Турбина

В каких случаях необходимо оборудование турбонаддувом

Многие автовладельцы желают оборудовать свою машину турбокомпрессором для увеличения мощностных характеристик. Современные авто, укомплектованные двигателями с большим количеством лошадиных сил, такой модернизации не требуют.

К такому шагу идут владельцы отечественных машин, не отличающихся особой мощностью. Рационально оборудовать турбокомпрессором малолитражки. Даже незначительный прирост лошадиных сил в их двигателях будет заметен и придаст им лучший разгон, улучшится динамика их работоспособности. Что придаст большей уверенности при обгоне другого транспорта в условиях скоростных трасс.

Автомобиль глохнет на холостых оборотах

Как установить турбонагнетатель

Сначала перечислим всё, что потребуется для работы.

Инструменты и расходные материалы

1. Комплект накидных ключей.
2. Комплект рожковых ключей.
3. Комплект хомутов для воздушных патрубков.
4. Отвёртка плоская.
5. Турбокомпрессор.
6. Отрезок тонкой проволоки диаметром 2 мм.
7. Ёмкость с турбинным маслом.
8. Ёмкость с керосином.
9. Ветошь.

Последовательность операций при установке турбонаддува

• открывается капот автомобиля, снимается карбюратор и воздушный фильтр;
• с помощью рожковых ключей откручиваются все воздушные патрубки и промываются в керосине (если эта операция невозможна, снятые патрубки можно протереть тряпкой, смоченной в бензине, но керосин всё же предпочтительнее);
• с помощью проволоки прочищаются все каналы, по которым в двигатель поступает воздух;
• турбокомпрессор подключается к системе подачи воздуха и надёжно фиксируется;
• патрубки для нагнетания воздуха и для выхода отработанных газов также фиксируются специальными хомутами;
• вал турбокомпрессора несколько раз проворачивается вручную, одновременно с этим в устройство заливается немного турбинного масла. Ротор турбины при этом не должен останавливаться;
• воздушный фильтр, карбюратор и патрубки устанавливаются на штатные места, после чего двигатель автомобиля запускается на невысоких оборотах. Машине необходимо дать поработать как минимум 15 секунд, после чего провести повторный осмотр двигателя;
• если никаких проблем не выявлено, установку турбокомпрессора можно считать успешной;

Комплексное охлаждение маслом и антифризом

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

Турбина с масляным и водяным охлаждением

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

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

См. также

Турбонаддув: принцип работы

Задача турбины – нагнетать воздух в цилиндры, что осуществляется при помощи компрессора. Благодаря этому, смесь из топлива и воздуха насыщается кислородом, что приводит к увеличению КПД и улучшению сгораемости топлива. Таким образом, движок начинает работать эффективнее при прежнем объеме.

Чтобы понять принцип работы турбины на двигателе, сначала стоит разобраться с тем, как именно работает обычный двигатель. Его функционирование обеспечивается четырьмя последовательными тактами:

1. Впуск – движение поршня обеспечивает попадание в камеру сгорания топливно-воздушной смеси.
2. Компрессия – горючая смесь сжимается.
3. Расширение – выработанная свечами искра приводит к возгоранию смеси.
4. Выпуск – поршень перемещается вверх, освобождаются и выводятся выхлопные газы.

Чтобы повысить эффективность работы мотора, идти можно по одному из трех путей:

1. установить турбонаддув;
2. увеличить объем двигателя;
3. повысить количество оборотов коленвала.

Увеличение объема, безусловно, приведет к повышению эффективности, но это неизбежно повлечет за собой повышенный расход горючего. Повышение оборотов коленчатого вала не всегда возможно по техническим причинам, к тому же, не избежать снижения эффективности из-за потерь энергии во время каждого из тактов.

Как работает турбонаддув? Он нагнетает в цилиндр предварительно сжатый воздух, вследствие чего количество поступаемого воздуха повышается, а мощность силового агрегата растет без увеличения его объема.

