренний контур используется лишь для привода дополнительных агрегатов, типа генератора, а также самого вентилятора и компрессоров.

В турбовентиляторных двигателях коэффициент полезного действия зависит от величины степени двухконтурности. Но увеличение двухконтурности приводит и к увеличению размеров двигателя, его массы и аэродинамических характеристик (большой двигатель имеет большое лобовое сопротивление). В целом же турбовентиляторный двигатель не может развивать скорость выше скорости звука, но имеет небольшой расход топлива, что как раз очень важно для пассажирских и грузовых перевозок.

Турбовентиляторные двигатели в гражданской авиации используются на протяжении последних нескольких десятилетий и зарекомендовали себя как надежные, относительно дешевые и экономичные силовые установки. Эти показатели разработчики из года в год стараются снизить, применяя все новые технические решения вроде саблевидных лопаток вентилятора, позволяющих сильнее сжимать воздух в зоне входа в компрессорную часть. Но эти решения не дают существенной экономии в расходе топлива.

Американский двигатель CFM56, устанавливаемый на самолеты нескольких типов компаний Boeing и Airbus, имеет степень двухконтурности 5,5 и удельный расход топлива в крейсерском режиме 545 граммов на килограмм-силы в час. Для сравнения, двигатель АЛ-31Ф истребителей Су-27 имеет степень двухконтурности 0,57 и удельный расход топлива в крейсерском режиме в 750 граммов на килограмм-силы в час и 1900 граммов на килограмм-силы в час на форсаже. Первый CFM56 расходовал чуть больше 700 граммов топлива на килограмм-силы в час.

Турбовентиляторный реактивный двигатель на самолете Boeing 777-300

Boeing

Частичной экономичности новых турбовентиляторных двигателей конструкторы смогли добиться и за счет использования редуктора. Его установили между вентилятором и валом турбины, благодаря чему удалось избавиться от жесткой связки между горячей и холодной частями силовой установки. Кроме того, вентилятор и турбина стали работать в оптимальных друг для друга условиях. Но для существенной экономии конструкторы, помимо прочего, стали думать в сторону турбореактивных двигателей с ультравысокой степенью двухконтурности.

Ультравысокой, или сверхвысокой, степенью двухконтурности считается, когда объем воздуха проходящего за момент времени через внешний контур в двадцать и более раз больше объема воздуха, проходящего через внутренний контур. Так изобрели турбовинтовентиляторный реактивный двигатель. Он имеет два (иногда три) вентилятора, расположенных на одной оси и вращающихся в разные стороны. Лопатки таких вентиляторов имеют саблевидную форму, а сами роторы — изменяемый шаг.

Схема турбовинтовентиляторного реактивного двигателя с открытым винтовентилятором

Hamilton Sundstrand Corporation

Внешне турбовинтовентиляторные двигатели могут быть похожи на обычные турбовинтовые с воздушными винтами. Однако в новых силовых установках диаметр вентиляторов в среднем на 40 процентов меньше обычных воздушных винтов, а воздушный поток за лопатками вентилятора сжимается по разному. Например, в зоне воздухозаборника компрессорной части он, как и у турбовентиляторных двигателей, имеет большую степень сжатия.

Одним из примеров турбовинтовентиляторных двигателей является российский НК-93. Иногда его называют турбовинтовентиляторным реактивным двигателем с закапотированным ротором, или винтовентилятором. В нем винтовентилятор вместе с небольшим по длине внешним контуром забран в капот, специальную конструкцию, защищающую лопатки и упорядочивающую воздушный поток в полете. Такой двигатель примерно на 40 процентов экономичнее сопоставимого по мощности Д-30КП транспортного самолета Ил-76.

Сегодня разработка НК-93 приостановлена. Проект официально не закрыт, но будет ли он когда-либо завершен, не ясно. По разным данным, удельный расход топлива двигателем НК-93 в крейсерском режиме полета составил бы от 370 до 440 граммов на килограмм-силы в час. При этом до 87 процентов тяги будут формироваться именно винто-вентилятором. В третьей серии двигателей Д-30КУ-154 для Ил-76 удельный расход топлива удалось снизить до 482 граммов на килограмм-силы в час.

Схема турбовинтовентиляторного реактивного двигателя с закапотированным ротором

avia-simply.ru

Тяга НК-93, по предварительным расчетам, должна была составить около 18 тысяч килограммов-силы. Для сравнения, тот же Д-30КУ-154 способен выдавать тягу в 10,8 тысячи килограммов-силы. Отчасти неудачи проекта НК-93 объясняются недофинансированием проекта, а также не совсем удачными испытаниями опытной модели, некоторые показатели которой оказались несколько выше расчетных. Кроме того, несмотря на свою эффективность и экономичность, НК-93 является двигателем очень крупным.

Между тем, в 2000-х годах Запорожское машиностроительное конструкторское бюро «Прогресс» разработало двигатель Д-27. Он относится к турбовинтовентиляторным реактивным двигателям с открытым винтовентилятором. Сегодня он является единственной в мире силовой установкой такого типа, выпускаемой серийно. Д-27 используется на перспективном украинском военно-транспортном самолете Ан-70. В этом двигателе поток воздуха создаётся двумя соосными многолопастными саблевидными винтами.

Тяга двигателя Д-27 составляет 13,1 тысячи килограммов силы, а удельный расход топлива в крейсерском режиме — около 140 граммов на килограмм-силы в час. Турбовинтовентиляторные двигатели с открытым ротором могут иметь немного различную конструкцию. Как правило, в них предусмотрено использование редуктора для привода винтовентилятора турбиной. Украинский двигатель в своей конструкции редуктор использует. Этот узел позволяет выставить оптимальные обороты для турбины и оппозитно-вращающихся роторов.

В Евросоюзе в настоящее время действует многолетняя программа разработки новых технологий для гражданской авиации, которые в целом должны будут сделать пассажирские самолеты будущего экономичнее, экологичнее, тише и комфортнее. Этот проект называется Clean Sky 2. В рамках этого проекта французская компания Snecma, входящая в холдинг Safran, приступила к сборке первого опытного образца турбовинтовентиляторного двигателя с открытым ротором. Испытания силовой установки состоятся до конца 2016 года.

Д-27

green-stone13.livejournal.com

Новый опытный двигатель на время проверок установят на пассажирский лайнер Airbus 340 на специальном подвесе в хвостовой части фюзеляжа. Перед летными испытаниями перспективный двигатель проверят на тестовом стенде на полигоне во французском Истре. Параметры перспективной силовой установки разработчики сравнивают с распространенными CFM56. Ожидается, что выбросы углекислого газа двигателя с открытым ротором будут на 30 процентов меньше, чем у CFM56.

Для сборки опытного образца двигателя Snecma намерена использовать газогенератор турбореактивного двухконтурного двигателя с форсажной камерой M88. Такими силовыми установками оснащаются французские истребители Dassault Rafale. С вала, раскручиваемого турбиной двигателя, через редуктор будет приводиться открытый винтовентилятор с роторами диаметром около 420 сантиметров. Лопатки вентилятора будут изменять угол атаки. Частота вращения винтовентилятора составит около 800 оборотов в минуту.

Для сравнения скорость вращения вентилятора двигателя CFM56 составляет 5200 оборотов в минуту в режиме полной мощности. Двигатель с открытым вентилятором, разрабатываемый Snecma, сможет развивать тягу в 111 килоньютонов (11,3 тысячи килограммов-силы). Идея французского двигателя базируется на американском GE36, разработка которого велась в 1980-х годах, однако из-за несовершенства материалов была закрыта. В частности, общей чертой для двигателей с открытым ротором является изогнутая форма лопаток.

Дело в том, что эффективность двигателя, в общих чертах, зависит от шага винта и скорости вращения. Чем эти показатели выше, тем быстрее полетит самолет. Однако при определенной скорости вращения вала наступает момент, когда скорость обтекания воздушным потоком законцовок лопастей приближается к сверхзвуковой. Из-за этого весь винт теряет эффективность. Изогнутая форма позволяет снизить частоту вращения вала и несколько уменьшить шаг винта, не потеряв в эффективности.

Разработчики рассчитывают, что новые турбовинтовентиляторные реактивные двигатели с открытым ротором будут в целом тише современных турбовинтовых и турбовентиляторных двигателей. Этого можно достичь за счет сдвига шума в более высокочастотную область, а высокочастотный шум, как известно, существенно более сильно спадает с увеличением расстояния до наблюдателя.

С каждым годом проектирование новых авиационных двигателей становится все более сложным. Времена, когда за счет использования нового принципа сжигания топлива или введения дополнительного воздушного контура можно было существенно повысить эффективность и экономичность конструкции, прошли. Теперь конструкторам уже приходится решать множество тесно связанных друг с другом задач и искать новые материалы для производства различных деталей двигателей.

Василий Сычёв

всё о компрессорах и турбинах

1 сентября 2016

Человек – существо неугомонное. После того, как появился первый автомобиль, желание ездить быстрей и быстрей не дает покоя ни конструкторам, ни автогонщикам, ни почтенным отцам многодетных семейств. Еще чуть больше скорости, чуть выше мощность, быстрей разгон – так по крупицам изобретались, тестировались и внедрялись в жизнь различные улучшения двигателей.

Как увеличить мощность двигателя? Чтобы получить больше силы на выходе, нужно дать больше энергии на входе, а значит, сжечь в двигателе больше топлива. Поскольку законы физики обойти еще никому не удалось, самым простым способом будет увеличение объема двигателя. Чем больше топлива сгорает в цилиндре, тем больше энергии высвобождается. Но этот путь вскоре завел в тупик: увеличивать объем нужно вместе с весом самого двигателя, и с определенного момента такой прирост теряет смысл: мотор становится настолько тяжелым и сложным, что вместо повышения эффективности системы ее показатели, наоборот, снижаются. Но до этого человеческий гений породил таких монстров, как 16-цилиндровые двигатели, разработанные для гоночных автомобилей.

BRM V16: 16-цилиндровый двигатель с компрессором,
угол между цилиндрами 135 градусов, объем 1,5 л,
мощность 475 л.с. при 11500 об/мин
(пиковая мощность 500-600 л.с.),
занявший 5-е место на Гран-при в Британии в 1951 г.

Если увеличивать объем двигателя можно только до определенного предела, то второй вариант – просто подать больше топлива в цилиндр. Но тут появляется другая проблема: одновременно необходимо подать и больше воздуха, чтобы сохранить оптимальное (стехиометрическое) соотношение – 14 объемных частей воздуха на 1 часть топлива, необходимое для полного сгорания. Конструкторы пришли к выводу, что при неизменном объеме цилиндра больше воздуха к топливу можно подать только с помощью искусственного наддува. Так появилась идея компрессоров и турбин, позволяющих увеличить мощность двигателя без изменения его кубатуры. Как правило, компрессорами называют устройства, работающие от коленвала двигателя, а турбинами – приводимые в движение потоком выхлопных газов. Но в обоих случаях назначение их одинаково: подача дополнительного воздуха в камеру сгорания для увеличения мощности двигателя.

 

Приводные компрессоры

 

Роторный компрессор, Roots, Рутс

Первый вариант конструкции, который и сейчас можно встретить на некоторых автомобилях. Два встречно вращающихся ротора (двух- трех- или четырехлопастных) подают воздух во впускной коллектор, нагнетая в нем давление, а из коллектора воздух под напором поступает в цилиндры двигателя.

 

Винтовой компрессор, Lysholm, Лисхольм

Принцип действия несколько отличается от роторного: в корпусе расположены два встречно вращающихся винта сложной формы, которые захватывают воздух в канавки и транспортируют его к выпуску с одновременным сжатием. Производительность винтового компрессора намного выше, чем роторного, и он не создает турбулентности воздушного потока на высоких оборотах.

Такая конструкция требует высокой точности изготовления и качественных материалов, поэтому всегда стоила намного выше, чем роторная. Можно сказать, что винтовой компрессор относится к устройствам класса «люкс».

 

И роторный, и винтовой компрессоры работают без присутствия масла (за исключением подшипников валов). Корпус и сами вращающиеся детали разделены между собой микрозазорами, и по этой же причине не нуждаются в остаточном охлаждении после остановки двигателя.

Синхронизация вращения валов выполнена с помощью шестеренчатой передачи от ведущего вала (соединенного ременным шкивом с коленвалом двигателя) к ведомому, позволяющей добиться высокой точности работы компрессора, без трения и перегрева.

 

Центробежный компрессор

В его конструкции используется только один вал, на котором закреплена крыльчатка. При вращении крыльчатка захватывает воздух из центра и отбрасывает его по периметру, откуда он поступает в напорный патрубок. Такая конструкция позволяет сделать компрессор негабаритным, легким, при этом не теряя в производительности.

 

Все приводные нагнетатели (компрессоры) объединены общими достоинствами: простота монтажа, эффективность при различной скорости оборотов, отсутствие перегрева и турболага (турбоямы) – типичной проблемы турбин.

А основной общий недостаток – привод от двигателя, в результате чего немного теряется мощность и увеличивается нагрузка на него. Но, несмотря на это, установка компрессора себя оправдывает: в среднем нагнетатель дает прирост 46% к мощности двигателя.

 

Турбонагнетатель (турбокомпрессор, турбина)

Несмотря на разнообразие конструкций приводных компрессоров, признание автолюбителей завоевали турбины – нагнетатели с турбо-приводом.

Турбина приводится в действие не от коленвала, а от потока выхлопных газов. Такая конструкция полностью устраняет нагрузку на двигатель и не требует дополнительных мощностей для работы.

Выхлопные газы, проходя в полость турбины, приводят в движение ротор, закрепленный на одном валу с крыльчаткой. А крыльчатка, в свою очередь, во время вращения накачивает воздух в систему впуска по тому же принципу, что и центробежный компрессор.

Особенностью турбины является зависимость скорости вращения не от оборотов двигателя напрямую, а от силы потока отработанных газов. С этим связано явление турбоямы или турболага – задержки реакции турбины (а следовательно, и набора мощности двигателем) при нажатии на педаль акселератора. Внешне это выглядит как секундная «задумчивость» мотора, которая затем сменяется резким скачком мощности. Конструкторы борются с турболагом различными методами, от чип-тюнинга (изменение параметров работы двигателя) до установки электромотора или баллона со сжатым воздухом для мгновенной подачи его в двигатель, пока турбина не раскрутится.

