Схема работы турбины: Принцип работы турбины на бензиновом двигателе

Принцип работы турбокомпрессора автомобиля — Ремонт и обслуживание авто

Содержание

1. Как работают составные турбокомпрессорные системы (Turbos)
2. Составной турбокомпрессор
3. Как работает Compound Turbo
4. Сложные Турбокомпрессоры Уменьшают Турбо Лаг

Как работают составные турбокомпрессорные системы (Turbos)

Принудительная индукция — это термин, который относится к процессу, который сжимает воздух в сторону впуска двигателя внутреннего сгорания. Это на самом деле довольно сложно реализовано с точки зрения технической стороны. Вы хотите, чтобы в двигатель двигался более холодный и плотный воздух, чтобы вы могли производить больше энергии на единицу топлива. Это сжатие воздуха, поступающего в ваш воздухозаборник, называется повышением.

Что такое турбина — это вентилятор радиального типа помещенный в улиткообразный корпус, который при быстром вращении может создавать большое давление газов и жидкостей в направлении выхода их улиткообразного корпуса за счет быстрого прогона по его спирали этих жидкостей или газов с помощью больших оборотов лопастей вентилятора.

Существует много способов преобразования вашего безнаддувного двигателя в двигатель с принудительной индукцией или изменения воздушных потоков в уже усиленной силовой установке. Я хотел бы сосредоточиться только на одном из этих процессов принудительной индукции прямо сейчас : составные турбо-системы.

Составной турбокомпрессор

Турбокомпрессор A «питает» турбокомпрессор B

Твин Турбо Vs. Compound Turbo: есть разница

Не каждая система турбокомпрессора, которая использует два компрессора, является системой с двумя турбонагнетателями. В двойной турбо-системе два турбонагнетателя, которые сжимают воздух, имеют одинаковый размер, и они настроены для разделения работы подачи воздуха на впуск между ними — турбины установлены «параллельно».

В составных системах с турбонаддувом у вас снова есть два компрессора, но в отличие от сдвоенной системы, эти турбины имеют разные размеры, и они расположены последовательно, а не параллельно. Вместо того, чтобы разделять работу по нагнетанию воздуха во впускной коллектор (или промежуточный охладитель), они работают вместе, один за другим, чтобы выполнить работу.

Как работает Compound Turbo

В составной турбосистеме у вас есть турбонагнетатель низкого давления (больший) и турбонагнетатель высокого давления (меньший). Воздух из атмосферы проходит через турбину низкого давления, оттуда в турбину высокого давления и оттуда в впускной коллектор или промежуточный охладитель. Это «усугубляет» эффект усиления, который именно то, что вы хотите.

Если у вас возникли проблемы с визуализацией этого эффекта, подумайте об этом следующим образом. Воздух — жидкость, точно так же, как вода — жидкость. Когда вода свободно течет из большой трубы в одну значительно меньшую, давление и скорость воды в этой трубе значительно возрастают. Та же концепция применяется здесь. Вместо воды, протекающей по трубам, воздух проходит через турбонагнетатели. Помните, что увеличение мощности означает увеличение мощности на единицу топлива и значительное повышение производительности и эффективности вашей платформы.

Сложные Турбокомпрессоры Уменьшают Турбо Лаг

В системе с турбонагнетателем не существует способа полностью преодолеть турбозагрузку, существуют способы сделать реакцию дроссельной заслонки практически мгновенной.

Как это случается, уменьшение турбо запаздывания, оказывается, один из лучших признаков составной системы турбокомпрессора. Добавление второго, меньшего, турбонагнетателя высокого давления обеспечивает увеличение нижнего предела диапазона оборотов, не вызывая задержки (которую вы можете почувствовать) между временем нажатия на акселератор и временем ускорения. Турбина высокого давления будет продолжать обеспечивать большую часть вашего впуска, пока не будет произведено достаточное количество выхлопных газов, чтобы привести в действие турбину низкого давления. Как только турбонагнетатель низкого давления раскручивается, количество наддува, подаваемого через впуск, резко увеличивается.