Когда бензиновый двигатель запускается, газы поступают в турбину, приводя с помощью своей энергии в движение ротор, раскручивающий колесо компрессора, захватывающее воздух, подаваемый в цилиндры. Компрессор увеличивает давление воздуха примерно на 80%.

Турбина на бензиновом двигателе позволяет повысить мощность примерно на 30%.

Система зажигания

История развития и современные проблемы производства тепловых двигателей

Первые тепловые двигатели имели очень низкий КПД, например, первый паровоз (рис. 6), который был создан в начале XIX века, имел коэффициент полезного действия около 3%, а последние паровозы (рис. 7), которые ходили по железным дорогам в прошлом веке, имели КПД повыше – около 7–9%.

Рис. 6. Первый паровоз. (Источник)

Рис. 7. Один из последних паровозов. (Источник)

Тем не менее, даже при таких низких значениях КПД данные транспортные средства очень активно эксплуатировались, т. к. более совершенных агрегатов на то время попросту не было. На сегодняшний день КПД тепловых двигателей, конечно, гораздо выше, например, дизельный двигатель (рис. может иметь КПД до 40%, что является очень неплохим показателем. Паровая турбина (рис. 9) может достигать еще более оптимального значения КПД в 60%, на сегодняшний день это наилучший показатель среди всех видов тепловых двигателей.

Рис. 8. Дизельный двигатель

Рис. 9. Современная паровая турбина. (Источник)

В конце занятия следует отметить очень важную тенденцию в развитии современного двигателестроения. Как мы видели, основные принципы работы тепловых двигателей уже давно открыты и получены эффективные технологии их изготовления, но возникает проблема экологичности их использования. Поскольку все тепловые двигатели потребляют топливо, то от них неизбежно возникают вредные выбросы в окружающую среду. Так вот одной из основных задач науки и техники в этой области является минимизация нанесения вреда окружающему нас миру от продуктов деятельности подобных устройств.

Тепловые двигатели на сегодняшний день уже являются объектами прошлого, и на первый план выходят двигатели иного принципа работы, о них мы поговорим в будущем.

На следующем уроке мы займемся решением задач по теме «КПД».

Список литературы

1. Генденштейн Л. Э, Кайдалов А. Б., Кожевников В. Б. Физика 8 / Под ред. Орлова В. А., Ройзена И. И. – М.: Мнемозина.
2. Перышкин А. В. Физика 8. – М.: Дрофа, 2010.
3. Фадеева А. А., Засов А. В., Киселев Д. Ф. Физика 8. – М.: Просвещение.

Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

1. Кафедра теоретической физики (Источник).
2. Классная физика (Источник).
3. YouTube (Источник).

Домашнее задание

1. Стр. 56: вопросы № 1–3; стр. 57: вопросы № 1–4, задание № 5. Перышкин А. В. Физика 8. – М.: Дрофа, 2010.
2. Каков КПД теплового двигателя, который совершил полезную работу 70 кДж, если при полном сгорании топлива выделилась бы энергия 200 кДж?
3. При сгорании топлива в тепловом двигателе выделилось количество теплоты 200 кДж, а холодильнику передано количество теплоты 120 кДж. Каков КПД теплового двигателя?
4. Автомобиль прошел 100 км со средней скоростью 40 км/ч. При этом он израсходовал 8 л бензина. Какую среднюю мощность развивал двигатель автомобиля, если его КПД 30%?

Эксплуатация турбодизеля

Поскольку именно дизельные агрегаты являются основными «потребителями» по отношению к оснащению турбонаддувом, соответственно разберем ряд правил, которые нужно соблюдать во избежание неприятностей. Сегодня у многих автолюбителей в распоряжении личные транспортные средства с турбиной.

Правда далеко не каждый владелец знает, как правильно следует эксплуатировать подобный агрегат. Какой бы лучшим агрегат ни был бы, неправильная его эксплуатация сведет на нет все старания разработчиков.