Монтаж турбины, в отличие от компрессора, связан с определенными сложностями. В связи с высокой нагрузкой (скорость вращения может достигать 300 тысяч оборотов в минуту в отличие от компрессоров, скорость которых максимум 20 тысяч оборотов в минуту) турбина требует постоянной смазки, так что ее включают в масляную магистраль и подводят моторное масло под давлением. С этим связана необходимость устанавливать турбины только в специализированном автосервисе.

 

Турбина с изменяемой геометрией, VNT

Одной из проблем турбокомпрессоров является слишком высокая скорость вращения на больших оборотах двигателя и недостаточная продуктивность на малых оборотах. Чтобы улучшить характеристики устройства, вокруг основного ротора устанавливаются дополнительные лопасти, изменяющие свое положение в ответ на команду регулирующего устройства. Поворот, увеличивающий площадь ротора, помогает сохранить высокие обороты при низком давлении выхлопных газов, а уменьшение площади ротора помогает турбине не превышать предельных оборотов, когда мотор работает на полной мощности. Это называют VNT (Variable Nozzle Turbine) или VGT-турбиной (Variable Geometry Turbocharger).

Турбина с изменяемой геометрией.
1. Ускорение вращения за счет «эффекта сопла»: на сужающемся участке напор воздушного потока возрастает.
2. Замедление вращения благодаря повороту лопастей, расширяющих канал для воздушного потока.

Существуют и другие модификации таких турбин: с выдвижными лопастями, с другим способом их крепления и т.д., но принцип действия от этого не меняется.

Управление такой турбиной осуществляется от вакуумного регулятора, электромотора или благодаря инерционному повороту самих лопастей.

 

Комбинированные системы

В разное время автоконструкторы экспериментировали с различными способами улучшения характеристик двигателя. Так появилась система двойного турбонаддува Twin Turbo или комбинированная система. Эти инженерные изыскания были направлены на устранение характерных недостатков разных видов компрессоров.

 

Двойной турбонаддув

По сути, это две турбины, установленные на двигатель по параллельной, последовательной или ступенчатой схеме. Изначально такая система предназначалась для устранения турболага, но она также помогает повысить мощность, оптимизировать режим работы двигателя и даже снизить расход топлива.

 

Параллельная система

Состоит из двух турбин с одинаковыми характеристиками, подключенных параллельно друг другу. Может устанавливаться на мощные V-образные двигатели, по одной турбине на каждый ряд цилиндров. Каждая из турбин подключается к отдельному ответвлению выпускного коллектора. Преимущество этой системы в том, что можно установить маленькие турбины, которые намного легче набирают скорость вращения, и таким образом уменьшить эффект турболага.

 

Последовательная система

Вверху: работа одной турбины на малых оборотах двигателя.
Внизу: Работа двух турбин для максимальной мощности.

Состоит из двух турбин, одна из которых работает постоянно, а вторая включается по необходимости (поток отработанных газов направляется на вторую турбину при открытии клапана на выпускном коллекторе). Воздух от обеих турбин поступает в общий впускной коллектор двигателя.

 

Двухступенчатая система

1. Две турбины работают последовательно (низкие обороты).
2. Турбины работают параллельно (средние обороты).
3. Работает только большая турбина (высокие обороты).

Достаточно сложная, но эффективная система, состоящая из двух последовательно подключенных турбин разного размера, соединенных перепускными патрубками и клапанами. На малых оборотах двигателя работает только меньшая турбина, поскольку она легче и имеет меньшую инерцию. При включении средних оборотов подключается большая, и обе турбины работают последовательно: большая подает поток воздуха на малую, от которой он поступает во впускной коллектор. При этом скорость большой турбины постепенно увеличивается, и на максимальных оборотах малая турбина отключается, чтобы не задерживать поток воздуха к мотору. Вся система регулируется датчиками и электромагнитными клапанами, открывающими или закрывающими отдельные участки системы выхлопа. С точки зрения производительности двигателя, двухступенчатая система дает максимальный эффект.

 

Комбинированный наддув, TSI

Попытки преодолеть эффект турбоямы привели к созданию концерном Volkswagen системы комбинированного наддува TSI (Turbo Stratified Injection), в которой сочетается приводной нагнетатель и турбина. Система подключена ступенчато: на низких оборотах двигателя работает только компрессор, дающий в таком режиме максимальный эффект. На средних оборотах компрессор и турбина работают вместе, а на максимальных оборотах компрессор отключается, и работает одна турбина. Такой способ наддува полностью устраняет эффект турбоямы, но оказался слишком дорогостоящим как в производстве, так и в обслуживании, и с 2011 года двигатели с комбинированным наддувом уже не производят.

 

Технические характеристики: что важно знать о турбине?

Один из важнейших технических показателей турбины это степень компрессии: способность повышать давление во впускном коллекторе и соответственно в цилиндрах двигателя. Знать этот параметр необходимо тем, кто хочет тюнинговать свой автомобиль и проводит расчеты для турбины.

Степень компрессии имеет две крайности: чем она выше, тем больше мощности можно получить от мотора (больше сжимается топливно-воздушная смесь в цилиндре и сильней отдача от ее сгорания). Но при превышении максимально допустимой силы сжатия появляется эффект детонации: смесь сгорает не тогда, когда нужно, а тогда, когда ее сжатие приводит к самовозгаранию. По этой причине на турбированных двигателях используют высокооктановый бензин.

То есть, максимальная компрессия показывает максимально возможное количество топлива (и соответственно воздуха), которое можно подать в цилиндр без вреда для двигателя.
Второй показатель турбины – рабочий диапазон вращения ротора. Это показатель скорости вращения от минимально полезной до максимально безопасной для устройства, превышение которой ведет к перегреву и преждевременному износу.

Также нелишним будет учесть показатели термоустойчивости турбины. Обычно производители указывают максимальную температуру отработанных газов на входе в турбину и максимальную температуру масла на входе. Чем мощней двигатель, тем выше будут эти температуры и тем тщательней нужно выбирать компрессор.

Поскольку турбина подключается к масляной магистрали, производители указывают оптимальные и минимальные показатели давления масла на входе.

Производительность компрессора определяется объемом воздуха, пропускаемым за один оборот ротора. Чем больше турбина, тем выше этот показатель, но и выше инерционность, так что в большинстве случаев специалисты рекомендуют выбирать компрессоры средней производительности.

 

Сколько служит турбина и отчего выходит из строя

Многие автомобилисты называют турбину расходным материалом: срок службы ее не слишком радует любителей уличных гонок. При идеальных условиях (передвижение по городу, регулярное ТО) турбина прослужит примерно 150 тыс. км. Но ведь турбины ставят не затем, чтобы чинно ездить 50 км/ч, так что при экстремальном использовании ресурс можно смело делить на 2, и то при грамотном обслуживании своей машины.

Безжалостная статистика утверждает: только 5% турбин выходят из строя, «померев своей смертью», то есть выработав заложенный в них ресурс полностью. В абсолютном большинстве случаев поломки случаются по причине недосмотра или небрежности хозяина автомобиля.

Два самых страшных врага турбины – посторонние предметы и масляное голодание (и вообще проблемы с маслом).

Учитывая огромную скорость вращения, даже безобидная на первый взгляд пыль может за короткое время сточить лопасти, забиться в подшипники и вывести турбину из строя. Поэтому турбированные двигатели намного чувствительней к качеству воздушного фильтра, чем обычные атмосферные. Добавить сюда дополнительную нагрузку на фильтр (воздух проходит через него с достаточно сильным напором) и становится понятно, почему многие, тюнингуя свой автомобиль, ставят фильтры нулевого сопротивления.

Но, каким бы качественным ни был фильтр, он может пострадать от попавшей в воздухозаборник влаги и испортиться (бумага после высыхания уже не выполняет свои функции). После поездки под хорошим сильным дождем лучше осмотреть фильтр сразу, и в случае необходимости заменить. Дешевле выйдет.

Повреждение турбины посторонними предметами

Посторонние предметы могут попасть не только на крыльчатку турбины, но и на ротор. Чаще всего это частицы кокса из выпускного коллектора, а иногда и детали двигателя (обломки клапанов, свечей зажигания и т.д.) Если мотор посыпался, турбина умирает практически сразу.

Проблемы со смазкой турбины встречаются даже чаще, чем поломки из-за посторонних предметов. Одна из самых распространенных причин проблемы – использование нерегламентированного масла (большей вязкости, другого качества и т.д.) В турбированных двигателях требования к маслу на порядок жестче, чем в атмосферных! От «неправильного» масла турбина выходит из строя раньше, чем двигатель.

Тут же нужно напомнить об интервале замены масла и масляного фильтра. Со временем в масле, и особенно в фильтре, накапливаются продукты сгорания, твердые частицы разного размера. Фильтр забивается и не пропускает достаточное количество масла, после чего в нем срабатывает перепускной клапан и масло проходит напрямую, без очистки. Если двигатель еще немного поработает в таком режиме, то турбина выйдет из строя сразу: твердые частицы сработают как абразив, а более мелкие забьют каналы для подачи масла к подшипникам турбины. При разборке компрессоров, пострадавших от масляного голодания, на металле часто можно видеть не только истертости, но и цвета побежалости – свидетельство критического перегрева.

Вал турбины со следами перегрева

Одним словом, система с наддувом намного чувствительней к работе всех смежных узлов, чем простая атмосферная. Это относится не только к зажиганию, подаче топлива и т.д., но и к состоянию катализатора и сажевого фильтра. Неисправный катализатор приводит к образованию сажи и кокса в выпускной системе, повышению нагрузки на турбину, а от нештатных нагрузок она выходит из строя.

Трещина в корпусе

 

Покупать ли автомобиль с турбодвигателем?

Несмотря на преимущества турбированных моторов, производители продолжают выпускать атмосферные двигатели, а покупатели зачастую выбирают именно их. Мотор без наддува привлекает большей надежностью, меньшими требованиями, меньшими затратами на обслуживание и ремонт. Так что для спокойной «семейной» езды подойдет и хороший «атмосферник», который, кстати, может быть намного эффективней, чем двигатель с неправильно подобранной или криво установленной турбиной.

Но ведь машина может больше! Установка компрессора позволяет раскрыться потенциалу двигателя, к тому же, как уже говорилось выше, турбонаддув помогает экономить топливо за счет оптимизации процесса работы. Так что любители быстрой езды выбирают турбо.

Нет однозначного ответа, что выбрать: атмосферный двигатель, приводной компрессор или турбину. Все они имеют свои плюсы и минусы, и нужно определиться, что подойдет именно под ваши нужды и желания.

 

 

 

 

Узнайте, как устроен принцип работы дизельной турбины!

Узнайте, как устроен принцип работы дизельной турбины!

Турбокомпрессор — это компрессор, или воздушный насос, который приводится в работу от турбины. Турбина вращается за счет использования энергии потока отработанных газов. Частота вращения турбокомпрессора дизельного двигателя находится в пределах от 1 000 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 отработанные газы, тем быстрее будет вращаться турбина.
Как следствие, компрессор тоже будет вращаться быстрее.

1. Всасываемый воздух
2. Ротор компрессора
3. Сжатый воздух
4. Вход отработавших газы
5. Ротор турбины
6. Выход отработавших газов

Турбина

Турбина состоит из корпуса и ротора Отработанные газы из выпускного коллектора двигателя попадают в приемный патрубок турбокомпрессора. Проходя по сужающемуся внутреннему каналу корпуса турбины, они ускоряются, и минуя «улитку» направляются к ротору турбины, который приводят во вращение.

Скорость вращения турбины определяется размером и формой канала в ее корпусе.

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 отработанных газов.

В турбокомпрессоры с большим объемом часто устанавливают дополнительное кольцо с направляющими лопатками. Оно облегчает создание постоянного потока отработанных газов на роторе турбины и делает возможным регулировку потока.

Корпус турбины и ротор отливаются из сплава с высокой термостойкостью.

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.

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 подшипников

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

Примечание: В настоящее время появились конструкции, в которых подшипник неподвижен, а ось вращается в масляной ванне. В таких конструкциях масло не только служит для смазки оси, но и охлаждает подшипники с корпусом.

Для уплотнения турбокомпрессора с двух сторон устанавливаются маслоотражательные прокладки и 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.

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

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

Внутренняя часть корпуса оси на уровне кольца имеет сложную герметическую форму для предотвращения просачивания масла к компрессору

У нас новая услуга!

Независимая экспертиза и дефектовка вышедших из строя турбокомпрессоров

Подробности по телефону: 8-912-895-44-41

О турбонаддуве

Нагнетание воздуха при помощи турбокомпрессора

Мощность, которую может развивать двигатель внутреннего сгорания, зависит от количества воздуха и топлива, которые поступают в двигатель. Таким образом, добиться повышения мощности можно, увеличив количество этих компонентов. Увеличение количества топлива совершенно бессмысленно, если одновременно не увеличивается количество воздуха для его сгорания. Поэтому одним из решений проблемы повышения мощности двигателя является увеличение количества воздуха, поступающего в цилиндры; при этом можно сжечь больше топлива и получить, соответственно, большую энергию. Это подразумевает, что необходимый для сгорания топлива воздух должен быть сжат перед подачей в цилиндры. 

Увеличение мощности атмосферного двигателя может быть достигнуто путём увеличения либо его рабочего объёма, либо оборотов. Увеличение рабочего объёма сразу же увеличивает вес, размеры двигателя и, в конечном итоге, его стоимость. Увеличение оборотов проблематично из-за возникающих при этом технических проблем, особенно в случае двигателя со значительным рабочим объёмом. Технически приемлемым решением проблемы увеличения мощности является использование нагнетателя (компрессора). Это означает, что подающийся в двигатель воздух сжимается перед его впуском в камеру сгорания. 

Турбокомпрессор был впервые сконструирован швейцарским инженером Бюши ещё в 1905 году, но только много лет спустя он был доработан и использован на серийных двигателях с большим рабочим объёмом. В принципе, любой турбокомпрессор состоит из центробежного воздушного насоса и турбины, связанных при помощи общей жесткой оси между собой. Оба этих элемента вращаются в одном направлении и с одинаковой скоростью. Энергия потока отработавших газов, которая в обычных двигателях не используется, преобразуется здесь в крутящий момент, приводящий в действие компрессор. Происходит это так: выходящие из цилиндров двигателя отработавшие газы имеют высокую температуру и давление, они разгоняются до большой скорости и вступают в контакт с лопатками турбины, которая и преобразует их кинетическую энергию в механическую энергию вращения (крутящий момент).