Опять же, чтобы лучше понять, что происходит, полезно подумать об этом с точки зрения воды в трубах. Ранее я упоминал, что, когда вода свободно течет из большой трубы в одну значительно меньшую, давление и скорость внутри меньшей трубы значительно выше. Ну, а теперь представьте, как вода течет по большой трубе.  Вы можете себе представить, что если вода в трубе меньшего размера уже текла довольно хорошо, то теперь она ещё и дополнительно нагнетается, и течет ОЧЕНЬ хорошо! Это именно то, что происходит в составной системе турбокомпрессора. Уровень усиления, который он может произвести, зловещий!

Короче говоря, хорошо продуманная составная система турбокомпрессора обеспечивает практически все, что вы хотите от турбонагнетателя, без каких-либо обычных недостатков. Отличный отклик на газ, резкое повышение производительности двигателя и отличное ощущение ускорения и мощи на водительском сидении. Единственный реальный недостаток – техническая сложность реализации подобных устройств, а также дороговизна обслуживания турбин, а также могут возникать сложности при настройке зажигания.

Как вам статья?

Как работает турбина — принцип работы

Для повышения мощности современных двигателей широко применяются турбины. Этот метод увеличения мощности без повышения объёма и степени сжатия называют наддувом. Сама турбина представляет собой воздушный компрессор, который увеличивает давление воздуха на входе в цилиндр, таким образом увеличивая его количество. Соответственно, увеличивают и количество подаваемого топлива.

Виды турбины наддува

По виду привода турбины бывают:

– Механическая – работает от механического привода;

– Электрические – работает от электромотора;

– Турбина, работающая на отработанных газах.

Классическая конструкция автомобильной турбины – две крыльчатки на одном валу. Первая раскручивается под действием движения выхлопных газов. Вторая, приводимая в действие первой, нагнетает воздух в цилиндр в такте впуска рабочей смеси. Принцип действия нагнетателя – использование энергии выхлопных газов для компрессии входящего воздуха.

Электрические турбины, скорее всего, более перспективны, так как не обладают многими недостатками классической конструкции. Но их применение пока ограничено конструктивными особенностями и стоимостью изготовления.

Интеркуллер

При сжатии воздуха его температура увеличивается. Кроме того, он частично нагревается за счёт нагрева самой турбины выхлопными газами. Для снижения температуры нагнетаемого воздуха применяется охлаждающий радиатор – интеркуллер. Его принцип работы прост – увеличение массы воздуха за счёт охлаждения.

Принцип работы классической турбины

Турбина с двумя крыльчатками, которая работает на отработанных газах, сегодня стала самой распространённой конструкцией наддувного двигателя.

Преимущества турбины на отработанных газах:

– Высокая эффективность за счёт использования энергии выхлопа;

– Взаимосвязь количества требуемого надува и количества выхлопных газов;

– Простота конструкции.

Основные недостатки такого типа конструкции:

– Недостаток мощности на малых оборотах;

– Избыток мощности на больших оборотах.

Существующие проблемы классической турбины с двумя крыльчатками решает механизм изменяемой геометрии. Он работает по принципу изменения рабочего пространства крыльчатки, раскручиваемой отработанными газами. В корпусе первичной крыльчатки расположены лопатки, положение которых изменяет кулачковый механизм в зависимости от оборотов двигателя. На малых оборотах весь поток направляется на лопатки крыльчатки, увеличивая скорость её вращения. На больших оборотах часть газов направляется мимо лопаток крыльчатки, снижая избыточную скорость вращения турбины. Изменяемая геометрия позволяет свести к минимуму «турбинную яму» — недостаточный прирост мощности на малых (менее 2 – 2,3 тыс. об/мин) оборотах двигателя, характерную для всех классических турбин. Кроме того, изменяемая геометрия делает турбину ещё более эффективной во всём диапазоне работы.

Обслуживание турбин

Работает турбина в довольно жёстких технических условиях. Самый сложный аспект в работе турбины связан с высокой температурой выхлопных газов и изменяющимся режимом работы. Первичная крыльчатка работает в зоне высоких температур и агрессивной среды. Вторичная (нагнетательная) крыльчатка работает в зоне сравнительно низких температур. Оба механизма работают на одном валу – это одна из главных конструктивных проблем, не позволяющая турбине работать долго без обслуживания.

Ремонт турбин, в основном, заключается в замене её внутренностей, балансировке и т.д. При значительном износе корпусных деталей требуется замена турбины на новую.