Масло

В отношении любого силового агрегата масляное голодание противопоказано и особенно это относится к системе турбонаддува. У жидкого расходника здесь особенная роль — смазать подшипники (скольжения и качения), которые входят в состав турбокомпрессора. При снижении уровня масла эти элементы не получают необходимое количество смазки, что в результате заканчивается быстрым их износом.

По этой причине следует регулярно проверять, сколько масла для дизельных двигателей с турбонаддувом находится в картере. При необходимости восполнять потери. Помимо этого, нужно выяснить причину падения уровня расходника. И если этому имеет место нужно как можно скорее устранить причину.

Кроме того, раз уж нашлись средства на покупку автомобиля, оснащенного турбодизельной установкой, не следует скупиться на приобретении надежного масла. Любителям экономить на всем стоит вспомнить народную мудрость — скупой платит дважды!

Роль моторного масла для дизелей с турбиной нам уже известна. Соответственно приобретать дешевое масло, которое уже заведомо низкого качества, не стоит. В этом случае турбокомпрессор заранее обрекается на медленные мучения.

Следует учитывать один важный момент — те масла, которые рассчитаны на турбированные агрегаты немного отличаются по составу от обычных аналогов. Это обусловлено тем, что они подвергаются куда большим нагрузкам и температурным воздействиям. Также не рекомендовано смешивать масла с разной вязкостью. К примеру, нельзя лить 5w-30, когда ранее была залита смазка 10w-40.

Качество топлива

Турбина дизельного мотора отличается чувствительностью не только к качеству маслу, но и самого топлива. Если оно заведомо низкое, это грозит засорением топливной системы, что может закончиться чрезмерно низким давлением турбонаддува. В результате падает мощность силовой установки.

Чтобы восполнить потери турбина вынуждена работать в предельном режиме. А это сокращает ресурс агрегата. В соответствии с этим, рекомендуется заправлять свои турбированные автомобили только на тех, заправочных станциях, к которым есть доверие.

Холостые обороты

Неписаное правило для турбированного двигателя — избегать работы в режиме холостого хода больше чем на полчаса. Этого времени хватает, чтобы произошло засорение турбины. Также нельзя исключать вероятность подсоса масла непосредственно в цилиндры. А это отрицательно образом сказывается на всей цилиндропоршневой группе (ЦПГ).

Однако в том случае, когда приходится держать мотор на холостых оборотах большую часть времени, нужно держать их в пределе от 1200 до 1600 об./мин.

Своевременное ТО

Особенности эксплуатации дизельных двигателей с турбонаддувом подразумевают и это правило. А его следует придерживаться не только владельцам машин с турбиной, всех остальных это тоже касается. В частности необходимо регулярно менять моторное масло и фильтры в соответствии с регламентом производителей.

А поскольку турбированный агрегат работает в более тяжелых условиях, нежели обычные атмосферные аналоги, то сроки прохождения ТО будут короче. Иными словами «сильный» дизельный мотор чаще нуждается в замене масла и прочих расходниках.

Глушение мотора

Речь идет о том, чтобы не глушить двигатель сразу же после остановки машины. В первую очередь это касается тех владельцев автомобилей, у которых моторы не оснащены системой «Start&Stop». Объяснение этому простое — после того как турбодизельный агрегат будет остановлен, крыльчатки турбины еще будут продолжать вращаться, однако масла для смазки подшипников уже меньше.

В результате ротор вместе с подшипниками перегреваются, что ведет к скорому их износу. В связи с этим, после запланированной остановки нужно выждать какое-то время, прежде чем глушить двигатель. 5 минут будет достаточно для охлаждения турбины.