Это преобразование энергии сопровождается снижением температуры газов и их давления. Компрессор засасывает воздух через воздушный фильтр, сжимает его и подает в цилиндры двигателя. Количество топлива, которое можно смешать с воздухом, при этом можно увеличить, что позволяет двигателю развивать большую мощность. Кроме того, улучшается процесс сгорания, что позволяет увеличить характеристики двигателя в широком диапазоне оборотов.

Между двигателем и турбокомпрессором существует связь только через поток отработавших газов. Частота вращения турбокомпрессора напрямую не зависит от числа оборотов двигателя и характеризуется некоторой инерционностью, т.е. сначала увеличивается подача топлива и энергия потока отработавших газов, а затем уже увеличиваются обороты турбины и давление нагнетания, и в цилиндры двигателя поступает ещё больше воздуха, что даёт возможность увеличить подачу топлива. 

Характеристики мотора напрямую зависят от давления наддува: чем больше воздуха удастся загнать в цилиндры, тем мощнее будет двигатель. При определенном стиле вождения появляются и другие плюсы – снижается расход топлива, мотор не боится горных дорог, где обычные двигатели буквально задыхаются от нехватки кислорода в разреженной атмосфере.

Все современные автомобили оснащены системой турбонаддува, которая позволяет повысить мощность двигателя на 20-35% при этом двигатель, оснащенный турбонаддувом, обладает более высоким крутящим моментом на средних и высоких оборотах, что делает автомобиль более динамичным и экономичным при движении. Но при торможении двигателем автомобиль останавливается медленней, за счет пониженной степени сжатия в цилиндрах. Турбина начинает эффективно работать на дизельном авто при 2200-2500 об/мин, на бензиновом при 2800 — 3500 об/мин. Промежуток оборотов двигателя от холостых оборотов до включения турбины называется турбо-яма. Современные системы управления турбиной позволяют минимизировать эффект турбо-ямы.

Показателем эффективности работы турбины является давление наддува, которое на дизельных двигателях обычно достигает до 0.6-0.7 бар а на бензиновых от 0.6-1.0 бар. Качество сгораемого топлива зависит от процентного содержания смеси топливо-воздух и определяет состояние выхлопных газов двигателя.

Все турбонаддувы можно условно разделить на два типа – низкого (0,20 бара) и высокого давления (0,82 бара). Первый, как показала практика, может вообще обходиться без регуляторов. К примеру, на мотор Saab 95 V6 Ecopower Turbo объемом 3,0 л установлена относительно маломощная, поэтому и менее «задумчивая» турбина Garrett. Интересно, что для достижения максимального давления 0,25 бара она использует энергию отработавших газов лишь трех цилиндров из шести. На больших оборотах турбонагнетатель не может как следует разогнаться, что и обеспечивает низкое давление наддува. Электронно управляемая заслонка в этой турбине тут же открывается при любом нажатии на педаль газа. Это позволяет турбине немедленно получать необходимое количество отработавших газов для того, чтобы закачивать в цилиндры больше воздуха. Как только «воздушный насос» раскрутился, заслонка возвращается в положение, соответствующее заданному числу оборотов двигателя. В результате максимальный момент 310 Нм этот мотор выдает при 2100 об/мин.

Но это исключение из правил. Обычно в качестве регуляторов давления в турбодвигателях используют предохранительные клапаны – механические, либо с электронным управлением. Первые открываются избыточным давлением наддуваемого воздуха, вторые имеют исполнительные механизмы, как правило, электромагнитные. Команду открыть-закрыть клапану дает ЭБУ двигателя, руководствуясь информацией целой группы датчиков: давления во впускном коллекторе, детонации, расходомера воздуха и т. д. Первым подобную систему применил Saab в 1981 году.

Давление наддува обычно регулируется с помощью клапанных систем, которые перепускают требуемое количество отработавших газов. Хотя встречаются модели, в которых избыточный воздух сбрасывается прямо под капот, что не совсем выгодно с точки зрения экономичности. Впрочем, и первый способ не идеален, ведь значительное количество отработавших газов не выполняет никаких полезных действий. Вот если бы объединить две турбины в одной! Тогда бы одна использывалась для малых оборотов двигателя, а другая – для максимальных. При этом перепускной клапан использовался бы эпизодически.

Что такое VTG?

Турбонагнетатель с изменяемой геометрией VTG (Variable Turbo Geometry) – это вовсе не турбина с поворотными крыльчатками. Реализовать подобное затруднительно. Но зато ничто не мешает сделать подвижным направляющий аппарат, который в зависимости от нагрузки дозировал бы количество и скорость поступающих на «горячую крыльчатку» отработавших газов. Самый простой вариант использовали в роторном моторе Mazda RX7 в конце 80х. Здесь струя выхлопных газов была разделена на два потока. На малых оборотах они воздействовали только на верхнюю часть турбинного колеса. При достижении определенной частоты вращения коленвала срабатывал клапан, после чего отработавшие газы подавались уже на всю поверхность крыльчаток. Правда, оказалось, что данная система хорошо работала только в паре с роторнопоршневым двигателем Ванкеля.

Более удачной оказалась идея с несколькими поворотными лопатками, закрепленными в специальной обойме. Они регулировали скорость и давление потока отработавших газов в зависимости от режима работы. В грузовых автомобилях первой удачно применила этот метод фирма Mitsubishi в середине 80х, а в легковых – Audi и Volkswagen – фирма Allied Signal (Garrett) в 1995 году. Позже VTG-нагнетатетелями обзавелись легковые дизели BMW и MercedesBenz, а также AlfaRomeo. К слову, нечто подобное устанавливалось на советские танковые дизели с середины 60х.

Но пока, к сожалению, такая система прижилась только на дизельных моторах. Дело в том, что нежный направляющий аппарат теряет подвижность после долгой работы при высоких температурах выхлопных газов. Сравним 1050°С для бензинового двигателя и всего 600°С для дизеля. Кроме того, турбина с переменной геометрией дороже, чем обычная. А ее надежность и долговечность все-таки поменьше. Поэтому в ближайшее время вопрос о том, каким должен быть идеальный наддув, остается открытым. Один из перспективных путей – применение комбинированного наддува. К примеру, на малых оборотах воздух в цилиндры нагнетает приводной компрессор, а уже со средних в дело вступает турбонаддув.

Дизельный насос (ТНВД) имеет турбо-корректор, который подает топливо относительно поступаемого в камеру сгорания воздуха. Такая же коррекция происходит и в инжекторных системах. Окружная скорость вращения вала турбо-корректора достигает 50-70 м/с, что в несколько раз выше скорости движения автомобиля и на порядок выше окружной скорости коленчатого вала, если эти данные перевести в об/мин то ротор турбо-корректора вращается с 150000 — 210000 об/мин а коленвал с 5000-7000 об/мин. При этой скорости малейший дисбаланс превращает ротор в вибратор большего размера, что приводит к механичекому и акустическому шуму, утечке масла через уплотнения и неэффективной работы турбины, а в конечном итоге к заклиниванию вала и обрыву горячей крыльчатки. Вот зачем необходима балансировка вала до сборки турбокомпрессора и после. Особую роль нужно отдать диагностике работы двигателя и топливной системы.

Для проверки эффективности работы турбокомпрессора используется вакуумметр-манометр. Для проверки давления картерных газов используем напоромер. Данный прибор позволяет диагностировать состояние двигателя в целом. Ведь работа турбины на 99% зависит от состояния двигателя, а повышенный расход масла и топлива ошибочно указывает на изношенное состояние турбокомпрессора. Что касается диагностики топливной системы автомобиля, то лучше это сделать на специализированной СТО, но некоторые неисправности очевидны. Так средний пробег распылителей форсунок составляет 100 тыс. км. пробега, работа свечей накала 50 тыс. км., свечей зажигания обычных 25 тыс. км. а платиновых 60 тыс. км. Периодическая профилактическая чистка топливной системы составляет около 25 тыс. км. км пробега. Клиенты к нам обращаются как в плане консультации при покупке автомобиля, так и с просьбой диагностики турбины и двигателя для определения реального состояния цилиндро-поршневой группы и ремонта.

Преимущества турбокомпрессорного двигателя

Двигатель, оснащённый турбокомпрессором, обладает техническими и экономическими преимуществами по сравнению с атмосферным (безнаддувным) двигателем:

• Соотношение «масса/мощность» у двигателя с турбокомпрессором выше, чем у атмосферного двигателя.

• Двигатель с турбокомпрессором менее громоздок, чем атмосферный двигатель той же мощности.

• Кривая крутящего момента двигателя с турбокомпрессором может быть лучше адаптирована к специфическим условиям эксплуатации. При этом, водитель тяжёлого грузовика должен намного реже переключать передачи на горной дороге, и само вождение будет более «мягким». 

Кроме того, можно на базе атмосферных двигателей создавать версии, оснащённые турбокомпрессором и различающиеся по мощности. Ещё более ощутимы преимущества двигателя с турбокомпрессором на высоте. Атмосферный двигатель теряет мощность из-за разрежения воздуха, а турбокомпрессор, обеспечивая повышенную подачу воздуха, компенсирует снижение атмосферного давления, почти не ухудшая характеристики двигателя. Количество нагнетаемого воздуха станет лишь ненамного меньше, чем на более низкой высоте, то есть двигатель практически сохраняет свою обычную мощность. Кроме того:

• Двигатель с турбокомпрессором обеспечивает лучшее сгорание топлива.Подтверждением тому служит уменьшение потребления топлива грузовиками на больших пробегах.

• Поскольку турбокомпрессор улучшает сгорание, он также способствует уменьшению токсичности отработавших газов.
  

Ремонт турбин дизельных двигателей

Турбированный дизельный двигатель с неисправным компрессором теряет от 30 до 60 процентов своей мощности. К сожалению, вывести этот агрегат из строя довольно легко: достаточно несколько раз после холодного пуска дать двигателю высокие обороты. Если к тому же моторное масло не соответствует типу двигателя или засорен фильтр, ремонт турбокомпрессора придется делать почти наверняка.

Рекомендации по эксплуатации автомобиля с турбиной

Очевидно, что классическое обслуживание автомобиля — ещё не гарантия того, что Турбина и двигатель может пройти 500 000 км до капремонта. В регламентное обслуживание необходимо вводить такие работы: очистка топливной системы, диагностика-регулировка топливо-воздушной системы, проверка на загрязнение катализатора в выхлопной системе.

• При запуске двигателя используйте минимальный газ и не меньше минуты держите двигатель на холостых оборотах. Газовать на двигателе, который лишь несколько секунд назад завелся, значит, заставлять турбину вращаться на высоких скоростях в условиях ограниченной смазки.
• После больших оборотов и нагрузки двигателя не выключайте зажигание, дайте двигателю поработать на холостых оборотах от 15 до 30секунд (в зависимости от режима работы двигателя). При нагруженном двигателе крыльчатка турбины вращается на очень высоких оборотах. Быстрое же выключение зажигания приводит к прекращению подачи масла в то время когда крыльчатка ещё вращается с большой скоростью…
• Избегайте длительной работы на холостых оборотах. При этом давление масла в турбине больше, чем воздуха в компрессорной части. Масло может вытекать в улитки и появится сизый дым.
• Масло, на котором эксплуатируется ваш автомобиль — это действительно самая главная деталь в работоспособности турбонаддува.

Практические советы по обслуживанию, диагностике

Сегодня многие СТО «боятся» автомобилей с турбокомпрессорами. Это происходит из-за нехватки информации с одной стороны и нежелании механиков получать дополнительные знания по автодиагностике. Предлагаем Вам ознакомиться с подходом к турбокомпрессору. Не нужно бояться турбин, нужно технически грамотно представлять процесс проверки турбокомпрессора. 

Если автомобиль нуждается в ремонте, а признаки указывают, что неисправность связана с турбокомпрессором, важно точно установить, поврежден он или нет. Это можно сделать, пользуясь таблицей, приведенной ниже. Если точно установлено, что турбокомпрессор неисправен, нужно обязательно отыскать причину этого. Если её не устранить, новый компрессор, установленный взамен неисправного, тоже выйдет из строя, иногда это происходит в первые же секунды после запуска двигателя.

Методика диагностирования турбокомпрессора на двигателе

1. Необходимо подсоединиться к системе впускного коллектора с помощью тройника, так как система должна быть герметична.
2. Произвести запуск двигателя, дать возможность прогреться двигателю до температуры 70°С.
3. Статическая проверка турбонаддува:

• на инжекторных автомобилях показания прибора при холостых оборотах должны быть в секторе вакуумирования (левая зелёная зона). На дизельных автомобилях показания прибора колеблются около «0»;
  
• для дизельных автомобилей: при холостых оборотах стрелка на приборах находится в «0», при резком и кратковременном нажатии на педаль газа может быть в пределах 0,5 – 0,8 бар при 2200 –3500 об/мин, нагнетание становится эффективным от 2200 об/мин;
  
• на инжекторных автомобилях при плавном нажатии на педаль акселератора на оборотах двигателя 2000 об/мин показания прибора достигают 0 – 0,2 бар. При резком нажатии на педаль акселератора показания прибора достигают 0,3 – 0,5 бар, и происходит сброс давления, т.к. двигатель не нагружен. Поэтому инжекторный автомобиль необходимо диагностировать в движении. Эффективность нагнетания происходит от 2800 об/мин двигателя.
  

4. Динамическая проверка турбонаддува:

• необходимо вывести прибор в салон автомобиля;
• произвести измерение на 2-й передаче с максимальным ускорением, при этом показания прибора на инжекторных автомобилях достигают 0,8 – 1,0 бар, а на дизельных – 0,6 – 0,8 бар.

5. После измерения турбонаддува необходимо все соединения вернуть в начальное состояние.

Внимание!!! Если давление турбонаддува для дизеля ниже 0,5 бар, то необходимо уделить серьёзное внимание топливной аппаратуре. Если ниже 0,3 бар при исправном двигателе, то турбокомпрессор требует ремонта. 

Внимание!!! Если давление турбонаддува превышает максимально допустимые параметры, то существует большая вероятность выхода из строя цилиндропоршневой группы (прогар поршня).
Вопреки распространенному мнению, можно починить практически любой компрессор. Однако сам процесс ремонта турбин очень сложен, и кроме опыта требует специального оборудования.

 Сначала агрегат разбирается и проводится тщательная ревизия состояния всех его деталей. После этого делается собственно ремонт турбокомпрессора, для чего применяются лишь фирменные запчасти, а все подшипники и компрессионные кольца заменяются новыми. Затем турбину тщательно балансируют и картридж собирают. Далее на стенде добиваются идеальной балансировки уже самого картриджа, после чего турбину можно устанавливать на двигатель.