Поток и работа паровой турбины

Паровые турбины являются одной из старейших и наиболее универсальных технологий первичных двигателей, которые до сих пор широко используются. Они приводят в движение бесчисленное количество машин и производят электроэнергию на многих заводах по всему миру. Паровые турбины используются уже более 120 лет, когда они заменили поршневые паровые двигатели из-за их более высокой эффективности и более низкой стоимости. Мощность паровой турбины может варьироваться от 20 киловатт до нескольких сотен мегаватт (МВт) для больших приводов.

Паровая турбина используется для производства максимального количества механической энергии с использованием минимального количества пара в компактном приводном устройстве, обычно в конфигурации с прямым приводом. Возможности изменения или регулировки скорости также важны для паровых турбин. В настоящее время паровые турбины широко используются в различных приводных устройствах для механических приводов и энергоблоков и производят около 1 миллиона (МВт) мощности по всему миру.

Ротор паровой турбины представляет собой вращающийся компонент, к которому прикреплены колеса и лопасти. Лопасть — это компонент, извлекающий энергию из пара.

Конструкции и типы паровых турбин

Доступны два основных типа конструкций паровых турбин. Один из них представляет собой импульсную конструкцию, в которой ротор вращается под действием силы пара, воздействующей на лопасти. Другой представляет собой реактивную конструкцию, и он работает по принципу, согласно которому ротор получает свою вращательную силу от пара, покидающего лопасти.

Пар обычно входит с одного конца, движется в одном направлении к другому концу секции и выходит из кожуха для повторного нагрева или передачи в следующую секцию. Однако в двухпоточной паровой турбине пар поступает посередине и течет в обоих направлениях к концам секции. Двухпоточные схемы были популярны много лет назад. За исключением особых обстоятельств, они не рекомендуются для современных приложений.

Конденсационная

Основным типом паровой турбины является конденсационная паровая турбина, которая используется для больших приводов выше определенного предела номинальной мощности (скажем, как очень грубое указание, выше 8 МВт). Эти паровые турбины выпускают воздух непосредственно в один или несколько конденсаторов, которые поддерживают условия вакуума на выходе из паровой турбины. Массив трубок с охлаждающей водой конденсирует пар в воду (жидкость) в конденсаторе.

Вакуум в конденсаторе возникает, когда охлаждающая вода, близкая к температуре окружающей среды, конденсирует пар (выхлоп турбины) в конденсаторе. Поскольку известно, что небольшое количество воздуха просачивается в систему при давлении ниже атмосферного, для удаления неконденсирующихся газов из конденсатора обычно используется относительно небольшой компрессор. Неконденсирующиеся газы могут включать воздух, небольшое количество побочного продукта коррозии, вызванного реакцией вода-железо, и водород.

Процессы конденсационной паровой турбины обеспечивают максимальную механическую мощность и КПД за счет подачи пара. Однако выходная мощность конденсационных паровых турбин чувствительна к температуре окружающей среды. Конденсационные паровые турбины дороги, громоздки, сложны и менее пригодны для механического привода. Паровые турбины, особенно для малых и средних машин, пропускают пар вокруг лопаточных рядов и торцевых уплотнений. Когда конец находится под низким давлением, как в случае с конденсационными паровыми турбинами, в систему может попасть воздух. Из-за утечек вырабатывается меньше энергии, чем ожидалось.

Противодавление

Другим типом паровой турбины является паровая турбина противодавления, которая является наиболее подходящим оборудованием для механических приводов, таких как приводы компрессоров или насосов. Термин противодавление относится к паровым турбинам, которые выбрасывают пар при давлении выше атмосферного. Давление нагнетания обычно устанавливается конкретным применением пара в установке. Более низкие давления часто используются в небольших и крупных устройствах низкого давления (НД), таких как системы отопления, а более высокие давления часто используются при подаче пара в промышленные процессы.

Промышленные процессы часто включают в себя дальнейшее расширение для других меньших механических приводов с использованием небольших паровых турбин для привода вращающегося оборудования (например, масляных насосов), которые непрерывно работают в течение длительного времени. Значительная способность выработки механической энергии приносится в жертву, когда пар используется при заметном давлении, а не расширяется до вакуума в конденсаторе. Выпуск пара в парораспределительную систему при манометрическом давлении 10 бар (бар изб.) может пожертвовать примерно половиной мощности, которая могла бы быть выработана, когда условия пара на входе составляют около 50 бар изб. и 420°C, что типично для малых и средних паровых турбин.