Основные неисправности — признаки и причины

Сразу стоит оговориться, что основная причина поломок — это несвоевременное техническое обслуживание агрегата, его рекомендуется проводить минимум один раз в год. Следующая причина — низкое качество масла, либо его несвоевременная замена. Третья — попадание в устройство посторонних предметов (например, мелких камушков). Наконец, четвёртая — банальный износ отдельных компонентов турбины, ведь у каждого оборудования есть свой срок эксплуатации. Теперь опишем признаки, которые могут говорить о неисправности.

Чёрный дым из выхлопной трубы. Топливо сгорает в интеркулере или нагнетающей магистрали. Скорее всего — неисправность системы управления.

Сизый дым. Возможно, из-за нарушения герметизации турбины масло просачивается в камеру сгорания.

Белый дым. Сливной маслопровод загрязнился, потребуется его чистка.

Повышенный расход топлива. Воздух не доходит до компрессора.

Увеличен расход масла. Нужно проверить стыки патрубков — возможно, нарушена герметичность.

Уменьшение динамики разгона. Скорее всего вышла из строя система управления, из-за чего возник недостаток кислорода.

Посторонний свист, скрежет или шумы. Это может быть изменение зазора ротора, дефект в корпусе, утечка воздуха между двигателем и турбиной, либо загрязнение маслопровода.

Всегда нужно соблюдать правила эксплуатации агрегата — это снизит вероятность появления поломки и продлит срок службы устройства. Следует придерживаться нескольких простых правил:

• следите за качеством топлива и масла;
• не забывайте вовремя менять масло и фильтры;
• начинайте движение только после того, как движок прогреется;
• после прекращения движения нужно дать мотору поработать на холостых, а не сразу его выключать.

И, конечно же, следует регулярно проходить ТО.

Турбонагнетатели: плюсы и минусы

Принцип действия обычных компрессоров, которые приводятся в движение ременной или кривошипно-шатунной передачей в том, что устройство и принцип действия таких устройств потребляют энергию двигателя. На двигатель создается дополнительная нагрузка.

Турбонагнетатели используют дармовую энергию. Такой принцип действия почти идеальный, так как отработанные газы попросту выбрасываются, а здесь они еще служат приводом ротора и сидящих на нем колес.

Турбонаддув может получить развивать мощность до 300 лс с одного литра объема.
Двигатель с установленным турбонагнетателем (турбонаддувом) может развивать мощность на 40% больше, чем ДВС без него. К тому же, турбированные движки намного экономичнее. У ДВС без турбонагнетателя низкий КПД из-за потери на трение и низкой тепловой эффективности.

Соответственно, при увеличении объема двигателя без турбированного наддува, коэффициент полезного действия еще ниже. Турбированные моторы с малым объемом эффективнее ДВС с большим объемом.

Недостатки турбонагнетателей

При эксплуатации этого устройства появляется, так называемый, эффект турбоямы. Так привод осуществляется без механического соединения с валом двигателя, а за счет физического воздействия газов, то иногда появляется несоответствие в работе турбонаддвува и самого двигателя. То есть, мощность, которую задает водитель нажатием на педаль газа не соответствует мощности компрессора. Такие проблемы в работе составных устройств мотора можно выявить, если делать диагностику авто через ноутбук.

У турбонагнетателей есть еще такие недостатки, которые присущи обычным компрессорам. Чтобы их работа была максимально эффективной, они должны вращаться на максимальной скорости. К тому же, при таком режиме работы температура некоторых деталей доходит до 1000 С, также есть сложность в смазке и отведении тепла.
Высокие температуры уменьшают качество смазки и создают очень горячий поток входящего воздуха. Охлаждение нагнетаемого воздуха — острый вопрос.
Для обеспечения эффективного охлаждения подбирается интеркулер с особой тщательностью по данным режима работы устройства.

В конструкции устройства турбонагнетателя, как и любом другом нагнетающем устройстве, должен быть вмонтирован спускной клапан (стравливающий избыточное давление). С турбиной немного сложнее. В турбине, помимо, отслеживания избыточного давления наддува нужно еще перепускать отработанные газы, чтобы обеспечить снижения излишнего давления во впускном коллекторе для исключения образования чрезмерно высокой скорости вращения ротора при больших оборотах ДВС.