Замена турбокомпрессора

При самостоятельной установке турбины следует выполнять приведённые указания:

1. Проверить сливные маслопроводы, снять и полностью их прочистить. Убедиться в отсутствии вмятин, повреждений, пережатий. Случается, что шланги и резиновые патрубки через некоторое время разбухают изнутри, что затрудняет движение масла. В случае сомнений рекомендуется заменить резиновые части новыми деталями.
2. Проверить сапун двигателя, снять и полностью очистить его. Нужно следовать тем же указаниям, что и для маслопроводов. Проверить, при необходимости заменить клапаны (если они есть). На сапуне часто устанавливают небольшой конденсатор масла, его также нужно очистить и проверить. Одним словом, давление картерных газов не должно превышать 50 кг/м2.
3. Пред установкой турбокомпрессора (далее ТКР) заглушить патрубок маслоподачи и слива на ТКР.
   
4. Прогреть двигатель до рабочей температуры, произвести замер давления масла в патрубке подачи масла на ТКР ( не менее 0,8 кг/см2 ) на холостых оборотах и (не более 6,5 кг/см2) на максимальных оборотах.
   
5. Слить отработанное масло с двигателя.
   
6. Произвести замену всех фильтров (масляного, воздушного, топливного). Очистить внутренние полости корпуса воздушного фильтра от инородных частиц и мусора.
   
7. Залить масло, соответствующее требованиям завода-изготовителя для данного типа двигателя (смотреть инструкцию по эксплуатации автомобиля).
   
8. Произвести чистку и проверить герметичность воздушных патрубков подачи и слива масла (патрубки трубопроводов должны соответствовать требованию завода-изготовителя).
   
9. При наличии интеркулера промыть его от остатков масла.
   
10. При наличии катализатора в выхлопной системе необходимо проверить сопротивление противовыхлопа (не более 0,2кг/см2 на оборотах).
    При завышенном давлении, или если автомобиль имеет пробег более 100 тыс. км, катализатор нужно заменить или удалить.
    
11. Снять заглушку с маслоподающего патрубка. На стартерном режиме произвести прокачивание маслом подающей трубки, слить в ёмкость примерно 100 г масла.
    
12. Произвести монтаж ТКР, не подключая патрубки всасывания и наддува воздуха.
    
13. Подключить маслоподающую трубку к ТКР.
    
14. На стартерном режиме произвести прокачивание масла через ТКР в ёмкость примерно 100 г, контролируя появление масла на сливной трубке.
    
15. Подсоединить маслосливную трубку к ТКР.
    
16. Запустить двигатель, не пользуясь педалью акселератора. Дать поработать двигателю 5–10 минут на холостых оборотах, при этом контролировать температуру патрубка подачи масла (50–60°С), контролировать герметичность всех соединений.
    
17. Увеличить обороты двигателя до 2500/3000 об/мин. При этом отслеживать выброс масла из нагнетающего патрубка улитки ТКР.
    
18. Убедившись, что ТКР не выбрасывает через нагнетающий патрубок улитки масло, произвести монтаж воздушных патрубков.
    
19. Запустить двигатель, проверить герметичность всех соединений.
    
20. Замерить давление во всасывающем тракте после турбины.

Если обнаружены неисправности, конечно же следует их устранить.

С уважением СТО «Ковш»

Power Turbine — обзор

14.6 Производительность силовой турбины

Производительность силовой турбины имеет первостепенное значение, поскольку этот компонент отвечает за преобразование энергии на выходе из газогенератора в мощность на валу. Мощность, вырабатываемая силовой турбиной, зависит от степени давления в силовой турбине, которая определяется характеристиками газогенератора и КПД силовой турбины. Для данной степени сжатия силовой турбины КПД зависит от безразмерной скорости турбины, как показано на рис.7.3. Скорость силовой турбины (механическая скорость) определяется ведомой нагрузкой, и поэтому ведомая нагрузка оказывает прямое влияние на безразмерную скорость силовой турбины. В нашем симуляторе предполагалось, что силовая турбина приводит в действие электрический генератор, который требует, чтобы скорость силовой турбины оставалась постоянной при изменении нагрузки для поддержания требуемой частоты. Однако в других случаях, таких как приложения с механическим приводом (технологические компрессоры и насосы), скорость технологического компрессора может быть низкой во время работы в плотной фазе из-за высокого давления всасывания в технологическом компрессоре.Скорость технологического компрессора и, следовательно, скорость силовой турбины может составлять всего 70% от номинальной (100%) скорости. Следовательно, важно определить выходную мощность газовой турбины при разных скоростях силовой турбины.

На рисунке 14.26 показано изменение мощности, развиваемой силовой турбиной, в зависимости от частоты вращения силовой турбины при условиях ISO и нулевых потерях на входе и выходе. Выходная мощность рассчитана для различных скоростей газогенератора, и особый интерес представляет скорость 100% газогенератора (GG), так как эта ситуация обычно соответствует максимальной мощности газа, вырабатываемой газогенератором.При скорости вращения силовой турбины 70%, что соответствует 2100 об / мин силовой турбины, выходная мощность снижается примерно на 11%, что свидетельствует о важности рабочих характеристик силовой турбины. При высоких скоростях вращения силовой турбины КПД силовой турбины мало зависит от безразмерной скорости силовой турбины, что приводит к относительно плоской кривой мощности при работе на этих скоростях. Следовательно, нашим нагрузкам необходимо будет работать на относительно высоких скоростях, или потребуется очень пологая кривая мощности турбины, если не произойдет значительных потерь мощности при низких скоростях турбины (по форме похожей на кривую, описывающую 85 % Скорости GG на рис.14.26). На рисунке также показано влияние скорости газогенератора на выходную мощность. При более низких оборотах газогенератора происходит потеря выходной мощности из-за уменьшения массового расхода воздуха и температуры на входе в турбину, а также, как правило, степени сжатия (то есть уменьшения мощности газа).

14.26. Изменение выходной мощности в зависимости от частоты вращения турбины при различных скоростях газогенератора.

Изменение теплового КПД газовой турбины в зависимости от выходной мощности для различных скоростей силовой турбины показано на рис.14.27. Уменьшение теплового КПД в зависимости от мощности для данной скорости силовой турбины происходит из-за уменьшения скорости газогенератора, что приводит к снижению степени сжатия компрессора и температуры на входе в турбину. Однако для данной выходной мощности тепловой КПД повышается с увеличением скорости вращения силовой турбины, и это связано с повышением КПД силовой турбины. При высоких скоростях вращения силовой турбины (около 3000 об / мин) существует лишь небольшое изменение теплового КПД в зависимости от скорости силовой турбины, и это связано с минимальным изменением КПД силовой турбины на этих скоростях.Таким образом, снижение производительности силовой турбины на низких скоростях является причиной низкого теплового КПД на этих скоростях силовой турбины.

14.27. Изменение КПД газовой турбины в зависимости от выходной мощности для различных скоростей силовой турбины.

Кроме того, газовые турбины наиболее эффективны в условиях высоких нагрузок, и, если требуется значительный диапазон мощности, лучше всего использовать два двигателя меньшего размера, каждый из которых работает примерно в своих расчетных условиях при любых заданных условиях нагрузки.Это принцип комбинации газовой турбины или газовой турбины (COGOG) / комбинации газовой турбины и газовой турбины (COGAG), где один двигатель используется на низкой мощности, а один или оба двигателя работают с более высокими требованиями к мощности.

Принцип COGOG и COGAG часто используется в военно-морских приложениях, где крейсерская скорость корабля составляет примерно половину скорости наддува. Из-за закона винта, который гласит, что требуемая мощность пропорциональна кубу скорости, крейсерская мощность составляет всего около 12.5% от требуемой мощности наддува. При такой низкой мощности тепловой КПД газовой турбины будет очень низким. Тепловой КПД в крейсерских условиях повышается за счет использования газовой турбины меньшего размера для работы в крейсерских условиях и переключения на газовую турбину большего размера для условий наддува. Выходная мощность маршевой газовой турбины составляет около 30% от общей необходимой тягово-двигательной мощности. Стоит отметить, что военно-морские корабли проводят значительное время (около 95%) в крейсерских условиях.

Для морского применения использование гребного винта с регулируемым шагом позволит изменять частоту вращения силовой турбины независимо от требований к мощности.Используя гребной винт с регулируемым шагом, можно было бы работать с максимальным тепловым КПД для данной скорости газогенератора, что привело бы к полезному повышению теплового КПД, особенно при работе с малой мощностью, типичной для крейсерских условий. Это проиллюстрировано на рис. 14.28, где тепловой КПД газовой турбины показан как функция скорости силовой турбины для различных скоростей газогенератора. На рисунке показаны линии нагрузки для гребного винта фиксированного шага, а также для электрического генератора.Оптимальная линия показывает, чего можно было бы достичь, используя гребной винт с изменяемым шагом для военно-морской силовой установки. При малой мощности возможно улучшение теплового КПД на 4% при использовании гребного винта с изменяемым шагом, что соответствует значительному снижению стоимости топлива.

14.28. Линии нагрузки для гребного винта и электрического генератора, наложенные на кривые рабочих характеристик силовой турбины.

Турбина | Британника

Турбина , любое из различных устройств, преобразующих энергию потока жидкости в механическую энергию.Преобразование обычно осуществляется путем пропускания жидкости через систему неподвижных каналов или лопастей, которые чередуются с каналами, состоящими из лопастей, похожих на ребра, прикрепленных к ротору. Путем организации потока так, чтобы на лопасти ротора действовала касательная сила или крутящий момент, ротор вращается, и работа извлекается.

Ветровые турбины возле Техачапи, Калифорния.

© Грег Рэндлс / Shutterstock.com

Турбины можно разделить на четыре основных типа в зависимости от используемых жидкостей: вода, пар, газ и ветер.Хотя одни и те же принципы применимы ко всем турбинам, их конкретные конструкции достаточно различаются, чтобы заслужить отдельное описание.

Водяная турбина использует потенциальную энергию, возникающую в результате разницы в высоте между верхним водным резервуаром и уровнем воды на выходе из турбины (отводящий трубопровод), для преобразования этого так называемого напора в работу. Водяные турбины — современные преемники простых водяных колес, которым около 2000 лет. Сегодня гидротурбины в основном используются для производства электроэнергии.

Однако наибольшее количество электроэнергии вырабатывается паровыми турбинами, соединенными с электрогенераторами. Турбины приводятся в действие паром, вырабатываемым либо в генераторе, работающем на ископаемом топливе, либо в генераторе, работающем на атомной энергии. Энергия, которую можно извлечь из пара, удобно выражать через изменение энтальпии в турбине. Энтальпия отражает формы тепловой и механической энергии в процессе потока и определяется суммой внутренней тепловой энергии и произведением давления на объем.Доступное изменение энтальпии через паровую турбину увеличивается с увеличением температуры и давления парогенератора и с уменьшением давления на выходе из турбины.

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

Для газовых турбин энергия, извлекаемая из текучей среды, также может быть выражена через изменение энтальпии, которое для газа почти пропорционально перепаду температуры в турбине. В газовых турбинах рабочим телом является воздух, смешанный с газообразными продуктами сгорания.Большинство газотурбинных двигателей включает, по крайней мере, компрессор, камеру сгорания и турбину. Они обычно монтируются как единое целое и работают как законченный первичный двигатель в так называемом открытом цикле, когда воздух всасывается из атмосферы, а продукты сгорания, наконец, снова выбрасываются в атмосферу. Поскольку успешная работа зависит от интеграции всех компонентов, важно рассматривать устройство в целом, которое на самом деле является двигателем внутреннего сгорания, а не только турбиной.По этой причине газовые турбины рассматриваются в статье двигатель внутреннего сгорания.

Энергия ветра может быть извлечена ветряной турбиной для производства электроэнергии или для откачки воды из скважин. Ветряные турбины являются преемниками ветряных мельниц, которые были важным источником энергии с позднего средневековья до XIX века.

Фред Лэндис

Водяные турбины обычно делятся на две категории: (1) импульсные турбины, используемые для высокого напора воды и низкого расхода, и (2) реакционные турбины, обычно используемые для напора ниже примерно 450 метров и среднего или высокого расхода.Эти два класса включают в себя основные типы, обычно используемые, а именно, импульсные турбины Пелтона и реактивные турбины типа Фрэнсис, пропеллер, Каплана и Дериаза. Турбины могут быть оборудованы как горизонтальными, так и, чаще, вертикальными валами. Для каждого типа возможны широкие вариации конструкции для соответствия конкретным местным гидравлическим условиям. Сегодня большинство гидротурбин используются для выработки электроэнергии на гидроэлектростанциях.

Импульсные турбины

В импульсной турбине потенциальная энергия или напор воды сначала преобразуется в кинетическую энергию путем выпуска воды через сопло тщательно продуманной формы.Струя, выбрасываемая в воздух, направляется на изогнутые лопатки, закрепленные на периферии бегунка, для извлечения энергии воды и преобразования ее в полезную работу.

Современные импульсные турбины основаны на конструкции, запатентованной в 1889 году американским инженером Лестером Алленом Пелтоном. Свободная водная струя попадает в лопатки турбины по касательной. Каждый ковш имеет высокий центральный гребень, так что поток разделяется, оставляя желоб с обеих сторон. Колеса Пелтона подходят для высоких напоров, обычно выше 450 метров при относительно низком расходе воды.Для максимальной эффективности скорость конца рабочего колеса должна составлять примерно половину скорости ударной струи. КПД (работа, производимая турбиной, деленная на кинетическую энергию свободной струи) может превышать 91 процент при работе с 60–80 процентами полной нагрузки.

Мощность одного колеса можно увеличить, используя более одного жиклера. Для горизонтальных валов характерны двухструйные устройства. Иногда на одном валу устанавливаются два отдельных бегунка, приводящих в движение один электрогенератор. Агрегаты с вертикальным валом могут иметь четыре или более отдельных форсунок.

Если электрическая нагрузка на турбину изменяется, ее выходная мощность должна быть быстро отрегулирована в соответствии с потребностями. Это требует изменения расхода воды, чтобы поддерживать постоянную скорость генератора. Скорость потока через каждое сопло регулируется расположенным в центре наконечником или иглой аккуратной формы, которая скользит вперед или назад под управлением гидравлического серводвигателя.