Между выходной механической мощностью конденсационной паровой турбины и комбинацией мощности и пара паровой турбины с противодавлением может быть обеспечено практически любое отношение мощности к теплу. Паровые турбины с противодавлением могут иметь множество различных противодавлений, что еще больше увеличивает изменчивость отношения мощности к теплу.

Вытяжка

Третий тип паровых турбин — это вытяжные паровые турбины. Вытяжная турбина имеет в корпусе одно или несколько отверстий для отбора части пара при некотором промежуточном давлении. Извлеченный пар может быть использован в технологических целях. Давление отбора пара может или не может регулироваться автоматически в зависимости от конструкции паровой турбины.

Регулируемый отбор позволяет лучше регулировать расход пара через паровую турбину для выработки дополнительной механической энергии в зависимости от рабочих сценариев. В некоторых специальных паровых турбинах может быть предусмотрено несколько точек отбора, каждая с разным давлением, соответствующим разной температуре, при которой на установке требуется отопление (или другие услуги).

Конкретные потребности объекта в паре и электроэнергии с течением времени определяют степень отбора пара. В больших, часто сложных установках дополнительный пар может подаваться (поступать в корпус и увеличивать поток в паровом тракте) к паровой турбине. Часто это происходит, когда несколько котлов и систем производства пара используются при разном давлении из-за сложности установки и необходимости достижения максимальной тепловой эффективности или ее исторического существования (на сложных установках, которые подвергались нескольким реконструкциям и расширениям). Эти паровые турбины называются входными паровыми турбинами. Производители адаптировали требования клиентов к конструкции, изменяя площадь проходного сечения в ступенях и степень извлечения пара (или удаления из пути потока между ступенями) в соответствии со спецификациями. В местах отбора и впуска пара регулирующие клапаны потока пара обычно увеличивают стоимость пара и системы управления.

Когда пар расширяется за счет степени высокого давления, как в больших паровых турбинах, пар может начать конденсироваться в турбине, когда температура пара падает ниже температуры насыщения при этом давлении. Если в паровой турбине образуются капли воды, может произойти эрозия лопастей, когда капли ударяются о лопасти. В этот момент расширения пар иногда возвращается в котел и повторно нагревается до высокой температуры, а затем возвращается в паровую турбину для дальнейшего (безопасного и надежного) расширения. В некоторых крупных паротурбинных установках чрезвычайно высокого давления также могут быть установлены системы двойного промежуточного нагрева.

Паровые турбины с отводом и впуском являются специальными машинами, и их следует использовать только там, где они действительно необходимы, поскольку их работа и управление всей системой сложны и иногда могут приводить к эксплуатационным проблемам. Паровые турбины, использующие отбор и впуск, представляют собой сложные турбомашины со сложным управлением и работой, которые должны одновременно управлять паровыми турбинами (часто с переменной нагрузкой) с различным управлением расходом пара в зависимости от требований других агрегатов и систем. Их следует использовать только на специальных крупных объектах, в которых другие более простые паровые турбины не могут быть коммерчески конкурентоспособными с точки зрения их мощности, теплового КПД или других соображений. Обычно использование сложной паровой турбины с отбором и впуском не оправдано для эксплуатации с мощностью в несколько мегаватт и сложными схемами работы паровой турбины с переменной нагрузкой и переменной скоростью.

Поток пара, работа и конструкция

Пар сначала нагревается в системе производства пара (например, в котлах или системах утилизации тепла), где он достигает высокой температуры, примерно от 400°C до 600°C. Первым клапаном, с которым сталкивается пар на пути от системы производства пара к паровой турбине, является главный запорный клапан (главный отключающий или запорный клапан), который либо полностью открыт, либо полностью закрыт. Этот клапан часто не регулирует поток пара, кроме как полностью останавливает его.

Рис. 2. Показан еще один пример паровой турбины с внутренними частями, компонентами и подсистемами.

Регулирующие или дросселирующие клапаны в различных устройствах и конфигурациях также используются для управления подачей пара. Также распространены комбинированные отключающие и дроссельные клапаны. Во многих паровых турбинах для надлежащего резервирования следует предусмотреть как минимум два независимых отключающих клапана. Эти клапаны находятся непосредственно перед паровой турбиной и рассчитаны на то, чтобы выдерживать полную температуру и давление пара. Эти клапаны необходимы, потому что, если механическая нагрузка будет потеряна, паровая турбина быстро выйдет из строя и выйдет из строя. Это случайное явление. К этому может привести необычная первопричина, например отказ муфты. Возможны и другие аварии, что подтверждает необходимость использования двух или трех независимых запорных клапанов, которые обеспечивают безопасность и надежность, но увеличивают стоимость системы.