Для увеличения ресурса эксплуатации турбонаддува, турбине надо дать остыть на холостом режиме работы мотора после работы на очень высоких оборотах. Достаточно дать поработать на холостых оборотах несколько минут, затем мотор можно заглушить.

Для удобства водителям, создан специальный турботаймер. Турботаймер — электронное устройство, которое после выключения замка зажигания, позволяет мотору еще некоторое время работать, чтобы эксплуатировать турбонагнетатель в щадящем режиме и не сломать его. Его можно запрограммировать на определенное время или сделать, чтобы работал в зависимости от температуры нагрева двигателя.
Если турботаймера нет, то водителю надо самостоятельно ждать несколько минут на холостом ходу и не глушить мотор сразу.

Принцип работы газотурбинного двигателя

Газотурбинный двигатель (ГТД) представляет собой разновидность теплового двигателя, в конструкции которого имеются лопаточные машины. Особенностью работы является то, что превращение энергии горящего топлива в механическую работу происходит в нем непрерывно.

В ГТД составные части рабочего цикла, включающего сжатие воздуха, отвод теплоты к рабочему телу и расширение, разобщены между собой и протекают в разных местах.

Газотурбинный двигатель может быть использован в качестве теплового двигателя на газотурбовозах и самолетах.

Газотурбинный двигатель может работать на любом виде и сорте топлива (жидкое, твердое и газообразное).

На сегодняшний день известно много конструкций и схем ГТД, отличающихся друг от друга следующими параметрами:

• условиями сжигания топлива — с внутренним и внешним сжиганием;

• использованием рабочего тела в круговом процессе — разомкнутые и замкнутые системы;

• количеством валов — одновальные, двух- и многовальные.

Рис. 2. Принципиальная схема одновального газотурбинного двигателя:

1 — корпус газовой турбины; 2 — рабочее колесо газовой турбины; 3 — топливный насос; 4 — свободный вал; 5— воздушный компрессор; 6 — воздухозаборное устройство воздушного компрессора; 7— электрическая свеча зажигания; 8— камера сгорания; 9 — направляющий аппарат; 10 — газоотвод; II — потребитель мощности; 12 — пусковой двигатель

В установках СПГГ обычно используется низкосортное топливо. Турбина работает на газе с относительно невысокой температурой (500… 600 °С), поэтому для изготовления лопаток может быть использован менее жаропрочный материал. КПД таких установок достигает 35 %, однако они имеют увеличенную массу и габариты по сравнению с дизелями с газотурбинным наддувом.

Экономичность работы ГГД можно улучшить за счет повышения температуры газов перед турбиной, использования многовальных систем, применения регенерации и утилизации теплоты уходящих газов (например, для отопления и кондиционирования воздуха в вагонах), применения промежуточного охлаждения воздуха при сжатии и промежуточного подвода теплоты к газу при его расширении. Обеспечение этих мероприятий требует применения жаропрочных сталей для лопаток турбины, использования металлокерамических материалов, воздушного охлаждения части турбины. При этом КГТД действующих установок повышается до 33… 40 %.

Существуют проектные разработки и попытки создания локомотивных газотурбинных двигателей на твердом или пылевидном топливе.

Газотурбинная установка компактна, обладает малой массой на единицу мощности, не содержит деталей с возвратно-поступательным движением, которое приводит к более быстрому износу двигателя, отличается малыми затратами на содержание оборудования. Она может работать без потребления воды, в ней легко полная автоматизация процессов, имеется реальная возможность для сжигания в камере сгорания различных видов топлива, а также имеет относительно постоянный вращающий момент на валу отбора мощности.