Правильная конструкция иглы гарантирует, что скорость воды, выходящей из сопла, остается практически неизменной независимо от отверстия, обеспечивая почти постоянную эффективность в большей части рабочего диапазона.Нецелесообразно внезапно уменьшать поток воды, чтобы соответствовать уменьшению нагрузки. Это может привести к разрушительному скачку давления (гидроудару) в подающем трубопроводе или напорном затворе. Таких скачков можно избежать, добавив временное сопло для разлива, которое открывается при закрытии основного сопла, или, что более часто, частично вставляя отражающую пластину между струей и колесом, отклоняя и рассеивая часть энергии при медленном закрытии иглы.

Другой тип импульсной турбины — турбина турго.Струя падает под косым углом на бегунок с одной стороны и продолжает двигаться по единственному пути, выходя на другую сторону бегунка. Этот тип турбины использовался в установках среднего размера с умеренно высоким напором.

Реакционные турбины

В реакционной турбине силы, приводящие в движение ротор, достигаются за счет реакции ускоряющегося потока воды в рабочем колесе при падении давления. Принцип реакции можно наблюдать в роторном оросителе для газонов, где выходящая струя вращает ротор в противоположном направлении.Из-за большого разнообразия возможных конструкций рабочего колеса реактивные турбины могут использоваться в гораздо большем диапазоне напоров и расходов, чем импульсные турбины. Реакционные турбины обычно имеют спиральный впускной кожух, который включает регулирующие заслонки для регулирования потока воды. На входе часть потенциальной энергии воды может быть преобразована в кинетическую энергию по мере ускорения потока. Впоследствии энергия воды отбирается в роторе.

Как отмечалось выше, широко используются четыре основных типа реактивных турбин: турбины Каплана, Фрэнсиса, Дериаза и пропеллерные.В турбинах Каплана с фиксированными лопастями и турбинами с регулируемыми лопастями (названными в честь австрийского изобретателя Виктора Каплана) через машину, по существу, существует осевой поток. Турбины типа Фрэнсиса и Дериаза (в честь американского изобретателя, родившегося в Великобритании Джеймса Б. Фрэнсиса и швейцарского инженера Поля Дериаза, соответственно) используют «смешанный поток», когда вода поступает радиально внутрь и выходит в осевом направлении. Рабочие лопасти на турбинах Фрэнсиса и пропеллера состоят из неподвижных лопастей, в то время как в турбинах Каплана и Дериаза лопасти могут вращаться вокруг своей оси, которая находится под прямым углом к ​​главному валу.

Снижение скорости ветра за счет крупномасштабного развертывания ветряных турбин снижает эффективность турбин и устанавливает низкие пределы выработки

Значимость

Понимание ограничений производства электроэнергии с помощью ветра является требованием для планирования будущего возобновляемой энергетики. Трудность в оценке таких пределов заключается в том, что ветровые турбины удаляют кинетическую энергию из атмосферы, поэтому многие турбины должны снижать скорость ветра, в конечном итоге устанавливая предел того, сколько кинетической энергии может быть извлечено из атмосферы.Мы показываем, что этот эффект замедления может быть объяснен подробным моделированием климатической модели и относительно простым методом, который напрямую не моделирует динамику атмосферы. Этот эффект замедления очень важно учитывать, поскольку он снижает производительность каждой турбины и показывает, что некоторые участки суши могут давать более 1,0 Вт _e м ^-2 электроэнергии в больших масштабах.

Abstract

Ветровые турбины вырабатывают электричество, удаляя кинетическую энергию из атмосферы.Большое количество ветряных турбин, вероятно, снизит скорость ветра, что занижает оценки выработки электроэнергии по сравнению с предполагаемыми в неизменных условиях. Здесь мы проверяем, насколько хорошо можно оценить пределы энергии ветра, которые учитывают этот эффект, без явного моделирования динамики атмосферы. Сначала мы используем моделирование с моделью общей циркуляции атмосферы (GCM), которая явно имитирует эффекты ветряных турбин для получения пределов энергии ветра (оценка GCM), и сравниваем их с простым подходом, полученным из климатологических условий без турбин [вертикальная кинетическая энергия ( ВКЭ) оценка].На суше мы обнаруживаем сильное согласие между оценками VKE и GCM в отношении скорости выработки электроэнергии (0,32 и 0,37 Вт _e м ⁻² ) и снижения скорости ветра на 42 и 44%. Над океаном оценка GCM примерно вдвое превышает оценку VKE (0,59 и 0,29 W _e м ⁻² ) и все же с сопоставимым снижением скорости ветра (50 и 42%). Затем мы показываем, что это смещение можно исправить, изменив нисходящий поток импульса к поверхности. Таким образом, крупномасштабные ограничения на использование энергии ветра могут быть выведены из климатологических условий без явного моделирования динамики атмосферы.В соответствии с моделированием GCM, подход оценивает, что только сравнительно небольшое количество земельных участков пригодно для выработки электроэнергии более 1 Вт _e м ^-2 и что более крупные масштабы развертывания, вероятно, уменьшат ожидаемую скорость производства электроэнергии каждой турбиной. . Мы пришли к выводу, что эти атмосферные эффекты важны для планирования будущего расширения ветроэнергетики.

Энергия ветра — это возобновляемый источник энергии, который может удовлетворить потребности человека в первичной энергии при широкомасштабном развертывании.За последнее десятилетие использование ветровой энергии увеличивалось на 23% в год, обеспечивая 2,2% мирового спроса на электроэнергию в 2010 году и 3,7% в 2014 году (1). Многие правительства реализуют амбициозные планы по дальнейшему увеличению доли энергии ветра в своих энергосистемах. К 2035 году Международное энергетическое агентство прогнозирует, что даже при прогнозируемом увеличении глобального спроса на электроэнергию до 2,6–4,3 тераватт ( _TW = 10 ¹² Вт электроэнергии), доля энергии ветра, согласно прогнозам, составит 22–28% (0 .95–1,2 ТВт _e ) этого спроса на электроэнергию (2).

Планы будущего развертывания ветроэнергетики обычно основываются на наблюдаемых скоростях ветра в сочетании с предполагаемыми характеристиками турбин и расстоянием между ними (например, ссылки 3 – 5). Однако этот подход применим только для нескольких изолированных ветряных турбин или когда ряд ветряных турбин выровнен перпендикулярно направлению ветра (обычно на море). Все более частое развертывание ветряных турбин использует увеличивающуюся долю кинетической энергии атмосферы, что, вероятно, снижает скорость ветра.Климатические модели могут явно моделировать эти эффекты (6⇓ – 8) и давать 10-кратное снижение ожидаемой крупномасштабной мощности производства электроэнергии с 3 до 5 Вт _e м ⁻² , о которых сообщается в исследованиях с использованием наблюдаемых скоростей ветра ( 3⇓ – 5, 9, 10) до 0,3–0,5 Вт _e м ⁻² , о которых сообщается в исследованиях климатических моделей (6⇓ – 8), с примерно 1,0 Вт _e м ⁻² возможно более ветреные регионы, такие как Средний Запад США (6, 8, 11–13).

Однако климатические модели по своей природе сложны и требуют больших вычислительных ресурсов и не позволяют использовать наблюдаемые поля ветра для получения пределов для крупномасштабного использования энергии ветра.В идеале можно было бы объединить эффект снижения скорости ветра с реалистичностью наблюдаемых полей ветра и, таким образом, получить более точные оценки пределов энергии ветра в различных регионах. Здесь мы представляем такой подход, тестируем его на симуляциях климатических моделей для различных регионов суши и океана и оцениваем влияние атмосферных воздействий на скорость выработки электроэнергии отдельными ветряными турбинами. Наш подход использует баланс количества движения атмосферы в качестве физической основы для прогнозирования уменьшения скорости ветра в присутствии ветряных турбин.Таким образом, этот подход включает в себя эффект, заключающийся в том, что большее количество ветряных турбин снижает скорость ветра, обеспечивая предел (или максимальную скорость) кинетической энергии, которая теоретически может быть извлечена из атмосферы турбинами. Этот подход [вертикальная кинетическая энергия (VKE) (6, 7, 13)], таким образом, оценивает крупномасштабный предел ветровой энергии в пределах региона.

Цель здесь состоит в том, чтобы оценить более широкую географическую применимость подхода VKE для целого ряда климатических условий путем сравнения оценок VKE с оценками, смоделированными с помощью модели общей циркуляции (GCM) с различной интенсивностью развертывания ветровой энергии.Затем мы модифицируем VKE, чтобы улучшить согласование с оценкой GCM, называя это подходом mVKE. Мало того, что пределы мощности ветра, предсказываемые mVKE и подходом GCM, совпадают с коэффициентом 2, они также хорошо согласуются с ранее опубликованными оценками с использованием других GCM (6, 8, 11, 14). Эти оценки mVKE существенно ниже оценок, основанных только на наблюдаемой скорости ветра и технических характеристиках турбин (3⇓ – 5, 15). Снижение скорости ветра играет центральную роль в формировании этих более низких оценок: оно напрямую влияет на скорость выработки электроэнергии каждой турбиной, независимо от ее технической конструкции.Затем мы обсудим, что учет этих атмосферных эффектов имеет решающее значение для планирования расширения крупномасштабной ветроэнергетики.

Методы

Мы оцениваем лимиты энергии ветра в больших масштабах в среднем климатологическом масштабе, используя два подхода: GCM и VKE. В подходе GCM, Planet Simulator GCM атмосферы (16, 17) используется для моделирования чувствительности широкого диапазона установленных мощностей (0,02–1360 МВт _и км ^–2 ) в глобальном масштабе, аналогично предыдущие исследования (6–8, 11–14).Влияние ветряных турбин описывается дополнительной составляющей сопротивления в поверхностном потоке импульса в модели. Это дополнительное сопротивление в сочетании с смоделированными скоростями ветра затем используется для оценки скорости выработки электроэнергии ветряными турбинами. Затем из смоделированного диапазона установленных мощностей мы определяем максимальную скорость производства электроэнергии над сушей и океаном и называем ее оценкой «GCM».

В подходе VKE скорости ветра ( v ₀ ) и поверхностные потоки импульса ( τ ₀ ) из управляющего моделирования ГЦМ без турбин (обозначены индексом 0) используются для оценки крупномасштабный предел мощности ветра.Оценка VKE использует максимальную скорость производства электроэнергии в крупном масштабе, описанную G _{e, VKE} = (4√3) / 27⋅ τ ₀ ⋅ v ₀ . Обратите внимание, что в этом выражении используются только естественные условия контрольного климата, а не технические характеристики. Этот предел связан с уменьшением скорости ветра на 1 — (√3) / 3⋅ v ₀ = 42% или до 58% ⋅ v ₀ , что является прямым следствием кинетической энергии извлечение с помощью ветряных турбин в сочетании с балансом импульса нижних слоев атмосферы.Чтобы улучшить согласие с оценкой GCM, мы затем выводим поправку τ _m = f ( τ ₀ ), тогда как уменьшение скорости дается тем же выражением, что и выше. Эта поправка дает модифицированную оценку G _{e, mVKE} = (4√3) / 27⋅ τ _m ⋅ v ₀ , где τ _m — модифицированное поверхностный поток импульса. Мы называем эту модифицированную оценку оценкой mVKE.Более подробная информация о методологии представлена ​​в Приложении SI .

Результаты и обсуждение

Сначала мы идентифицируем пределы энергии ветра в моделировании чувствительности GCM и связанных с ними изменений скорости ветра (рис. 1). Рис. 1 A показывает средние показатели выработки электроэнергии, смоделированные при постепенно увеличивающейся установленной мощности. Как и следовало ожидать, выработка электроэнергии сначала увеличивается с увеличением установленной мощности, но затем достигает максимальной скорости около 0.37 Вт _e м ⁻² на суше (0,59 Вт _e м ⁻² над океаном) с установленной мощностью 24,3 МВт _i км ⁻² на суше (9,1 МВт _i км ⁻² над океаном). Обратите внимание, что скорость генерации не «насыщается», как было предложено в исх. 8, но выработка достигает максимального предела, после которого выработка электроэнергии снижается из-за дальнейшего замедления скорости ветра (6, 7, 13).

Рис. 1.

Смоделированная в глобальном масштабе чувствительность среднегодовых значений скорости производства электроэнергии ( A ), скорости ветра ( B ), рассеивания всей атмосферы (сплошные точки) и вблизи поверхности (светлые точки) ) ( C ) и ( D ) нисходящий поток горизонтального импульса к установленной мощности ветряных турбин для океана (синий) и суши (черный).Вертикальными линиями отмечены установленные мощности, обеспечивающие максимальную выработку над океаном (9 МВт _и км, ^–2 ) или сушей (24 МВт, _и км, ^–2 ). Горизонтальные линии показывают значения, оцененные или используемые подходами VKE и mVKE (синий для океана; черный для суши).

Это снижение скорости ветра при увеличении установленной мощности показано на рис. 1 B . По сравнению с регулируемым климатом без турбин, скорость ветра снижена в среднем с 4.От 6 мс ⁻¹ на суше (7,8 мс ⁻¹ над океаном) до 2,6 мс ⁻¹ в максимуме (3,9 мс ⁻¹ над океаном), что представляет собой уменьшение на 44% (50%) . Обратите внимание, что эти скорости генерации и уменьшения скорости ветра показывают большую степень пространственной вариации (Рис. 2 C и D ) и временной вариации, которая не различима с помощью средств, показанных на Рис. 1.

Рис. 2.

Среднегодовые значения максимальной выработки электроэнергии, рассчитанные с помощью подходов mVKE ( A ) и GCM ( C ), а также соответствующие скорости ветра от mVKE ( B ) и GCM ( D ). E и F показывают различия между подходами mVKE и GCM.

Эти оценки хорошо согласуются с предыдущими исследованиями (Таблица 1). При усреднении по всему земному шару наши модели GCM дают среднюю максимальную скорость 0,53 Вт _e м ^-2 (270 ТВт _e ), что сопоставимо с предыдущими оценками на основе модели в 0,44–0,55 Вт _e. м ⁻² (224–282 TW _e ; строки n и o в таблице 1) (8, 14). По суше наша оценка GCM составляет 0.37 W _e м ⁻² (49 TW _e ) хорошо сравнивается с диапазоном 0,26–0,54 W _e м ⁻² (34–71 TW _e ; строки q – s в таблице 1) (6, 8, 19). Оценки на основе GCM воспроизводят более высокие скорости генерации на Среднем Западе США и в Западной Европе на уровне примерно 1 Вт _e м ⁻² (Рис. 2 C ) (6⇓ – 8, 11⇓ – 13). Оценки океана также в целом совпадают по величине [строки v и w в Таблице 1 (8), а также визуально сопоставимы с расчетами по исх.14]. Все эти скорости генерации ниже, чем крупномасштабные оценки 3–6 Вт _e м ^-2 , полученные в исследованиях, в которых использовались наблюдаемые скорости ветра («оценки на основе климатологии»; ​​строки c, f, h, j, и k в таблице 1). Обратите внимание, что эти основанные на климатологии оценки примерно в 10 раз выше, чем оценки, основанные на GCM и оценке mVKE, потому что предыдущие основанные на климатологии оценки не учитывали эффект замедления.