Приводы паровых турбин оснащены дроссельными клапанами или регуляторами форсунок для регулирования расхода пара и обеспечения работы с переменной скоростью. Привод паровой турбины может выполнять ту же функцию, что и привод электродвигателя с регулируемой скоростью. Паровые турбины обычно могут работать в широком диапазоне скоростей и не выходят из строя при перегрузке. Они также обеспечивают высокий пусковой крутящий момент, необходимый для нагрузок с постоянным крутящим моментом, например, с поршневыми насосами или компрессорами.

Пар попадает на первый ряд лопастей под таким высоким давлением, что он может создавать крутящий момент даже с небольшой площадью поверхности. Воздействие пара заставляет ротор вращаться. Однако по мере продвижения ступеней паровой турбины пар теряет давление и энергию, поэтому требуется все большая площадь поверхности. По этой причине размеры лопастей увеличиваются с каждым этапом. Когда пар выходит из турбины, его температура падает, и он теряет почти все свое повышенное давление. Некоторый перепад давления также происходит через диафрагму, которая является компонентом между внешней стенкой и внутренней стенкой. Перегородки диафрагмы направляют пар к вращающимся лопастям.

Пар должен падать на лопасти под определенным углом, который максимизирует полезную работу давления пара. Здесь на помощь приходят насадки. Между лопастными колесами размещены стационарные кольца форсунок, которые «поворачивают» пар под оптимальным углом для удара по лопастям. Упорный подшипник установлен на одном конце главного вала для поддержания его осевого положения и предотвращения столкновения движущихся частей с неподвижными частями. Подшипник скольжения поддерживает основной вал и препятствует его выскальзыванию из корпуса на высоких скоростях.

Вытяжной колпак отводит пар от последней ступени паровой турбины и предназначен для минимизации потерь давления, которые снижают тепловой КПД паровой турбины. После выхода пара из выпускной секции он поступает в конденсатор, где охлаждается до жидкого состояния. Процесс конденсации пара обычно создает вакуум, который затем подает больше пара из паровой турбины. Вода возвращается в систему производства пара, повторно нагревается и используется повторно. Регулятор — это устройство, которое регулирует скорость вращения турбины. Современные паровые турбины имеют электронный регулятор, который использует датчики для контроля скорости, исследуя зубья ротора.

Чтобы спроектировать более эффективную паровую турбину, следует использовать корпус с соответствующими соплами и лопастями для удержания пара и клапанами для управления подачей пара к соплам. Толстостенные отливки, используемые для секций турбин, работающих под давлением, называются обечайками и обычно изготавливаются из материалов из легированной стали. Некоторые конструкции включают внутреннюю и внешнюю оболочки, которые служат для уравновешивания перепада давления и уменьшения толщины оболочки для теплового напряжения, запуска и нагрузки. Многоступенчатые конструкции используются для повышения эффективности. Тип и количество ступеней турбины, а также форма и размер лопастей различаются. Они определяются на основе давления и температуры пара, давления выхлопных газов и скорости.

Когда ротор паровой турбины неподвижен, пар, проходящий через сопло, с полной силой ударяет по лопастям, создавая наибольший крутящий момент. Однако, поскольку это происходит при остановленном роторе, выполненная работа равна нулю. С другой стороны, если скорость ротора равна скорости пара, то у пара не будет составляющей скорости относительно лопастей, и лопасти не будут вращаться. Следовательно, этот случай приводит к нулевому крутящему моменту и, опять же, к нулевой работе. Максимальная эффективность возникает между этими двумя крайностями. Для достижения идеальных рабочих условий и максимальной эффективности необходимо провести надлежащую оптимизацию.

Из-за высоких давлений, используемых в паровых турбинах, корпус имеет большую толщину, и, следовательно, паровые турбины имеют большую тепловую инерцию. Их следует нагревать и охлаждать медленно, чтобы свести к минимуму дифференциальное расширение между вращающимися лопастями и неподвижными компонентами. Для прогрева больших паровых турбин может потребоваться от пяти до девяти часов. В то время как более мелкие агрегаты имеют более быстрое время пуска, паровые турбины заметно отличаются от поршневых двигателей, которые запускаются быстро, и от газовых турбин, которые могут запускаться за умеренное время, а нагрузка следует с достаточной скоростью.