Особенность ГТД, применяемых в авиации, является то, что энергия сгорания топлива преобразуется в энергию истечения газов, которые с большой скоростью через выпускную систему ГТД выбрасываются в атмосферу. Тяга при работе этих двигателей возникает за счет разности количеств движения (произведения массы на скорость), выходящего из выпускной системы газовоздушного потока и входящего в приемное устройство ГТД воздуха. Тяга направлена при этом в сторону, противоположную направлению истечения газов, т. е. является реактивной. Нетрудно представить себе, что для увеличения тяги реактивного двигателя необходимо увеличить разность количеств движения, т. е. на выходе из ГТД произведение массы на скорость должно значительно превышать такую же величину на входе. Решению этой задачи служат все элементы конструкции ГТД.

Существуют три типа газотурбинных двигателей: турбореактивные, турбореактивные двухконтурные и турбовинтовые. Рассмотрим принцип работы каждого типа двигателя.

Турбированный мотор: достоинства и недостатки

Популярность турбодвигателей вызвана их преимуществами перед обычными, заключающимися в:

• увеличении мощности до 30% и уменьшении расхода топлива (турбомотор будет потреблять меньше горючего, нежели ДВС аналогичной мощности, но без турбины);
• уменьшении загрязнения окружающей среды;
• лучшем соотношении веса агрегата к развиваемой мощности;
• более тихой работе механизма;
• возможности оптимизировать другие параметры двигателя.

Однако есть и свои минусы:

• требовательность к качеству масла и бензина, что в конечном итоге повышает расходы на эксплуатацию авто;
• сложный ремонт, требующий применения специального оборудования, выполнить который своими силами маловероятно. Нередко турбина и вовсе оказывается непригодной к ремонту, а её полная замена заметно ударяет по кошельку автовладельца.

Коротко о нем

Источники

1. ↑
2. ↑
3. Авиационный турбовинтовой двигатель НК-12МВ серии 4. Книга I. Техническое описание. Москва, «Машиностроение», 1966
4. Lehto, Steve. Chrysler’s turbine car: the rise and fall of Detroit’s coolest creation. — Chicago, IL: Chicago Review press, 2010. — 228 p. — ISBN 9781569765494.

Как работает турбина?

Завораживающее слово «ТУРБО», для многих мальчишек это просто предел мечтаний – некоторые так и хотят прокачать свою ПРИОРУ и «лихачить» по городу. Однако чтобы тюнинговать свой автомобиль, нужно знать устройство турбины.

Итак – основная задача, этого аппарата нагнетать в двигатель как можно больше воздуха. Я бы даже сказал нагнетать с силой!

Для чего это делается – как мы уже поговорили сверху, поршни приводятся в движение за счет сжигания воздушно – топливной смеси, которая поступает в цилиндры. Чем больше ее поступило, чем больше мощность может развить силовой агрегат. Сам мотор может засосать ограниченное количество воздуха – вот бы было хорошо, если бы кто-то его туда закачал в большем объеме!

И этим как раз и занимается турбина. Она раскручивается до безумных значений, порядка 200 – 240 000 оборотов в минуту. И под давлением подает максимально много воздушной смеси в цилиндры двигателя. Это означает что при одинаковом объеме, можно сжигать намного больше этой смеси, что напрямую передается и мощности!

Если взять строение турбины – то здесь можно выделить две крыльчатки.

Первая вращается от давления отработанных газов, которые идут через глушитель, к ней жестко подсоединен вал.

Вторая крыльчатка, также сидит на валу, только с другой стороны и ей передается это вращение. Она начинает засасывать воздух (если хотите как пылесос), и под давлением нагнетать его в двигатель.

Вал, на котором сидят две крыльчатки (условно назовем их «горячая» и «холодная»), имеет подшипники, которые смазываются маслом двигателя (помимо смазывания, оно забирает и лишнюю температуру), чтобы масло не уходило в отсеки с крыльчатками, за подшипниками есть специальные изоляторы, которые тормозят его расход.

Как видите принцип работы очень простой. Если все же не поняли, посмотрите мое видео с разъяснением.

Заключение