Таблица 1.

Сравнение пределов энергии ветра на основе климатологии (строки a – l) и GCM (строки m – z)

Также согласуется с предыдущими оценками общая скорость рассеяния, показанная на рис.1 С . Поскольку диссипация уравновешивает генерирование кинетической энергии в среднем климатологическом отношении, оно обеспечивает оценку генерирования кинетической энергии около 2,5 Вт · м ^-2 , которая поддерживает атмосферное движение. Эта скорость согласуется с давними оценками 2–3 Вт м ^–2 , полученными из атмосферной энергетики (22, 23). Около половины генерируемой кинетической энергии рассеивается у поверхности со средним значением около 1,2 Вт · м ^-2 (рис. 1 C , светлые кружки).Рассеивание у поверхности уменьшается, поскольку скорость ветра уменьшается с увеличением установленной мощности, но общее рассеивание в атмосфере остается почти постоянным. Это открытие указывает на то, что диссипация смещается вверх на более высокие высоты в нижних слоях атмосферы. Таким образом, предел для выработки ветровой энергии в наших расчетах ниже скорости рассеяния нижней атмосферы ∼1,2 Вт · м ^-2 , что согласуется с тем, что было предложено ранее (18).

Далее мы оцениваем, насколько хорошо эти оценки предсказываются исходя из климатических условий моделирования управления с помощью подхода VKE.Входными данными VKE являются скорость ветра и поверхностный поток импульса, и полученные оценки показаны на рис. 1 (также см. Строки a, e, i и l в таблице 1). Оценки VKE находятся в пределах 2 раз от оценок GCM более 87% поверхности суши ( SI Приложение , рис. S3), при этом VKE дает среднее значение 0,32 Вт _e м ⁻² , тогда как GCM дает 0,37 W _e m ⁻² . Согласие над океаном не такое хорошее ( SI Приложение , Рис. S3), 33% оценок океана находятся в пределах коэффициента 2 ( SI Приложение , Рис.S3), а VKE занижает среднее значение (0,29 Вт _e м ⁻² ) по сравнению с GCM (0,59 Вт _e м ⁻² ).

Далее мы рассмотрим два фактора, которые формируют оценку VKE, чтобы понять причину этого отклонения: скорость ветра и нисходящий поток горизонтального импульса к поверхности. VKE адекватно фиксирует уменьшение скорости ветра на 42% над сушей и океаном, что хорошо сравнивается с оценкой на основе GCM в 44 и 50% соответственно (рис. 1 B ).Пространственное распределение снижения скорости ветра с помощью VKE и GCM также достаточно хорошо согласуется (рис. 2 C , рис. 3 B и статистические зависимости в приложении SI , приложении C ). Это совпадение наблюдается как над сушей, так и над океаном, хотя величина несколько лучше воспроизводится над сушей. Таким образом, недооценка VKE не связана с общей предвзятостью в оценке снижения скорости ветра. Следовательно, мы связываем это отклонение с ветряными турбинами, усиливающими нисходящий поток импульса.

Рис. 3. Сравнение точек сетки

оценок mVKE с оценками на основе GCM при максимальной выработке для суши (черный) и океана (синий) для максимальной скорости выработки электроэнергии ( A ), скорости ветра ( B ), и нисходящий поток импульса к поверхности ( C ). Вверху каждого графика показан процент данных (не взвешенных по площади) в каждой ячейке суши или океана. Верхняя и нижняя границы интервала получены из межквартильного размаха (IQR), при этом прямоугольники представляют 25-й, 50-й и 75-й процентили.Статистические отношения представлены в SI Приложение , Приложение C .

Недооценка VKE над океанами является результатом значительного увеличения нисходящего потока импульса (рис. 1 D ), тогда как VKE предполагает, что этот поток не будет затронут. Сравнивая контрольный климат с моделированием при максимальной мощности ветра над сушей, нисходящий поток импульса увеличивается на 45% (от 0,20 до 0,29 кг · м ⁻¹ с ⁻² ), но над океаном поток увеличивается почти в три раза (+ 188%, 0.09 до 0,26 кг · м ⁻¹ с ⁻² ; SI Приложение , рис. S2). Эти результаты показывают, что предположение в подходе VKE о фиксированном потоке импульса лучше оправдано над сушей, чем над океаном. Аспекты стабильности атмосферы, кажется, играют лишь незначительную роль в объяснении систематической ошибки ( SI Приложение ), и мы объясняем это различие в основном различием в эмпирических параметризациях сопротивления поверхности океанов и суши, которые используются в климатической модели [ и которые обычно используются в GCM (например,г., исх. 24)]. Это может быть связано с различием в механизме, с помощью которого импульс переносится вниз к поверхности по суше и океану, например, из-за различий в динамике пограничного слоя или гравитационных волн (25, 26). Тем не менее, это, вероятно, будет иметь соответствующие последствия. поскольку это предполагает, что пределы энергии ветра над океаном обычно могут быть выше, чем над сушей. Этот аспект требует дальнейшей оценки.

Таким образом, мы связываем смещение в VKE с изменениями нисходящего потока импульса, которые мы корректируем с помощью моделирования GCM ( SI Приложение , Приложение B и Рис.S1). В этом смещении используются отдельные поправки для океана и суши путем эмпирической связи потоков поверхностного импульса контрольного климата и модифицированных потоков поверхностного импульса оценки GCM. Полученная оценка mVKE лучше согласуется с моделированием GCM (рис. 1–3), за исключением условий очень высоких скоростей ветра, таких как Южный океан, где уменьшение скорости ветра недооценивается, что приводит к завышению оценки силы ветра. предел. Для условий низкой и средней скорости ветра оценка mVKE намного лучше согласуется с оценкой GCM (рис.2 E ). В целом оценки mVKE (глобальные: 0,59 W _e м ⁻² ; суша: 0,44 W _e м ⁻² ; океан: 0,64 W _e м ⁻² ) хорошо сравниваются с GCM. оценки (глобальные: 0,53 W _e м ⁻² ; суша: 0,37 W _e м ⁻² ; океан: 0,59 W _e м ⁻² ) и находятся в пределах от 2 до 92 % безледниковой поверхности суши и более 93% океана ( SI Приложение , рис.S3).

Важно отметить, что текущее состояние развертывания ветряных турбин значительно ниже пределов, описанных здесь. В 2014 году средняя мировая мощность генерации составила 0,12 ТВт _e , что обусловлено глобальной установленной мощностью 0,372 ТВт _i (1). Предполагая, что только наземные турбины, эта скорость генерации приведет к снижению скорости ветра примерно на 0,05% на суше, хотя этот эффект может быть заметно выше в некоторых регионах, где установлено много турбин.

Актуальность снижения скорости ветра при широкомасштабном развертывании ветряных турбин заключается в том, что эта комбинация приводит к постепенному снижению выработки электроэнергии каждой отдельной турбиной.Каждая турбина видит горизонтальный поток кинетической энергии ρ / 2 v ³ (обычно называемый плотностью энергии ветра), который в некоторой степени используется для выработки электроэнергии. При уменьшении скорости ветра этот поток уменьшается, а также снижается скорость генерации на турбину и средний коэффициент мощности (который сравнивает скорость генерации с тем, что было бы произведено в оптимальных условиях). Средний коэффициент мощности, полученный из моделирования GCM, показан на рис. 4 A . Уменьшение коэффициента мощности при увеличении установленной мощности непосредственно следует за замедлением скорости ветра и приводит к снижению плотности энергии ветра в соответствии с (v / v ₀ ) ³ .При максимальном использовании энергии ветра скорость ветра снижается до 58% от их первоначального значения, а коэффициент мощности снижается до 20% от того, что было бы создано изолированной турбиной. При таком падении выработки электроэнергии на одну турбину использование энергии ветра, вероятно, будет становиться все более дорогим в использовании, так что установленный здесь предел использования энергии ветра может фактически оказаться экономически нецелесообразным. Установленные мощности 5–10 МВт _и км ⁻² являются обычными для современных ветряных турбин [в среднем по США около 3 МВт _и км ⁻² (0.4–23 МВт _и км ^–2 ) от 161 действующей и планируемой ветроэлектростанции (27)], и тем не менее эти значения также близки к крупномасштабному пределу, показанному на рис. 1. Этот результат предполагает, что будущее Расширение развертывания ветряных турбин в сторону более крупных масштабов, вероятно, должно происходить с установленной мощностью, значительно меньшей, чем та, которая используется в настоящее время для смягчения пагубных последствий снижения скорости ветра (также см. ссылку 28).

Рис. 4.

Сравнение результатов, полученных из подходов mVKE и GCM. A показывает чувствительность коэффициента мощности отдельных ветряных турбин к установленной мощности для океана (синий) и суши (черный). Также красными символами показана простая оценка снижения коэффициента мощности, прогнозируемого за счет снижения скорости ветра, как (v / v ₀ ) ³ . B показывает распределение крупномасштабных ограничений мощности ветра на единицу площади по регионам. C объединяет распределение, показанное в B , чтобы получить оценки того, сколько площади потребуется как минимум для получения определенного общего тарифа на электроэнергию.

Вторым важным аспектом этих ограничений мощности ветра является их пространственное распределение (рис. 2). Рис. 4 B показывает распределение площади в соответствии с пределом мощности ветра, показывая, что оценка mVKE близко соответствует распределению, полученному из оценки GCM, и что около 3–4% поверхности суши и 20–21% поверхности океана могут , в среднем генерируют более 1.0 Вт _e м ⁻² . Этот показатель выработки электроэнергии значительно ниже 0,8–6,6 Вт _e м ⁻² (при установленной мощности 3.5–24 МВт _и км ^–2 ), наблюдаемых с гораздо меньших ветряных электростанций, работающих на вершинах холмов или в прибрежных массивах (29). Когда это распределение интегрировано по площади для получения показателей выработки электроэнергии (рис. 4 C ), это указывает на то, что по крайней мере 18% самых ветреных участков суши (или 3% самых ветреных районов океана) потребуются для удовлетворения текущего потребность в первичной энергии 18 ТВт. Использование более низких установленных мощностей, чем те, которые связаны с ограничениями энергии ветра, как описано выше, будет означать, что потребуется большая площадь.В целом, сравнение показывает, что подход mVKE разумно воспроизводит эти выводы из моделирования GCM.

Заключение

Мы показали, что крупномасштабные ограничения на производство энергии ветра могут быть получены из климатологических условий относительно простым и прозрачным способом с использованием подхода mVKE. Подход mVKE использует баланс импульса и учитывает снижение скорости ветра, а также то, как ветряные турбины могут усилить нисходящий поток импульса к поверхности.Полученные в результате пределы мощности ветра, оцененные mVKE (глобальные: 0,59 Вт _e м ⁻² ; суша: 0,44 Вт _e м ⁻² ; океан: 0,64 Вт _e м ⁻² ), хорошо согласуются с оценками GCM (глобально: 0,53 з.д. _e м ^-2 ; суша: 0,37 з.д. _e м ^-2 ; океан: 0,59 з.д. _e м ^-2 ), при этом 92% оценки суши и 93% оценок океана варьируются в пределах 2 раз. Поскольку mVKE использовала только климатические условия контрольного моделирования, этот вывод предполагает, что полная динамика атмосферы не обязательно требуется для описания атмосферных эффектов, которые устанавливают пределы для энергии ветра использовать.Таким образом, подход mVKE представляет собой подход, который можно использовать с наблюдениями для получения более реалистичных крупномасштабных потенциалов энергии ветра, которые учитывают эти критические атмосферные эффекты.

Мы проиллюстрировали, что актуальность этой атмосферной точки зрения на ограничения ветровой энергии выходит за рамки количества турбин и их технических характеристик. Как в подходах GCM, так и в mVKE, атмосферные эффекты явно определяют пределы мощности ветра. Как показано в Таблице 1, существует множество подходов, основанных на наблюдениях, которые, пренебрегая этими атмосферными эффектами, резко переоценивают пределы энергии ветра в 10 раз.Учет этих атмосферных эффектов приводит к крупномасштабным ограничениям на использование энергии ветра в большинстве регионов суши, которые значительно ниже 1,0 Вт · м ^–2 .

Эти гораздо более низкие пределы имеют практическое значение, потому что снижение скорости ветра приводит к снижению средней скорости выработки электроэнергии каждой турбиной. Эти более низкие показатели выработки на каждую турбину также связаны с более высокими показателями выработки на единицу площади (W _e м ^-2 ) вплоть до предела мощности ветра и, вероятно, делают энергию ветра менее экономичной при постепенно увеличивающихся масштабах развертывания.Поскольку текущие значения установленной мощности близки к тем, которые связаны с ограничениями, этот вывод означает, что будущее расширение ветроэнергетики не должно планироваться для установленных мощностей, которые намного превышают 0,3 МВт _i км ⁻² на территориях, превышающих 10 000 км ² . Мы пришли к выводу, что эти атмосферные эффекты необходимо учитывать при фактическом развертывании и будущих сценариях ветроэнергетики в более крупных масштабах. В частности, понимая основу ограничений ветровой энергии и связанных с ними атмосферных воздействий, мы можем связать будущие сценарии расширения с помощью ограничения ветровой энергии и стремиться минимизировать эти атмосферные эффекты, чтобы энергия ветра оставалась экономичной и эффективной для сокращения выбросов CO ₂ , таким образом противодействие глобальному изменению климата.

Благодарности

Мы благодарим редактора и двух анонимных рецензентов за их полезную критику и предложения. Это исследование полностью финансировалось Обществом Макса Планка.

Свободно доступен онлайн через опцию открытого доступа PNAS.

Методы управления ветряными турбинами — NI

Работа ветряной турбины

Ветряная турбина — это вращающаяся машина, которая преобразует кинетическую энергию ветра в механическую.Затем эта механическая энергия преобразуется в электричество, которое отправляется в электросеть. Компоненты турбины, ответственные за преобразование энергии, — это ротор и генератор.