Паровые турбины обычно работают непрерывно в течение продолжительных периодов времени, даже несмотря на то, что пар, подаваемый в установку, и подаваемая механическая мощность могут изменяться в течение таких периодов непрерывной работы. Поскольку большинство паровых турбин выбираются для приложений с высокими коэффициентами нагрузки, характер их применения часто учитывает необходимость иметь только медленные изменения температуры во время работы, и можно допустить длительное время запуска. Паровые котлы также имеют длительное время запуска.

Течение, износ и деградация

Примеси в паре могут вызывать отложения, накипь и коррозию в паровых турбинах, что неблагоприятно влияет на их работу. Тремя наиболее важными механизмами отказа, связанными с коррозией, в любой паровой турбине низкого давления являются точечная коррозия, коррозионная усталость и коррозионное растрескивание под напряжением. Местная паровая среда определяет, возникают ли эти механизмы повреждения на поверхностях лопаток и дисков.

Особенно важна зона фазового перехода, где расширение и охлаждение пара приводит к конденсации. Ряд процессов, протекающих в этой зоне, таких как осаждение химических соединений из перегретого пара, осаждение, испарение и высыхание жидких пленок на горячих поверхностях, приводит к образованию потенциально агрессивных поверхностных отложений.

Чистота пара и условия отключения — два параметра, которые приводят к коррозионным повреждениям. Условия окружающей среды, возникающие во время останова, могут быть еще одним важным фактором. Это условия, возникающие при незащищенном останове, когда в результате гигроскопических эффектов на поверхностях паровых каналов образуются насыщенные кислородом влажные и жидкие пленки. Эти пленки непосредственно вызваны неадекватной практикой останова, принятой бригадой по эксплуатации/обслуживанию паровой турбины или бригадой в целом. Они могут привести к точечной коррозии, которая чаще всего является предшественником механизмов коррозии.

Соответствующие свойства материала (такие как состав, структура и внутренние напряжения) и конструкция (температура, напряжения и щели) также играют важную роль. Точечная коррозия также может возникнуть во время работы в щелях, например, в местах крепления лопастей. Чистота пара контролирует большинство процессов коррозии и имеет жизненно важное значение для надежности паровой турбины.

В результате отложений могут возникать механические блокировки. Блокировки в чувствительных местах, хотя и редко, обычно имеют серьезные последствия. Например, даже небольшие отложения на штоке обратного клапана паровой турбины могут нарушить его работу. В случае отключения паровой турбины неисправный обратный клапан может привести к продолжению потока пара и некоторому повреждению турбины. Кроме того, отложения на стационарных деталях, если они достаточно толстые и прочные, могут препятствовать движению лопастей, что представляет особый риск механического повреждения небольших лопастей.

Закупорка пути потока пара изменяет соотношение давлений в паровой турбине таким образом, что это может вызвать осевое смещение вала. Это может привести к контакту между вращающимися и неподвижными частями, что может привести к серьезному отказу. Такие условия часто обнаруживаются и избегаются путем контроля давления в паровой турбине.

Более частым, но менее значимым результатом перекрытия потока пара является снижение пропускной способности (поглотительной способности) паровой турбины и изменение эффективного профиля потока пара на лопатках паровой турбины. Эти изменения приводят к уменьшению расхода пара, уменьшению выходной мощности и снижению эффективности турбины. Типичными примерами являются отложения меди и алюминия в паровых турбинах высокого давления и отложения кремнезема в турбинах среднего и низкого давления.

Амин Алмаси — старший консультант по вращающимся механизмам в Австралии. Он является сертифицированным профессиональным инженером Engineers Australia и IMechE и имеет степени бакалавра и магистра в области машиностроения и RPEQ. Он является активным членом Engineers Australia, IMechE, ASME и SPE и является автором более 100 документов и статей, посвященных вращающемуся оборудованию, мониторингу состояния, морской и подводной эксплуатации, а также надежности.