Ротор — это область турбины, состоящая из ступицы и лопаток турбины. Когда ветер дует на лопасти турбины, ступица вращается за счет аэродинамических сил. Это вращение затем передается через систему передачи, чтобы уменьшить количество оборотов в минуту. Система трансмиссии состоит из главного подшипника, высокоскоростного вала, коробки передач и тихоходного вала.Передаточное число коробки передач определяет деление вращения и скорость вращения, которую видит генератор. Например, если передаточное число коробки передач N к 1, то генератор видит скорость ротора, деленную на N. Это вращение, наконец, отправляется в генератор для преобразования механической энергии в электрическую.

На рисунке 1 показаны основные компоненты ветряной турбины: редуктор, генератор, ступица, ротор, тихоходный вал, высокоскоростной вал и главный подшипник. Назначение ступицы — соединение сервоприводов лопастей, которые регулируют направление лопастей, с тихоходным валом.Ротор — это область турбины, состоящая из ступицы и лопаток. Все компоненты размещены вместе в конструкции, называемой гондолой.

Рисунок 1. Основные компоненты ветряной турбины

Угол атаки

Площадь поверхности, доступная для набегающего ветра, является ключом к увеличению аэродинамических сил на лопасти несущего винта. Угол, под которым регулируется лезвие, называется углом атаки α.Этот угол измеряется относительно направления набегающего ветра и линии хорды лопасти. Также существует критический угол атаки, α _{критический} , при котором воздух больше не течет плавно по верхней поверхности лезвия. На рисунке 2 показан критический угол атаки по отношению к клинку.

Рис. 2. Критический угол атаки (α _{критический} ) относительно лезвия

Мощность и КПД

В этом разделе объясняется, что влияет на мощность, извлекаемую из ветра, и на эффективность этого процесса.Рассмотрим рисунок 3 как модель взаимодействия турбины с ветром. Эта диаграмма показывает, что ветер существует по обе стороны от турбины, и правильный баланс между скоростью вращения и скоростью ветра имеет решающее значение для регулирования производительности. Баланс между скоростью вращения и скоростью ветра, называемый передаточным числом конечных скоростей, рассчитывается с использованием уравнения 1.

Где: частота вращения лопастей (Гц)

— длина клинка (м)

Уравнение 1.Расчет коэффициента скорости наконечника

КПД ветряной турбины называется коэффициентом мощности, или. Теоретически коэффициент мощности рассчитывается как отношение фактической извлекаемой мощности к идеальной. Вы можете найти этот расчет в уравнении 2. Кроме того, вы можете регулировать, управляя углом атаки, α, и соотношением скорости вершины,. Расчет для этого случая показан в уравнении 3. В уравнении 3 c1-c6 и x — это коэффициенты, которые производитель ветровой турбины должен предоставить.Обратите внимание, что максимальный коэффициент мощности, который вы можете достичь с любой турбиной, составляет 0,59 или предел Бетца.

Уравнение 2. Коэффициент мощности рассчитывается как отношение фактической извлекаемой мощности к идеальной.

Уравнение 3. Вы можете отрегулировать , управляя углом атаки, α и соотношением скорости наконечника.

Наконец, вы можете рассчитать полезную мощность ветра, используя уравнение 5.Из этого уравнения вы можете видеть, что основными факторами полезной мощности являются длина лопасти и скорость ветра.

Где: = плотность воздуха (1,2929 кг / м ³ )

Уравнение 5. Расчет полезной энергии ветра

Рисунок 3. Модель взаимодействия турбины с ветром

Кривая мощности

Важно понимать взаимосвязь между мощностью и скоростью ветра, чтобы определить требуемый тип управления, оптимизацию или ограничение.Кривая мощности, график, который вы можете использовать для этой цели, определяет, сколько энергии вы можете извлечь из набегающего ветра. На рисунке 4 представлена ​​идеальная кривая мощности ветряной турбины.

Рис. 4. Кривая идеальной мощности ветровой турбины

Скорости включения и выключения являются рабочими пределами турбины. Оставаясь в этом диапазоне, вы гарантируете, что доступная энергия будет выше минимального порога и сохранится работоспособность конструкции. Номинальная мощность, указанная производителем, учитывает как энергию, так и стоимость.Кроме того, выбрана номинальная скорость ветра, поскольку скорости выше этого значения встречаются редко. Как правило, можно предположить, что конструкция турбины, отбирающая большую часть энергии с превышением номинальной скорости ветра, не является рентабельной.

Из рисунка 4 видно, что кривая мощности разделена на три отдельных участка. Поскольку область I характеризуется низкой скоростью ветра и мощностью ниже номинальной мощности турбины, турбина работает с максимальной эффективностью для извлечения всей мощности. Другими словами, турбина управляет с учетом оптимизации.С другой стороны, регион III характеризуется высокими скоростями ветра и номинальной мощностью турбины. Затем турбина регулируется с учетом ограничения генерируемой мощности при работе в этой области. Наконец, область II — это переходная область, в которой основное внимание уделяется поддержанию крутящего момента ротора и низкого уровня шума.

Балансировка ротора высокоскоростной турбины снижает затраты и улучшает работу

Балансировка ротора высокоскоростной турбины когда-то была редкостью из-за затрат и логистических проблем, связанных с ее выполнением во время простоя.Это начало меняться по мере появления экономических возможностей, и опыт показывает, что высокоскоростная балансировка может приносить большие дивиденды в виде надежности и затрат на техническое обслуживание.

Для инженера по техническому обслуживанию или менеджера автопарка нежелательная вибрация в турбине или генераторе похожа на жужжание комара по комнате жаркой летней ночью: раздражает и неуловимо. Но, в отличие от комара, нежелательная вибрация может быть дорогостоящей с точки зрения дополнительного износа вращающихся деталей и может привести к дополнительным расходам в виде неожиданного простоя.

Вот почему выполнение высокоскоростной балансировки паровых и газовых турбин и роторов генераторов все чаще воспринимается как жизненно важный аспект планового технического обслуживания энергоблока. Высокоскоростной баланс помогает обеспечить надежную работу турбины, что является важным преимуществом на конкурентных рынках электроэнергии, требующих экстремальной цикличности агрегатов (рис. 1).

1. Закон о балансировании. Было показано, что высокоскоростная балансировка сводит к минимуму испытательные нагрузки во время ремонта, обеспечивая эффективную работу при возвращении оборудования в работу. Предоставлено: Sam Fentress Photography

Раньше балансировка ротора выполнялась только на низких скоростях. Это связано с тем, что роторы паровых турбин обычно ремонтировались либо на месте, либо на предприятии, у которого не было доступа к высокоскоростной уравновешивающей ячейке. Кроме того, производители оригинального оборудования (OEM) лишь изредка рекомендуют высокоскоростные весы.

Однако этот подход не обязательно является лучшим вариантом. Это связано с тем, что использование балансировки на низких скоростях может привести к тому, что инженеры по техническому обслуживанию упустят проблемы, которые возникают только тогда, когда машина работает на полной скорости.Специалисты по электростанциям знают, например, что в роторах некоторых генераторов межвитковые замыкания заметны только при номинальной скорости или около нее. В результате, если машина не будет сбалансирована на высоких скоростях до того, как она вернется к полной работе, необнаруженные неисправности могут вызвать вибрацию. В худшем случае эти вибрации могут повредить вращающиеся детали и даже вызвать незапланированный простой.

Этот фактор недавно вступил в игру для регулируемого коммунального предприятия в Висконсине. Коммунальная компания решила выполнить высокоскоростную балансировку и запустить свои генераторные агрегаты с уровнями вибрации даже ниже, чем было указано производителем оригинального оборудования.Инженеры по техническому обслуживанию сообщили, что высокоскоростная балансировка означает меньше проблем с подшипниками и водородными уплотнениями в частности, и со всеми другими основными частями в целом. Они обнаружили, что более низкая вибрация снижает износ агрегата, что, в свою очередь, снижает общие расходы на техническое обслуживание.

Спрос, ориентированный на клиента

Растущий спрос на услуги высокоскоростной балансировки в значительной степени определяется потребностями клиентов и частично связан с частой сменой агрегатов. Учтите, что блоки с жидкостным охлаждением мощностью 400 МВт и более не были разработаны и не предназначены для циклического использования.Но рыночные изменения и нормативные требования привели к изменению заказов на единичную диспетчеризацию, в некоторых случаях в пользу возобновляемых источников энергии в период их максимальной доступности. В результате некоторые ранее использовавшиеся блоки базовой нагрузки работают дважды в день.

Кроме того, распространение искр на многих рынках может сегодня благоприятствовать производству природного газа, а завтра — угля. Этот почти равный ценовой паритет также влияет на решения о циклическом переходе на единицу продукции. Будь то соблюдение нормативных требований или реакция на сигналы о ценах на топливо, циклическое использование агрегатов приводит к увеличению количества проблем с техническим обслуживанием.

Хотя высокоскоростная балансировка потенциально может помочь свести к минимуму проблемы технического обслуживания, она все еще не стала неотъемлемой частью планирования технического обслуживания генератора электроэнергии. Во многом это связано с отсутствием сервисных центров для быстрого и эффективного выполнения операций высокоскоростной балансировки.

Одной из причин этого разрыва является то, что многие сервисные центры OEM расположены в регионах. В то же время центральная фабрика контролирует высокоскоростную балансировочную ячейку OEM, но обычно работает как отдельная организация.Эта двухпутная конструкция затрудняет транспортировку генераторов и роторов из сервисных цехов на завод, а затем обратно на электростанцию ​​во время простоя, а затем обратно на электростанцию ​​своевременно и с минимальными затратами. Из-за такой сложной логистики многие OEM-производители просто не рекомендуют высокоскоростную балансировку по окончании технического обслуживания.

Опции высокоскоростной балансировки

Однако в этой области происходят улучшения, и практический опыт побуждает многие электростанции пересмотреть прошлые практики.Операторы часто выбирают выполнение высокоскоростной балансировки ротора своего генератора перед возвратом агрегата в эксплуатацию. В некоторых случаях балансировка выполняется на месте. Хотя этот вариант работает, он редко бывает оптимальным. Балансировка на месте может быть трудоемкой и дорогостоящей, особенно с учетом газовыделения и дегазации, которые должны происходить вместе с многократными запусками электростанции, которые могут потребоваться при выполнении балансировки.

Однако технический прогресс теперь делает возможным то, что во многих случаях является рентабельной альтернативой.Современное средство балансировки может включать как возможность вакуумирования, так и способность возбуждать роторы генератора на высокой скорости. Эти функции позволяют тестировать и балансировать паровые турбины, газовые турбины и роторы генераторов.

Например, на предприятии высокоскоростной балансировки MD&A в Сент-Луисе, штат Миссури (рис. 2), роторы можно вращать в высокотехнологичной вакуумной камере со скоростью до 4320 об / мин. Благодаря устройству увеличения скорости установка может также работать с другим вращающимся оборудованием со скоростью до 12 000 об / мин.

2. Под контролем. Благодаря четырем камерам высокой четкости, установленным в весах, инженеры могут получать измерения в цифровом виде, а также наблюдать за работой в реальном времени. Предоставлено: Sam Fentress Photography

Использование этой технологии может минимизировать влияние на цикл отключения энергоблока. В большинстве случаев для полного тестирования и балансировки устройства требуется всего два или три дня.С точки зрения стоимости завершение высокоскоростной балансировки, когда машина находится в цехе, а не после отдельного транспортного цикла, может быть привлекательным. В результате выполнение ремонта и балансировки ротора турбины или генератора в одном месте означает, что машина сможет быстрее вернуться в рабочее состояние.

Быстрая обработка

Типичный цикл ремонта ротора генератора включает снятие его со статора и транспортировку на станцию ​​технического обслуживания. Если планируется полная перемотка ротора, цикл может длиться от 20 до 30 дней, в зависимости от размера генератора.В конце цикла ремонта происходит высокоскоростная балансировка. Если речь идет всего лишь о тестировании и проверке устройства, цикл можно сократить до 10 дней, включая транспортировку, осмотр в магазине, высокоскоростную балансировку и возврат на место.

Сокращение выходных дней после отключения может быть особенно важным при рассмотрении нормативных требований. Одна коммунальная компания сообщила, что если она сможет отключить свое устройство и вернуть его к полной нагрузке в течение определенного количества дней, то нормативный анализ отключения будет гораздо более благоприятным.Таким образом, хотя установка провела в магазине еще два дня для высокоскоростной балансировки, оператор все же смог вернуть ее в эксплуатацию на целую неделю раньше срока и выполнить нормативные требования.

Дополнительные преимущества

Высокоскоростные весы обладают как минимум двумя другими преимуществами. Во-первых, как для роторов турбин, так и для полей генераторов все основные компоненты могут быть испытаны в строгих условиях. Это означает применение максимальной центробежной силы, которую компоненты могут испытывать в течение срока службы, что позволяет точно сбалансировать машину до фиксированной базовой точки (рис. 3).Напротив, если бы оператор завершил балансировку только на низкой скорости, а затем установил скорость, вероятно, произойдет некоторое изменение баланса, вызывающее вибрацию и больший износ.

3. Пониженная вибрация. Высокоскоростная балансировка позволяет проводить эффективные испытания, чтобы гарантировать минимальные вибрации в роторе любого производителя. Предоставлено: Sam Fentress Photography

Во-вторых, полное электрическое испытание может быть выполнено на поле генератора, когда он работает на высокой скорости.Одна из проблем, с которой операторы обычно сталкиваются при работе с роторами генераторов, — это короткое замыкание витков, которое может привести к изменениям вибрации под нагрузкой из-за теплового воздействия, когда детали нагреваются. Выполнение высокоскоростной балансировки ротора генератора дает возможность выполнить испытание датчика потока. Этот чрезвычайно полезный тест помогает убедиться в отсутствии коротких замыканий на скорости после того, как устройство вернется в работу. Проведение теста магнитного потока является преимуществом, потому что любое количество коротких витков может не обнаруживаться в ветроэнергетической установке просто потому, что они не обнаруживаются, когда агрегат находится в состоянии покоя.Поэтому очень важно, чтобы тестирование проводилось на высокой скорости, и единственный способ сделать это — использовать высокоскоростной баланс.

Вторым типом испытаний в дополнение к датчику потока является тепловое испытание, также называемое тепловым прогоном (рис. 4). В этом тесте техники разгоняют агрегат до полной скорости, а затем подают ток на обмотки. Это позволяет технику оценить качество обмоток с точки зрения их способности расти симметрично с нагрузкой. Только несколько учреждений в стране могут проводить этот конкретный тест.