Силовая установка самолета — Уровень 3

Силовая установка самолета — Уровень 3 — Требования к эксплуатации и проектированию газотурбинных двигателей (газовые
Турбинные циклы)

Силовая установка самолета — уровень 3

Эксплуатация и проектирование газовых турбин
Требования

Газотурбинные циклы

Цикл описывает, что происходит с воздухом, когда он входит в газ, проходит через него и выходит из него.
турбина. Цикл обычно описывает соотношение между пространством, занимаемым
воздух в системе (объем, V) и давление (P), под которым она находится. Цикл Брайтона
(1876), показанный в графической форме на рис. 4а в виде диаграммы давление-объем, представляет собой представление
свойств фиксированного количества воздуха, проходящего через газовую турбину в
операция. Эти же точки показаны и на схеме двигателя на рис. 4б.

Воздух сжимается из точки 1 в точку 2. Это увеличивает давление по мере увеличения объема
пространство, занимаемое воздухом, уменьшается. Затем воздух нагревают при постоянном давлении от 2
до 3 на рис. 4. Это тепло добавляется путем впрыскивания топлива в камеру сгорания и его воспламенения на
непрерывная основа. Затем горячему сжатому воздуху в точке 3 дают возможность расшириться (от
пункты 3-4), уменьшая давление и температуру и увеличивая его объем. в
двигателя на рис. 4b, это представляет поток через турбину в точку 3′, а затем поток
через силовую турбину к точке 4 для вращения вала или гребного винта корабля. В самолете
реактивный двигатель, поток из точки 3′ в точку 4 проходит через выходное сопло для создания тяги.
«полезная работа» на рис. 4а обозначена кривой 3’—4. Это энергия
доступен для вывода мощность на валу для наземной ГТУ, или тяга для
реактивный самолет. Цикл Брайтона завершается на рис. 4 процессом, в котором объем
воздуха уменьшается (снижение температуры) по мере того, как тепло поглощается атмосферой.

Рис. 4а. Диаграмма давление-объем цикла Брайтона для единицы массы рабочей жидкости
(например, воздух), показывая входы и выходы работы (Вт) и тепла (Q).

Рисунок 4б. Схема газовой турбины, показывающая относительные точки от
Диаграмма цикла Брайтона.

Большинство газовых турбин работают в режиме открытого цикла , где для
Например, воздух забирается из атмосферы (точка 1 на рис. 4а, 4б) и выбрасывается
обратно в атмосферу (точка 4), при этом горячий воздух после выхода охлаждается естественным образом
двигатель. В газотурбинной установке с замкнутым циклом , такой как наземная газовая
турбинная установка, рабочая жидкость (воздух или другой газ) непрерывно рециркулируется путем охлаждения
отработанный воздух (точка 4) через теплообменник (схематически показан на рис. 5) и
направляя его обратно на вход компрессора (точка 1).

Рис. 5. Система замкнутого цикла.

Из-за замкнутого фиксированного количества газа газовая турбина замкнутого цикла не является
двигатель внутреннего сгорания. В системе замкнутого цикла горение не может поддерживаться и
обычная камера сгорания заменена вторым теплообменником для нагрева сжатого воздуха.
до попадания в турбину. Тепло поступает от внешнего источника, такого как ядерная энергия.
реактор, псевдоожиженный слой процесса сжигания угля или какой-либо другой источник тепла. Закрыто
циклические системы, использующие газовые турбины, были предложены для миссий на Марс и других длительных
приложения терминального пространства.

Газовая турбина, сконфигурированная и работающая в соответствии с циклом Брайтона (рис.
4) называется газовой турбиной простого цикла . Большинство авиационных газовых турбин работают в
простая конфигурация цикла, поскольку необходимо обращать внимание на вес двигателя и лобовую площадь.
Однако в наземных или морских условиях к простому оборудованию можно добавить дополнительное оборудование.
цикл газовой турбины, что приводит к увеличению эффективности и/или производительности агрегата.
Одной из таких модификаций является повторный нагрев.

Повторный нагрев происходит в турбине и является способом увеличения работы турбины без
изменение работы компрессора или расплавление материалов, из которых изготовлена ​​турбина.
Повторный нагрев в реактивном двигателе осуществляется путем добавления форсажной камеры на выхлопе турбины.
тем самым увеличивая тягу за счет значительного увеличения расхода топлива.

Дополнительную информацию о наземных и морских применениях газовой турбины можно найти в
оригинальная статья, Введение в газовые турбины для не инженеров , Ли
С.