4. Тепловой прогон. Полное тепловое испытание на высокой скорости, или тепловой запуск, возбуждает поля генератора на высокой скорости для оценки качества обмоток. Предоставлено: Sam Fentress Photography

Анализ затрат

Данные, предоставленные различными коммунальными предприятиями, показывают, что стоимость высокоскоростных весов меньше, чем стоимость одного отдельного развертывания на месте с точки зрения времени, топлива и потерь выработки электроэнергии.Одна коммунальная компания из Огайо сообщила, что она стоит примерно 180 000 долларов за запуск при перезапуске после отключения. Напротив, предприятия, использующие технологию высокоскоростной балансировки, даже включая тепловые испытания, обычно сообщают о гораздо более низких затратах в дополнение к повышенной эффективности.

Важно отметить, что даже после высокоскоростной балансировки устройство все еще может испытывать проблемы с вибрацией. Это связано с тем, что агрегаты, работающие в полном составе, имеют разные формы колебаний и силы, действующие на них, и эти силы отличаются от тех, которым подвергаются машины в однопролетной конфигурации в высокоскоростной балансировочной ячейке.

Кроме того, оборудование для центровки и соединения для конкретного устройства существует только на месте. Операторам может потребоваться выполнить некоторую балансировку дифферента после высокоскоростной балансировки, чтобы учесть эти специфические для машины компоненты. Эта последняя работа с деталями, однако, должна быть относительно незначительной по сравнению с тем, что в противном случае пришлось бы делать персоналу, если бы элементы не были сбалансированы на высокой скорости, и опыт показывает, что обрезка требуется редко.

Растущий спрос на балансировку

Спрос на высокоскоростную балансировку растет среди операторов крупных газовых установок.Эти машины все чаще берут на себя базовую нагрузку или служат в качестве основных узлов, отслеживающих нагрузку на рынках комбинированного цикла. Опора на эти машины как на основу многих автопарков, генерирующих коммунальные услуги, делает более важным, чем когда-либо, обеспечение их бесперебойной и надежной работы.

Этот процесс оказывает ощутимое положительное влияние на всю отрасль. Например, одно коммунальное предприятие на юго-востоке отказало генератору 7Fh3 в связи с капитальным ремонтом газовой турбины и генератора.При осмотре в оборудовании были обнаружены закороченные витки и некоторая миграция катушек. Основываясь на этой оценке, компания решила провести полную перемотку вместе с полным электрическим тестированием и высокоскоростной балансировкой.

В то же время коммунальное предприятие также решило завершить высокоскоростную балансировку ротора газовой турбины 7FA, что является довольно необычной практикой. Большинство газовых турбин имеют низкоскоростную балансировку при производстве и обычно не подвергаются высокоскоростной балансировке после ремонта.Но у коммунального предприятия было время в графике отключения, поэтому турбина была доставлена ​​на техническое обслуживание, а затем разогнана до полной скорости для балансировки. Инженеры отметили изменения в низкоскоростном балансе после того, как агрегат впервые был доведен до 3600 об / мин. После уравновешивания этих изменений и снижения вибрации до уровней ниже приемлемых спецификаций OEM, машина была возвращена в коммунальное предприятие. Коммунальное предприятие вернуло генераторную установку к работе и сообщило, что она является самой плавно работающей машиной в своем парке.

Несмотря на то, что это новая концепция, высокоскоростная балансировка может в конечном итоге продлить срок службы оборудования, а также помочь генераторам энергии сэкономить деньги и время и повысить надежность. Так же, как вы лучше спите в комнате, свободной от комаров, ваша бригада обслуживания будет отдыхать легче, не беспокоясь о нытье и постоянной вибрации. ■

— Кейт Коллинз ([email protected]) управляет балансировкой роторов генераторов, паровых турбин, газовых турбин, больших двигателей и турбин питающих насосов котлов в компании MD&A.

Связанные потоки приложений (CATS)

Производительность ветряной турбины

Коэффициент полезного действия

Напомним, что мощность ветра может быть выражается как

P = ½AρV ³

где ρ — плотность воздуха, A — зона захвата, и V — скорость ветра.

Мощность, фактически захваченная ротором ветряной турбины, P _R , это некоторая часть доступной мощности, определяемая коэффициент полезного действия, C _p , что существенно тип эффективности преобразования энергии:

C _p = P _R / P

Максимальное теоретическое значение коэффициента полезного действия равно 0.593, значение определяется жидкостью ограничение механики, известное как предел Беца. Фактические коэффициенты производительности меньше этого предела из-за различные аэродинамические и механические потери. Для данной конструкции турбины C _p является функцией передаточного числа конечных скоростей ( TSR ). Как показано на кривых на Рисунке 1, существует такое соотношение скоростей наконечника, при котором захват мощности является максимальным. Сравнение различных типов ветряных турбин на Рисунке 1 показывает, насколько неэффективна турбина Савониуса на основе лобового сопротивления. сравнивается с лифтовыми турбинами.Турбины Дарье и HAWT имеют схожие значения максимальной коэффициент полезного действия, но HAWT может работать при гораздо более высоких передаточных числах наконечников (более высокие скорости вращения или более низкие скорости ветра).

Кривая мощности

Выходная электрическая мощность генератора составляет меньше мощности, захваченной ротором, из-за потери в зубчатой ​​передаче и генераторе:

P _T = C _p η _г η _b (½AρV ³ )

где η _g и η _b — КПД (выходная мощность превышение потребляемой мощности) для генератора и коробка передач.КПД коробки передач обычно составляет 90%. 95%, а КПД генератора колеблется от 50%. (для автомобильного генератора) до более 80% для качественная, подключенная к сети модель.

График мощности ветровой турбины показывает эту полезную выходную мощность как функцию скорости ветра. Как показано в На рисунке 2 (для ветряной турбины диаметром 82 м) эти кривые показывают три основные скорости ветра:

1. Сокращение скорости ветра: это скорость ветра, при которой ветряная турбина начинает вырабатывать электроэнергию — типичная скорость ветра во врезке от 3 до 5 м / с.
2. Номинальная скорость ветра: это самая низкая скорость, при которой ветряная турбина достигает своей номинальной мощности. выход. Выше этой скорости возможна более высокая выходная мощность, но ротор регулируется для поддержания постоянная мощность для ограничения нагрузок и напряжений на лопасти.
3. Скорость ветра без отключения: это максимальная скорость ветра, при которой будет работать турбина. Выше этой скорости, турбина останавливается, чтобы предотвратить повреждение лопаток.

Годовое производство энергии и коэффициент мощности

Кривая мощности в сочетании с годовым ветром Распределение скорости можно использовать для оценки того, как много энергии, которую ветровая турбина может генерировать в типичный год.В частности, мощность при каждом ветре скорость умножается на количество часов в году что ветер дует с такой скоростью, чтобы оценить, как при каждой скорости ветра вырабатывается много энергии (красный кривая на рисунке 3). Затем это суммируется, чтобы получить годовая выработка энергии. Для Vestas V82 показан пример турбины мощностью 1,7 МВт, работающей в Бостон, каждый год вырабатывается 3800 МВтч. Этот энергии достаточно для питания примерно 350 дома.

Коэффициент мощности ветряной турбины — это общая годовая выработка энергии, деленная на энергию, может быть сгенерирован, если он работал непрерывно при установленной мощности 24 часа в сутки 365 дней в году.Для примера V82 найден коэффициент мощности из:

3800 МВтч / (1,7 МВт * 8760 часов) = 25%.

Это значение находится в нижней части типичного диапазона От 25 до 40%, в основном потому, что в Бостоне не так ветрено как места, обычно выбираемые для ветряных электростанций.

Какова функция регулятора в паровой турбине?

Регулятор паровой турбины — это компонент системы управления турбиной, который регулирует скорость вращения в ответ на изменение условий нагрузки.Выходной сигнал регулятора управляет положением впускного клапана пара или сопел, которые, в свою очередь, регулируют поток пара в турбину. В этом посте мы подробно рассмотрим функции паровой турбины.

Управление паровой турбиной

Хорошо спроектированный регулятор паровой турбины обеспечивает запуск и оперативное управление генераторами с приводом от паровой турбины и механическими приводами, такими как компрессоры и насосы. Основное приложение регулятора должно обеспечивать настраиваемые параметры, которые обеспечивают гибкую и масштабируемую конфигурацию для создания нескольких режимов автоматического запуска (холодный, теплый и горячий), а также ручных режимов работы, таких как медленное вращение и отключение, а также тестирование дроссельной заслонки.

Регулятор скорости запуска и регулятор скорости / нагрузки

В системе, поставляемой Petrotech, выходной сигнал регулятора на впускной паровой клапан или форсунки выбирается из двух режимов управления: контроллера скорости запуска и контроллера скорости / нагрузки. Контроллер скорости запуска обеспечивает управление блокировкой во время последовательности запуска для упорядоченного изменения скорости паровой турбины через несколько плато прогрева (СОСТОЯНИЯ — см. Рисунок 1). Как только агрегат достигает скорости нагрузки (т. Е. Синхронной скорости), контроллер пусковой скорости продолжает линейно нарастать, пока не будет достигнуто максимальное значение уставки (обычно максимально допустимая скорость, которую можно настроить).Во время последовательности запуска и прогрева контроллер скорости запуска управляет темпами нарастания от состояния к состоянию, скоростью в каждом состоянии и временем задержки каждого плато скорости. Обычно скорость нарастания между состояниями низкая. Это необходимо для предотвращения быстрого и неравномерного расширения компонентов паровой турбины в период прогрева. Практически во всех паротурбинных системах существуют рабочие скорости, известные как критические скорости, которые определяются во время крутильного и поперечного анализа.

Критические скорости — это рабочие области, в которых частота вращения приближается к критической и, следовательно, возникают сильные вибрации.В этих регионах скорости линейного изменения регулятора увеличиваются, чтобы обеспечить более быстрое ускорение в критическом диапазоне и, таким образом, минимизировать уровень и продолжительность вибраций, вызванных критической скоростью. Как только регулятор пусковой скорости доводит паровую турбину до нагрузки или номинальной скорости, управление переходит к контроллеру скорости / нагрузки.

Рисунок 1 — Пример начальной кривой

Применение привода генератора

В приложении привода генератора контроллер скорости / нагрузки получает свое заданное значение через логику заданного значения скорости регулятора и обеспечивает три различных режима управления: пропорционально-интегральное (P + I) управление с размыкателем, изохронный (автономный режим) выключатель с замкнутым выключателем Пропорциональный -Integrator-Derivative (P + I + D) control, и выключатель замкнутого генератора Droop Proportional (P) только управление.Если возможно, используется дополнительный сигнал прерывателя связи для индикации изохронного режима или режима спада.

В изохронном режиме контроллер скорости / нагрузки регулирует скорость вращения генератора для поддержания соответствующей частоты 50 или 60 Гц. При добавлении или отключении нагрузки (двигатели, осветительные приборы и т. Д.) Регулятор скорости / нагрузки изменяет положение впускного клапана пара или форсунок для поддержания скорости на соответствующей частоте.

В режиме спада, когда генератор подключен к электросети, после синхронизации генератор будет работать со скоростью, которая соответствует частоте сети.Поскольку электрические сети бесконечны относительно генератора, единственный способ добавить мощность в сеть — это эффективно попытаться увеличить частоту сети, увеличив заданное значение скорости до некоторого уровня выше частоты сети. На многих промышленных предприятиях, где пользователи вырабатывают собственную электроэнергию, контроллер скорости / нагрузки будет получать заданное значение от контроллеров с прогнозированием, таких как регуляторы давления пара или потока, для регулирования потребления и, следовательно, мощности, добавляемой в энергосистему. Если по какой-либо причине подача пара начинает снижаться (отключение котла или другие потребности в паре), контроллер с упреждающей передачей снижает сигнал запроса на контроллер спада и, таким образом, снижает генерируемую мощность.И наоборот, когда подача пара увеличивается, сигнал запроса с прямой связью к контроллеру спада будет увеличиваться, и будет генерироваться дополнительная мощность.

В режиме спада и при срабатывании выключателя связи энергосистемы общего пользования контроллер скорости / нагрузки немедленно переходит в изохронный режим и принимает на себя управление скоростью-частотой. После восстановления функции прерывателя связи возобновляется режим спада.

Применение механического привода

В приложениях с механическим приводом контроллер скорости / нагрузки, как и контроллер спада, получает заданное значение от контроллеров с прогнозированием, таких как давление пара, поток пара или контроллеры процесса.Контроллеры процесса будут различаться в зависимости от применения в зависимости от обслуживания, требуемого для механического приводного устройства. Основное различие между контроллером спада и контроллером механического привода заключается в том, что в контроллере механического привода диапазон скорости является переменным.

Регуляторы добычи / приема

На многих технологических установках требуется наличие пара при различных давлениях и температурах для различных технологических требований. В этих применениях некоторые паровые турбины также имеют отверстия для отбора перед конечным выхлопом паровой турбины.Пар извлекается с помощью дополнительного контроллера, который настроен на поддержание количества извлекаемого пара в пределах определенного производителем набора пределов, известных как карта извлечения. Регулятор экстракции настроен на регулирование экстракции в установленных пределах давления и расхода. Регулятор впуска работает аналогично для впуска пара в некоторый промежуточный порт паровой турбины.

Регуляторы / контроллеры для паровых турбин

Наша команда может установить системы управления для обеспечения защиты и эффективности вашей паровой турбины, в том числе следующие:

• Управление главным паровым клапаном
• Контроллеры коррекции скорости
• Регуляторы давления пара на входе / выходе
• Контроллеры нагрузки
• Управление отводом / впуском пара
• Контроллеры вытяжки / впуска, минимального / максимального значения
• Контроллеры автоматической экстракции / впуска
• Станции для вытяжного клапана с автоматическим ручным управлением

Обратитесь к нашей команде экспертов

Независимо от типа, регулятор защищает вашу турбину, уменьшая ее нагрузку или полностью отключая ее в аварийных ситуациях, а также обеспечивая большую мощность в случае высоких требований.В Petrotech у нас есть системы управления для мониторинга, защиты и повышения эффективности вашей системы турбомашин. Наши интегрированные системы управления обеспечивают полную или частичную модернизацию систем управления для агрегатов с приводом от паровых турбин для компрессоров, выработки электроэнергии и перекачки. Эти системы обеспечивают замену и усовершенствование устаревшего электрогидравлического, аналогово-электронного, релейного и пневматического оборудования управления. Чтобы узнать больше о нашей линейке средств управления турбомашинным оборудованием, изучите нашу библиотеку литературы.

Первое фото любезно предоставлено Siemens, опубликованное на Wikimedia Commons.

.

No related posts.